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1、第三章 相互作用,一、生物相容性概念和原理,1,哈尔滨工业大学材料学院 材料物理与化学二OO六年十月,医用材料生物学基础,医用植入材料与人体间的相互作用,一、生物相容性概念和原理二、植入材料与组织界面反应三、植入材料引起的炎症与伤口愈合四、植入材料引起的感染、钙化和肿瘤五、植入材料的病理学反应,第三章,第三章 相互作用,2,一、生物相容性概念和原理,一、生物相容性概念和原理,生物体引起植入材料变化的因素材料反应 生物体（宿主）反应 生物相容性的定义生物相容性分类生物相容性评价体系生物相容性试验,第三章 相互作用,3,一、生物相容性概念和原理,生物体系,生命体系,人体,系统,器官,细胞,分子,组
2、织,体液,细胞内液,细胞外液,组织液,血液,淋巴液,免疫系统,材料,侵蚀性,排外性,材料降解,炎症、肿瘤,细胞毒性,遗传基因表达,血凝、溶血,电解质、酶腐蚀和水解、生物、化学活性,免疫细胞淋巴、吞噬破坏外来成分,含水缓冲环境pH7.4、37,复杂的结构、完美的功能,第三章 相互作用,4,一、生物相容性概念和原理,Biomaterial-Tissue Interactions,第三章 相互作用,5,一、生物相容性概念和原理,生物机体是一个复杂的环境,植入体内的材料长期处于物理、化学、生物、电、机械等因素的复杂环境影响之下,外科植入物不仅受到组织不停运动的动态作用,也处于代谢的反应之中。 生物体对
3、植入材料的影响又取决于材料本身化学、物理性质及其各组分的相对含量,引起机体组织反应也存在异同。,生物体引起植入材料变化的因素,第三章 相互作用,6,一、生物相容性概念和原理,生物体引起植入材料变化的因素,体液中各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基酸、多肽、自由基、无机盐对材料的生物降解作用细胞黏附吞噬作用细胞生物电、磁场和电解、氧化作用新陈代谢过程中生物化学和酶催化反应生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动态运动,第三章 相互作用,7,一、生物相容性概念和原理,一、生物相容性概念和原理,生物体引起植入材料变化的因素材料反应 生物体（宿主）反应 生物相容性的定义生物相容性分类生物相容性评价体系生物相容性
4、试验,第三章 相互作用,8,一、生物相容性概念和原理,材料反应金属的腐蚀,医用金属具有良好的机械力学性能，且应具有良好的生物相容性，通常医用金属材料，含有Fe、Cr、Co、Ni、Ti、Ta、Mo、W等 金属在体内的腐蚀大多是通过可预见的普通机制发生的，因其可以预见，所以人们选择耐腐蚀性好、机械性能优良可以在受力结构中应用的金属惰性的合金。 惰性的合金： 纯钛、钛铝钒合金、钴铬合金、不锈钢,第三章 相互作用,9,一、生物相容性概念和原理,材料反应金属的腐蚀,合金在多数体内环境中保持惰性状态，但仍然会有物质释放到组织中。 钛从体内取出时没有腐蚀的迹象，氧化层也保存完好，甚至还随时间逐渐加厚（Sun
5、dgren，1986）但有实验表明，在周围的组织中仍能很容易检测出钛（Thomsen1986）、金属离子或其形成的络合物可能会造成组织的损害，所以即使是轻微的腐蚀也不可忽视。,第三章 相互作用,10,一、生物相容性概念和原理,材料反应金属的腐蚀,很难确定有活性的生理环境在金属腐蚀中的作用。 蛋白质的存在完全改变一些金属在盐水中的腐蚀速度，特别是在溶液中能和蛋白质结合的金属（钴、银、铜），血清蛋白使它们的腐蚀速度提高一个数量级。 蛋白质、盐溶液、细胞活化的产物等都可能改变金属腐蚀的速度或其与机体的界面层结构。,第三章 相互作用,11,一、生物相容性概念和原理,材料反应聚合物的水解,许多聚合物都能
6、吸水（也有一些医用高分子吸收很少的水或不吸水），所以，这些聚合物在组织中持续存在会导致水渗透到它们的分子结构中，这些分子结构可能是易水解的，水分的吸收特性和聚合物的水解特性共同决定了聚合物在这环境中的行为。,第三章 相互作用,12,一、生物相容性概念和原理,材料反应聚合物的水解,1）易吸水和能水解的聚合物在植入后易 发生降解。 聚乳酸、聚乙醇酸（缝合线、药物缓 释系统）2）不易吸水但能水解的聚合物通过表面 腐蚀的机制降解。暴露在表面的易水 解基团或分子最敏感，降解过程由表 面缓慢地进行，也可能，反应是非常 迅速和不均匀的。 聚氨酯、聚酰胺,第三章 相互作用,13,一、生物相容性概念和原理,材料
7、反应聚合物的水解,3）易吸水但不水解的聚合物会发生膨胀 和破裂等结构变化，但不一定发生分 子降解。 丙烯酸酯聚合物能吸收一些水分，但 不降解。聚硅氧烷易吸收脂肪和类脂 ，并可能继而发生破裂。4）既不水解又能抵抗水分渗入的聚合物 能在组织中存在而不发生降解。 聚四氟乙烯、聚烯烃等均聚物。,第三章 相互作用,14,一、生物相容性概念和原理,材料反应聚合物的水解,聚合物在体内对降解的敏感顺序（Williams,1982）,第三章 相互作用,15,一、生物相容性概念和原理,材料反应聚合物的生物降解,生物降解： 如果降解仅仅是由于水造成的，其过程应该很容易通过实验室实验模拟和断定的。 如果在体内降解比在
