第四章蛋白质吸附与生物相容性.

1、医用高医用高分子材料分子材料Medical Polymer Materials 第四章第四章 蛋白质吸附与生物相容性蛋白质吸附与生物相容性2医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章随着再生医学和组织工程技术的发展，对生物材料提出了随着再生医学和组织工程技术的发展，对生物材料提出了更高的要求。更高的要求。生物材料的生物相容性（生物材料的生物相容性（biocompatibility）受到了前所未受到了前所未有的重视。生物相容性在生物材料中是如此重要而且是生物材有的重视。生物相容性在生物材料中是如此重要而且是生物材料中共性问题，而蛋白质黏附又直接影响到生物相容性。料中共性问题，而蛋白质黏附又直接影响

2、到生物相容性。3医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章4.1 生物相容性概念与定义生物相容性概念与定义 4.1.1 血液相容性血液相容性 4.1.2 组织相容性组织相容性4.2 蛋白质吸附蛋白质吸附 4.2.1 蛋白质吸附的重要性蛋白质吸附的重要性 4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学蛋白质吸附热力学与动力学 4.2.3 蛋白质吸附的研究方法蛋白质吸附的研究方法 4.2.4 蛋白质吸附的蛋白质吸附的Vorman效应效应 4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性蛋白质吸附与生物相容性4.3 宿主宿主-生物材料的相互作用生物材料的相互作用 4.3.1 材料反应材料反应 4.3.2 宿主反应宿主反应 4

3、.3.3 结构相容性问题结构相容性问题4.4 免疫细胞与组织修复免疫细胞与组织修复 4.4.1 炎症细胞在组织修复中的作用炎症细胞在组织修复中的作用 4.4.2 生长因子在组织修复中的作用生长因子在组织修复中的作用4医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章4.1 生物相容性（生物相容性（biocompatibility）作为细胞、组织或者器官再生的支架与模板，生物材料在作为细胞、组织或者器官再生的支架与模板，生物材料在组织工程研究中起到不可或缺的重要作用，支架与模板材料为组织工程研究中起到不可或缺的重要作用，支架与模板材料为细胞增殖提供了赖以生存的物质基础，同时，支持和促进细胞细胞增殖提供了赖

4、以生存的物质基础，同时，支持和促进细胞与组织的生长，调控和诱导细胞与组织的分化等，而且可以控与组织的生长，调控和诱导细胞与组织的分化等，而且可以控制组织工程或器官在宏观上按要求的形状再生。制组织工程或器官在宏观上按要求的形状再生。鉴于组织工程的生物材料直接与细胞、组织和宿主的生理鉴于组织工程的生物材料直接与细胞、组织和宿主的生理系统相接处，因此对生物材料的要求除了需要具备物理机械性系统相接处，因此对生物材料的要求除了需要具备物理机械性能、化学稳定性、无毒性和易加工成型性意外，还必须具有能、化学稳定性、无毒性和易加工成型性意外，还必须具有生生物相容性物相容性。5医用高医用高分子材料分子材料第四章

5、第四章生物相容性（生物相容性（biocompatibility） 生物材料在宿主的特定环境和部位，与宿主直生物材料在宿主的特定环境和部位，与宿主直接或间接接触时所产生相互反应的能力。接或间接接触时所产生相互反应的能力。 生物相容性是材料在生物体内处于动态变化过生物相容性是材料在生物体内处于动态变化过程中，能耐受宿主各系统作用而保持相对稳定，不被排斥程中，能耐受宿主各系统作用而保持相对稳定，不被排斥和破坏的生物学特性，又称为生物适应性和生物可接受性。和破坏的生物学特性，又称为生物适应性和生物可接受性。 6医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章生物相容性在材料应用的不同场合具有不同的要求和内生物

6、相容性在材料应用的不同场合具有不同的要求和内涵：涵：血液相容性血液相容性（haemocompatibility）；）；组织相容性组织相容性（ tissue compatibility ），），细胞相容性细胞相容性（ cytocompatibility ）.7医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章4.1.1 血液相容性血液相容性生物材料与血液循环之间的一种特殊联系生物材料与血液循环之间的一种特殊联系生物材料的血液相容性问题，是一直以来广受重视生物材料的血液相容性问题，是一直以来广受重视的课题之一。多数体内植入材料和体内应用的材料都要的课题之一。多数体内植入材料和体内应用的材料都要与血液接触。血

