生物医用材料专题1生物医用材料的生物相容性及生物学评价

1、专题、生物医用材料的生物相容性及其生物学评价 生物医用材料必须具备优良的生物相容性才能被人体接受，保证临床使用的安全性。生物相容性问题在70年代初开始受到各国政府和学术界的重视。1992年国际标准化组织(iso)发布医用装置生物学评价标准(iso 10993-1992)。1997年国内发布了医疗器械生物学评价标准GBT16886，等同采用了ISO10993-1992标准。第一节、生物相容性概念和原理生物医用材料必须对人体无毒、无致敏、无刺激、无遗传毒性、无致癌性，对人体组织、血液、免疫等系统不产生不良反应。材料的生物相容性是生物医用材料研究设计中首先考虑的重要问题。生物医用材料与组织、细胞、血

2、液接触时，会产生各种反应，（包括宿主反应（即机体生物学反应）和材料反应）。见下图。材料与机体之间的反应，影响到各自的功能和性质，下图是上表中生物相容性反应的后果。多数医用材料植入体内以后，物理的化学的性状会变化。引起生物医用材料变化的因素有： (1)生理活动中骨路、关节、肌肉的力学性动态运动； (2)细胞生物电、磁场和电解、氧化作用： (3)新陈代谢过程中生物化学和酶催化反应； (4)细胞粘附吞噬作用： (5)体液中各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基酸、多肽、自由基对材料的生物降解作用。另一方面，医用材料植入人体后，机体会发生三种生物学反应：组织反应、血液反应和免疫反应。引起生物体反应的因素有：

3、(1)材料中残留有毒性的低分子物质； (2)材料聚合过程残留有毒性、刺激性的单体；(3)材料及制品在灭菌过程中吸附了化学毒剂和高温引发的裂解(4)材料和制品的形状、大小、表面光滑程度(5)材料的酸碱度。生物相容性的分类生物医用材料的生物相容性分为两类：若材料用于心血管系统与血液直接接触，主要考察与血液的相互作用，称为血液相容性；若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，称为组织相容性或一般生物相容性。所有医用材料和装置都将首先遇到组织相容性问题（即便是人工心血管系统），所以叫做一般生物相容性。组织相容性涉及的各种反应在医学上都是比较经典的，反应机理和试验方法比较成熟；而血液相

4、容性涉及的各种反应比较复杂，很多反应的机理尚不明确。在血液相容性试验方法方面，除溶血试验外，多数尚不成熟，特别是涉及凝血机理中的细胞因子和补体系统方面的分子水平的试验方法还有待研究建立。下图列出生物医用材料生物相容性分类：第二节 组织相容性组织相容性要求医用材料植入体内，与组织细胞无任何不良反应。在组织相容性中，人们最关心的两个问题是材料与炎症和材料与肿瘤。人工合成材料植入软组织后，组织细胞会有什么反应？形象地说，组织细胞的反应是：要么吃掉，要么包住：（1）若植入物可被除去，则除去它：由粒细胞分泌出酶溶解它、由巨噬细胞进行吞噬，进而在细胞内溶解它。这类植入物通常具有与活体组织相似的蛋白质结构，

5、如可吸收的缝合线（羊肠线）；（2）若植入物不可被除去，则将由成纤维细胞分泌胶原纤维，在材料周围形成结缔组织包裹层，对植入物进行包裹，使植入物与活体组织隔离开。这类材料包括：体积大的金属、陶瓷和聚合物。于是就可能有下述三种情况：毒性反应：如果植入物的毒性大，周围的细胞组织无法正常代谢，导致细胞死亡，产生“非细菌性脓肿”。结果是，脓肿组织酸度高，腐蚀性大，将加速对金属表面的腐蚀，而更多的腐蚀产物又加速组织的坏死。这种情况组织学特征是周围细胞固缩，细胞核增大，染色深。Co, Ni, Cu, V等单质金属属这一类。包绕反应：如果植入物体积大，毒性适中，周围组织中的成纤维细胞大量沉积胶原纤维，形成一层致

6、密的纤维包绕层，使植入物与组织隔开。结果是，一方面金属不再与组织液过多接触，降低了腐蚀速度，另一方面周围组织降低了与金属表面的接触，使副作用降低到最低的限度。这种情况组织学特征是包绕层致密，无血管形成。Al, Fe, Mo, Ag, Au, Co基合金，不锈钢等材料属这类材料。活性反应：如果材料体积大但毒性很小，周围组织受影响小，形成的包绕层疏松且薄，包绕层中有血管产生，有时候还可以观察到上皮细胞组织直接与植入物接触。这种情况组织学特征是包绕层疏松且薄，有毛细血管穿行其中。Ti, TiAlV, TiAlVCr, Zr, Nb, Ta, Pt等金属属于这一类。因此有评价软组织相容性的方法：包绕层

