生物医学工程概论——复习课

生物医学工程概论——复习课天津工业大学张雯一、生物医学工程概述TianjinPolytechnicUniversity1.1生物医学工程的定义1.2生物医学工程的研究内容与基本任务1.3生物医学工程学科的特点TianjinPolytechnicUniversity1.1生物医学工程的定义WhatisBiomedicalEngineering(BME)?边缘交叉科学(Interdisciplinary)综合：生物学、医学、工程学的理论和方法；近几十年内建立与发展。TianjinPolytechnicUniversity应用物理学和工程学的技术来解决生命系统中的问题，突出强调人类疾病的诊断、治疗和预防。一般定义TianjinPolytechnicUniversity生物医学工程的目标几乎所有工程学和物理学都可与生物医学相互结合探索人类正常生理学表征组织与器官的病变机理给出研究和技术开发的最佳手段提供治疗与预防的有效方法TianjinPolytechnicUniversity1.2生物医学工程研究内容和基本任务基本任务生物医学工程学的基本任务是运用工程技术手段，研究和解决生物学和医学中的有关问题。研究方法生物医学工程学以应用基础性研究为主，研究的对象是人体(一个多层次的庞大系统)，所涉及的领域十分广泛，并在不断的扩展之中。TianjinPolytechnicUniversity目前涉及较多的学科医学、生物学、物理学、化学、力学、材料学、制造学、电子学、计算机科学等……1.3生物医学工程学科的特点生物医学工程的特点新兴、综合、交叉与边缘科学TianjinPolytechnicUniversity主要研究领域生物力学生物材料学系统生物建模与仿真物理因子在治疗中应用及生物学效应生物医学信号与传感器生物医学信息处理医学图像技术人工器官各研究领域既相互独立，又相互交叉，相互支撑TianjinPolytechnicUniversity研究生物体和力学有关的问题的学科主要内容:利用力学的基本原理和方法，结合生理学、医学和生物学来研究生物体特别是人体功能、生长、消亡及运动的规律。应用生物力学的研究成果，指导人工关节、人工心脏瓣膜等人工器官的设计。生物力学TianjinPolytechnicUniversity研究用以治疗或替换机体内的组织、器官或增强其功能的材料，以及这些材料与生物体之间的相互作用的学科。主要分为——医用合成或天然高分子材料、医用金属材料、医学陶瓷，医用复合材料等类。生物材料TianjinPolytechnicUniversity生物系统建模对生物的细胞、器官和整体各个层次的行为、参数及其关系建立数学模型的工作，最终希望用数学的形式表达出来。建模的目的——是更好地了解生物系统的行为及规律，为生物控制奠定基础。生物系统建模与仿真TianjinPolytechnicUniversity生物系统的仿真用电子计算机求解生物系统的数学模型以分析和预测各种条件下生物系统运行机制和状态的工作。TianjinPolytechnicUniversity生物医学信号检测：对生物体中包含的生命现象、状态、性质及变量和成分等信息的信号进行检测和量化的技术。生物医学传感器：获取各种生物信息并将其转换成易于测量和处理的信号的器件，是生物医学信号检测的关键技术。生物医学信号检测与传感器TianjinPolytechnicUniversity生物医学信号——一般都是伴随着噪声和干扰的信号……信号中无用成份亦应视为检测中的干扰。生物信息处理技术：研究从被检测的湮没在干扰和噪声中的生物医学信号中提取有用的生物医学信息的方法。生物医学信号处理TianjinPolytechnicUniversity对已获得的医学图像进行分析、识别、分割、解释、分类以及作三维重建与显示，其目的——是把获得的医学图像的某些部分增强，或提取某些特征，为医生提供感兴趣的信息。成像与图像处理技术有时是结合成一体的。图像处理:TianjinPolytechnicUniversity当人体器官病伤而不能用常规方法医治时，有可能给病人使用一种人工制造的装置来部分或全部替代病损的自然器官，以补偿、替代或修复自然器官的功能，这样的器件或装置称为人工器官。人工器官二.生物医用材料TianjinPolytechnicUniversity2.1定义及内涵2.2基本性能要求2.3分类方法TianjinPolytechnicUniversity2.1生物医学材料的定义－－其定义随科学技术的发展而演变（1）生物材料(Biomaterials)：“植入活体内或与活体结合而设计的与活体系统不起药物反应的惰性物质”－－1960‘s，ClemsonUniv.,USA随着生物材料的发展，该定义已明显不适应生物材料的功能与范畴的飞速发展。－－－载药生物材料、生物活性材料TianjinPolytechnicUniversity生物医用材料一般定义：对生物体进行诊断、治疗和置换损坏组织、器官或增进其功能的材料。TianjinPolytechnicUniversity2.2生物医学材料的基本性能要求A、生物功能性(Biofunctionability)B、生物相容性(Biocompatibility)C、生物安全性(BiologicalSafety)TianjinPolytechnicUniversityA、生物医学材料的生物功能性生物医学材料的生物功能性——生物医学材料在植入后行使功能的能力，或为执行功能，其自身和植入位置应当满足的适当的物理化学要求。生物医学材料能否有效行使功能，除与其自身物理化学性质相关外，还和其所处的生物环境相关。TianjinPolytechnicUniversityB、生物医学材料的生物相容性生物相容性——生命体组织与非生命材料产生合乎要求的反应(生物学行为)的一种性能，决定于材料与活体间的相互作用。