人工器官及其关键材料
四 具有各种功能的高分子材料
材料的性能是指材料对外场作用（如力、热、光、电、磁等）产生响应的状态，诸如热胀冷缩、受力变形、加热沸腾、冷却结晶等。而功能一词对材料的意义是指输入信号后物质产生某种质或量的变化而输出另一种信号的性质。例如，压力致电、加热释电、光致变色、吸波隐身等。所以功能高分子材料是指由高分子制成的具有某种特性的材料。
20世纪60年代所建立的较完善的高分子科学理论为功能高分子的发展提供了基础，而航天技术、电子技术和生物工程技术的需要，则为功能高分子材料的研制提供了原动力。当前具有特殊功能的高分子已成为许多高新技术赖以发展的重要材料。这些高分子包括：具有光、电等物理性能的功能高分子（如高分子压电体和驻极体、感光树脂、光致导电高分子、高分子电解质、导电高分子等）；具有分离功能的高分子（如离子交换树脂、离子交换膜和中空纤维膜等）；高分子试剂及催化剂（如氧化剂、还原剂、卤化剂、酰化剂、缩合剂以及催化水解、酯化、加氢的催化剂等）；高分子药物（如高分子维生素、高分子抗癌药、抗凝血高分子等）；仿生高分子（如模拟酶）。
1．感光高分子
在光的作用下能迅速发生光化学反应，产生物理或化学变化的高聚物称为感光性高分子。这类高分子已广泛地应用于印刷、电子、涂料等工业。例如在印刷工业中，感光树脂印刷版可代替传统的铅字印刷版。在大规模集成电路芯片中使用光刻胶、电子束胶可以在1～2cm2的面积上刻蚀成复杂的微形电路。印刷工业上应用的交联型的聚乙烯醇酸酯，在光照时交联为不溶解的产物，在溶剂冲洗时将保留下来，即得到印刷用的凸版。另一类感光高分子为光解型的光刻胶。将能吸收光能而分解的邻重氮醌通过化学键接到线型酚醛树脂链上，在光作用下重氮醌发生光解，用水显影时，图像即被保留，这是一种正性光刻胶，当用电子束曝光时，分辨率可高达0．01μm，是精密印刷所依靠的重要材料。
光致变色高分子是另一类有特殊用途的感光性高分子。在丙烯酸类高分子侧链上引人硫代缩氨基脲基团，在光照时由于分子内发生互变异构变化，从而呈现不同颜色，当光照停止时又恢复原来的颜色，或者用不同的波长照射，可出现不同的颜色。这类光致变色高分子在军事上是很好的伪装隐形材料，也可用在动态图像中储存信息。作为激光、电焊光、强烈阳光等强光照射下的护目镜，可以使眼睛免受伤害。作为玻璃窗的涂料，则可以自动调节室内光线，并美化了建筑物。
2．压电高分子
压电效应是指对电介质施加应力时，产生与应力成正比的极化，称正压电效应，反过来，当施加电场时则产生与电场成反比的应变现象称逆压电效应。聚偏氟乙烯即为一典型的压电高分子。
随着研究的深入开展，通过聚偏氟乙烯与三氟乙烯或四氟乙烯共聚，又获得了压电性能更好的高分子。这类压电高分子是最早获得实际应用的功能高分子，在声学、电学、光学及医学中得到广泛应用，例如，作为音频换能器可制作各种麦克风、扬声器、呼机和电话发送器；作为电机械换能器用于今天广泛使用的电脑中的键盘、按触式电话盘、光学快关位移传感器以及体积小而轻巧的血压计等。在超声波诊断中，由聚偏氟乙烯－三氟乙烯制作的探头以其声学阻抗小，加工容易和超声波收敛性好而在医学诊断中发挥了重要作用。
此外，聚偏氟乙烯及聚偏氟乙烯—三氟乙烯还具有强的热电性，可用于制作红外热像仪，火灾报警器及外接触式的温度计等。
3．具有分离功能的高分子
物质的分离、纯化技术在化工、医药、环保等各方面有很重要的地位。人们一直在寻找比传统的萃取、蒸馏、过滤等更简单，能耗更低，而效率更高的方法，高分子离子交换树脂、膜和纤维以及各种聚合物分离膜的出现将分离技术推向一个新的局面，这些高分子材料以其选择性强、效率高、工艺简单、能耗低而成为分离技术的重要发展方向。离子交换树脂之所以能达到分离纯化的目的，是利用树脂上可离解的功能基（例如H＋）与溶液中的同电荷离子（如Na＋）发生交换，两种离子的浓度差是产生交换的动力。失去交换能力的离子交换树脂可以再生而重新使用。
离子交换树脂粉碎后在化学化工上用作各种无机和有机物质的分离，水的纯制，天然物质的提纯，在环保中用于各种废水处理，食品工业中用作各种食品的脱色、脱臭、去杂味和纯化等。例如，酒的去浑脱色；奶成分的分离、改性和脱盐；在冶金工业中用作各种贵重金属的分离提纯；在医学上用于人工肝、肾的灌血医疗；在农业上用于制作长效化肥。将离子交换树脂粉碎后与高分子黏合剂制成的离子交换膜可实现溶液中的离子与膜之间的离子传递，实现离子的选择性透过，其作用原理与离子交换不同，所以不必经过再生，在化工、医药、食品、冶金、造纸的工业部门获得应用。如在膜两边加直流电场实现电渗析，实现水的脱盐、淡化和离子分离等。由于离子交换膜可以选择性地让某种离子通过，它又是铅蓄电池、碱蓄电池、隔膜电池和浓差电池的理想材料，例如宇宙飞船中使用的燃料电池即由离子交换膜制成。
离子交换纤维是利用化学改性向天然纤维素引入带有酸性或碱性等离子基团制成的纤维，是生物化学上必需的试剂，并广泛地用于处理含有金属、有机物、色素的废水和贵重金属的回收。
中空纤维膜是分离功能高分子材料中的一个佼佼者。利用纤维素、醋酸纤维、尼龙、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜等高聚物仿制成的中空纤维，或者在它们的纤维壁多孔结构中引入离子交换树脂的中空纤维，可以黏结和组装成反渗透过滤器、超滤器、透析器和气体过滤器，它们在海水淡化，超纯水制备，人工肾制造，细菌病毒的分离消毒，生物碱、激素、抗菌素的分离浓缩以及H2、N2、CO、CH4等气体的分离富集等方面显示了独特优异的功能。肾病患者的血渗析应归功于中空纤维分离膜的功劳。电子工业和超大规模集成电路中所用到的超纯水，每毫升只允许3个以下细菌，只有依靠中空纤维超滤膜和反渗透膜来实现。采用分离膜法淡化海水较传统的蒸发法可以节约3/4的能源，使制水成本大大减小，所以近年来正逐步采用高分子分离膜技术淡化海水。
4．高分子试剂和高分子催化剂