7、的厚薄以及其中毛细血管的数量，可以反映材料的生物相容性高低。影响医用材料生物相容性的因素：1. 材料的化学成分；2. 表面的化学成分；3. 形状和表面的粗糙度：当医用材料与装置植入体内某一部位时，局部组织对异物产生机体防御性对答反应，植入物体周围组织出现白细胞、淋巴细胞和吞噬细胞聚集，发生不同程度的急性炎症。当材料有毒性物质渗出时，局部炎症不断加剧，严重时出现组织坏死。长期存在植入物时，材料被淋巴细胞、成纤维细胞和胶原纤维包裹，形成纤维性包膜囊，使正常组织和材料隔开。如果材料无任何毒性，性能比较稳定，组织相容性良好，则在半年、一年或更长时间包膜囊变薄，囊壁中的淋巴细胞消失，在显微镜下只见到很薄

8、的1-2层成纤维细胞形成的无炎症反应的正常包膜囊。如果植入材料组织相容性差，材料中残留小分子毒性物质不断渗出，就会刺激局部组织细胞形成慢性炎症，材料周围的包囊壁增厚，淋巴细胞浸润，逐步出现肉芽肿或发生癌变。生物医用材料与炎症 在机体中长期植入生物医用材料，常引起炎症。由于植入物中微量小分子物质渗出，刺激组织引起非感染性炎症。炎症过程较轻微，持续时间较短，1-2周基本消失。毒性较大的小分子残留物则引起炎症的时间较长，在材料长期刺激下或局部组织细胞长期受毒时，产生的慢性炎症将对机体造成不良后果。医用材料和医用装置植入体内后，临床上最常见的并发症是感粱性炎症，发生率在1-10之间，引起感染的原因主要

9、是植入物灭菌不彻底或植入物被污染。例如，大量用于整形外科的聚丙烯酰胺水凝胶组织填充假体，由十多种原因，手术后的感染发生率较高，局部发生感染并发症的病人，植入材料的局部组织出现红肿、水肿、脓肿、坏死，当炎症转为慢性后出现肉芽肿，严重者发生全身脓毒败血症。造成细菌性感染的原因有以下几点： (1)植入手术过程中对皮肤和组织造成损伤体内组织的机会； (2)植入生产过程中已被细菌污染的材料和制品或无菌材料已被污染； (3)植入材料能抑制体内的抗炎防御系统的反应性。增加了局部组织易感染性； (4)植入材料能抑制和吸附补体C3a、C5a，增加多核白细胞在植入物附近局部组织中的数量，使抑制局部炎症反应的能力减

10、弱。已经发现，材料表面对血液中复合补体系统的C3a、C5a有或者激活或者抑制的不同作用。弄清楚不同生物材料对复合补体C3a、C5a的作用，在提高生物材料抗感染能力方面有重要意义。生物医用材料与肿瘤 生物医用材料的致癌问题一直是人们关心的课题，尽管临床上在使用生物材料和人工器官过程中很少发生肿瘤，但在生物相容性的动物致癌试验研究中发生肿瘤的报道并不少见。在周期两年的动物试验中，被诱发的肿瘤常是纤维肉瘤、骨肉瘤、软骨肉瘤和血管肉瘤等。临床上诱发肿瘤的时间较长，有75以上在植入体内15年后才发生肿瘤。医用聚氨酯和硅氧烷共聚物临床应用30年后才有发生肿瘤的报道，说明植入物在人体内诱发肿瘤有较长的潜伏期

11、。生物医用材料诱发肿瘤可能与下列因素有关：(1)动物试验证实，引起肿瘤的原因与植入材料的外形有明显的相关性。将不同外形的材料埋人大鼠皮下组织内，肿瘤发生率明显不同。粉末和海绵状材料几乎不诱发恶性肿瘤，纤维状材料也很少发生恶性肿瘤，只有片状材料容易诱发恶性肿瘤。 (2)与植入材料的埋植方法有关。连续放置的片状材料恶性肿瘤发生率明显高于打孔放置的片状材料。 (3)与植入材料表面的租糙程度有关。若材料表面光滑，肿瘤发生潜伏期短；若材料表面粗糙，肿瘤发生潜伏期延长。 (4)被致癌物污染的材料或生物老化时能释放致癌物的材料，植入动物体内能诱发恶性肿瘤。例如被3，4-苯并芘污染的热塑性聚烯烃橡胶植入大鼠皮

