新时代的疾病克星——生物医学工程学

生物医学工程学是一门高度综合性的学科。它运用自然科学和工程技术的原理和方法，从工程角度了解人的生理、病理过程，并从工程角度解决防病治病问题。它涉及的范围很广，包括数学、物理学、化学、生物学等基础学科，也包括声、光、磁、电子、机械、化工等工程学科，而它应用于医学又遍及基础医学、临床医学和预防医学的各个学科。

　　生物电学

　　生物电学是研究生物和人体的电学特征——生物电活动规律的科学。生物电学研究是深入认识人体生理活动规律和病理、药理机制的基础之一，同时也为医学的临床诊断和治疗不断研究出新的方法和技术。

　　对人体和生物电活动的研究已有很长历史。当前，在各种学科协作配合下，一方面对生物电产生机制和活动规律的研究已深入到生物大分子的水平；另一方面，在临床医学应用上正发展着更多的新技术和新仪器。

　　人体电活动现象及其微观来源

　　人体要维持正常的生命活动，就需要在体内及与周围环

　　境不断进行物质的交换、能量的转化及信息的传递，这一切过程都离不开生物电活动。举一个例子，一个路上的行人，看到一辆汽车迎面驶来，就急忙躲避，这一简单动作就包含了一系列复杂的生物电活动。首先，由汽车反射的光线通过眼球进入视网膜，光引起了视细胞上蛋白质分子构像变化，把光能转换成电能，使视细胞膜发生周期性的同位变化，形成可传播的电信号——动作电位。经过视觉神经把汽车的开头位置、运动状态等各种信息输入到中枢神经，在大脑中经过亿万个细胞的电活动，对所输入的信息进行分析、综合、判断，作出需要躲避的决定，然后，把动作指令以发放序列动作电位的方式经运动神经传送到腿部，通过神经——肌肉接头，由动作电位引起肌纤维的收缩运动，并使许多肌肉发生协调动作，从而实现了躲避汽车的宏观行为。

　　人体内充满了电荷，但大部分不能像金属中的自由电子那样在导体中快速运动，而是以离子、离子基因和电偶极子的形式存在。例如，组成蛋白质的20种氨基酸中，有13种氨基酸在水中能产生离子基因或表现出电偶极子特性，遗传物质DNA大分子也存在离子基因和偶极子。正是靠着这些电的相互作用，才能使生物大分子保持一定的空间构像，行使特殊的生命功能。例如，遗传密码的复制、生物大分子的合成、新陈代谢过程中酶和底物的诱导——契合作用等，都依赖于离子基因和偶极子的电的相互作用。目前，对这种相互作用的具体细节和规律尚了解不多。

　　在一些生命活动中，存在着瞬时的电子输运过程。便如，人体细胞内合成ATP以储存能量的过程中、出现电子沿着分子链传输的现象。在外界能量

　　（如辐射）作用和体内能量转化过程中，都能瞬时产生自由电子和质子 （氢离子），它们在水溶液和大分子之间运动，完成某些功能或损害正常的生命活动。

　　各种无机离子如 K”、 N”、 Ce一、Ca”” Mg””Cu““ Fe””等，在人体内大量存在，参与各种各样的生命活动。它们有的被束缚于一些生物大分子上，成为大分子的活性中心。还有许多种离于分散在体液、血液和细胞内、外液中，它们一方面保持着人体碱度的平衡，保证细胞有正常的生存环境，同时执行着调节生命活动的使命。另外 K”、Na”、Ce”、Ca“”等离子是心脏、神经系统和骨骼肌、平滑肌等组织和器官电活动的基础，由于这些离子在细胞膜内外分布不平衡，导致细胞膜两侧的正、负电荷不相等，使膜呈现出外正内负的电位差。在各种刺激作用下，膜对离子的通透性会发生瞬时变化，使不同的离子发生跨膜输运，由于输运的时间、数量和方向不同，造成细胞膜内外电位差发生脉冲式的变化，即产生动作电位。