高分子试剂是人们在高分子离子交换树脂的基础上萌发形成的一种产品，目的是想使功能化以后的高分子像普通试剂一样参加反应，而不是简单地进行离子交换。将有反应功能的一系列基团，如氧化还原基团、酸化基团、卤化基团等负载在高分子以后，可以使高分子载体在反应后与反应产物分离，简化产品的纯化精制过程并且在反应中可以起到分散和浓缩的效果，避免不必要的副反应或加快反应，而且通过高分子骨架的空间阻碍效应或极性效应使反应的选择性增加，可以进行一些特殊的反应。
高分子试剂的另外一个突出优点是可以再生，或在反应中可以重复使用。这些特性促使高分子科学家们在过去的几十年中对高分子反应试剂进行了大量深入的研究。其中最突出的例子是1983年诺贝尔化学奖的获得者利用高分子试剂进行固相反应人工合成肽（由酰胺基连接的氨基酸单元序列称多肽链，它们构成了蛋白质分子。对生物体内发生的各种复杂生物反应产生催化作用的酶也是蛋白质），仅用8天的时间就完成了过去用溶液法用一年的时间才能完成的合成。
高分子催化剂也是以高分子为载体的一种催化剂。将具有催化活性的基团接在高分子上所形成的催化剂有很多优点，如反应属非均相，有利于催化剂的回收；产物的纯度高；显著提高了催化剂的稳定性。
催化剂高分子化后的另一优点是提高了反应的选择性。例如对山梨醇甲酯进行1，4－双键加氢的反应中，使用苯乙烯－二乙烯共聚物与Cr（CO）6配位物为催化剂时，可以得到96%～98%的产物，并且副产物极少，减少了污染。
将有催化活性的酶固定在高分子上是高分子催化剂的又一发展。通过化学键合的办法，或者是通过包埋、微胶囊等办法固定在高分子载体上，可以耐受较高的温度和酸碱性的变化，并且便于工业上的生产。例如使用固定化的天冬氨酸酶催化剂由反式丁烯二酸制备L－天冬氨酸，可在常温常压下进行，而且产物全部为L型。而采用传统方法，需用丁二烯在高温下加压加氨，且产品为D型和L型的外消旋产物，还需将二者分离。现在，固定酶催化技术已用于生产果葡糖浆、低乳糖牛奶、顺丁烯二酸、丙烯酰胺等产品。
固定化酶的进一步发展是固定化细胞。其优越性是省去酶的提取工艺，便于连续化生产。20世纪80年代日本使用固定化增殖酵母连续发酵生产乙醇，发酵时间比常规发酵缩短好几倍，生产能力提高了20倍。这种高分子负载细胞技术已成为工业发酵的新方向。
5．生物医用高分子材料
人体器官能够人工制造吗？回答是肯定的。近年来，人工器官的研究取得了令人瞩目的成就，可以说现在除了大脑以外，几乎所有的人工器官都已取得进展，大部分人工器官已经成功地应用于临床治疗，取得了相当好的疗效。人工器官的发展给医学带来了巨大进步，可望逐步实现人类除大脑之外的所有患病器官都能用人工器官替代的愿望，到那个时候，人类的寿命将会大大延长。
人工器官与生物医学材料是分不开的，理想的人工器官首先得益于性能优良的生物医学材料。新一代材料的出现，必然会带来人工器官划时代的发展。
生物医学材料及其分类
生物医学材料又称为生物材料或医用材料。它是一类与人体组织、体液或血液相接触，具有人体器官和组织的功能或部分功能的材料。是制造人工器官、医疗装置和药物的物质基础。
生物医学材料的发展经历了漫长的历史。古代人就知道用天然材料治病和修复创伤。公元前3500年古埃及人用棉花纤维和马鬃缝合伤口；在公元前2500年中国和埃及的墓葬中发理有假牙、假鼻和假耳。人类很早就开始用黄金修补牙齿，并且一直沿用至今；1936年发明了有机玻璃，并很快被用于制作假牙和人工骨；1943年纤维素薄膜首次用于血液透析，即人工肾；特别是20世纪60年代以后，各种具有特殊功能的高分子材料不断涌现出来，为人工器官领域的研究提供了性能优异的新型材料，如制作人工心脏用的聚氨酯和硅橡胶，以及人工肾的中空纤维等，促进了医学和人工器官的飞速发展。同时，人工器官的发展又不断对合成材料工业提出各种新的要求，反过来极大地推动了生物医学材料的发展。现在越来越多的从事高分子科学的研究人员开始把研究方向转移到医用高分子方面，使得以高分子材料为主的生物医学材料开始成为一个新兴的工业，新的生物医学材料更是日新月异，丰富多彩。
1．生物医学材料的分类
根据材料的用途，可分为以下几种。
（1）硬组织材料，主要用作骨科和齿科材料。
（2）软组织材料，眼科材料以及一些填充和修复材料。
（3）吸附分离材料，用于人工肾、肝、肺的膜材料和吸附剂材料。
（4）心血管材料和人工血液材料。
（5）组织黏合剂和缝合线材料。
（6）用作药物和药物载体的材料。
（7）一次性使用的医用材料，如纱布、橡皮膏、注射器、输液器等。
此外，根据其他分类方法，生物医学材料还可以分为：天然材料与合成材料；金属材料、非金属材料（生物陶瓷、羟基磷灰石等）和有机高分子材料；植入材料和非植入材料。
2．对生物医学材料的要求
由于生物医学材料植入人体或与人体器官、组织接触，必然产生物理的、力学的、化学的作用。只有这些变化和作用控制在人体可以接受的限度内才能使用。材料与人体的相互适应性，我们称之为生物相容性。任何生物医学材料在使用前，都要对它的各项性能以及生物相容性进行严格的系统性测定，合格后才能投入临床使用。
（1）耐生物老化性。对于长期植入的材料，要求生物稳定性好，在体内环境中不发生降解。对于短期植入材料，要求在一定时间内完全降解为无毒小分子，通过代谢排出体外。
（2）物理和力学性能好。即强度、弹性、几何形状、耐磨性、耐曲挠疲劳性等。例如用作骨科的材料要求有很好的强度和弹性。牙齿材料需要高硬度和耐磨性，能够承受长期的、数以亿万次的收缩和挠曲，而不发生老化和断裂。
（3）便于消毒和灭菌，易于加工，价格适当。
（4）生物相容性好。即无毒，无热源反应，不致癌，不致畸，不过敏反应，不干扰免疫系统，不破坏相邻组织，不发生材料表面钙化沉着，血液相容性好（即不发生凝血、溶血，不破坏血小板，不改变血蛋白，不扰乱电解质平衡）。
人造硬组织材料
1．牙科材料
我们知道，人都在儿童时期换一次牙，成年以后，牙齿就不会再生了，破损的牙齿只能用人工材料修复和替换。作为牙科材料，要求具有足够的强度，耐磨损，不变型，无毒无味，还具有理想的与牙齿一致的颜色和透明度。
