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1、生物醫(yī)用材料課程報(bào)告新材料國(guó)重S20161254一、課堂報(bào)告鄭老師的生物醫(yī)用材料這門選修課,通過(guò)老師的整體介紹,然后讓同學(xué)們分別就某一方面的生物醫(yī)用材料進(jìn)行了課堂展示,開(kāi)拓了對(duì)于材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用的見(jiàn)識(shí)。生物醫(yī)用材料指的是一類具有特殊性能、特種功能,用于人工器官、外科修復(fù)、理療康復(fù)、診斷、治療疾患,而對(duì)人體組織不會(huì)產(chǎn)生不良影響的材料。現(xiàn)在各種合成材料和天然高分子材料、金屬和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各種復(fù)合材料,其制成產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于臨床和科研。生物醫(yī)用材料是用來(lái)對(duì)生物體進(jìn)行診斷、治療、修復(fù)或替換其病損組織、器官或增進(jìn)其功能的材料?,F(xiàn)代生物醫(yī)用材料具有新興領(lǐng)域、發(fā)展迅速、高附加值的特
2、點(diǎn),是一個(gè)交叉學(xué)科,覆蓋面廣。理想的生物醫(yī)用材料應(yīng)該是對(duì)人體無(wú)毒性、無(wú)致敏性、無(wú)刺激性、無(wú)遺傳毒性和無(wú)致癌性等不良反應(yīng)。新的生物相容性內(nèi)容的研究對(duì)材料的生物學(xué)評(píng)價(jià)提出新的要求,除了目前的ISO10993標(biāo)準(zhǔn)外,新的評(píng)價(jià)方法將從以下幾個(gè)方面展開(kāi):生物醫(yī)用材料對(duì)人體免疫系統(tǒng)的影響;生物醫(yī)用材料對(duì)各種細(xì)胞因子的影響;生物醫(yī)用材料對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、凋亡的影響;降解控釋材料對(duì)人體代謝過(guò)程的影響;智能材料對(duì)人體信息傳遞和功能調(diào)控的影響;藥物控釋材料、凈化功能材料、組織工程材料的生物相容性評(píng)價(jià)。生物材料也稱為生物醫(yī)學(xué)材料,是指以醫(yī)療為目的,用于與生物組織接觸以形成功能的無(wú)生命的材料。生物醫(yī)用材料有多種分類方法,按
3、材料的組成和性質(zhì)可以分為生物醫(yī)用金屬材料、生物醫(yī)用復(fù)合材料、生物醫(yī)用高分子材料、生物醫(yī)用無(wú)機(jī)非金屬材料。生物醫(yī)用金屬材料是用作生物醫(yī)用材料的金屬或合金,又稱外科用金屬材料或醫(yī)用金屬材料,是一類惰性材料。這類材料具有高的機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞性能,是臨床應(yīng)用最廣泛的承力植入材料。該類材料的應(yīng)用非常廣泛,遍及硬組織、軟組織、人工器官和外科輔助器材等各個(gè)方面。常用的有不銹鋼、鉆基合金、鈦及其合金、形狀記憶合金、貴金屬、可降解的鎂、鍬合金等。生物醫(yī)用復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同材料復(fù)合而成的生物醫(yī)用材料,并且與其所有單體的性能相比,復(fù)合材料的性能都有較大程度的提高的材料。制備該類材料的目的就是進(jìn)一步提高或