　　人体内的水分子利用其电偶极子的特性，影响着许多生物大分子的结构和功能，例如，蛋白质和酶在水溶液中，⑤过与水分子的电的和其他类型的力的相互作用，形成特定的空间构像，表现出专一的生物活性，一旦脱水，原来的空间构像被破坏而变成了“死”物质。水也和溶液中的离子发生电的相互作用，使离子外包围着若干层的水分子，称水合0用。这些离子直接参与某种生命活动时，有的需要这些水5子同时存在，有的则需要摆脱掉水分子的电的影响。

　　综上所述，人体各种电特性和电活动的来源，主要是d生物大分子、离子、水和少量瞬态的自由电子的电学特什回其运动产生的，对它们的特性和功能的研究，是当前有关学科的重要前沿课题。

　　人体器官电活动图

　　由兴奋性细胞组成的人体组织和器官，如脑、心脏、骨骼肌和平滑肌、视网膜等，在生命活动中，由于细胞动作电位不断地发生和传播从而形成复杂的电流回路和电场分布。我们可以在这些组织和器官所在部位的体表测量出一定的电位变化，为了解该组织和器官的生理和病理提供重要的信息。下面分别说明一些组织和器官电活动图产生的原理、测量方法及在临床医学上的应用。

　　心脏有节奏的收缩扩张，受位于右心房的特殊肌细胞的自发兴奋的电信号控制，即窦房结以大约72次／秒的频率进行自发专极化活动，所产生的动作电位通过神经传导到两个心房，使心房肌细胞专极化引起心房收缩把血液注入心室；接着动作电位传播到房室结，由希式束和蒲肯野把动作电位送到两个心室，使心室肌专极化发生收缩运动，推动血液进入体循环和肺循环，并按此顺序周而复始。同时，窦房结的起搏频率还受植物神经系统的调控，根据身体内和外部的刺激作出反应，使起搏频率加快或减慢。

　　1876年玛瑞 （Marey）最早发现心脏收缩时伴有电反应，这种电反应的复杂形式不同于骨骼肌电反应形式，引起了大家的注意。心脏在跳动时甚至在皮肤表面上也能产生1～2毫伏的电压。1903年爱因索文（Einthoven）发明了弦线电流计，促进了心肌动作电流的深入研究。借助弦线电流计可以记录整体内心脏电活动，并在临床上迅速获得广泛的应用。爱因索文为测定心脏动作电流确定了三种标准导程：即为右手——左手；为右手——左脚；为左手——左脚。

　　三种导程记录出的心脏电活动由许多波组成，按各波先后出现的顺序分别命名为P波、Q波、R波、S波、T波。这一系列的电位变化称为心电图（缩写为ECG）。其中P波代表左、右心房肌兴奋产生和体表电位变化，由于兴奋中窦房结向心房各处扩布时电势方向不同，互相抵消甚多，故波形小而圆钝。

　　P～R间期或P～Q间期代表心房开始兴奋到心室开始兴奋所需时间间隔，一般约为0.12～ 0.2秒左右。QRS波群代表左、右心室肌兴奋传布过程中的体表电位变化，波群的时程代表肌兴奋传布所需的时间，约为0.06～0.l秒。在兴奋由心房传到房室结再经房室束下传的一段时间内，心电图记录不到电位变化，只有当室间隔左侧开始专极化并向其右和上方传布时，可记录到Q波。随后，兴奋继续向心尖部分传布，并从心室壁内膜向外膜传布，对应的电势向量由心房指向心尖，可记录到向上的高R波。最后兴奋传到左心室后侧底部与室间隔底部时，电势向量指向心底，记录到向下的S波。

　　S～T段正常时接近一等电位线，这段时间反映心室各部分均处于兴奋状态。S～T段与等电位线的偏移称损伤电位，是心肌受损伤的反映。T波反映心室复极化过程的体表电位变化，T波一般向上这一事实反映了心室先兴奋的部位后复极化，而后兴奋的部位先复极化。

　　为适应临床上对心脏疾病的诊断和心脏功能的监护、遥测。近年来已发展了许多成套的心电监测自动化仪器设备。关于心电图异常的各种心脏疾患的关系，临床医生已积累了十分丰富的诊断经验和资料。