从用途上分，牙科材料可分为：牙托材料、牙齿材料和黏合剂材料；用的主要材料有聚甲基丙烯酸甲脂自凝塑胶，丙烯酸系复合树脂，银汞合金，牙水泥，紫外光固化丙烯酸脂类涂料等。
（1）牙托材料。牙托的功能是固定牙齿，同时能舒适地安放在口腔的肌肉组织上。最常用的牙托材料是聚甲基丙烯酸甲酯等高分子材料。先用石膏做成模子，灌入原料后固化成型。要求牙托材料与牙齿材料有很好的相似和亲和性，使得人工牙齿与牙托能牢固的结合，不产生松动和脱落。另外牙托与口腔软组织接触性好，二者和谐舒适。其次牙托材料符合美观要求。
（2）牙齿材料。牙汞齐（即银汞合金）是最早使用的牙齿材料，现在正逐渐被由无机材料和高分子材料构成的复合材料所代替。复合材料可以减少在补牙固化过程中的体积收缩，避免松动和裂缝，同时提高了耐磨性。无机材料主要是磨碎的石英或玻璃微粒。最近四川大学研制出了羟菇磷灰石直径为0．5～1．0mm的多孔颗粒，强度特别高。这种材料的优点是，在使用中高分子材料可以扩散到孔隙中，使得复合材料结合牢固，与牙托的结合性也好。另外，牙齿的主要成分也是羟基磷灰石，这使得复合材料与牙齿组织有很好的相容性，填充牙洞后，可以很好地与周围牙组织生长在一起，在防止裂缝、松动，以及牙齿继续龋化方面，优于其他牙齿材料。
（3）黏合剂材料（牙水泥）。无论是假牙还是填充材料，都需要黏合剂把它们与牙托或周围牙组织牢固地黏结。牙水泥主要是磷酸锌和含有磷酸基团的甲基丙烯酸衍生物，能与牙齿材料相互浸透、缠结，并且与牙齿很好地相容共生，黏结牢固，不留空隙，能防止孔洞继续断裂和腐蚀。因为牙齿中含磷，这是选择含磷黏合剂的原因。但是，从目前的应用来看，牙水泥的黏合性还不太令人满意，牢固性和耐久性还有待提高。
（4）种植牙。种植牙是一项新兴的技术，现在已经发展成为一门新兴学科，即种植学。种植牙的方法是，首先切开、掀起牙龈，露出牙槽骨，然后在牙槽骨上钻孔，并旋入钛制的空心螺钉，最后缝合牙龈。半年后，螺钉与牙槽骨牢固地结合在一起。重新切开牙龈，露出螺钉，把带有螺钉的假牙旋入空心螺钉，这样，假牙与牙槽骨通过螺钉，结合地非常牢固。种植牙从外观与周围牙齿无异，所以，比普通的镶牙更美观，舒适，而且味觉也好，现在正在逐渐得到推广和普及。
牙科材料的应用和研究已经取得了很大的进展，将来的发展方向是，研究软组织黏合材料，把假牙、牙托直接黏合到口腔肌肉组织上，这样假牙将更加美观、舒适，而且，手术更简单，费用也低。
2．骨科材料
当骨骼受损时，需要用人工材料进行修复和替代。作为骨科材料，要求具有与骨骼相似的力学性质，如强度、弹性等。所以只有金属、陶瓷和一些高效工程塑料能用来制作人工骨。其中陶瓷主要是羟基磷灰石、磷酸三钙和碳纤维，三者与骨骼成分相似，材料植入人体后能够与骨组织生长结合在一起。
人工骨植入时需要固定，机械的方法是钻孔，用钉子固定，这是比较落后的方法。理想的方法是使用高分子黏合剂，即骨水泥。骨水泥主要是聚丙烯酸系列，骨水泥与陶瓷等颗粒混合后，注入修复部位，并自动固化。固化后的人工骨通过骨水泥与相邻的骨骼和肌肉组织很好地结合在一起。骨水泥的性能越好，修复后的骨骼强度越高，而且不易裂缝和分离。在关节部位，骨水泥在人工骨末端形成柔韧的高分子中间层，不仅滑润、耐磨，而且缓冲关节之间的冲击，并有一定上下移动、转动的余地。
在后来的研究中，逐渐发展了生物降解骨水泥，它的特点是使用生物降解高分子材料，骨水泥只是短时间内起黏结固定作用。随着骨骼组织的生长，骨水泥逐渐分解消失，生长的骨组织细胞浸入陶瓷颗粒的孔隙中，使人工骨与天然骨互相融合，不再需要的骨水泥降解后不影响骨骼生长和强度。目前比较好的一种生物降解骨水泥是聚丙交酯和羟基磷灰石的复合材料，用作骨填充材料，20个星期后发现聚丙交酯完全消失，羟基磷灰石长成了骨骼。
目前更先进的一种骨科材料是诱导成骨高分子材料。科学家们从骨组织中分离出一种被称为骨形成蛋白的物质，它与骨的生长有关。在实验中把这种骨形成蛋白植入小鼠的腿部肌肉中，7天后开始形成软骨，21天后形成层状骨，并产生骨髓。这对治疗骨骼缺陷是非常有意义的。北京钢铁研究院的四泰公司在这方面取得了重大成果。他们已经进行了一些临床实验，其中一次成功地治疗了一名驼背患者。为了使患者挺直上身，需要在胸部增加骨骼，把胸部支撑起来。经过手术，先用其他材料在胸内起支撑作用，然后放入骨形成蛋白，不久就长成了所要求的一定形状的骨骼，疗效很好。在最初的研究中，使用非降解材料做成支撑物，当骨骼达到足够强度后，再经过手术取出。进一步的研究则使用生物降解型材料做支撑物，随着新骨的形成，支撑物逐渐降解，被人体吸收。在这方面熟石膏是一种理想材料。把骨形成蛋白与熟石膏制成复合物，植入体内，两个星期后形成软骨，6个星期后基本成形。
特种生物医学材料
1．生物降解材料
生物降解材料是一类能够在体内分解的材料，分解产物可以被吸收、代谢，最终排出体外。在生物医学材料方面，它的用途很广。比如体内固定用的螺钉，手术缝合线，药物载体，还有前面提到的骨水泥、骨形成蛋白支撑物等。这些材料在器官修复中只起暂时的作用，随着使命的完成而逐渐分解消失，在体内设有保留和副作用。
常用的生物降解材料有：明胶、多糖类（甲壳素、海藻酸钠、交联淀粉等）、聚酯、聚乙醇酸、聚α－羟基酸及其衍生物，以及磷酸钙、羟基磷灰石和熟石膏等无机材料。在应用中，材料的降解速度和可吸收性是最关键的。可以根据不同需要，选择降解速度合适的材料，或通过对材料进行化学修饰以及使用复合材料，调节材料的降解速度，做到人为控制。降解材料的应用领域主要有以下几方面。
（1）手术缝合线。手术缝合线有吸收型和非吸收型两种，非吸收型用于体外伤口缝合，愈合后需要“拆线”。吸收型缝合线用于内部器官组织缝合，随着伤口的愈合，缝合线逐渐分解，被身体吸收和代谢。天然材料羊肠、胶原纤维、甲壳素纤维等具有很好的强度和生物相容性，所以常用作缝合线。不足之处是降解速度太快，伤口愈合不好，易导致破裂。现在逐渐被人工合成的可吸收缝合线代替。脂肪族聚酯和聚醚醣是比较理想的高分子材料，在强度和降解速度方面都符合要求。在应用中往往做成复合材料缝合线，可以满足不同要求。