4、改善某一種生物材料的性能。該類材料主要用于修復(fù)或替換人體組織、器官或增進(jìn)其功能以及人工器官的制造。生物醫(yī)用高分子材料是生物醫(yī)用材料中發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛、用量最大的材料,也是一個(gè)正在迅速發(fā)展的領(lǐng)域。它有天然產(chǎn)物和人工合成兩個(gè)來(lái)源。按性質(zhì)醫(yī)用高分子材料可分為非降解型和可生物降解型兩類。前者主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯等,后者主要包括膠原、線性脂肪族聚酯、甲殼素、纖維素、聚氨基酸等??山到忉t(yī)用高分子材料可在生物環(huán)境作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞和性能蛻變,其降解產(chǎn)物能通過(guò)正常的新陳代謝或被機(jī)體吸收利用或被排出體外,主要用于藥物釋放和送達(dá)載體及非永久性植入裝置。生物無(wú)機(jī)非金屬材料又叫生物陶瓷,此
5、類材料化學(xué)性能穩(wěn)定,具有良好的生物相容性。常用的有骨水泥、羥基磷灰石、生物活性玻璃、碳納米管、石墨烯等。骨水泥可用于硬組織缺損修復(fù)和固體移植,羥基磷灰石常用于頜面修復(fù)、牙科、生物活性涂層等領(lǐng)域。近年來(lái),生物醫(yī)用材料迅猛發(fā)展,其具有以下發(fā)展趨勢(shì):組織工程材料面臨重大突破、生物醫(yī)用納米材料初見(jiàn)端倪、活性生物醫(yī)用材料還待發(fā)展、生物醫(yī)用金屬材料的開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行、材料表面改性的新方法和新技術(shù)還應(yīng)探索表面改性研究、介入治療材料研究異軍突起、復(fù)合生物醫(yī)用材料仍是開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。組織工程材料面臨重大突破:(1)由于傳統(tǒng)的人工器官(如人工腎、肝)不具備生物功能(代謝、合成),只能作為輔助治療裝置使用,研究具有生物功能的
6、組織工程人工器官已在全世界引起廣泛重視。最近,由于干細(xì)胞具有分化能力強(qiáng)的特點(diǎn),將其用作"種子”細(xì)胞進(jìn)行構(gòu)建人工器官成為熱點(diǎn)。組織工程學(xué)已經(jīng)在人工皮膚、人工軟骨、人工神經(jīng)、人工肝等方面取得了一些突破性成果,展現(xiàn)出美好的應(yīng)用前景。(2)生物醫(yī)用納米材料初見(jiàn)端倪:納米技術(shù)在90年代獲得了突破性進(jìn)展,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究也不斷得到擴(kuò)展。目前的研究熱點(diǎn)主要是藥物控釋材料及基因治療載體材料。(3)血液凈化材料重在應(yīng)用:采用濾過(guò)沉淀或吸附的原理,將體內(nèi)內(nèi)源性或外源性毒物(致病物質(zhì))專一性或高選擇性地去除,從而達(dá)到治病的目的,是治療各種疑難病癥的有效療法。尿毒癥、各種藥物中毒、免疫性疾病(系統(tǒng)性
7、紅斑狼瘡、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎)、高脂血癥等,都可采用血液凈化療法治療,其核心是濾膜、吸附劑等生物材料。(4)復(fù)合生物材料仍是開(kāi)發(fā)重點(diǎn):作為硬組織修復(fù)材料的主體,復(fù)合生物材料受到廣泛重視。它具有強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于臨床。通過(guò)具有不同性能材料的復(fù)合,可以達(dá)到“取長(zhǎng)補(bǔ)短”的效果,有效解決材料的強(qiáng)度、韌性及生物相容性問(wèn)題。(5)材料表面改性是永久性課題:生物相容性包括血液相容性和組織相容性,是生物材料應(yīng)用的基本要求。除了設(shè)計(jì)、制造性能優(yōu)異的新材料外,通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行表面化學(xué)處理(表面接枝大分子或基團(tuán))、表面物理改性(等離子體、離子注人或離子束)和生物改性是有效途徑。材料表面改性的新方法
