医用材料生物学基础－蔡伟 第三章 医用植入材料与人体间的相互作用（2）

第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 1 哈尔滨 工业大学 材料学院 材料物理与化学 二 十月 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 2 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 二、植入材料与组织界面反应 3 二、植入材料与组织界面反应 物质过膜转运 反应过程与反应机理 颗粒状植入材料可能的毒副作用 细胞对植入物质的反应规律 吸收物质的生物排泄 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 4 生物材料 人体生理环境： 二、植入材料与组织界面反应 水、无机盐 、 蛋白质 细胞、组织、器官 对机体的 影响 ： 整体水平 细胞水平 分子水平 生物体 （ 宿主 ） 反应 ： 界面反应 局部的宿主反应 远端和全身的影响 反应首先是在 材料组织界面 上展开 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 5 由于体液的作用或机械摩擦 ， 颗粒状的物质可能从植入材料表面侵出或脱落 ， 或是以离子状态从材料表面侵出 ， 进入体液系统产生各种 毒性反应 。 二、植入材料与组织界面反应 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 6 金属种植体进入体内两 、 三年后 ，围绕种植材料周围的 软组织 因毒蚀而变灰 、 变黑 。 进入体液的化学物质可对血液系统产生毒化作用 ， 有毒元素替代 红细胞 中的铁原子 ， 使血红细胞运载氧的能力减弱 。 有毒元素通过血液运载毒化 神经 系统 。 二、植入材料与组织界面反应 毒性反应： 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 7 植入人体中的材料以颗粒 、 分子或离子的形式 经细胞膜 ， 产生细胞或器官毒副作用 。 这在不同程度上对细胞或器官造成损伤 。 物质的毒副作用的 可逆性 取决于被损伤组织的再生能力： 肝脏 ：再生能力强 ， 多数损伤是 可逆的 。 中枢神经 ：再生能力很差 ， 损伤多是 不可逆的 。 致癌物质引起的正常细胞发生恶变 ， 是不可逆的 。 二、植入材料与组织界面反应 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 8 物质过膜转运细胞膜 在微观水平上 ， 无论是血液毒性还是神经毒性 ， 最初都是有毒物质被 细胞吸收 ， 产生细胞毒性 。 植入人体中的材料以颗粒 、 分子或离子的形式 经细胞膜 ， 产生细胞或器官毒副作用 。 二、植入材料与组织界面反应 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 9 二、植入材料与组织界面反应 物质过膜转运 反应过程与反应机理 颗粒状植入材料可能的毒副作用 细胞对植入物质的反应规律 吸收物质的生物排泄 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 10 细胞膜 胞 结 构 细胞膜 细胞质 细胞核 包围在细胞表面的一层薄膜，厚 70 100， 电镜下观察，为三层结构。 细胞内液：半透明胶体物质。 细胞器：具有一定形态和生理功能的结构 胞内质粒：非功能性单位 核膜 染色质 核仁 核液 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 11 在电子显微镜下细胞膜的结构表现“ 两暗夹一明 ”的单位膜结构 , 厚 70 100。 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 12 糖脂 糖蛋白 外层脂质分子（亲水性头部） 表面蛋白质 疏水性尾部 嵌入蛋白质 内层脂质分子（亲水性头部） 细胞膜分子结构模式图 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 13 细胞膜 双层极性 磷脂 分子： 亲水端构成膜的内外两侧，与体液或细胞质接触，疏水端朝向膜的中间，互相贴近。 膜蛋白 : 表面蛋白 结合蛋白 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 14 细胞膜的功能 1、 物质输送 ：有选择性，进行新陈代谢的同时， 又能保持细胞内成分稳定。 水的渗透（细胞内外溶液浓度 差异 ） 脂溶性物质和小分子物质，单纯扩散作用。 非脂溶性物质与膜蛋白暂时结合， 易 化扩散。 胞饮、胞吐作用（大分子） 主动转运作用（浓度由低至高） 2、 识别、传递信号 3、膜蛋白间结合产生 细胞间结合 。 4、将细胞内外液分开，细胞内 物质不会流散 。 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 15 物质过膜转运 物质能否通过生物膜 ， 进入细胞 ，与 物质的 生物膜通透性 有关 ， 即物质的理化性质有关： 大小 /形状 亲脂性 /亲水性 所带电荷 /极性 与内源性分子的相似性 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 16 物质过膜转运 简单扩散 /脂溶扩散 滤过和水溶性扩散 易化扩散 /载体扩散 吞噬作用 /胞吞 /胞饮 吸收 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 17 大多数物质经简单扩散方式通过生物膜 ， 从浓度较高的一侧经脂质双分子层进行扩散性 转运 。 物质过膜转运 产生的条件 ： 膜两侧存在浓度梯度 物质必须具有 脂溶性 物质必须是非电离状态 简单扩散 (脂溶扩散 ( 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 18 毛细血管和肾小球的膜上具有较 大的孔 （ 约 4,可通过分子量小于 60000的分子 ， 由于水压或 /和渗透压 而产生的 水 流可顺压差携带化学物质 穿过膜孔 。 物质过膜转运 滤过 (第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 19 大部分细胞的膜孔较小 （ 约 只能通过分子量小于 100、 不带电荷的极性分子 ， 如 水 、 乙醇 、 乳酸 等 水溶性分子 和 通过水溶扩散跨膜转运 ， 其相对扩散率与该物质在膜两侧的 浓度差 成正比 。 