（2）人工皮肤。当皮肤大面积烧伤或烫伤，而没有足够的皮肤移植时，就需要用人工皮肤覆盖创面，起保护作用，防止细菌感染。使用胶原、甲壳素，聚氨酯等生物降解材料做成的人工皮肤，有良好的生物相容性和通透性，随着新皮肤的生长，人工皮肤逐渐降解。
2．控释药物载体材料
把小分子药物以包埋或化学键联的方式，固定到可降解的高分子材料上，制成的药物可以通过扩散或随着高分子材料的降解，平缓地释放药物，达到人为控制药物释放的效果，提高了药物的使用效率，同时降低了药物的毒副作用。这类药物被称为控释药物。
（1）导弹药物。我们都知道导弹是能够自动导航的，能准确地定位并击中目标。现在科学家们发明了类似导弹的药物，实现了药物的定位释放。
普通药物经过口服或注射进入人体后，在治疗疾病的同时，也会对健康的组织和器官造成损害，即毒副作用。尤其是治疗癌症的化疗过程，毒副作用非常大。为了克服这个弊端，才产生了导弹药物。制备导弹药物的方法可以是把药物和铁化合物同时固定到高分子材料上，做成纳米级的微粒，即磁性毫微粒。这种纳米药物能够用注射的方式注入人体，在外加磁场的作用下，使磁性毫微粒到达并富集在疾病部位，能极大地提高治疗效果，降低毒副作用。
另一种制备导弹药物的方法是根据免疫学原理。现在对许多种肿瘤，可以制备出单克隆抗体。每一种肿瘤只与一种抗体具有专一识别作用，所以，把这种抗体与药物结合起来，或者把抗体、药物都固定到高分子材料上，制成纳米药物，通过抗体对肿瘤细胞的专一识别作用，药物被引导到肿瘤部位，实现定位释放。
导弹药物目前还在研究阶段，研究结果已展现了导向作用的重要性。相信不久的将来，导弹药物能够实现普及应用。
（2）缓释药物。对于药物来讲，药效的持续性。专一性和安全性是最重要的指标。每一种药物在血液中都存在一个最适宜的有效浓度。低于此浓度，疗效不佳，高于此浓度，毒副作用太大。控制在一定浓度范围是很难的，因为普通药物在口服或注射后，很快被吸收，进入血液，浓度达到最高。但是随即被分解、代谢，浓度又迅速降低。为了解决这个问题，科学家们研究出了缓释药物。把药物通过包埋或键联方式固定到高分子载体材料上，制成纳米药物。随着材料的降解，药物解离下来，或者药物从包埋材料中扩散出来，这样就减缓了药物的释放速度。对释放速度的控制，可以根据要求，选择不同性能的载体材料和固定方式来达到。缓释药物的优点是：药物以适宜的、均匀的速度释放，使血液中药物浓度保持在最有效浓度范围，提高了疗效和药物利用率，降低了副作用，大大减少了患者的用药次数。
缓释药物已经开始了广泛应用，例如人们熟知的“康泰克缓释胶囊”“早一粒、晚一粒”，就是利用了缓释作用，减少了服药次数。
（3）智能药物。智能药物是一种更先进的药物。它能根据人体内的变化和要求，自动调节并定时释放药效。比如糖尿病患者，发病时血糖含量很高，当注射胰岛素后，血糖含量就会降到正常水平。如果能把胰岛素固定到一种高分子材料上，制成纳米药物，并植入人体，在体内长期保留。这种材料对血糖敏感，血糖含量高时能够激发这种材料发生变化，使药物解离，释放出胰岛素。当血糖含量降低后，自动停止释放胰岛素。再比如人发烧时服用退烧药物，如果选用对温度敏感的高分子材料，固定退烧药物，并植入体内，当身体发烧时，这种智能药物就会受温度影响发生降解或与药物解离，释放出药物，将体温降到正常值。温度下降后，药物即停止释放。目前这种智能药物正在研究之中，它代表了高分子控释药物的发展方向。(https://www.daowen.com)
3．血液净化材料
血液是人体中最重要的体液，它通过在体内循环，为组织和器官输送氧气和营养物质，并携带出二氧化碳和代谢废物。血液在人体生命活动中起着至关重要的作用。
血液的组成成分是固定不变的，各组分的浓度维持一定水平。当人体某些器官发生病变时，会产生大量的、机体不能自己清除和排泄的物质，在血液中形成积累。外界的毒性物质也有可能通过皮肤、肺、肠胃等进入血液。这些物质不仅扰乱了血液的组成，增加了肝和肾的排泄负担，而且会严重毒害肝、肾等器官，造成肝衰竭、尿毒症等严重疾病。只有通过特殊手段，排除毒物，净化血液，才能恢复肝和肾的功能。
血液净化的方法分为血液透析、血液过滤、血浆置换和血液灌流四种类型。前三种是利用高分子膜材料进行分离清除，第四种是利用吸附剂进行吸附清除。下面分别予以叙述。
（1）血液透析材料。血液透析是目前应用最普遍的血液净化方法，占全部血液净化治疗的90%以上，是治疗肾衰竭的常规手段。血液透析可以使肾衰竭病人的生命延长20年以上，全世界每年实施血液透析3000万例，依靠血液透析维持生命的病人超过30万。
血液透析是通过透析膜的渗透作用实现的。血液在透析膜的一侧流过，在膜的另一侧，有透析液循环。由于膜两侧存在浓度差，所以血液中的代谢物，如尿素、肌酐，以及电解质等，通过扩散透过透析膜，进入透析液。在血液透析中，透析膜是起主导作用的，所以透析膜的材料和形状是最关键的。首先材料的强度要好，能够做成很薄的膜，而且不易破裂。膜上能够产生具有适当直径的微孔，完成透析作用。由于与血液接触，要求材料的血液相容性好。
用作透析膜的高分子材料有醋酸纤维素铜芬、聚丙烯腈、聚砜和它们的衍生物。在应用中，透析膜可以做成不同的形状。最初的形状是蟠管型，用铜芬或醋酸纤维素制成扁管，缠绕起来，血液从管内流动，管外走透析液。这种形状使血液流动阻力大，需要加压，已被淘汰。后来是平板型。一层一层的透析膜叠在一起，这种形状因为体积大、易感染，也日趋淘汰。近年来，平板型实现了小型化，而且一次性使用，逐渐受到欢迎。
由于血液透析只适合于清除血液中的小分子毒性物质，长期透析的结果，造成血液中中分子物质（即相对分子质量1000～10000）的积累，需要研制出更先进的透析膜，使这种膜的孔径可以达到中分子物质的大小，从而可以通过透析，清除中分子物质。现在已经研制成功了这种膜，它的商品名为AN69，是丙烯腈与甲基丙烯酸钠的共聚物。适合于分离相对分子质量在1000～2000之间的中分子物质。其他类型的膜仍在研究中。