　　肌肉的一个运动单位包括来自脑干或脊髓的单个分枝的神经元和 25～2000个肌纤维。神经元通过运动终极的肌肉细胞连接，当神经元把脑或脊髓发出的动作电位传到肌细胞后，使肌细胞专极化并产生收缩。用同轴针形电极插入皮下，可测量单个运动单位的电活动，若用面电极放在皮肤上，测得的是多个运动单位的电活动。当肌肉放松时，肌电图上只有人体或仪器的干扰和噪音，肌肉轻度用力时，肌电波是分立的；肌肉强直收缩时，由于参与活动的运动单位多，频率增高，各波形互相干扰，不再能分辨单个肌电波。

　　除记录自发肌电活动外，用电刺激肌肉运动单位也可得到肌电图。其优点是：刺激时间确定，所有肌纤维几乎能同时起动，也可电刺激传感神经，将信息传入中枢神经，再通过观察肌肉的反射反映来研究反射系统的功能。

　　肌电图 （EMG）是临床神经生理学检查的重要方法之一，在神经、内科、骨科、职业病诊断和运动医学等方面有广泛作用。

　　脑包括大脑、小脑和脑干。大脑两个半球表面的一层结构叫大脑皮质，是人类进行思维活动的物质基础。大脑皮质是灰质，由神经元组成，这些神经元分别集中形成各种神经中枢。例如听、视、语言、感觉等神经中枢，神经中枢的基本活动形式是反射活动。脑电波 （缩写为EEG）是神经中枢细胞在反射活动中有节律的交变放电，是神经细胞电活动的综合。

　　在大脑皮质中产生的电位要经过脑脊液、脑膜、头盖骨、皮下组织等传到头皮表面。在头皮表面放置电极，可探查出大量脑细胞电活动形成的电位或电位差随时间的变化。

　　关于大脑皮层上电活动的发现，起始于1875年俄国人达尼里夫斯基，他用声音刺激狗的听觉器官时，首次观察到狗的大脑皮层上出现生物电流。同年美国人卡通也发现暴露的兔脑上能产生电变化。1924年德国人伯格用两根白金刺入精神病患者的头皮并与颅骨相触，记录到了人类的首例脑电图。到30年代后期，脑电图技术开始应用于临床，记录方法也不断改进。将电极置于头皮之上便可记录出脑电图。

　　在脑电图中可记录到几种自发脑电波形，按频率范围可将它们分类如下：

　　慢波 0.5～3.5赫

　　θ中慢波4～7赫

　　a波8～13赫

　　β快波13赫以上

　　各种波都可在皮层的不同区域引出，但不同区域波幅创大小有差别。

　　a波在人清醒、安静并闭眼时出现，其波幅随时间周期性地变化，睁眼后a波立即消失。人困倦可测到θ波，睡眠时可记录到 波。一般认为，快波是皮层处于特殊紧张活动状态时主要脑活动的表现，慢波是睡眠状态脑活动的表现。

　　大脑的结构和功能十分复杂，对脑电波与各种脑细胞电活动的明确对应关系目前所知不多。因此，为了给基础研究和临床诊断提供更多的信息和依据，近年来国内外已广泛开展了脑电波信号分析和信息提取的研究。这种研究以信号处理的方法原理为依据，利用计算机为工具，设计出各种程序进行分析、处理和运算，以期得出有价值的结果。

　　生物磁学

　　相对于生物电学，生物磁的研究是近代才开始的，尽管人们熟知电与磁的孪生关系，而且预言生物磁信号肯定是存在的，但是直到1963年才由锡拉丘兹大学的鲍列和麦克菲第一次从人体上探测到小磁场。可见，生物电信号的首次记录（1875年）与生物磁信号的首次记录相比，后者落后，主要是由于生物磁信号极其微弱，而且往往深深地埋藏在环境磁噪音之中，测量仪器的分辨率长期达不到要求，随着科学技术的逐渐发展，问题才逐步得到解决。迄今探测到的生物磁场有心磁场、肺磁场、神经磁场、肝磁场、肌磁场、脑磁场等。