8、和新技術(shù)被認(rèn)為是生物材料研究的永久性課題。二、血管支架材料的研究隨著社會(huì)發(fā)展,人們的生活習(xí)慣和飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導(dǎo)致心腦血管疾病的危險(xiǎn)因素流行趨勢(shì)明顯,心腦血管病患人數(shù)呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。自20世紀(jì)微創(chuàng)技術(shù)已被應(yīng)用于治療血管疾病,支架植入被廣泛用于治療心血管疾病,圖1(a)為血管支架植入過(guò)程中不同階段的示意圖,血管支架通過(guò)球囊等方法運(yùn)送至血管病變處,把原來(lái)狹窄或者堵塞的血管撐開(kāi)以保證正常的血流,長(zhǎng)時(shí)間的支撐使血管病變部位組織重生從而達(dá)到減緩和治療的功效。圖1(b)為一種血管支架形貌,血管支架不但要達(dá)到一定的力學(xué)支撐性能,還要減小與體內(nèi)環(huán)境的接觸面積。由于世界人口老齡化,進(jìn)一步增加了心血管疾病的發(fā)病
9、率,對(duì)血管支架的需求進(jìn)一步增加,大約的支架所用材料都是金屬材料。然而,由于目前醫(yī)用金屬材料中存在很多問(wèn)題,需要進(jìn)一步完善。圖1血管支架(a)血管支架植入過(guò)程示意圖(b)血管支架形貌血管支架材料的分類及特性血管支架作為異物植入人體內(nèi),由于人體內(nèi)環(huán)境理化性質(zhì)的復(fù)雜性,對(duì)血管支架材料的選用提出了很高的性能要求,以減少置入后過(guò)敏、炎癥以及血栓等并發(fā)癥和后期再狹窄發(fā)生的可能??偟膩?lái)說(shuō),用于制作血管支架所用的材料應(yīng)具有良好的耐腐蝕性能;良好的血液相容性;優(yōu)異的力學(xué)性能;磁共振成像可視性。目前,已經(jīng)有許多不同種類的生物醫(yī)用材料被用來(lái)制作血管支架,包括不可降解醫(yī)用材料和可降解醫(yī)用材料。不可降解的材料大體包括如
10、下:316L不銹鋼、鉆基合金、結(jié)合金、鈦合金、鑰和鑰合金等幾大類。1、鈦及其合金醫(yī)用鈦及鈦合金在金屬醫(yī)用材料中占據(jù)重要地位,鈦及鈦合金具有很好的力學(xué)性能和耐腐蝕性。目前研究的主要有Ti-6Al-7Nb合金和Ti-5Al-2.5Fe合金,Ti-Zr合金,Ti-Sn合金,Ti-6Mo-8Al合金,Ti-24Nb-2Zr合金等。但是由于鈦合金具有較大的楊氏模量,導(dǎo)致鈦及其合金植入體內(nèi)后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力遮擋,同時(shí)鈦及合金具有低硬度,低磨損性,從而影響鈦及鈦合金的應(yīng)用。2、Ti-Ni形狀記憶合金Ti-Ni形狀記憶合金己經(jīng)是應(yīng)用在醫(yī)療行業(yè)十分常見(jiàn)和知名的工程材料,擁有其他合金材料所不具備的柔初性和記憶功能特性,
11、醫(yī)療公司利用Ti-Ni合金己經(jīng)生產(chǎn)制造出多種醫(yī)療器械產(chǎn)品。由這種合金材料加工而成的醫(yī)用支架,利用微創(chuàng)介入技術(shù)通過(guò)放送器植入到人體血管內(nèi),在主動(dòng)脈夾層治療方面起到了良好的效果,隨著人們對(duì)血管支架認(rèn)識(shí)的不斷提高,以及生活水平的改善,患者對(duì)支架的需求不斷增大,市場(chǎng)前景非??春?,所以針對(duì)Ti-Ni形狀記憶合金血管支架的研究工作已經(jīng)成為醫(yī)療器械領(lǐng)域及記憶合金領(lǐng)域的重要課題。如圖2所示為形狀記憶效應(yīng)示意圖。T>M47<Mr/<人T>A*(1)奧氏悻(2)熱彈性馬氏體(3)度形馬氏體(4)臭氏體高溫a低溫限溫高溫圖2形狀記憶效應(yīng)示意圖Ti-Ni形狀記憶合金為近等原子比的化合物,原子比
