材料科學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的重要應(yīng)用

摘要：材料科學(xué)是一門多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科，在很多科學(xué)領(lǐng)域都起著至關(guān)重要的作用。在醫(yī)學(xué)科學(xué)方面，它一次次的掀起新技術(shù)的革命，促進(jìn)醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展。目前，它在解決困擾醫(yī)學(xué)界多年的難題一一器官移植方面也起著重要的作用。關(guān)鍵詞：材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、器官移植、生物醫(yī)學(xué)材料、醫(yī)用金屬材料、高分子水凝膠。材料科學(xué)是基于物理，化學(xué)，力學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)和生物學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)而形成的一門多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科，以研究材料性質(zhì)，組成和結(jié)構(gòu)，合成和加工以及它們之間關(guān)系為內(nèi)涵和特色。它既是一個以探索自身規(guī)律為目標(biāo)的基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域，又是一門與電子，冶金，能源，化工和機(jī)械等工程技術(shù)密切相關(guān)的應(yīng)用科學(xué)。它在工業(yè)，航天航空，信息技術(shù)，交通運(yùn)輸，軍事，醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都起著至關(guān)重要的作用。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，材料化學(xué)必不可少，新材料的不斷產(chǎn)生和應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域掀起一次次的技術(shù)和觀念革命，不斷推動著醫(yī)學(xué)科學(xué)的前進(jìn)與發(fā)展。微創(chuàng)介入技術(shù)的誕生，使得多年來醫(yī)療服務(wù)中追求已久的“及時，微創(chuàng)，無痛，舒適”的觀念終于得到實(shí)施，特殊的器械與材料使得醫(yī)生在進(jìn)行手術(shù)時可以把刀口開小，有效減少病人的出血和創(chuàng)傷，使病人并發(fā)癥少，術(shù)后恢復(fù)快，尤其在治療心腦血管疾病方面更是療效顯著。納米材料的應(yīng)用更是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域掀起了風(fēng)暴一一空心結(jié)構(gòu)的金納米粒子利用納米材料特有的小尺寸效應(yīng)在腫瘤診斷和治療方面起著重要作用，貴金屬納米銀以其超強(qiáng)的還原能力成為一種性能優(yōu)良的抗菌材料，而目前正在研發(fā)的用于醫(yī)學(xué)方面的納米機(jī)器人相信其一旦問世，也將震撼世界。在長期的醫(yī)學(xué)治療方面，對于病變的器官和組織，在器官移植技術(shù)沒有出現(xiàn)之前，人們長期停留在以藥物進(jìn)行治療和緩解的階段。但能以藥物治好的都是輕中度的病變，而對已經(jīng)重度病變或是已經(jīng)壞死的器官，藥物根本不起作用，病人只能在極大的痛苦中死去。多年以來，醫(yī)療界一直在探求是否能夠進(jìn)行器官移植來挽救患者的生命。但器官移植存在著三個重要的難關(guān)一一1.移植器官一旦植入受者體內(nèi)，必須立刻接通血管，以恢復(fù)輸送養(yǎng)料的血供，使細(xì)胞賴以存活，這就要求有一套不同于縫合一般組織的外科技術(shù)。2.切取的離體缺血器官在常溫下短期內(nèi)（少則幾分鐘，多則不超過1小時）就會死亡，不能用于移植。而要在如此短促的時間內(nèi)完成移植手術(shù)是不可能的。因此，要設(shè)法保持器官的活性，為器官移植手術(shù)贏得時間。3.醫(yī)療上用的器官來自另一個人。但是受者作為生物有著一種天賦的能力和機(jī)構(gòu)（免疫機(jī)構(gòu)），能對進(jìn)入其體內(nèi)的外來“非己”組織器官加以識別、控制、摧毀和消滅。這種生理免疫過程在臨床上表現(xiàn)為排斥反應(yīng)，導(dǎo)致移植器官破壞和移植失敗。人類的主要兩大類主要抗原：ABO血型和人類白細(xì)胞抗原（HLA），它們決定了同種移植的排斥反應(yīng)。ABO血型只有4種（O、A、B、AB），尋找ABO血型相同的供受者并不難；但是HLA異常復(fù)雜，現(xiàn)已查明有7個位點(diǎn)，即HLA——A、B、C、D、DR、DQ、DP，共148個抗原，其組合可超過200萬種。