　　生物磁场的来源

　　生物磁场的来源主要有：

　　（1）由大然生物电流产生的磁场。人体中小到细胞、大到器官和系统，总是伴随着生物电流。运动的电荷便产生了磁场。从这个意义上来说，凡是有生物电活动的地方，就必定会同时产生生物磁场，如心磁场、脑磁场、肌磁场等均属于这一类。

　　（2）由生物材料产生的感应场。组成生物体组织的材料具有一定磁性，它们在地磁场及其它外磁场的作用下便产生了感应场。肝、脾等所呈现出来的磁场就属于这一类。

　　（3）由侵入人体的强磁性物质产生的剩余磁场。在含有铁磁性物质粉尘下作业的工人，呼吸道和肺部、食道和肠胃系统往往被污染。这些侵入体内的粉尘在外界磁场作用下被磁化，从而产生剩余磁场。肺磁场、腹部磁场均属于这一类。

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　　生物磁场一般都是很微弱的，其中最强的肺磁场其强度也只有 10～

　　-8　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 -1010特斯拉数量级；心磁场弱一些，其强度约为10特斯拉数量级；自发脑

　　-12磁场更弱，约为10特斯拉数量级；最弱的是诱发脑磁场和视网膜磁场，其

　　-13为10特斯拉数量级。周围环境磁干扰和噪声比这些要大得多，如地磁场强

　　-4　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　-8　-6度约为0.5×10特斯拉数量级左右；现代城市交流磁噪声高达 10～10特斯拉数量级。若距离像机床、电磁设备、电网或活动车辆较近，则磁噪声会更强。

　　生物磁场及其医学应用

　　（l）心磁场：

　　心脏的心房和心室肌肉的周期性收缩和舒张伴随着复杂的交变生物电流，由此而产生了心磁场。上面提到1963年首次测得人体心磁场，其强度为

　　-1010特斯拉。其随时间的变化曲线称为心磁图 （MCG）。心磁图与心电图在时间变量与波峰值上有相似之处。测量心磁图时需要将磁探头放在心脏位置的胸前，随着位置的变化记录所得MCG各成分亦有所不同。

　　心磁图与心电图相比有一些明显的优点。首先，测心磁图时不必使用电极就可测得生物组织的内源性电流，这是在身体表面直接安放电极所不能的；其次，在心磁图上可呈现出心电图尚不能鉴别的异常变化；再者测心磁图时不必与皮肤接触，也不用参考电极，不会出现由此而产生的误差。

　　（2）脑磁场：

　　脑细胞群体自发或诱发的活动，产生复杂的生物电流，由此产生的磁场叫脑磁场。1968年科恩首先测得a节律脑磁场随时间的变化曲线，称为脑磁图（MEG）。

　　脑磁图比脑电图有许多明显的优点。首先脑磁图既不需要参考点也不需要与皮肤接触，不会出现由此引起的误差。由于头盖骨有很高的阻抗，常使脑电图模糊不清，但脑磁图是穿透的；另外脑磁图能直接反映脑内场源的活动状态，特别能显示出脑深层场源的活动状态，对脑磁图求逆更能准确确定场源的强度和位置。

　　（3）肺磁场：

　　心磁场和脑磁场属于内源性磁场，而肺磁场则属于外部含有铁磁性物质的粉尘侵入人体肺部在磁化后所产生的剩余场。

　　测量肺磁场时，首先应清除人身上的铁磁性物质，如手表、钮扣等。再将受试者胸部置于数十毫特斯拉磁场中进行磁化，然后立即到磁强计探头处进行测试。

　　肺磁场是1973年美国麻省理工学院的科恩首先探测出来的。70年代后期至今，日本、加拿大、芬兰和我国都开展了一系列研究工作。肺磁场的研究之所以受到人们的重视，一个直接的原因是在医学上的重要应用。众所周知，职业性尘肺痛诊断的唯一有效手段是X身线法。但此法属于影响像学，一般来说只有粉尘与肺组织形成生化反应而导致病变的才能检查出来。肺磁法则属于含量学，只要肺部积存一定量的粉尘，不管侵入的时间长短都能被检测出来，这就意味着对那些虽积存一定粉尘但尚未构成病理改变的早期病人也能检查出来，从而进行早期预防，这对防止某些职业性尘肺病的发生有着重要。