12、為1:1左右,重量比約為45%:55%,其高溫相是CsCl型體也立方結(jié)構(gòu),低溫相單胞為單斜晶結(jié)構(gòu),醫(yī)用Ti-Ni合金成分為Ti50.5%-51.5%at%Ni。Ti-Ni合金的獨(dú)特功能是形狀記憶功能,其機(jī)理從微觀上可解釋是材料合金相發(fā)生轉(zhuǎn)變的結(jié)果。合金在低溫時(shí)屬于低溫相,加熱升溫到某一值就會(huì)變?yōu)楦邼裣?,并且相變過(guò)程是可逆的。除了記憶效應(yīng),Ti-Ni合金處于高于高溫相轉(zhuǎn)變溫度的狀態(tài)時(shí)還會(huì)表現(xiàn)出一種特性,即超彈性。超彈性實(shí)際上一種力學(xué)磁滯現(xiàn)象,具拉伸試驗(yàn)下的應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為有上下屈服平臺(tái)的閉合曲線,材料在載荷持續(xù)加載的情況下,即使材料產(chǎn)生的應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其彈性階段所能承受的變形,仍然無(wú)法達(dá)到材料的
13、斷裂極限,并且在卸載后變形可回復(fù)至零。如圖3所示為形狀記憶合金記憶功能與超彈性的關(guān)系圖。OMfMsA1AF圖3形狀記憶合金記憶功能與超彈性的關(guān)系圖Ti-Ni形狀記憶合金擁有其他金屬難W娘美的超強(qiáng)的彈性性能、抗彎折性及生物適應(yīng)性,因而在醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域被大量投入應(yīng)用,并起到了不可替代的作用。生物適應(yīng)性可定義為材料被人體接納的能力,由于植入人體的材料都會(huì)產(chǎn)生外來(lái)異物反應(yīng),材料生物適應(yīng)性的能力水平與所發(fā)生反應(yīng)的程度密不可分,材料的腐蝕行為及釋放有毒離子的傾向性直接影響其適應(yīng)性。如若材料的生物適應(yīng)性差導(dǎo)致人體產(chǎn)生排斥反應(yīng),這些反應(yīng)不但會(huì)對(duì)材料的功能造成影響,更重要的是對(duì)人體造成各種傷害。作為在人體
14、內(nèi)工作的外來(lái)金屬材料,必須確保材料是不會(huì)使人體產(chǎn)生排斥反應(yīng)的。研究學(xué)者們針對(duì)Ti-Ni合金的體外及體內(nèi)生物適應(yīng)性已經(jīng)做了大量的研究工作。體外研究工作主要是細(xì)胞培養(yǎng),例如,Wever等對(duì)Ti-Ni合金的釋放有毒離子的傾向性及過(guò)敏反應(yīng)做了相關(guān)研究評(píng)價(jià),并與316L不繡鋼材料做對(duì)比,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Ti-Ni合金不會(huì)導(dǎo)致人體過(guò)敏反應(yīng),Putter等分別對(duì)比研究了Ni、Ti、Ti-Ni合金對(duì)成人纖維細(xì)胞分裂的影響,對(duì)比發(fā)現(xiàn)合金擁有和Ti同樣優(yōu)異的與人體細(xì)胞協(xié)調(diào)的能力。體內(nèi)研究王作主要是利用動(dòng)物來(lái)觀察Ti-Ni合金植入體內(nèi)所引起的反應(yīng),王繼芳等將Ti-Ni合金金屬片植入動(dòng)物體內(nèi),觀察植入部位的變化,發(fā)現(xiàn)人體組織