8、37缓冲盐溶液（pH7.4）中进行得快，很可能是生理环境通过更有活性的方式在发挥作用这个过程被称为生物降解。,第三章 相互作用,16,一、生物相容性概念和原理,材料反应聚合物的生物降解,酶在体外环境下能够影响各种各样的易降解的 聚酯、聚酰胺、聚氨基酸和聚氨酯等聚合物 的降解（Smith，1987）。在体外酶通过催 化水解反应加快了聚合物降解过程。,酶是由许多细胞合成和释放的，包括炎性过程中的细胞。这些细胞也会产生和释放各种各样的自由基。细胞释放的过氧化氢能产生羟基自由基和其它次级自由基，这个过程会参与引发聚合物的降解过程。如自动氧化等。（Willams，1991）,第三章 相互作用,17,一、
9、生物相容性概念和原理,一、生物相容性概念和原理,生物体引起植入材料变化的因素材料反应（金属的腐蚀、聚合物的水解和降解） 生物体（宿主）反应 生物相容性的定义生物相容性分类生物相容性评价体系生物相容性试验,第三章 相互作用,18,一、生物相容性概念和原理,生物体（宿主）反应,1、界面反应 材料一旦放入体内就形成界面，界面上组织的主要成分都是液态的，其中主要是血液，几秒钟内蛋白质就吸附到材料表面上。,第三章 相互作用,19,一、生物相容性概念和原理,生物体（宿主）反应,蛋白质的吸附,第三章 相互作用,20,一、生物相容性概念和原理,生物体（宿主）反应,1、界面反应蛋白质的吸附的特点 a）蛋白质的竞
10、争吸附： 浓度较高的蛋白：白蛋白、纤维蛋白原 表面亲和性较高：纤维结合蛋白 b）吸附蛋白多层分布 c）可能会发生吸附蛋白分子的伸展、 变性和解吸附 d）吸附迅速 e）亲疏水性、表面电荷、化学性质、 表面粗糙度,第三章 相互作用,21,一、生物相容性概念和原理,生物体（宿主）反应,2、局部的宿主反应 植入材料后，组织、血管发生破坏，血液流出，其中包括纤维蛋白原、血小板等，开始凝血（在凝血酶的作用下，纤维蛋白原变为不溶纤维网）。,第三章 相互作用,22,一、生物相容性概念和原理,生物体（宿主）反应,2、局部的宿主反应 近周血管迅速膨胀使白细胞（中性粒细胞）、血浆蛋白及细胞外液中炎性介质从管壁渗出，
11、炎性介质通过趋化过程把细胞大量吸引到受损伤部位急性炎性反应期。,第三章 相互作用,23,一、生物相容性概念和原理,生物体（宿主）反应,2、局部的宿主反应 吞噬和消化外来微粒和物体的细胞（吞噬细胞）会被吸引到植入材料的周围受刺激的部位并被活化，使代谢水平迅速升高，使身体能抵御外来侵染产生急性炎症。 纤维囊：成纤维细胞激活分泌胶原，胶原纤维沿着植入体表面平行生长，对惰性材料的轻微反应，形成薄的纤维囊。,第三章 相互作用,24,一、生物相容性概念和原理,生物体（宿主）反应,3、远端和全身的影响 被动扩散：浓度梯度 主动分布：可溶成分进入血液循环； 被细胞吞噬的颗粒物质进入淋巴系统 组织、器官聚集、沉
12、积 固体致癌原：金属离子,第三章 相互作用,25,一、生物相容性概念和原理,生物体（宿主）反应,界面反应,凝血：纤维蛋白原、血小板等炎性反应：中性粒细胞、吞噬细胞纤维囊：成纤维细胞激活分泌胶原,蛋白质吸附细胞结合,局部的宿主反应,远端和全身的影响,被动扩散：浓度梯度主动分布：血液循环、淋巴循环,组织聚积、致癌、致敏,第三章 相互作用,26,一、生物相容性概念和原理,一、生物相容性概念和原理,生物体引起植入材料变化的因素材料反应（金属的腐蚀、聚合物的水解和降解） 生物体（宿主）反应 生物相容性的定义生物相容性分类生物相容性评价体系生物相容性试验,第三章 相互作用,27,一、生物相容性概念和原理,
13、生物相容性 biocompatibility,生物材料和人体组织接触后，在材料机体组织界面发生一系列相互作用后，产生各种复杂的生物、 物理、化学反应, 最终被人体组织所接受的性能。,生物相容性,第三章 相互作用,28,一、生物相容性概念和原理,生物相容性,理想材料的生物学反应,各种,生物医用材料人工器官医用辅助装置,对人体,无毒性无致敏性无刺激性无致畸性无遗传毒性无致癌性,对人体,系统无任何不良反应,无凝血、无溶血反应,无炎症、肿瘤反应,无免疫排斥反应,免疫,组织,血液,第三章 相互作用,29,一、生物相容性概念和原理,生物相容性分类,血液相容性：材料用于心血管系统与血 液直接接触，要考察与血
14、 液的相 互作用。组织相容性、 一般生物相容性： 材料与心血管系统外的组 织和器官接触，主要考察 与组织的相互作用。,生物相容性,第三章 相互作用,30,一、生物相容性概念和原理,生物相容性的评价标准,美国评价标准 ASTM(F48-82)美国、英国、加拿大三国评价标准1986国际标准化组织评价标准 ISO/TC194 ISO10993.1-1992 ISO10993.12-1992中国的评价标准 GB/T16886.1-1997,生物相容性,第三章 相互作用,31,一、生物相容性概念和原理,国际标准化组织评价标准 ISO10993.1-1992 ISO10993.12-1992,1、医疗器械