甘油较难通过 ， 葡萄糖几乎不能通过 物质过膜转运 水溶性扩散 (第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 20 膜上蛋白质载体特异地与某种化学毒物结合后 ， 其分子内部发生构型变化而形成的适合该物质通过的通道而进入细胞 。 顺 浓度 方向转运 ， 不需消耗能量 。 水溶性分子 葡萄糖 在体内的转运； K+、 子 带有电荷 ， 不能通过脂质双分子层的内部疏水区 ， 某种情况下 ， 可随浓度差 ， 快速出入细胞 。 易化扩散 (载体扩散 : 物质过膜转运 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 21 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 22 固态颗粒 状生物材料与细胞膜接触后 ， 可改变膜的表面张力 ， 引起外包或内凹 ， 将异物包围进入细胞 ， 这种转运方式称为吞噬作用 。 某些 液态 蛋白或大分子物质以此种方式进入细胞 ， 称为胞饮或吞饮作用 。 物质过膜转运 吞噬作用 /吞饮 /胞饮作用 （ : 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 23 生物材料经接触部位 ，通常是机体的内表面或外表面 （ 如皮肤 、 消化道 、 血管） 的生物膜转运至血液循环的过程 。 物质过膜转运 吸收 （ ： 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 24 二、植入材料与组织界面反应 物质过膜转运 反应过程与反应机理 颗粒状植入材料可能的毒副作用 细胞对植入物质的反应规律 吸收物质的生物排泄 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 25 反应过程与反应机理 物质消除速率 : 生物材料在体内吸收、消除或生物转化的 速率 在任何时间与该时间物质在 体内的量 成正比。即满足一级动力学过程： dt= 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 26 反应过程与反应机理 物质与细胞大分子的 共价结合： 物质 或其具有活性的 代谢产物 与机 体的一些重要大分子发生共价结合 ， 从 而改变核酸 、 蛋白质 、 酶 、 膜脂质等 生 物大分子 的化学结构与其生物学功能 ， 造成细胞损害 。 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 27 物质与细胞大分子的共价结合： 化学物质或其代谢产物与 蛋白质 发生共价结合 ， 蛋白质可位于胞浆 、 核或膜等部位 ， 造成 酶 活性 、 膜 通透性 、 离子转运 的改变 、 线粒体 能量代谢障碍 、 细胞骨架 损害 、 细胞内 钙稳态 失调 、 影响细胞 信号传递 最终导致 细胞死亡 细胞死亡： 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 28 物质与细胞大分子的共价结合： 致癌作用： 致癌物与 核酸 相互作用 ， 导致细胞癌变 。 化学物质或其代谢产物 ， 与 蛋白质 发生共价结合 ，引起 如错误复制超过机体的 修复能力 ， 将导致突变 ， 最终引起癌变 。 与氨基酸或蛋白质有 相似空间构型 的高分子单体 ， 可能更容易到达靶部位 细胞核 ， 化学毒物或其代谢产物一旦与核蛋白 （ 控制细胞生长、 增殖和分化等生理过程 ） 共价结合 ， 将影响细胞的结构与功能 。 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 29 反应过程与反应机理 物质与细胞大分子的共价结合： 免疫反应 ： 较小分子量的物质可作为半抗原与机体组织蛋白共价结合 ， 改变其结构 ， 使之成为一种免疫原 ， 诱发各种特殊的免疫反应 。 细胞毒性反应 、 过敏反应 /变态反应 。 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 30 二、植入材料与组织界面反应 物质过膜转运 反应过程与反应机理 颗粒状植入材料可能的毒副作用 细胞对植入物质的反应规律 吸收物质的生物排泄 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 31 颗粒状植入材料可能的毒副作用 植入颗粒材料经组织液和血液的转运过程 ， 可能富积于肝区 、 肾脏以及骨组织改建前端 ， 造成细胞损伤 。 全身各种组织细胞 ， 特别是具有 高分化特殊功能 的实质细胞 ， 如肝细胞 、 肾小管上皮细胞 、 神经细胞 、 血细胞 、 心肌细胞等在中毒时 ， 最常出现病变形式 ， 其本质是化学毒物作用下 ， 细胞生长代谢 发生异常或停止 ， 细胞内 生命活动 的严重障碍和 基本结构 严重破坏与崩解 。 细胞损伤 ： 坏死、变性 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 32 颗粒状植入材料可能的毒副作用 是生命机体对异物入侵的一种普遍防卫反应 。 原发于 植入体的直接作用 继发于 吸收引起的组织坏死或继发感染 表现： 组织细胞变性 组织液 、 血液成分的渗出 炎症细胞侵润 纤维素样变性和增殖 炎症： 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 33 二、植入材料与组织界面反应 物质过膜转运 反应过程与反应机理 颗粒状植入材料可能的毒副作用 细胞对植入物质的反应规律 吸收物质的生物排泄 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 34 细胞对植入物质的反应规律 细胞 是机体组织的基本组成单位 ， 它通过摄取 、 转化 、 贮存 、 利用物质和能量来维持细胞的生命活动 。 细胞通过膜表面的蛋白质和亲和素与植入材料 表面结合 。 物质经细胞吸收后 ， 与细胞中的 分子结合 ， 有可能参与细胞中的各种 生命活动 ， 最终影响组织细胞的各种生物学功能 。 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 35 细胞对植入物质的反应规律 植入材料对 免疫系统 的作用： 不同的生物材料可能直接损伤 免疫细胞的 形态 或 功能 ； 经吸收 ， 干扰神经内分泌网络 ， 使机体免疫功能低下 ， 即 免疫抑制 ， 导致机体易受感染因素或肿瘤的攻击 。 影响免疫细胞的 抗原识别能力 或 敏感性， 引起病理性免疫应答 。 同一化学物质不同条件下 ， 分别表现为免疫抑制或过敏 。 第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 36