　　生物医学材料与人工器官

　　生物医学材料是指能植入人体或能与生物组织或生物流体相接触的材料；或者说是具有天然器官组织的功能或天然器官功能的材料。近年来，器官移植虽然取得了巨大的进展，但排异和器官来源及法律等问题仍是一个难题。因此，医学界对生物医学材料和人工器官的要求日益增加。古代人类只能用天然材料（主要是药物）来治病，包括用天然材料来修复人体的创伤。例如，公元前3500年，古埃及人用棉花纤维、马鬃等缝合伤口；墨西哥印第安人用木片修补受伤的颅骨。公元前2500年中国的墓葬中发现有假牙、假鼻、假耳。1588年，人们用黄金板修颚骨；1755年，用金属在体内固定骨折；1809年，有人用黄金修复缺损的牙齿；1851年，发明了天然橡胶的硫化方法后，采用硬胶木制作人工牙托和颚骨。

　　最近几十年来，生物医学材料和人工器官的研究才有了较大的进步，在很大程序上应归功于高分子材料科学和工业的发展。1936年发明了有机玻璃很快就用于制作假牙和补牙；1943年，赛璐珞薄膜开始用于血液透析；1950年开始用有机玻璃做人工股骨头。50年代，有机硅聚合物开始应用于医学，对人工器官的研究起了促进作用。特别是60年代以后，具有各种特殊功能的高分子材料不断研制出来，一部分从事高分子科学的人员也把研究方向转向生物医学高分子材料方面。在经济发达国家，用高分子材料制造医疗用品已十分普遍。1976年美国医用塑料的消耗量占当年塑料消耗量的4.4％，达53.6万吨。同年，日本用于医疗一次性使用的塑料制品达一万吨。现在，除了大脑之外，几乎所有的人工器官都在进行研究，有些已经作为商品出售。仅美国和欧洲，每年用于人体自然缺陷和损伤的修复植入材料就有四五百万件，每年有上百万病人在用人工器官。全世界有六万人靠人工肾维持生命，美国和德国每百万居民中有超过 500人的心脏病患者要植入心脏起搏器。在美国，每年有3.5万人安装人工心脏瓣膜；有18万人植入人工血管；有12万人安装人工髋关节；有10万人注射有机硅隆胸美容。人工器官和以高分子材料为主的生物医学材料已开始成为一个新兴的工业。

　　人工肺

　　人工肺又名氧合器或气体交换器，是一种代替人体肺脏排出二氧化碳，摄取氧气，进行气体交换的人工器官。以往仅应用于心脏手术的体外循环，需和血泵配合称为人工心肺机。70年代初，已将人工肺作为一个单独的人工器官进行研究。因它可以不用血泵而进行部分呼吸支持，并且有植入性人工肺的实验报告。

　　目前，用于心脏手术的人工肺大部分采用一次使用的附有热交换装置的鼓泡式人工肺。这种人工肺已趋成熟，在国内外得到广泛的应用。

　　早在1882年Schroder首次提出在体外静脉血内通入氧气使血液氧合的设想以后，Bayliss、clark分别采用转碟和鼓泡的方式使血液得到氧合，从实践上证实该设想是切实可行的。1953年Gibbon首次采用静立垂屏式人工肺进行体外循环，成功地开展了心房间隔缺损的修补手术，建立了现代人工心肺和体外循环的概念。此后各种类型的人工肺相继问世。随着高分子化学的飞速发展，为研制膜式人工肺提供了大量可选用的膜材料和新技术。1960年Kolobow用硅胶为原料试制出膜式人工肺，具有较高的气体转输功能，适宜于长期体内循环。而后，又有不少学者从血液动力学角度进行研究，以期获得符合生理性能、功效更佳的人工肺。

　　目前人工肺基本上可分为四种：静立转屏式、转碟式、鼓泡式和膜式。

　　人工心脏

　　人工心脏是在解剖学、生理学上代替人体因重症丧失功能不可修复的自然心脏的一种人工脏器。

　　人工心脏分为辅助人工心脏和完全人工心脏。辅助人工心脏有左心室辅助、右心室辅助和双心室辅助，以辅助时间的长短又分为一时性辅助 （二周以内）及永久性辅助（二年）两种。完全人工心脏包括一时性完全人工心脏、以辅助等待心脏移植及永久性完全人工心脏。

