生物医学工程基础期末总结教学教材

什么是生物医学工程？是运用现代自然科学和工程技术的原理和方法，从工程学角度，在多层次上研究生物体特别是人体的结构、功能和其他生命现象，研究用于防病、治病、人体功能辅助及卫生保健的人工材料、制品、装置和系统的工程原理的科学。

生物医学工程学的研究内容？生物力学，生物材料学，人工器官，生物医学图像技术，生物医学电子，生物医学信号检测，生物医学信号处理，生物医学测量，物理因子的生物效应及治疗作用，生物系统的建模与控制，医用仪表仪器，中医工程，生化工程，医学信息管理控制系统。

生物力学有哪些内容？①以人（高等哺乳动物）的生命活动为核心的生物力学——生物力学的主体。

②绿色植物的生物力学。

③生物技术与生物化学工程中的流体力学问题。

④动物的运动。

生物力学的力学基础？①运动和力（牛顿三定律）②刚体力学在生物力学中的应用③连续介质力学基础④生物流体力学基础。

硬组织，软组织，血管和关节软骨的力学性质有哪些表现？硬组织：（1）干骨变脆（无塑性变形）；（2）骨的应变很小，0.004~0.012；（3）在比例极限以下，密质骨可以看作是胡克弹性体：应力=E*应变，E为杨氏模量。

软组织：软组织力学性质的共同性：在生理范围内，各种软组织都有应力—应变滞后环、应力松驰和蠕变现象，因而都是粘弹性材料，而且是高度非线性的。

软组织力学性质的区别：在无损伤条件下的各软组织的最大应变各不相同。

超出各自的应变范围，组织将屈服而被破坏。

血管：无规律性结论。

关节软骨：关节软骨是由少量细胞，固相基质和间质液（主要是水占75%）组成的。

[亦是多孔复合材料，（胶原纤维65%+蛋白聚糖25%+糖蛋白10%）。

]在应力作用下，液体可在基质中流出或流进，因此软骨的力学性质随基质内液体含量的多少而变化。

另外，环境化学条件（液体中的离子浓度等）对关节软骨的力学性质也有影响。

红细胞特性，功能，易变性原因？①红细胞的几何形状：φ5－8μm ②红细胞沉降——血沉，静息时因重力而沉降，红细胞沉降与红细胞聚集伴生。

③红细胞的可变形性（1）红细胞聚集→血浆生物化学性质改变，是血液流变性质的一个重要参数；（2）红细胞可变形性是血液流变性质的另一个重要参数。

红细胞的功能：把机体组织细胞代谢活动所必需的O2输送到机体各组织和器官，同时带走代谢的产物CO2，并在肺内排出CO2，吸取O2，从而使生命活动维持。

易变性原因：结构：红细胞无细胞核，由细胞膜和细胞质（主要是血红蛋白）构成。

质中的血红蛋白是晶体，且为液晶。

因此，红细胞的变形主要决定于细胞膜的力学性质。

形态：双凹碟形是O2扩散的最佳形状，红细胞膜很薄，弯曲刚度比抗张能力低得多，双凹碟形旋转体的表面具有许多可贴曲面，可以变为种种可贴曲面而不撕裂、不拉伸或折叠。

白细胞的力学性质？血液在学管理流动时白细胞流变性为？白细胞的力学性质1.静息状态下白细胞的粘弹性（弹性系数k，粘性系数μ）（1）温度变化（9-40︒C）时，k不变，μ随T↑而减小；（2）pH值变化时（5.4-8.4），pH ↑可使μ↑；（3）渗透压增大时，k和μ均以指数形式增长。

2.能动状态下，白细胞的力学性质能动状态下，白细胞会自动变形生出原足，原足呈片状，被细胞膜包围，但足内只有细胞质，无细胞器。

白细胞在微血管里的流变行为1. 在微血管流动中白细胞与红细胞的相互作用——白细胞的趋边性。

白细胞体积大，刚度大，呈球形，其运动阻力比红细胞大，运动速度低于红细胞，这使得白细胞向管壁偏移，即“趋边性”。

2. 白细胞的粘附——白细胞与血管内皮细胞的相互作用趋边的白细胞有可能粘附于血管壁，与血管内皮细胞相互作用而形成一个共同接触区。

实验表明，白细胞粘附常发生于微静脉血管中。

一旦粘附发生，微血管有效通道面积减少，血流阻力将显著增大。

3. 白细胞在毛细血管里的运动由于白细胞呈球形，直径大于红细胞，且刚度较大，故白细胞变形而进入毛细血管所需时间约为同样流动条件下红细胞所需时间的1000-2000倍。