（2）血液过滤材料。血液过滤与血液透析不同的是，采用高分子膜作滤膜，对血液进行过滤。滤膜的截流相对分子质量一般为10000，所以，血液中的低相对分子质量和中相对分子质量代谢物以及水和电解质都能通过滤膜除去，而血液的其他成分，如血球、血小板，以及蛋白没有损失。过滤后的血液必须补充替代液，使血液成分恢复正常。血液过滤的方法能够有效的除去中分子物质，在这一方面优于血液透析，但是由于需要补充替代液，成本高，所以在应用方面不如血液透析普遍。
血液过滤使用的高分子膜孔径为30～60μm，远远大于透析膜，天然材料纤维素不易制得这么大的孔径，所以血液过滤膜主要是聚丙烯腈膜和聚砜膜。
（3）血浆置换材料。血浆置换法是通过离心分离或分离膜分离，使血浆与血球等分开，弃去血浆后再灌注健康的血浆。由于代谢物质和毒物都存在于血浆中，所以能够彻底除去，尤其是一些免疫性疾病，存在于血浆中的致病抗体及其复合物也一起被除去，能够有效地治愈这类疾病，而血液透析和血液过滤是没有这种疗效的。血浆置换的不足之处是需要大量血浆，成本非常高，而且容易发生输血性感染。最近的研究重点是，将分离后的血浆进行一系列分离、纯化，去掉杂质后，重新回到患者体内，如果能够成功，将是非常理想的。
血浆分离方法有机械离心法和高分子膜分离法。高分子膜主要是醋酸纤维素、聚乙烯、聚丙烯等材料，做成0．2～0．6μm的孔径。目前对血浆进行纯化的研究主要是依靠高分子膜进行分级，不同级分对应不同孔径的膜，而且要求孔径非常均一，这是很困难的，如果将来研制出优异的分离膜，将有助于实现血浆置换疗法中的血浆再利用问题。
类风湿关节炎是一种最常见的免疫性疾病，患者血液中含有高浓度的被称为类风湿因子的抗体，它是致病因素。为了清除这种抗体，科学家们进行了大量的筛选实验，寻找能与这种抗体识别和结合的物质，把这种物质固定到高分子材料上，制成类风湿关节炎血液灌流吸附剂。目前这方面的研究正处于动物实验阶段，不久将会用于临床治疗。这类吸附剂将是广大类风湿患者的一大福音。
另一个典型例子是系统性红斑狼疮。患者血液中抗DNA抗体浓度异常高，这是红斑狼疮的致病因素。患者主要是青年妇女，表现为皮肤红斑，关节炎，肾炎，全身肿痛，脱发，对光线过敏等，病因不明，药物治疗不佳，死亡率高。目前研制治疗这种疾病的免疫吸附剂，采用血液灌流治疗，是国内外研究的热点。因为致病抗体是抗DNA抗体，所以对应的抗原就是DNA。自1979年美国人特曼（Terman）首先把DNA包膜在活性炭上制成DNA免疫吸附剂，并成功地救治了一名严重红斑狼疮患者，开辟了这一研究领域的新纪元。此后以DNA为活性配基，把DNA以不同方式固定到不同的高分子材料上，研制出了各种各样的DNA免疫吸附剂。目前，国内惟一应用于临床的正式商品是南开大学分子生物学研究所研制的碳化树脂DNA免疫吸附剂。近两年来已临床应用100余例，有效率98%以上，救治了众多的危重患者。这种吸附剂不久将实现大批量生产，为广大红斑狼疮患者服务。
免疫吸附剂血液灌流疗法是目前治疗免疫性疾病的最有效的方法，但是它也存在一定的局限性。血液净化只能除去致病物质，不能从根本上去除致病根源，一段时间后，人体又会产生大量抗体，需要再次进行血液净化。现在正在研究的最新疗法是细胞清除法。抗体都是由淋巴细胞产生的，用特殊方法除去能产生致病抗体的淋巴细胞，再灌入健康的细胞，有希望从根本上治疗这类疾病。这种疗法有赖于优良的高分子膜材料和先进的分离方法，高度选择地清除某种细胞，这是今后血液净化疗法的研究方向。
人工器官及其关键材料
1．器官移植与人工器官
人工器官是20世纪医学科学的重大成就，是现代材料科学与工程技术推动医学发展的鲜明标志之一。它是根据人体的结构和功能，用生物医学材料模拟天然器官制造出来的机械装置，用来取代失去功能的人体器官。它可以帮助急性患者度过危险期，赢得宝贵的抢救时间，还可以取代无法治疗的病变或受损器官，长期补偿其生理功能。人工器官的发展给医学带来了巨大进步。到目前为止，已经研究成功和正在研究的人工器官有：人工心脏、人工肾、人工肝、人工肺、人工胰、人工眼、人工耳、人工舌、人工乳房、人工关节、人工骨、人工牙、人工血管、人工血液、人工喉、人工气管、人工食管、人工皮肤、人工膀胱等。可以说，现在除了大脑之外，几乎所有的人工器官都取得了相当好的研究进展和应用效果，可以预见，在不久的将来，人类将实现除了大脑之外，所有患病器官都能用人工器官代替的愿望。
人类治疗病损器官的一种方法是器官移植。使用人的或动物的相同器官，通过手术进行移植。到目前为止，临床治疗还是以这种器官移植为主，而且主要是移植人的器官，因为人工器官的研究还没有完善到具有天然器官的复杂和高级功能。尤其是像心脏、肺、胰、肝等主要器官。但是器官移植一直受到许多条件的限制，成功的器官移植是非常有限的。首先天然器官的来源极其困难，使用动物器官，由于不是同类，排斥性太大，人体无法接受。器官捐献者太少，而且，主要从尸体上移取，对移取和保存的技术要求非常高，否则器官将失活。其次器官移植后，由于不是自身的器官，必然产生排斥反应，引发器官坏死和败血症等导致患者死亡。患者只能依靠长期服用免疫抑制剂，抑制排斥反应。由于以上原因，器官移植很难普及。以心脏移植为例，全世界总共完成300多例，这个数目相对于心脏病患者的总数来说，太微乎其微了。据报道台湾曾有一例心脏移植，患者存活了4年，由于疏忽，停止服用抗排斥药，致使心脏坏死，引发败血症而死。正因为如此，人类对人工器官寄予了希望，下大力量进行研究。人工器官不存在来源和保存问题，选用优良的生物医学材料，可以减小排斥反应。随着人工器官研究的不断发展，人工器官的生理功能将不断完善和多功能化，接近天然器官并向小型化、植入化方向发展。
2．人工心脏
心脏病是发病率和死亡率最高的一种疾病。从“心脏”这个概念上也可以看出，心脏是人体最重要的器官。判断死亡的标准就是心脏是否停止跳动。由此可见，研究人工心脏的意义之大。
人工心脏分为完全人工心脏和人工心脏辅助装置，后者包括心室辅助泵、人工心脏瓣膜和人工心脏起搏器。如果心脏只是部分功能失去，就没有必要进行全心脏替换，而是用辅助装置代替。