15、將合金覆蓋,未見(jiàn)不良反應(yīng),說(shuō)明體內(nèi)對(duì)Ti-Ni合金沒(méi)有產(chǎn)生排斥,組織適應(yīng)性好,薛森等對(duì)Ti-Ni合金進(jìn)行了動(dòng)物體內(nèi)埋植實(shí)驗(yàn)10個(gè)月,觀察發(fā)現(xiàn)植入部位的組織細(xì)胞完好,從而說(shuō)明是Ti-Ni合金是合格的醫(yī)用材料。3、醫(yī)用不銹鋼醫(yī)用不銹鋼材料在醫(yī)用材料的使用上具有最長(zhǎng)的使用歷史,奧氏體不銹鋼,是唯一一個(gè)用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的金屬材料,如骨固定和脊柱固定等。目前主要的不銹鋼中主要由N和Mn替代Ni元素,主要有Fe-17Cr-10Mn-3Mo-0.49N-0.2C(P558)合金,F(xiàn)e-21Cr-9Ni-3Mn-0.41N合金,Fe-(19-23)Cr-(21-24)Mn-(0.5-1.5)Mo-0.9N合金
16、,X13CrMnMoN18-14-3合金等,但是316L不銹鋼是一種含有Ni離子的不銹鋼,當(dāng)其植入受體后,Ni離子的釋放具有細(xì)胞毒性;不銹鋼在磨損過(guò)程中會(huì)造成重金屬聚集從而導(dǎo)致發(fā)炎等癥狀,影響了其在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。醫(yī)用不銹鋼存在以下主要問(wèn)題:表面硬度較低,耐磨性較差,在人體的體液環(huán)境中對(duì)點(diǎn)蝕敏感,且腐蝕將會(huì)通過(guò)細(xì)胞對(duì)電流的反應(yīng),改變?nèi)梭w組織的PH值并釋放Ni、Cr、Mo等對(duì)人體有害的金屬離子,引起局部組織過(guò)敏疼痛,甚至誘發(fā)癌變。彈性模量與人骨組織相差較大,易產(chǎn)生應(yīng)力遮擋,使假體松動(dòng),產(chǎn)生骨骼吸收和萎縮現(xiàn)象,最終造成植入失效。生物相容性較差,表面無(wú)生物活性,植入人體環(huán)境后與人體系統(tǒng)形成形態(tài)結(jié)合,影
17、響植入效果造成植入失敗。4、可降解高分子材料可降解高分子材料植入受體后,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間能夠降解,其降解產(chǎn)物能夠隨著人體的代謝系統(tǒng)排出體外,不會(huì)造成長(zhǎng)期的并發(fā)癥。同時(shí),高分子材料支架易于攜帶藥物,降低了凝血、發(fā)炎、再狹窄等現(xiàn)象。但是,由于高分子材料的力學(xué)性能不能滿足支架用材料的性能,因此,高分子材料支架具有尺寸較大等缺點(diǎn);此外,高分子屬于粘彈性材料,植入受體后,增加了導(dǎo)致血栓的風(fēng)險(xiǎn);與此同時(shí),聚合物支架無(wú)MRI可見(jiàn),增加手術(shù)過(guò)程中的操作難度。5、可降解鐵基材料研究表明純鐵及鐵基合金如Fe-Mn合金,F(xiàn)e-Mn-Pb合金等植入受體后都具有可降解性,因此常被用作可降解醫(yī)用材料,但是鐵基材料支架在動(dòng)物血
18、管內(nèi)降解速率過(guò)慢;金屬純鐵具有很高的彈性模量,因此鐵基血管支架具有很高的徑向支撐強(qiáng)度,但是純鐵的抗拉強(qiáng)度只180-210MPa有,不能滿足血管支架的力學(xué)性能要求;另外,鐵基材料具有一定的磁性,可視性差,不利于手術(shù)操作。6、可降解鎂及鎂合金鎂合金作為可降解材料有著非常悠久的歷史,在19世紀(jì)晚期,Edward等人于1878年初次在三個(gè)病人使用鎂金屬絲作為結(jié)扎手術(shù)中的止血材料,實(shí)驗(yàn)得到不同程度的成功。近年來(lái),鎂基生物材料再次成為主要研究對(duì)象。目前主要研究的生物材料鎂合金主要有Mg-Al-Re合金,Mg-Al-Mn合金,Mg-Al-Zn合金,Mg-Y-Re合金,和Mg-Zn-Re合金等系列合金。目前,