　　要想制成像自然心脏那样精确的组织结构、完全模拟其功能的人工正脏是极不容易的，需要医学、生物物理学、工程学、电子学等多学科的综合应用及相当长时期的研究。

　　从广义及泵功能这一角度考虑、人工心脏研究可以回溯到体外循环的动脉泵开始，即1953年Gibbons将体外循环应用于临床。心肺机利用滚筒泵挤压泵管将血泵出，尤如自然的搏血功能进行体外循环。而人工心脏这个血液泵恰是受此启发而开始研究的。1957年美国KOlff和Akutsn将聚乙烯基盐制成的人工心脏植于人体内生存一个半小时，以此为开端展开了世界性人工心脏研究。1958年日本及前联邦德国均设立了专门研究中心。1964年KOlff利用人工心脏使小牛生存24小时。1966年DcBakey将人工心脏用于瓣膜置换病例，辅助数小时。1968年开始临床研究，1969年动物实验生存记录为40天。同年Cooley进行了第一个临床病例植入一时性完全人工心脏后因合并症死亡。1970年Nose等的动物实验生存100天。1973年以后，动物实验成活率迅速上升：1976年Kolff试验牛成活 89天、122天；1980年度美和彦试验山羊生存232天、242天、288天；1982年12月1日美国盐湖城犹他大学医学中心人工心脏研究小组为一患者植入完全人工心脏使其存活卫 112天。

　　世界上虽已进行了几例完全人工心脏临床应用，但目前人工心脏仍处于动物试验为主的研究阶段。但已有的临床应用表明，完全人工心脏能代替自然心脏功能，用其较长维持循环是可行的，其前景是乐观的。

　　人工血管

　　1950年以来，由于高分子化学的发达，促进了合成高分子材料的研制，因此，在50年代末，60年代初，采用高分子合成纤维编织人工血管，经实验研究而用于临床，到目前为止，世界各国已普遍采用。

　　目前用机器编织的人工血管有两种，一种是平织，又称机织；另一种是针织，又称线圈编织。最初的材料为尼龙，后因其稳定性差，在机体内易被破坏，缺点很多而被废弃。目前普遍采用的人工血管材料为涤纶及聚四氟乙烯，大多数使用的是针织人工血管。1960年以后，国际市场上出售无缝带有皱纹加工的人工血管。最受欢迎的是 DeBakey的涤纶针织人工血管及Edwards的聚四氟乙烯人工血管。

　　人工血液

　　近年来由于外科手术日益进步，因而输血用血液也愈感不足，迫切需要研制代用品。

　　血液由有形成分及无形成分组成，其主要生理功能是携氧、运输氧和营养物质，清除二氧化碳和代谢产物以及免疫防御等。多年来曾研究了血浆、血浆成分的制品及各种血细胞悬液，以期合理而节约地使用血液。其后又研制了许多种血浆代用品，目前广泛使用的有右旋糖酐、明胶代血浆和羟乙基淀粉。它们都是胶体溶液，其扩充血浆容量的效果显著，但均不具备血液气体交换的主要功能。

　　输血时配血费时又易发生错型，此外由于输血而传播肝炎及爱滋病的危险也无法妥善解决，故而有待研制出既可携带又无毒害的人工血液，这对平时和战时的医疗来说都是极为重要的课题。

　　近几十年来，世界各国在人工血液方面做了不少研究工作。这里仅以氟化碳乳剂人工血液加以介绍。

　　1966年 Clark等发现，美国3M公司所制全氟碳化合物、对氧的溶解度约为水的20倍，携氧能力为血红蛋白的数倍，在氟碳化物F×80中给以一个大气压的氧，小鼠得以生存。