7、液在血管中的流动，在正常情况下是畅与血液接触。血液在血管中的流动，在正常情况下是畅通无阻的。通无阻的。血液异常：当血管受到损伤，血液离开血管进入组血液异常：当血管受到损伤，血液离开血管进入组织时，会自动凝血；当血液与异物表面接触时，可能发织时，会自动凝血；当血液与异物表面接触时，可能发生溶血或凝血，从而形成血栓。生溶血或凝血，从而形成血栓。8医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章当血液与生物材料表面接触时，各种血浆蛋白质会当血液与生物材料表面接触时，各种血浆蛋白质会随着材料表面性质的不同，不同程度地迅速吸附在异物随着材料表面性质的不同，不同程度地迅速吸附在异物的表面，随后引起血小板的黏附。可

8、以说血浆蛋白质的的表面，随后引起血小板的黏附。可以说血浆蛋白质的选择吸附，反映了生物材料的血液相容性。选择吸附，反映了生物材料的血液相容性。因此，为保证血小板不被黏附或活化，而在血管中因此，为保证血小板不被黏附或活化，而在血管中正常运行，要求植入的生物材料具有良好的血液相容性。正常运行，要求植入的生物材料具有良好的血液相容性。9医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章4.1.2 组织相容性组织相容性材料与组织器官接触时，不能被组织所侵蚀，材料材料与组织器官接触时，不能被组织所侵蚀，材料与组织之间应有一种亲和能力。与组织之间应有一种亲和能力。作为生物材料，必须满足：高纯，无毒，无刺激，作为生物材

9、料，必须满足：高纯，无毒，无刺激，不引发癌症，无诱导病变，无抗原性，不引起溶血、凝不引发癌症，无诱导病变，无抗原性，不引起溶血、凝血等，能与组织相容，尽可能的不引起病变。降解产物血等，能与组织相容，尽可能的不引起病变。降解产物为水溶性小分子，最好是自然产生的代谢物，这样的降为水溶性小分子，最好是自然产生的代谢物，这样的降解产物就能溶解在细胞外液中，通过肾脏和肺排出来。解产物就能溶解在细胞外液中，通过肾脏和肺排出来。更普通的是通过吞噬作用来实现，通常是靠巨噬细胞，更普通的是通过吞噬作用来实现，通常是靠巨噬细胞，偶尔也靠嗜中性粒细胞。偶尔也靠嗜中性粒细胞。10医用高医用高分子材料分子材料第四章第四

10、章生物材料引起宿主的反应主要是通过宿主细胞对材生物材料引起宿主的反应主要是通过宿主细胞对材料表面的识别引起的；料表面的识别引起的；生物材料的本体性能则对生物相容性基本没有影响。生物材料的本体性能则对生物相容性基本没有影响。因此，如何调控生物材料的表面性能以期达到最佳因此，如何调控生物材料的表面性能以期达到最佳的宿主反应或细胞的宿主反应或细胞-材料相互作用，降低不利的宿主反应材料相互作用，降低不利的宿主反应是生物材料研究的一个关键问题。是生物材料研究的一个关键问题。11医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章12医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章4.1 生物相容性概念与定义生物相容性概念与

11、定义 4.1.1 血液相容性血液相容性 4.1.2 组织相容性组织相容性4.2 蛋白质吸附蛋白质吸附 4.2.1 蛋白质吸附的重要性蛋白质吸附的重要性 4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学蛋白质吸附热力学与动力学 4.2.3 蛋白质吸附的研究方法蛋白质吸附的研究方法 4.2.4 蛋白质吸附的蛋白质吸附的Vroman效应效应 4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性蛋白质吸附与生物相容性4.3 宿主宿主-生物材料的相互作用生物材料的相互作用 4.3.1 材料反应材料反应 4.3.2 宿主反应宿主反应 4.3.3 结构相容性问题结构相容性问题4.4 免疫细胞与组织修复免疫细胞与组织修复 4.4.1 炎症