15、和生物材料生物学评价试验指南2、动物福利要求3、遗传毒性、致癌性和生殖毒性试验4、与血液相互作用试验选择5、细胞毒性试验(体外法) 6、植入后局部反应试验7、环氧乙烷灭菌残留量8、临床调查9、与生物学试验有关的材料降解（技术报告）10、刺激和致敏试验11、全身毒性试验12、样品制备与标准样品,第三章 相互作用,32,一、生物相容性概念和原理,Standards in Biomaterials Testing,Technical Committee 194 of the International Organization for Standardization (ISO) meet every
16、 springSet of documents 10993 (FDAs version #G95-1):10993-1: Guidance on Selection of Tests. 10993-2: Animal Welfare Requirements. 10993-3: Tests for Genotoxicity, Carcinogenicity, and Reproductive Toxicity. 10993-4: Selection of Tests for Interactions with Blood. 10993-5: Tests for CytotoxicityIn V
17、itro Methods. 10993-6: Tests for Local Effects after Implantation. 10993-7: Ethylene Oxide Sterilization Residuals. 10993-9: Degradation of Materials Related to Biological Testing. 10993-10: Tests for Irritation and Sensitization. 10993-11: Tests for Systemic Toxicity. 10993-14: “Materials Evaluatio
18、n.,第三章 相互作用,33,一、生物相容性概念和原理,Guideline of biological evaluation of medical device ( ISO standard, 1997),接触时间： A: 一时接触(24h) B: 短、中期接触 ( 24h30 日) C: 长期接触( 30 日),接触部位： 表面接触：皮肤、粘膜、损伤表面 由体外与体内接触：血路间接、组织/骨/牙、 循环血液 体内植入：组织/骨、血液,第三章 相互作用,34,一、生物相容性概念和原理,Guideline of biological evaluation of medical device (
19、ISO standard, 1997),基本评价的生物学试验：细胞毒性、致敏试验 刺激或皮内反应试验 全身急性毒性试验 亚慢性亚急性毒性 遗传毒性、植入试验 血液相容性试验,补充评价的生物学评价试验：慢性毒性 致癌性 生殖与发育毒性 生物降解试验,第三章 相互作用,35,一、生物相容性概念和原理,第三章 相互作用,36,一、生物相容性概念和原理,中国的评价标准 GB/T16886.1-1997,基本评价的生物学试验： 热原试验、 急性毒性体外试验（溶血试验） (亚慢性亚急性毒性),补充评价的生物学评价试验： 亚慢性亚急性毒性,第三章 相互作用,37,一、生物相容性概念和原理,生物相容性试验,整
20、体、细胞和分子生物学三个层次评价生物材料的生物相容性细胞学：从细胞水平去观察材料对细胞的 数量、形态及分化的影响 整体动物学：从整体水平去观察材料对人 体各系统的影响分子水平评价：观察材料对细胞DNA、RNA 及细胞外基质的胶原蛋白和非胶原 蛋白mRNA 基因表达的影响。,第三章 相互作用,38,一、生物相容性概念和原理,在人体生理环境中, 材料所接触的除了水、无机盐外, 更有蛋白质、细胞、组织和器官等生命有机体, 因此材料对所有这些生命有机体的作用和影响就变得至为重要。,生物相容性试验,第三章 相互作用,39,一、生物相容性概念和原理,生物材料特别是植入人体软组织的材料, 会与成纤维细胞直接
21、接触,成纤维细胞会合成： 作用于细胞合成的组蛋白、 作用于细胞粘着的纤联蛋白、 作用于细胞构架的肌动蛋白和波形蛋白 以及大量与细胞外基质有关的胶原蛋白 植入人体硬组织的材料,会与成骨细胞直接接触，成骨细胞会合成： 与骨形成相关的骨钙蛋白、 骨粘连蛋白 和骨桥蛋白 以及大量的胶原蛋白。,第三章 相互作用,40,一、生物相容性概念和原理,我们知道,遗传物质的主要活性是指导蛋白质的合成。如果生物材料对机体的影响已经在整体水平和细胞水平上表现出来, 那么在分子水平的遗传基因表达方面一定已经造成影响, 并且会极灵敏地反映出来。,生物相容性试验,第三章 相互作用,41,一、生物相容性概念和原理,体外实验：