血小板的生物学性质有哪些表现？粘附反应——血小板粘附于血管壁或其它异物的特性。

变形反应——当血小板从静息状态变为活化状态时，形状将发生急剧变化。

释放反应——活化了的血小板释放出它所含的物质。

聚集反应——活化了的血小板能通过相互作用而聚集成团的特性。

简述多普勒超声波法测量血液流动速度的原理？为了检查心脏、血管的运动状态，了解血液流动速度，可以通过发射超声来实现。

由于血管内的血液是流动的物体，所以超声波振源与相对运动的血液间就产生多普勒效应。

血管向着超声源运动时，反射波的波长被压缩，因而频率增加。

血管离开声源运动时，反射波的波长变长，因而在单位时间里频率减少。

反射波频率增加或减少的量，是与血液流动速度成正比，从而就可根据超声波的频移量，测定血液的流速。

我们知道血管内血流速度和血液流量，它对心血管的疾病诊断具有一定的价值，特别是对循环过程中供氧情况，闭锁能力，有无紊流，血管粥样硬化等均能提供有价值的诊断信息。

“听觉灵敏”的两层含义：（1）作为频率分辨器官，耳对于频率具有高度灵敏的鉴别能力；（2）对振动幅度亦具有高度灵敏的鉴别能力。

应力的存在人体器官的生物学行为受影响实例？心脏肥大——血容量增大引起心室容量增大；血压增高引起心肌增厚及心肌纤维变粗；肺重建——去掉一叶肺，它会组织增生直到与切除前的重量差不多；血管重建——供氧量变化，血管（管径、外周平滑肌等）随之变化；生物医用材料的定义？发展历程？是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾病等医疗、保健领域，而对人体组织、血液不致产生不良影响的材料。

起步很早，进入20世纪，高分子材料的应用使其发展迅速，近20年，生物医用材料及其制品飞速发展并成为21世纪国际经济的支柱之一。

生物医用材料研究的内容？1. 生物体生理环境、组织结构、器官生理功能及其替代方法的研究；2. 具有特种生理功能的生物医学材料的合成、改性、加工成型以及材料的特种生理功能与其结构关系的研究；3. 材料与生物体的细胞、组织、血液、体液、免疫、内分泌等生理系统的相互作用以及减少材料毒副作用的对策研究；4. 材料灭菌、消毒、医用安全性评价方法与标准以及医用材料与制品生产管理与国家管理法规的研究。

●材料制备和工艺优化●材料的组成、理化性能和微观结构研究●材料和生物体的相互作用–血液反应组织反应免疫反应●材料－生物体界面研究–化学结合界面接触界面纤维包裹界面等●材料在生物体内的代谢产物和途径。

–放射性元素失踪法●材料的生物学评价生物医用材料的分类方法及其相关类别？1. 按材料组成和性质分：（1）医用金属材料，如：Ti→人工关节、血管支架等；（2）医用高分子材料，如：硅橡胶→导管等；（3）生物陶瓷材料，如HA→人工牙等；（4）生物医学复合材料；（5）天然生物材料，如牛心胞→人心瓣；（6）杂化材料，如：肝素+金属，酶+高分子等。

2. 按用途分：（1）骨、牙、关节、肌腱等骨骼-肌肉系统修复材料和替换材料；（2）皮肤、乳房、食道、呼吸道、膀胱等软组织材料；（3）人工心脏瓣膜、血管、心血管内插管等心血管系统材料；（4）血液净化膜、分离膜、气体选择性透过膜、角膜接触镜等医用膜材料；（5）组织粘合剂、缝线材料；（6）药物释放载体材料；（7）临床诊断及生物传感器材料；（8）齿科材料等。

