仿生材料在人体器官领域的应用

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1、《生物材料与人体仿生》结课论文姓名：学号：学院：专业：仿生材料在人体器官领域的应用人体仿生，顾名思义就是对于人体的有些不可治愈的疾病，通过生物材料的研制，应用于人体，使人们的命得以延长。应用生物学和工程学的原理，对生物材料、生物所特有的物新品种的功能，定向地组建成具有特定性状的综合性的科学技术。生物工程学是20世纪70年代初，在分子生物学、细胞生物学等的基础上发展起来的，包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等，他们互相联系，其中以基因工程为基础。只有通过基因工程对生物进行改造，才有可能按人类的

2、生物产品。愿望生产出更多更好的仿生材料或生物材料与工业材料的最大区别是在生理环境下使用。移植在生物体内的仿生材料，除了能达到补钙的目的以外，对周围组织和血液不应该有不良的影响，即应具有生物相容性。另外，植入人体的仿生材料应有足够的力学性能，不能发生脆性破裂、疲劳断裂及腐蚀破坏等，即应具有力学相容性仿生材料的一个重要应用领域就是生物医用材料。生物医用材料要求具有安全无毒性、组织相容性、血液相容性和一定的机械强度等性能，而这些都是天然生物材料所特有所以从材料的角度来研宂天然生物材料的结构和性质，再对其

3、模仿，进行仿生设计，研发仿生材料，这将为高品质生物医用材料的制造开辟新的途径。用于组织修复与替代的仿生骨、仿生皮肤、仿生肌腱和仿生血管。进入21世纪以来，随着机器人开发的不断深入以及人们对智能机械系统的强烈需求，作为机器人和智能机械系统驱动关键的人工肌肉已成为仿生领域的研究重点。电活性聚合物驱动器具有应变高、柔软性好、质轻、无噪声等特点，与肌肉有着极为相似的特性，甚至在一些方面的性能己经超过了肌肉，被公认为是最合适的仿肌肉材料，称之为人工肌肉。近二十年来，在电活性聚合物驱动材料方面取得的研究进展使

4、得仿生的人工肌肉研究得以飞速发展。离子肌肉种类繁多，但总体说来离子能量效率相对较低，即便是在最佳条件下还不到30%，而一些电子肌肉却可以达到80%。尽管如此离子肌肉却有其不可替代的优势:响应电压可以低至1〜7V，而电子肌肉则每微米厚需要数十甚至上百伏特的电压;离子肌肉更胜一筹的是，它能产生弯曲运动，而不仅仅是伸展或收缩。离子型人工肌肉产生驱动的方式是体系中离子的移动。施加电场促使离子和溶剂移动，离子进入和离开的聚合物区域便发生膨胀和收缩。当然离子运动的前提是必须处于电离状态，所以一般须使体系保持液

5、体状态。但是，随着技术的发展，离子人工肌肉必须在液体环境下工作这一限制将会被打破。除人工肌肉外，生物材料还被应用于其他方面。目前临床应用的人造血管主要为涤纶和膨体聚四氟乙烯两种。膨体聚四氟乙烯的组织相容性极佳，与自体组织切实“融”为一体，手感柔软而富有弹性，还非常牢固，不会被拉长或被撕裂。迄今为止世界上膨体聚四氟乙烯植火手术，尚未发生对该材料的过敏及排斥反应。美国莱斯大学已开发出一种新型聚氨酯材料，可用于直径小于平常水平的在生理状态下，这种聚氨酯材料可以释放一定的人造血管，一氧化氮可以防止血液的凝

6、结皮肤是人体与外界的一道屏障，非常好的保护了人体组织和器官不受外界细菌的侵害，同时有很好的通透性，控制水分挥发，维持体温，并且帮助人体排出代谢废物。皮肤自上而下分别为表皮层、真皮层和皮下组织，在表皮层和真皮层之间是极薄的基膜。表皮属于上皮组织，主要由角质化的细胞构成；真皮属于结缔组织，胶原纤维是真皮的主要成分，在纤维间隙中充满着白蛋白、球蛋白、粘蛋白等；位于表皮和真皮间的基膜组成十分复杂，其中包括IV型胶原、非胶原蛋白以及蛋白糖等。在皮肤中还分布着毛囊、神经、血管和汗腺等附属组织通过结构和功能仿生

7、，制备天然皮肤修复与替代材料，其实际就是目前非常热门的仿生组织工程皮肤。从材料科学与工程的观点来看，人体组织可视为细胞与细胞外基质的天然复合材料。随着组织工程的发展，对生物医用材料提出了新的挑战，不仅要求生物材料要具有生物安全性和生物相容性外，还希望其植入人体后能诱发目标细胞粘连、增殖、分化，以及血管、神经的长入等。这意味着组织工程材料仿生化。笔者预见，循着仿生材料的基本思路，仿生组织工程皮肤的发展大概要经历三代：第一代是单层（表皮层或真皮层）皮肤修复与替代材料；第二代是双层皮肤修复与替代材料；第

8、三代则应该是具有毛囊、汗腺等附属部件的肤复合材料。此外，许多科学家已从生物高分子材料或合成高分子材料中制造出了一二十种人造皮肤。他们把这些材料纺织成带微细孔眼的皮片，上面还盖着薄薄的、模仿“表皮”的制品。如今，科学家已研制出多种人工真皮，如透明质酸膜、聚乳酸膜等，可诱导自体的组织细胞生长，形成新的结构规则的真皮样组织，从而重建真皮层仿生“智能”骨基质材料是前沿课题。有人设计了一种两亲性多肽”，可以0组装成纳米纤维，矿化生成的HA纳米晶体的C轴与纤维长轴一致，与天然骨高度相似并能通过