（1）人工心脏起搏器。它是人工心脏辅助装置中研究得最成功、应用最多的一种。人的心脏就是一台泵，不停地工作，输出血液，维持全身血液循环。泵血是靠心房和心室的收缩实现的，如果心房和心室的协调性不好，或者心房不能向心室传导收缩信息，就会表现出心律不正常、心衰、骤停等症状。心脏起搏器的原理就是通过电流，以脉冲形式刺激心肌，使心脏按一定频率收缩。起搏器的主要组成是电池和电极，把这种起搏器埋藏在胸部肌肉、心肌或大静脉部位，由电极不断地发出脉冲电流，促使心脏有节律地收缩。起搏器有临时应急性的和永久使用的两种。起搏器最主要最关键的部分是电池，要求电池有最小的体积和最大的电量，有利于埋藏，并持续工作10年以上。现在最先进的电池是锂碘电池，临床使用已达数百万例。未来的心脏起搏器将是智能化的，且有计算机功能，根据遥测运算，调节心脏的运动，符合和满足人在不同情况下的需要。
（2）人工心脏瓣膜。心脏瓣膜是心脏的闸门，心脏收缩时，关闭房室瓣膜，动脉瓣膜打开，血液被挤入动脉。心脏扩张时，动脉瓣膜关闭，不使血液倒流，房室瓣膜打开，血液从心房流入心室。这种闸门的作用，保证了血流始终按同一方向循环，不发生倒流，所以心脏瓣膜的作用非常重要。如果心脏瓣膜先天异常或者因疾病损坏，无论它们是“打不开”或“关不上”，都威胁生命，必须进行更换。人工心脏瓣膜分机械瓣膜和生物瓣膜两种，前者由金属材料和纤维、涤纶等做成，后者是利用人或动物的瓣膜，经处理后，用金属架固定。人工心脏瓣膜是人工器官中能完全代替自然瓣膜，而且临床应用比较普及的一种人造器件，患者能正常生活多年，瓣膜异常后，可再次更换。尽管如此，人工心脏瓣膜仍然存在难以解决的致命弱点。机械瓣膜的抗凝血性能不好，容易发生栓塞，患者需要终身服用抗凝药物。现在国内外的研究热点就是如何降低机械瓣的栓塞率问题。而生物瓣膜，虽然相容性好，不易栓塞，但是耐久性差和容易钙化是生物瓣膜的最大缺陷，这也是今后研究的重点课题。
（3）完全人工心脏。完全人工心脏是机械心脏，应用时切除天然心脏，人工心脏代替天然心脏的全部功能。用聚氨酯材料做成囊状心室，驱动系统包括压缩装置、电源和空气。心室和驱动系统通过聚氨酯管连接，通过有规律的气体驱动，心室产生交替正压力和真空，从而有节律地收缩和舒张，驱动血液循环。完全人工心脏的研究还不太完善，到目前为止，只进行了为数不多的临床应用。短时间使用，等待天然心脏移植是可以的，还不能满足长期使用。尤其是制造人工心脏的高分子材料，要求具有高度的抗挠曲性，长期挠曲不产生疲劳裂痕。但是目前还没有如此优良的材料。最好的硅胶能维持一亿六千万次挠曲，聚醚型聚氨酯材料能维持一亿五千次挠曲，可是这也只相当于正常人4年的心跳总次数，所以仍是不太理想的材料。将来的发展方向是，包括能源和驱动控制系统在内的完全人工心脏实现小型化、植入化和长期化。
3．人工肾
人的肾脏实际就是一个血液过滤器，人体的代谢废物全部由血液运输到肾脏，肾脏负责选择性吸收和过滤，维持血液中各组分的浓度不变，多余的尿素、肌酐和一些无机盐随尿液排出。如果肾脏因疾病受到损伤，就会导致肾功能衰竭和尿毒症，严重危及生命。现在我国的肾病年发病率为几十万，只依靠肾脏移植是远远不够的，更多的治疗是通过血液净化装置，排除血液中的代谢废物或毒物。
人工肾是人工器官中研究得最早而又最成熟的人工器官，已实现广泛应用。目前人工肾大致分为三类：透析型、过滤型和灌流型。
（1）透析型人工肾。透析作用是通过透析膜实现的。透析时血液从患者体内引出，从透析膜一侧流过。在膜的另一侧，有透析溶液环。由于膜两侧存在浓度差，血液中的溶质通过扩散透过透析膜，由此除去过量代谢物、无机盐和水等。透析过程中，血液的有用成分也会损失，需要同时补充。透析膜孔径的大小决定透析的效果。对于尿素、肌酐等小分子，透析的效率很高，而对于相对分子质量较大的物质，由于扩散慢或根本不能透过透析膜，所以，透析型人工肾适合于清除低相对分子质量物质，主要用于治疗尿毒症和肾衰竭患者。现在血液透析已经非常普及，有的可以在家中实施透析。患者只需像输液一样躺在床上，血液经动脉引出，经过透析装置（即人工肾），再流回静脉。透析几个小时后，血液恢复正常，患者即可像正常人一样生活和工作，不需外科手术，没有痛苦。若干时间后，如果患者血液中尿素、肌酐等浓度再次升高，就需要再次透析。
（2）过滤型人工肾。血液经过高分子膜的过滤作用，可以除去其中的低相对分子质量和中相对分子质量的代谢物以及电解质和水等。过滤型人工肾的优点是对中相对分子质量物质的消除效率很好。但是，过滤会造成更多的血液有用成分流失，需要补充大量的置换液。
（3）灌流型人工肾。这种人工肾利用吸附剂的吸附作用，清除血液中的代谢物及毒物。主要适合于治疗药物中毒，如安眠药和农药中毒，以及类风湿关节炎、系统性红斑狼疮等免疫性疾病。
人工肾的研究经历了四个时代的发展。第一代人工肾是超大型，需要占用一间屋子。第二代人工肾有写字台大小，可以放在病床旁边。第三代人工肾为携带式。第四代为植入型人工肾。携带式和植入型人工肾的研究现在还没有完全成熟，而后者代表了人工肾的研究方向。
4．人工肝
肝脏是一个特别复杂的器官，按现在的科学水平，要研制一个长期使用的完全的人工肝是不可能的，所以通常把人工肝称为人工肝辅助装置，只是暂时的完成肝脏的部分功能。肝脏的特别之处是它的再生能力很强，肝脏因病变切除大部分，剩下的几分之一体积，仍然能够在2～3个月内，长成原来大小的肝脏。所以人工肝的作用只是暂时替代，等待肝脏再生或者肝脏移植。
形象地讲，肝脏就是一个化工厂，肝脏内部发生许多化学反应，完成物质的合成、分解、转化，把有毒物质分解为无毒物质，达到解毒目的。一旦因为疾病或其他原因，造成肝脏损伤，影响了这个“化工厂”的正常运行，使得大量的毒物不能分解，需要的物质不能合成，而毒物的积累进一步抑制了受损肝脏的再生，导致肝衰竭和肝昏迷。所以，利用人工肝清除毒物，为肝脏解围，有助于肝脏的再生恢复。
人工肝基本上分为两大类：非生物型人工肝和生物型人工肝。