TianjinPolytechnicUniversityB、生物医学材料的生物相容性材料与活体间相互作用宿主反应材料反应生物材料的生物相容性评价应该分为两个方面TianjinPolytechnicUniversityB、生物医学材料的生物相容性（1）宿主反应——生物体对生物材料的响应即材料对机体系统的作用包括局部和全身反应，其结果导致对机体的毒副作用和机体对材料的排斥。炎症、细胞毒性、溶血、刺激性、致敏、致癌、致诱变、致畸、免疫反应等。TianjinPolytechnicUniversityB、生物医学材料的生物相容性材料的生物相容性与其使用的环境和条件密切相关：与血液直接接触的材料主要考察其与血液的相互作用，称为血液相容性与肌肉、骨骼、皮肤等长期接触材料的生物相容性，称为组织相容性TianjinPolytechnicUniversityB、生物医学材料的生物相容性主要来自生物环境对材料的腐蚀和降解，可能使材料性质腐蚀变化，甚至破坏。金属腐蚀聚合物降解磨损（2）材料反应——材料在生物体内的响应TianjinPolytechnicUniversityC、生物医学材料的生物安全性采用生物学方法检测材料对受体的毒副作用，从而预测该材料在医学实际应用中的安全性。包括：材料对受体局部组织；血液和整体的反应；对受体的遗传效应等。TianjinPolytechnicUniversityC、生物医学材料的生物安全性目前已有的标准有：1、ISO10993.1－1992至ISO10993.12－1992；2、美国ASTM（F748－82）标准；3、我国在美国和日本的基础上，1997年由卫生部颁布了我们自己的标准。TianjinPolytechnicUniversity2.3生物医学材料的分类A、按材料化学组份划分B、按材料来源划分C、按使用要求划分D、按应用部位及功能划分TianjinPolytechnicUniversityA、按材料化学组份划分(1)、无机生物医学材料(2)、金属及合金生物医学材料(3)、高分子生物医学材料(4)、复合生物医学材料(5)、生物功能材料TianjinPolytechnicUniversityA、按材料化学组份划分生物功能材料(BiologicallyFunctionalMaterials)采用物理或化学的方法将生物活性分子如酶、抗体、抗原、多糖类、酯类、药物及细胞等固定在材料表面或内部，构成具有生理功能的生物医学材料。TianjinPolytechnicUniversity1、自体材料2、同种异体器官及组织；3、异体器官及组织；4、人工合成材料；5、天然材料B、按材料来源分类：TianjinPolytechnicUniversityC、按照使用要求分为：植入与非植入材料血液接触材料一次性使用材料与重复使用材料生物活性与生物惰性材料生物降解材料与非生物降解材料等TianjinPolytechnicUniversityD、按材料应用部位及功能划分硬组织材料软组织材料心血管材料血液代用材料齿科材料分离、过滤材料膜透析材料…………TianjinPolytechnicUniversity生物医用材料的研究和发展方向主要为：(1)改进和发展生物医用材料的生物相容性评价（2）研究新的降解材料（3）研究具有全面生理功能的人工器官和组织材料（4）研究新的药物载体材料（5）材料表面改性的研究三.生物降解高分子材料TianjinPolytechnicUniversity•3.1简述生物降解高分子材料•3.2生物降解高分子材料的制备及应用TianjinPolytechnicUniversity•3.1简述生物降解高分子材料♫15世纪美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品。♫1870年，美国人Hyatt用硝化纤维素和樟脑制得的“赛璐珞”塑料，是有划时代意义的一种人造高分子材料。♫1907年出现合成高分子酚醛树脂，标志着人类应用合成高分子材料的开始TianjinPolytechnicUniversity•3.1简述生物降解高分子材料♫1932年，HermannStaudinger总结了自己的大分子理论，出版了划时代的巨著《高分子有机化合物》成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志，高分子学科出现。♫1956年，Szwarc提出“活性聚合”概念，高分子进入分子设计时代。♫1970年以后，高分子合成新技术不断涌现，高分子新材料层出不穷。•产生有害气体•造成二次污染•占用大量土地；•造成土壤恶化。•难度大；•成本高。焚烧？填埋？★高分子材料使用废弃后，如何处理？回收再利用？CO、CO2、SO2、NH3、CH4、HCN、HCl、等。TianjinPolytechnicUniversity高分子材料的降解性.概念——聚合物的降解反应是指聚合物分子链在机械力、热、高能辐射、超声波或化学反应等的作用下，分裂成较小聚合度产物的反应过程。TianjinPolytechnicUniversity氧化降解热降解机械降解光降解化学降解生物降解降解类型高分子材料的降解类型生物降解塑料生物可降解塑料可以在细菌、酶和微生物的侵入、吸收及破坏下产生分子链的断裂，从而达到降解、崩溃的结果。生物降解塑料有两种不同的降解方式:一种称为生物降解，主要是由微生物的作用使塑料分子链断裂；另一种称为生物崩溃，虽然也是微生物或细菌的作用，但塑料的降解过程表现为整体的崩溃，是一种突变过程。生物降解塑料TianjinPolytechnicUniversityA.在环境领域中的应用（1）淀粉基生物降解材料目前淀粉填充塑料多用淀粉与PE、PVC、PP和PS等高聚物共混，通过挤塑、模压、注塑、发泡等方法制得。但是，填充型材料不能完全降解！原因：淀粉分子含有大量羟基，分子间及分子内氢键作用很强，从而导致其分解温度低于熔融温度，热塑性差，较难通过传统塑料机械来进行热塑性成型加工。•3.2生物降解高分子材料的制备及应用TianjinPolytechnicUniversity（2）淀粉基完全降解生物材料现行常用的对淀粉