19、制作血管支架用的鎂合金材料主要有AE21、WE43和AM60等。但由于承重的可降解植入材料的機(jī)械性能要求,植入的支架用材料的基本性能十分重要,鎂合金由于它的六角立方結(jié)構(gòu)導(dǎo)致延展性和韌性十分有限,主要依靠大量有效地滑移系統(tǒng)開(kāi)動(dòng)提供鎂合金的變形。然而,耐腐蝕性差和在支撐過(guò)程中不能滿足血管支架要求的力學(xué)性能完整性限制了鎂合金的應(yīng)用。鎂合金作為血管支架材料在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)方面己經(jīng)有了相當(dāng)一部分的研究工作。首篇關(guān)于鎂合金可降解血管支架的報(bào)道在2003年,德國(guó)Biotronik公司報(bào)道了公司自行研發(fā)的AE21鎂合金支架植入豬的冠狀動(dòng)脈的研究,術(shù)后10-35天觀察到由于內(nèi)膜增生造成的40%的管腔直徑損失
20、(p<0.01,35-56天觀察到血管重塑25%的管腔再擴(kuò)大(p<0.05,無(wú)炎癥反應(yīng)。DiMario和Waksman的鎂合金支架動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明,植入6天鎂合金支架即內(nèi)膜化,28天支架發(fā)現(xiàn)腐蝕跡象。術(shù)后12周,鎂合金支架組最小管腔內(nèi)徑高于不銹鋼組(1.68mmvs1.33mm)(如圖4所示)。圖4鎂合金支架組最小管腔內(nèi)徑高于不銹鋼組(1.68mmvs1.33mm)AMS是最早用于臨床的鎂合金支架,該支架由管狀鎂合金經(jīng)激光雕刻而成,具有與金屬支架類似的機(jī)械支撐力。第一代AMS(AMS1.0)無(wú)抗增殖藥物,因降解速度過(guò)快,植入血管2月后即完全降解,導(dǎo)致了晚期管腔回縮。目前該支架已被重
21、新設(shè)計(jì),新一代AMS(DREAMS支架)降解過(guò)程已延長(zhǎng)至6個(gè)月。綜合鎂合金支架的動(dòng)物體內(nèi)研究和臨床實(shí)驗(yàn)研究,制約鎂合金作為心血管支架材料臨床使用的最關(guān)鍵的問(wèn)題是其在人體內(nèi)過(guò)快的降解速率:鎂合金過(guò)快的降解速度使得其在血管內(nèi)皮化及血管修復(fù)未完成前提前失去了支撐血管的力學(xué)性能,導(dǎo)致血管的早期彈性回縮;另外,降解產(chǎn)物的局部積累對(duì)靶向血管部位的影響還需要進(jìn)一步研究。三、展望生物醫(yī)用材料是生命科學(xué)和材料科學(xué)的交叉學(xué)科,其研究?jī)?nèi)容涉及材料醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、力學(xué)、工程學(xué)等諸多領(lǐng)域。當(dāng)今,生物醫(yī)用材料已從20世紀(jì)的第一代和第二代生物醫(yī)用材料發(fā)展到基于細(xì)胞和分子水平的第三代生物醫(yī)用材料?;诨颊咦陨砑?xì)胞制造的組織工程
22、醫(yī)療產(chǎn)品也為組織和器官修復(fù)開(kāi)辟了新的道路。綜合目前生物醫(yī)用材料的研究現(xiàn)狀,未來(lái)生物醫(yī)用材料的研究將集中在以下幾個(gè)方面:(1)對(duì)第一、二代生物醫(yī)用材料的改進(jìn)研究;(2)第三代生物醫(yī)用材料的研發(fā),特別是在材料中含特定生長(zhǎng)因子和基因,促進(jìn)組織的再生;(3)利用組織工程技術(shù),建立有特定功能和形態(tài)的組織和器官,從而達(dá)到修復(fù)和再造的治療目的;(4)納米技術(shù)和生物應(yīng)用材料相結(jié)合。納米生物醫(yī)用材料以其獨(dú)特的性能,展現(xiàn)出引人注目的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn):1 DotterCTJudkinsMP.TransluminalTreatmentofArterioscleroticObstruction,Description
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