（1）非生物型人工肝。这类人工肝与人工肾相同，实际上就是血液净化装置。通过血液净化，消除导致肝衰和肝昏迷的毒性物质，帮助患者度过危险期，等待肝再生或肝移植。非生物型人工肝采用的方法有以下几种。
（a）依靠活性炭或吸附树脂通过血液灌流方式吸附清除。
（b）通过血液透析和超滤，使用合适的分离膜除去中分子物质。
（c）通过血浆交换方式，用健康的血浆替代病人血浆。以上几种方法都已取得了很好的临床治疗效果。
（2）生物型人工肝。生物型人工肝就是利用人或动物的天然肝脏，在体外与人的动脉、静脉相连进行血液灌流。经研究发现，只有狒狒的肝脏与人的生物相容性好，有一定治疗效果。但是，肝脏来源受到限制。
新一代生物型人工肝是现在研究的热点。基本原理是从动物的肝脏上分离出肝细胞，然后把细胞包膜在微囊中，进行血液灌流。包膜的肝细胞仍具有活性，能发挥代谢功能，由于膜的屏蔽作用，没有排斥反应。另一种方式是，将肝细胞种植在高分子载体材料（如中空纤维主纲管）上，在一定条件下进行高密度培养，成为肝细胞固定化反应器。实验证明，这种人工肝不仅能够转化和清除体内的有毒代谢产物，而且能合成血浆蛋白及凝血因子，参与新陈代谢。它是目前很有应用希望的一种人工肝。
5．人工胰
糖尿病是一种常见病，发病率很高，我国的发病率约为1%，是一种很难治愈的疾病，死亡率仅次于血心管疾病和癌症，居第三位。经研究发现，因为胰腺发生病变，不能释放胰岛素，导致血液中葡萄糖含量增高，表现为糖尿病。服用或注射胰岛素，就可以降低血糖。从而胰岛素药物疗法一直到现在还是治疗糖尿病的主要方法。但是，这种疗法有它的不足之处。由于用药量不能严格按照生理需要给药，药量小，疗效不好，用药过量，则会导致严重的低血糖，同样危及生命。而且，容易引起并发症，导致死亡。
采用胰脏移植是可行的，但是存在排斥反应、器官来源等问题的限制，不能实现普及应用。
机械式人工胰就是模拟天然胰脏，由传感器系统随时测知血糖含量，把信息传给控制系统——计算机，经计算后，向胰岛素注射系统发出命令，根据生理需要，释放需要量的胰岛素。所以，人工胰由三部分构成，即传感器系统、控制系统和胰岛素释放系统。而开路人工胰没有传感器，剂量与速度需人工调节，或者根据预先设置的程序释放胰岛素。人工胰的研究经历了从大型到小型，从体外型到植入型的发展过程。目前体外型人工胰已用于临床，对糖尿病患者手术、分娩和糖尿病昏迷有急救治疗作用。但是由于体积大，使用不方便，难以推广。植入型人工胰无疑是最先进、最有前途的。但是由于微型传感器和能源的安全性、耐久性以及控制等存在难以解决的技术问题，现在仍在研究阶段，目前只有大型人工胰实现了应用。
以上是机械式人工胰。另外一种混合型（半生物）人工胰，是利用活性胰腺细胞对血糖的敏感反应和自动释放胰岛素的功能，从动物胰脏中分离出胰腺细胞，然后用海藻酸钠进行包囊，制成10～100μm大小的微囊并植入体内。由于高分子膜有一定的通透性，允许血糖、胰岛素和各种营养物质自由通过，但是抗体、蛋白质等大分子物质不能通过，所以也没有排斥反应。
这种混合型人工胰是现在研究的热点，也是今后人工胰的发展方向，目前还处于动物实验阶段。如果能找到最佳的高分子材料，彻底解决生物相容性、排斥性和抗凝血性，则是非常有希望的。
6．人工肺
肺是人的呼吸器官，吸进的氧气通过肺部毛细血管壁进入血液，而血液中的二氧化碳则由毛细血管壁进入肺泡，由口腔呼出。所以肺是氧和二氧化碳的交换器。人工肺就是根据这种原理设计的。人工肺基本上有以下两种类型。
第一种是血液与氧气直接接触型。血液流入人工肺，通过鼓泡和转动等方式，使血液与氧气充分接触，达到充分氧饱和，并交换二氧化碳，然后经过氧饱和的血液再流入人体。另一种类型的人工肺，血液与氧气不接触，而是通过半透膜相互交换，这与肺部毛细血管壁的作用是相同的。这两类人工肺都已经成功地应用于临床。目前使用较多的是第一类鼓泡式人工肺。因为它方便、廉价和一次性使用。不足之处是，由于血液与气体接触，不仅对血液成分有一定破坏，也容易产生栓塞。所以，逐渐被第二类即中空纤维型模式人工肺所代替。
新一代的人工肺是植入型人工肺，现在仍处于研究的初期。这类人工肺是用硅橡胶、聚四氟乙烯等高分子材料的毛细管，制成不同几何形状的人工肺。人工肺植入人体后，为了更好地完成气体交换，需要一台血泵作为驱动力。但是血泵和电源等装置的植入，必然给应用带来困难，也会产生一些副作用。所以科学家们尝试依靠心脏作为动力，这又会增加心脏的负担。1975年进行动物犬实验，2h后，实验犬全部因心脏衰竭和心肌损害而死。1977年经改进人工肺的毛细管结构和几何形状，大大降低了血液流过人工肺的阻力，减轻了心脏负担，动物实验结果为，实验犬存活8天以上。
这类人工肺无疑是最有希望的，但目前还处于研究阶段，需要解决材料的凝血、栓塞以及血液阻力、流动均匀、血气交换性能等问题，还有赖于临床专家、高分子化学家及气体传质工程专家的共同努力。相信不久的将来，植入型人工肺必然获得成功。
7．人工皮肤
皮肤是人体与外界的一道屏障，非常好地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。人体一旦因烧伤、烫伤或皮肤溃烂造成皮肤大面积受损，失去了保护屏障，极易受到细菌侵害，即使把患者保护在严格无菌的环境中，也难免造成感染、炎症和败血症等，严重危及生命。所以，当皮肤大面积受损时，必须进行植皮手术，而天然皮肤的移植同样受到来源和排斥性的限制。所以人工皮肤是治疗这类患者的主要手段。
早期的人工皮肤，是利用硅橡胶或聚氨酯等高分子膜，贴在伤处，只起到屏障作用。这类膜材料有一定的通透性，允许水分、无机盐和气体通过，而细菌不能侵入。所以能够暂时起到保护作用，等待自身皮肤的生长或天然皮肤移植。这类人工皮肤没有促进皮肤生长和伤口愈合的功能。后来发展的胶原膜和甲壳素膜，不仅有保护功能，而且还有促进组织生长的功能，生物相容性好，感觉上也舒服。