12、下，在22周后即可诱发恶性肿瘤。聚氨酯在121°C或体内老化时裂解出的芳香酮化合物有潜在致癌作用。 (5)与植入材料在体内形成的纤维包膜厚度有关。植入一年时，材料的外包膜厚度超过0.25mm-0.3mm就有可能诱发恶性肿瘸。 (6)材料中残留的有毒或刺激性的小分子物质使局部组织长期受毒或受刺激，可诱发恶性肿瘤。要消除生物医用材料及医用装置的潜在致癌性，材料不能残留有毒、有刺激性的小分子物质溶出；植入物的外形、表面性质和植入的方式均应避免出现可能诱发肿瘤的有关因素；对长期植入体内的医用材料和装置应进行慢性毒性和致突变、致癌的生物学评价试验，在分子水平上研究材料对基因DNA、细胞染色体的

13、影响。高分子材料在体内的表面钙化高分子材料在植入人体内后，经过一段时间，会出现钙化合物在材料表面沉积的现象，即钙化现象。钙化现象往往是导致高分子材料在人体内应用失效的原因之一。发生钙化现象的不仅是胶原生物材料，一些高分子水溶胶，如聚甲基丙烯酸羟乙酯在大鼠、仓鼠、荷兰猪的皮下也发现有钙化现象。一般而言，材料植入时，被植个体越年青，材料表面越可能发生钙化。多孔材料的钙化情况比无孔材料要严重。 第三节 血液相容性生物材料对血液影响主要有以下几方面：a) 血小板激活、聚集、血栓形成；b) 凝血系统和纤溶系统激活、凝血机能增强、凝血系统加快、凝血时间缩短；c) 红细胞膜破坏、产生溶血；d) 白细胞减少及

14、功能变化；e) 补体系统的激活或抑制；f) 对血浆蛋白和细胞因子的影响。影响血液相容性的因素：1. 材料表面光洁度：表面越粗糙，暴露在血液上的面积就越大，凝血的可能性就增大。2. 表面亲水性：亲水性材料比疏水性材料有更好的血液相容性。3. 表面带电性：表面带负电的材料具有更好的血液相容性。目前使用较多的抗凝血的表面：1. 肝素表面。肝素是一种糖。2. 低温裂解碳。3. 二氧化钛表面，氧化钽表面。凝血过程：血液在受到下列因素影响时，都可能发生血栓： 血管壁特性与状态发生变化； 血液的性质发生变化； 血液的流动状态发生变化。人们对凝血的机制和路径还不完全了解，大致过程是：材料与血液接触的数秒内，首

15、先被材料吸附的是血浆蛋白（白蛋白、r-球蛋白、纤维蛋白原等），然后血小板在材料表面粘附、聚集、变形，向血小板血栓形成的方向发展，同时血液内一系列凝血因子相继被激活（凝血系统、纤溶系统被激活），参与到材料表面的血栓形成过程，最终形成红血栓。血管内的小血块称血栓，漂流到脑动脉中就引起中风，漂流到冠状动脉中就引起心肌梗塞，因此，血相容性是血液接触材料关系重大的性能。人工心脏瓣膜、血管支架、人工心肺机等等都必须具有优良的血液相容性。 改变材料表面的性能或结构有助于提高材料的血液相容性。常见材料表面肝素化有明显的抗凝血和抗血栓性能，它是通过肝素与血小板第3因子(AT3)共同作用于凝血酶，抑制了纤维蛋白原

16、向纤维蛋白的转化反应；材料表面肝素化还能阻止血小板在材料表面的粘附、聚集，达到抗凝血的目的。材料表面亲水-疏水微相分离结构具有优良的抗凝血性能。聚醚聚氨酯抗凝血材料ATPu系列，是具有表面亲水-疏水微相分离结构的聚合物。改变软段中亲水性单体的分子量和含量比例，材料表面的血液相容性优于同类医用嵌段聚醚聚氨酯抗凝血材料1-2倍。亲水性的材料表面与血小板相互作用微弱，不易引起血小板在材料表面的粘附，不激活凝血系统，可阻止血小板血栓的形成。一些表面带负电荷的生物医用材料也有良好的抗凝血性能。目前，正在建立血液相容性的体内外试验方法，重点是从分于水平研究凝血系统与材料表面的相互作用，从理论上阐明它们之间

17、的关系和机制，特别是阐明血液中各种酶、细胞因子、复合补体的裂解产物，在材料和血液相互作用中的影响。只有建立比较完善的血液相容性材料的设计理论和研究方法，才能更好地开发新的血液相容性生物医用材料。生物医用材料与血小扳当血小板与进入血管内的材料接触时，血小板会被激活。由于血液分子细胞学的发展，已在分子水平上搞清了血小板激活、粘附、聚集、释放反应。国际标准化组织在IS010993.4-1992与血液相互作用试验选择中已将测定血小板球蛋白（-TG)、血小板因子4(PF4)的方法列为试验方法，从分子水平上评价生物材料激活血小板的指标。生物医用材料与补体系统补体(complement)是血液中的一群蛋白质