3. 按材料在生理环境中的生物化学反应水平分：（1）近于惰性的生物医学材料；（2）生物活性材料；（3）可生物降解和吸收的生物材料。

4. 按医用材料来源分类：（1）人体自身组织：皮肤移植、静脉搭桥等。

（2）同种器官与组织：尸体角膜再移植（3）异种同类器官与组织：猪肾→人、牛、猪心瓣→人等。

（4）天然生物材料的提取与改性：动物皮、胃胶原提取处理成缝合线；（5）合成材料：硅橡胶→人工心瓣；聚氨酯→人工心脏；四氟乙烯→人工血管等；5. 按医用材料的使用要求分类：（1）非植入性材料和制品：如一次性注射器、手术器具等；（2）植入性材料和制品：如人工关节、人工肾、人工角膜等；（3）血液接触性材料与制品：如人工心瓣、血管支架、人工血管等；（4）降解和吸收性材料与制品：如手术缝合线等；（5）其它：如诊断用固定化酶载体等。

人体生理环境包括那些范畴？骨骼，牙齿，软骨，皮肤，肌腱，血管，皮肤，体液。

阐述生物医用材料与人体的相互作用情况？生物医用材料的性能要求？1. 溶出物及可渗出物含量低，如SS 不渗出金属元素等→致使炎症；2. 生物稳定性，如高分子导管不老化；3. 机械物理性能；4. 成型加工性能；5. 灭菌性能。

金属——可用于多种灭菌方法；高分子——灭菌方法要选择适当。

6．生物相容性，化学稳定性血小板血栓凝血系统激活纤溶系统激活溶血反应Leukopenia(一次性白血球减少)……………… 补体系统激活 抗原—抗体反应(体液性免疫) 免疫细胞的激活（细胞性免疫）………………炎症反应细胞粘附细胞增殖形成伪内膜细胞质转变组织反应 免疫反应 材料反应 血液反应 生物反应 物理性质的变化 化学性质的变化材料与生物何谓灭菌、消毒，异同？灭菌：指杀灭物品中的一切微生物的过程。

包括：病原菌和非病原菌。

如：细菌、芽胞，真菌、病毒等消毒：指杀灭（破坏）非芽胞型和增殖状态的致微生物过程。

灭菌能达到消毒的目的，而消毒则达不到灭菌的要求。

如：消毒不能杀灭芽胞、肝炎病毒等。

有机生物材料进入人体后，其哪些特征会影响到组织的生物学行为？简述有机生物材料的应用？定义：用于修复损坏或发生病变而失去功能的人体组织和器官、以及在医疗诊断和治疗中使用的天然或合成的高分子材料，称有机生物材料，亦称高分子生物医学材料。

对高分子材料而言，影响组织生物学行为的有以下几个方面：（1）高分子材料中的杂质如残留单体、添加剂等，不仅会加速材料本身在体内的老化，而且会加剧组织的生物学反应。

（2）物理力学性能高分子材料的硬度、弹性等应与周围组织尽可能匹配。

（3）形状高分子材料的植入形状对癌症产生的影响较大。

大体积薄片出现的可能性比在薄片上穿大空时高出一倍左右；而当植入材料为海绵状、纤维状和粉末状时，几乎不产生肿瘤。

（4）表面的形状结构粗糙、不均匀的表面会加剧其周围组织的反应。

（5）高分子材料本体的化学结构主要影响其在体内的老化稳定性，而对其组织生物学反应的影响不明显。

（6）材料表面的分子结构与性质高分子材料表面与蛋白质等生物大分子及细胞之间的相互作用是产生组织生物学反应的本质所在，也是生物医用高分子研究的重要内容。

应用：人工食管，聚乙烯。

简述无机生物材料的种类、特点、应用？分类：生物医用金属材料，生物医用无机非金属材料。

特点：生物医用金属材料：金属毒性，耐生理腐蚀性，力学性能（足够的强度与塑性，适宜的弹性模量，力学相容性、金属与骨的界面结合问题（活化后可改善）），耐磨性，易加工成型性能。