新一代的人工皮肤是一种杂化人工皮肤。在一定环境条件下，使人或动物的皮肤细胞，在高分子膜材料表面生长繁殖，形成一个皮肤细胞层。应用时，把这种人工皮肤覆盖在伤处，使细胞层接触伤口，细胞层便很快与伤口结合，能快速生出皮肤。据报道，瑞士科学家采用计算机控制培养器，把人体表皮细胞放在培养液中，每次培养出0．4m2的人工皮肤，已经治疗了几十名烧伤病人，效果很好，而且预计这种方法能用于美容手术。
8．人工假肢
假肢是帮助残疾人恢复自理生活能力和劳动能力的人工器官，古代的残疾人就懂得使用简单的假腿和假手，帮助行走并遮掩残疾。最初的假肢多为木材制作，后来发展为金属、轻型铝合金等。而近代高分子材料的发展，为假肢提供了优良的材料。随着电子工业和机械制造工业的发展，假肢的品种和类型越来越多，设计水平不断提高。最令人鼓舞的是假肢由原来的机械牵引型发展成为现在的肌电假肢。
要想理解肌电假肢的原理，首先需要知道人的动作是怎样产生的。人的大脑是中枢控制系统，如果想要身体做某个动作，大脑就会通过脊髓和神经系统，向有关部位的肌肉发出指令，这种指令是一种生物电脉冲，促使某块肌肉收缩，产生相应的动作。
科学家们受此启发，认识到在这过程中，大脑的意志通过神经和肌肉的传导，变成了具体的动作，如果能够把肌肉与假肢在电信号传导上连接起来，人的大脑就可以支配假肢了。具体的讲，就是利用残肢上残端的肌肉。例如假手，在腕部截肢，如果大脑要求手动作，它会发出指令，经过脊髓、神经、肌肉等传导，到达腕部。由于没有手，信号也就到腕部为止了。但是大脑的指令必然引起腕部肌肉的收缩，这种收缩可以人为地变成一种电信号，而这种信号经过电路系统的接收、放大和转换，可以用来控制假手的动作。同时假手上安装传感器，它产生的信号可以反馈给大脑，由大脑调整假手动作。
由此可见，肌电假肢的研究既复杂、有趣，又很有意义。肌电假肢的研究，最初开始于20世纪50年代，目前临床应用的假手还只能完成简单的几个动作，如端水杯、拿刀又、捏笔等。人手的运动有许多种，且非常灵活协调。它是由大量肌肉群协调工作，通过复杂的控制过程产生的。所以要使假肢达到真手的水平是不太可能的。
对于假肢的控制，除了采用肌电信号，还有人研制用声音信号控制假肢的运动。总之，随着科学的发展和对人体运动、控制过程的认识的深入，假手的功能将越来越接近于真正的手。
9．人工血液
血液的生理功能主要是运输氧和营养物质，帮助清除二氧化碳和代谢产物。血液成分很复杂，它还具有其他方面的生理功能。随着外科手术的进步，对血液的需求量越来越大。而血液来源越发不足，而且输血时要严格核对血型，稀有血型患者常常因为找不到合适的血液，而影响治疗。此外由于输血感染疾病的情况时有发生。
人工血液的研究经历了近50年的历史。最初科学家们合成血红蛋白的类似物，即钴和铁的络合物，由于稳定性差和载氧能力低而放弃。后来使用纯化的血红蛋白溶液。但是很快被肾排出，体内存留时间太短。而包囊红血球，由于材料和技术的原因，未能解决排斥反应，载氧能力也不好。直到20世纪60～70年代人类合成了全氟碳化合物，人工血液的研究才获得了重大突破。
在全氟碳化合物中加入聚氧乙烯、聚氧丙烯等，经超声波乳化成粒径小于或等于0．1μm的乳液，即成为人工血液。这种人工血液的载氧机理不是结合氧，而是对氧的溶解度大，约为水中氧的20倍。氧分压越大，对氧的溶解度成正比增加。所以临床应用时，患者吸入纯氧，才能保证最大限度地为体内器官和组织输送足够的氧气。全氟碳人工血液自1979年开始应用于临床，大量的临床数据表明它是一种安全有效的人工血液。近年来，随着人工血液的发展，新的氟碳化物不断面世，这类人工血液的性能也不断提高。全氟碳人工血液的不足之处是不易降解，代谢困难，而且稳定性不好，即使冷冻也不宜长期保存。应用时，患者需要呼入纯氧等等，给临床应用带来了困难。
目前，以修饰血红蛋白作为人工血液的研究，吸引了越来越多的科学工作者。基本方法是，对纯化的血红蛋白进行聚合和化学修饰，然后把它连到多糖类的大分子上。化学修饰的目的是提高血红蛋白的载氧和释放氧的能力，与大分子相连的结果，增大了血红蛋白的相对分子质量，不易被肾排出，可以长期稳定地循环。这方面的研究已开始进入临床实验阶段，可以预见，这种人工血液因为比全氟碳人工血液更接近人血，更有发展前景。到目前为止，我国还未系统开展这方面的研究工作。至少是还没有公开报道。
除了以上几种人工器官，还有人工血管、人工关节、人工肌腱、人工喉、人工耳、人工眼、人工食管、人工膀胱等，都已经成功地应用于临床治疗，并且不断的成熟和完善，在此不再一一叙述。总之，人工器官不单是医学上的研究成果，而是现代先进的科学技术在医学上的综合反映和创作结晶，它涉及生物、化学、物理、数学、计算机、材料、工程技术、医学、临床等多种学科的尖端技术，是生命科学领域中一项最有挑战性、最有意义的巨大工程。与人的天然器官相比，现在人工器官的研究还处于开始阶段，任重道远，未来的发展寄希望于一代一代科学家们的不懈努力。在科学的发展史上，任何一个发明创造，都是源于想像，并依靠当时的科学技术和科学家的智慧，经过艰苦努力而取得的。人工器官的研究也是一样，除非想像力到了头，否则人工器官的研究是无止境的。有朝一日，人工器官能与天然器官相比时，人的寿命也就难以想像了。科学家预测，未来的生物医学材料和人工器官将在功能和质量方面取得新的突破，这将是造福人类千秋万代的重大贡献。
高分子材料工业从20世纪20年代建立以来，就以高于传统工业的速度高速发展，高分子合成化学、高分子物理、高分子成型加工科学伴随其不断发展，高分子材料以其原材料丰富、性能优异、质量轻、成本低、便于成型加工、不腐蚀、易着色等突出优点，在工业、农业、交通运输、建筑、国防、高技术、医疗卫生等领域迅速得到广泛应用。
随着生产和科学技术的发展，不断对材料提出了各种各样新的要求，总的来说，今后高分子材料发展的主要趋势是高性能化、高功能化、复合化、精细化和智能化。
人类的文明史表明材料的进步决定着人类文明的结构和经济模式、生产方式、生活方式和行为规范，当今世界充满竞争，正在展开一场全球性的新技术革命竞赛，高分子作为最年轻的一类材料，生机勃勃，风华正茂，可以肯定，它一定会在人类未来的历史中显示出更巨大的作用。