18、。是存在于正常人和动物血清与组织液中的一组经活化后具有酶活性的蛋白质。一般认为补体在机体抵御感染中起重要作用。19世纪末Bordet证实，新鲜血液中含有一种不耐热的成分，可辅助和补充特异性抗体，介导免疫溶菌、溶血作用，故称为补体。人体补体系统是由20余种理化性状和免疫特性不同的血清蛋白组成，通常以非活化状态的前体分子形式存在血清中，约占血浆球蛋白总量的15。当因某种原因(植入体内的材料)激话补体时、补体各成分便按一定顺序呈链锁的酶促反应，即补体活化。 生物医用材料对补体激活最明显的例子，是在临床上进行人工肾透析时，患者出现暂时性的白细胞减少症。 研究发现，血液的透析膜和其他生物材料与血液接触时

19、都会引起补体替代途径的激活。激活过程是由于c3分子带有含磺酸酯基团的活性位点，可与材料表面的亲核基团发生共价键合反应。因此，材料表面带有羟基或胺基的基团使补体C3在材料表面沉积而激活补体。研究发现，生物材料也可引起补体系统的经典途径激活。补体激活对机体产生下面的影响： (1)可引起患者过敏症状。患者首次透析时出现头痛、恶心、呕吐等症状。 (2)在透析时观察到患者有血氧下降或低血压现象。这是由于大量嗜中性白细胞聚集于肺毛细血管中，影响肺泡的换氧功能，出现缺氧现象。另外白细胞聚集增加肺循环压力，使肺血流减少，回到定心房的血液减少，使体循环的血压下降。 (3)C3b将引起白细胞在材料表面粘附，促进血

20、小板聚集，参与血栓的形成。 (4)出现慢性并发症，如易感染、恶性肿瘤发生率增加、软组织钙化，特别是肺泡细胞纤维化、钙化及动脉硬化。在长期透析患者中见到的这些症状与反复长期使用透析膜而对补体系统产生的影响有关。 (5)植入物的表面拈附大量的白细胞，是由于C3b结合在材料表面，起到白细胞在材料表面粘附的调理作用。白细胞在材料表面粘附会通过释放血小板激活因子而促进血小板聚集。临床上采用聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯等不含羟基和羧基的材料制成中空纤维透析器进行人工肾治疗时，能减少材料表面对C3b的结合性，减轻患者的临床症状和并发症。第四节、生物医用材料的生物相容性评价1、生物学评价项目的选择：不同用途的生

21、物医用材料和医疗器械的生物学评价项目的内容和水平都不相同。项目选择主要依据医疗器械和材料的用途、接触人体的部位和接触时间。具体有如下几点： (1)接触部位有体表和体内组织、骨骼、牙齿、血液； (2)接触方式有直接接触和间接接触； (3)接触时间是：暂时接触小于24小时，中短期接触长于24小时至30日，长期接触长于30日；(4)用途：一般的功能、生殖与胚胎发育及生物降解；2、美国ASTM(F748-82)标准生物学评价项目选择表 美国材料试验协会(ASTM)是最先提出生物医用材料和医用装置的生物学评价项目选择标准的非官方学术团体。3、美、英、加拿大三国的标准 1986年美国、英国和加拿大三国生物

22、学评价学者达成协议，提出一个新的比较完善的生物材料和医用装置生物学评价项目选择指南。4、ISO生物学评价标准 1992年国际标准化组织(ISO)正式公布了医疗装置生物学评价系列国际标准IS010993.1-1992至ISO 10993.12-1992十二个部分标准。 ISO 10993的总题日是医疗装置生物学评价，由下列部分组成： 第1部分是试验选择指南； 第2部分是动物福利要求； 第3部分是遗传毒性、致癌性和生殖毒性试验 第4部分是与血液相互作用试验选择； 第5部分是细胞毒性试验，体外法； 第6部分是植入后局部反应试验； 第7部分是环氧乙烷灭茵残留量； 第8部分是临床调查； 第9部分是与生物学试验有关的材料降解(技术报告)： 第10部分是刺激与致敏试验； 第11部分是全身毒件试验； 第12部分是样品制备与标准样品。5、我国的生物学评价试验选择标准： 我国生物学评价学者在1994年提出了我国生物学评价选择标准，1997年由卫生部正式颁布；目前我国生物医用材料和医疗器械的生物学评价试验选择按GBT16886.1-1997进行。第五节 骨组织反