除非同卵雙生子，事實(shí)上不可能找到HLA完全相同的供受者。所以，同種移植后必然發(fā)生排斥反應(yīng)，必須用強(qiáng)有力的免疫抑制措施予以逆轉(zhuǎn)。在經(jīng)過幾十年的探索及解決這些問題之后，1962年美國J.E.默里第一次進(jìn)行人體腎移植獲得了長期存活，標(biāo)志著器官移植作為醫(yī)療手段成為現(xiàn)實(shí)。但是盡管器官移植手術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)十分成熟，但仍然存在著很大的弊?。?.可移植的器官數(shù)量稀少，往往很多病人還未等到所需器官就已去世。2.某些器官移植的難度太大，醫(yī)生稍不注意就會造成醫(yī)療事故。3.某些病人因自身體質(zhì)原因不能進(jìn)行器官移植。4.由于病人體質(zhì)的各不相同，免疫抑制藥物的用量很難控制，往往引起較大的不良反應(yīng)。5.道德、倫理、法律上的某些問題不允許進(jìn)行有關(guān)的器官移植。但是，生物醫(yī)學(xué)材料的出現(xiàn)和應(yīng)用有效的解決了這一問題。生物材料種類繁多，按照其屬性，可分為天然生物材料，合成高分子生物材料，醫(yī)用金屬材料，無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料，雜化生物材料，復(fù)合生物材料等等。其中，醫(yī)用金屬材料應(yīng)用最早，可被用做生物材料的金屬和合金，是非常合適的外科用金屬材料。它具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞性能，良好的生物力學(xué)性能和優(yōu)良的抗生理腐蝕性，生物相容性，無毒性和簡易可行及確切的手術(shù)操作技術(shù)。眾所周知，骨、牙齒這樣的硬組織損壞之后，由于器官移植所需費(fèi)用過高且會產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng)，所以具有和這些硬組織一樣有較高的強(qiáng)度和韌性的的金屬材料被廣泛的應(yīng)用于修復(fù)和替換這些硬組織。如不銹鋼材料因其具有耐蝕性和屈服強(qiáng)度，所以可以用來制成多種形體，如髓內(nèi)針、齒冠、三棱刀等器件和人工假體用于臨床；鉆基合金由于具有極為優(yōu)異的耐腐蝕性和耐磨性而被應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)的制作，人工骨及骨科內(nèi)處固定器件的制造，齒科修復(fù)中的義齒，心血管外科及整形科等；記憶合金由于其特有的形狀記憶效應(yīng)，而在臨床上被應(yīng)用于如外耳道之類的管腔狹窄的治療，斷骨連接，彎曲脊柱矯正等等。醫(yī)用高分子材料的應(yīng)用也十分廣泛。由于其是由天然聚合物衍生或改性而來，因此其具有一些獨(dú)特的性能。如高分子水凝膠，它由于具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以具有在水中能夠吸收大量的水分溶脹，并在溶脹后繼續(xù)保持其原有結(jié)構(gòu)而不被溶解性質(zhì)，因而被廣泛的應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域。它類似于生命組織材料，表面粘附蛋白質(zhì)及細(xì)胞能力很弱，在與血液、體液及人體組織相接觸時，表現(xiàn)出良好的生物相容性，它既不影響生命體的代謝過程，代謝產(chǎn)物又可以通過水凝膠排出，性質(zhì)上類似于細(xì)胞外基質(zhì)部分，吸水后還可減少對周圍組織的摩擦和機(jī)械作用。因此，它可以代替壞死或功能低下的器官，起到相同的作用一一1.可作為組織填充劑，注射隆乳、面頰、顳部、臀部填充，陰莖加粗等。2.防止受傷的子宮角、腱、腸的漿膜引起組織之間的粘連。因其含水率高，避免了血栓的粘附；又因其柔軟而富彈性，傷害所接觸生物組織的可能性很小。3.因?yàn)槠渚哂型笟庑院蜕镞m應(yīng)性，可制作成角膜接觸鏡，具有矯正視力和追求美觀的作用，而且比傳統(tǒng)的隱形眼鏡更加方便，舒適，也比傳統(tǒng)的視力矯正手術(shù)更加安全、可靠。當(dāng)然，具有像這樣的特殊功能及生物活性的材料還有很多，它們都可被用作制成相應(yīng)的人造器官來造福人類。目前由于多種新材料的誕生和應(yīng)用，越來越多的衰竭或壞死器官可以被新研發(fā)出的人造器官所取代。其生理功能和移植器官的功能不想上下，甚至更為優(yōu)異。而且沒有免疫排斥反應(yīng)，患者的恢復(fù)時間也較快。雖然此項(xiàng)技術(shù)目前還不十分成熟，但是相信日后必將在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來一場革命。當(dāng)然，材料科學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要作用不僅于此，醫(yī)療觀念、技術(shù)、手段、器械等