　　1967年Sloviter等以白蛋白为稳定剂的全氟碳化合物乳剂对大鼠实行脑灌流成功。

　　1968年Geger等以全氟三十胺乳剂给大鼠进行血液交换接近100％，大鼠生存八小时。其后Clark动物试验心脏灌流成功。

　　1970年光野、火柳等以狗试验，用氟碳化合物作90％血液交换，生存一年以上，这是在动物中以人工血液进行全血交换的第一次成功。其后火柳等与日本绿十字中央研究所共同研究达11年。初期研究全氟碳化合物乳剂的携氧及二氧化碳能力，并可保持离体器官组织较长期存活；后期研究活体输入全氟碳化合物乳剂，力求减少副作用。经反复改进，在猴体内进行99％的换血，无一例失败，全部长期存活。

　　人工肾

　　人工肾是一种替代肾脏功能的装置，主要用于治疗肾功能衰竭和尿毒症。它将血液引出体外利用透析、过滤、吸附、膜分离等原理排除体内过剩的含氮化合物，新陈代谢产物或逾量药物等，调节电解质平衡，然后再将净化的血液引回体内。亦有利用人体的生物膜（如腹膜）进行血液净化。它是目前临床广泛应用、疗效显著的一种人工器官。就慢性肾炎和晚期尿毒症的治疗效果而言，其五年生存率已达70～80％，其中约有一半患者还能部分恢复劳动力。由于上述成就，人工肾的治疗范围逐步扩大，并进入免疫性疾病的治疗领域，受到各方面的重视，成为人工器官研究最活跃的领域之一。

　　早在19世纪中叶，就有人设法用透析法除去血液中的尿素，因未找到合适的半透膜未获成功。1913年Abel等用火棉胶膜制成管状透析装置进行动物透析实验；1943年Kolf等首次将转鼓型人工肾应用于临床并获得成功，开创了人工肾治疗肾衰竭患者的历史；1960年Kill研制平板型人工肾；1966年Steward研制空心纤维人工肾临床应用成功。进入70年代以来，透析器向小型化方面发展。

　　近年来开发的新的人工肾技术主要包括血液滤过、血液灌流和腹膜透析。

　　人工肝

　　人体中的肝脏是一个极为复杂的器官，根据现代科学技术水平，要研制一个装置，可以长期或基本上代替肝脏主要功能的名副其实的人工肝，还是不可能的。近代对人工肝的研究，只是用一种装置或系统来暂时代替肝脏的某些功能。如清除肝衰竭时的毒性物质；治疗肝昏迷及调整其氨基酸平衡等来协助患者渡过危险期；等待肝细胞再生，或等待肝移植，因而许多学者称之为“人工肝辅助”。

　　因为肝脏有强大的再生能力，临床患者或动物实验中将肝切除一半，2～3月以内，其剩余的肝组织又可生长到原来体积，而且其功能也完全恢复，这样，如能研制成一种装置，协助肝衰竭患者渡过危险期，等待肝细胞再生，则患者可能获救。

　　目前国际上对人工肝辅助的研究，多处于基础及动物实验阶段。有些已进行临床应用，但尚无根本性突破。

　　人工关节

　　多年来人们就采用各种关节成形术治疗关节强直、关节畸形和各种破坏性骨关节疾病，力图将这些有病的关节矫正和恢复功能，使之成为稳定的、不疼的并有一定的功能的，为此许多学者做出了巨大的努力。迄今已研制出膝、髋、肘、肩、指、趾关节假体用于临床。

　　1890年，Gluck首先应用象牙制造下颌关节；1938年，Wiles用不锈钢作髋臼与股骨头；而后Moor开展了人工股骨节置换术； 1940年 Wder兄弟用合成树脂制造人工关节；1951年开始全髋人工关节置换术。1952年Habowsh用固定牙的丙烯酸脂固定人工髋关节，由此合成树脂开始用于人工关节的结合。1958年Charnhey根据重体环境滑润理论，用聚四氟乙烯髋臼和金属股骨头制成低磨擦的人工关节，接着在1962年，Charnley把高密度聚乙烯髋臼和直径为22毫米的股骨头组成全髋人工关节，并用骨水泥（甲基丙烯酸脂）固定，获得较满意的效果。自此，人工关节置换术进入实际应用的新阶段。

　　目前，英美各国每年可施行全髋人工关节置换术数万例，并获得了较好的治疗效果。