22、用材料或材料浸提液与细胞共培养， 观察材料对细胞的形态、增殖能力及 细胞主要生理功能的影响 体外细胞毒性试验、遗传毒性和致癌试验、 血液相容性评价方法、细胞粘附、细胞扩散 细胞增殖动物体内实验：将材料植入体内,分阶段将植入体 与周围组织取出,做组织学检查, 观察材料植入体内后引起机体组 织学变化，评价组织相容性。,生物相容性试验,第三章 相互作用,42,一、生物相容性概念和原理,In vitro Testing: Direct Contact,A confluent monolayer (100 x magnification) of well-defined L929 mouse fibro
23、blast cells exhibiting cell-to-cell contact. This appearance is indicative of a non-cytotoxic (negative) response,L929 mouse fibroblast cells (100 x magnification) that illustrate a positive cytotoxic reaction in the elution test method. The cells are grainy and lack normal cytoplasmic space; the co
24、nsiderable open areas between cells indicate that extensive cell lysis (disintegration) has occurred.,http:/,第三章 相互作用,43,一、生物相容性概念和原理,Testing Biomaterials,IN VITRO (cell cultures in glass)rapidinexpensivepoor representation of physiological conditionsgood as the first stepIN VIVO (animal experiments
25、)better approximation to human environmentdemanding protocols (Animal Welfare Act)right animal model approximate human environmentsecond step prior to clinical use,第三章 相互作用,44,一、生物相容性概念和原理,Standards in Biomaterials Testing: ISO 10993-4: Hemocompatibility,Normal neutrophils and lymphocytes subjected
26、to a negative control material,http:/,Cell nuclei fragmenting into pieces following exposure to a positive control material,第三章 相互作用,45,一、生物相容性概念和原理,急性毒性试验 将材料浸提液超高压过滤除菌,在动物 腹腔内注射浸提液,对照组腹腔内注射生理 盐水。观察注射后24 、48 、72h 的体重变 化及各种反应。热原实验 体温正常、恒定新西兰大白兔，自耳缘 静脉静推温度为37 的材料浸提液,注射后 每小时测肛温1 次,共3 次,以3次中最高的 一次减去正常体
27、温,即为该兔的体温升高度 数。,生物相容性试验,第三章 相互作用,46,一、生物相容性概念和原理,制备加入抗凝剂新鲜稀释兔血 实验组:材料浸提液稀释兔血 阴性对照组:生理盐水稀释兔血 阳性对照组:蒸馏水中稀释兔血 离心、取上清, 用分光光度计于波长545nm测吸光度,每组取3次平均值。溶血程度公式:溶血程度= (实验组吸光度-阴性对照组吸光度) / (阳性对照组吸光度-阴性对照组) 100 % 体外检测引起的溶血程度5 % ,符合要求。,溶血实验,第三章 相互作用,47,一、生物相容性概念和原理,将材料制备成边缘光滑，形状规则的圆柱体，消毒备用。 在动物体选取植入点，做切口,钝性分离肌肉，植入深度为12cm，缝合肌膜和皮肤。两侧任一侧做实验组,另一侧做对照组，植入明胶海绵。 术后7 ,14 ,30 ,60 ,90 ,180d 取材，固定于10%甲醛溶液,石蜡包埋切片,HE染色,做组织学切片，在光学显微镜下观察。 组织病理学检查：炎性细胞、中性粒细胞 纤维细胞增生、胶原纤维组织包膜,肌肉内种植实验,第三章 相互作用,48,一、生物相容性概念和原理,