12、细胞在组织修复中的作用炎症细胞在组织修复中的作用 4.4.2 生长因子在组织修复中的作用生长因子在组织修复中的作用13医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章4.2 蛋白质吸附蛋白质吸附绝大多说情况下，细胞与生物材料表面之间的相互作用并绝大多说情况下，细胞与生物材料表面之间的相互作用并不是直接进行的。不是直接进行的。当生物材料与生理环境接触时，当生物材料与生理环境接触时，首先首先到达生物材料表面的到达生物材料表面的是是水分子和无机盐离子水分子和无机盐离子，其次其次是体液、血液或培养基中的是体液、血液或培养基中的蛋白蛋白质分子质分子，最后最后才是才是细胞细胞到达材料表面。因此在材料表面与细胞到达

13、材料表面。因此在材料表面与细胞之间通常存在吸附的蛋白质层，之间通常存在吸附的蛋白质层，细胞通过蛋白质层的介导而附细胞通过蛋白质层的介导而附着、黏附进而铺展到材料表面。着、黏附进而铺展到材料表面。如图如图4-14.2.1 蛋白质黏附的重要性蛋白质黏附的重要性14医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章由此可见，材料表面对细胞的影响或引起的宿主反由此可见，材料表面对细胞的影响或引起的宿主反应实际上是通过影响应实际上是通过影响蛋白质蛋白质在材料表面的吸附行为来实在材料表面的吸附行为来实现的。现的。生物材料表面所吸附的蛋白质的种类、吸附速度、生物材料表面所吸附的蛋白质的种类、吸附速度、吸附量以及空间构

14、象等都直接影响材料的细胞相容性。吸附量以及空间构象等都直接影响材料的细胞相容性。15医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章4.1 生物相容性概念与定义生物相容性概念与定义 4.1.1 血液相容性血液相容性 4.1.2 组织相容性组织相容性4.2 蛋白质吸附蛋白质吸附 4.2.1 蛋白质吸附的重要性蛋白质吸附的重要性 4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学蛋白质吸附热力学与动力学 4.2.3 蛋白质吸附的研究方法蛋白质吸附的研究方法 4.2.4 蛋白质吸附的蛋白质吸附的Vorman效应效应 4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性蛋白质吸附与生物相容性4.3 宿主宿主-生物材料的相互作用生物材料的相互

15、作用 4.3.1 材料反应材料反应 4.3.2 宿主反应宿主反应 4.3.3 结构相容性问题结构相容性问题4.4 免疫细胞与组织修复免疫细胞与组织修复 4.4.1 炎症细胞在组织修复中的作用炎症细胞在组织修复中的作用 4.4.2 生长因子在组织修复中的作用生长因子在组织修复中的作用16医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学蛋白质吸附热力学与动力学蛋白质的结构及其多样性蛋白质的结构及其多样性极大的影响蛋白质吸附热力学和极大的影响蛋白质吸附热力学和机理、吸附的可逆性及多组分吸附的动力学。机理、吸附的可逆性及多组分吸附的动力学。蛋白质分子是由多种氨基酸按一定的序

16、列通过酰胺键（肽蛋白质分子是由多种氨基酸按一定的序列通过酰胺键（肽键）相互缩聚组成的具有三维结构的复杂分子。键）相互缩聚组成的具有三维结构的复杂分子。蛋白质是氨基酸以肽键相互连接的线性序列。在蛋白质中，蛋白质是氨基酸以肽键相互连接的线性序列。在蛋白质中，多肽链折叠形成特殊的形状（构象）。在结构中，这种构象多肽链折叠形成特殊的形状（构象）。在结构中，这种构象是原子的三维排列，由氨基酸序列决定。是原子的三维排列，由氨基酸序列决定。蛋白质有四种不同的结构层次蛋白质有四种不同的结构层次：初级结构（：初级结构（primary），），次级结构（次级结构（secondary），三级结构（），三级结构（ter

17、tiary）和四级结构）和四级结构（quaternary）（不总是有）。）（不总是有）。17医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章蛋白质的初级结构就是蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺蛋白质的初级结构就是蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序，即氨基酸的线性序列。序，即氨基酸的线性序列。次级结构由主链上酰胺键间的氢键偶联形成的，如次级结构由主链上酰胺键间的氢键偶联形成的，如-螺旋螺旋（-helix）和）和-折叠结构（折叠结构（-pleated sheet）。）。18医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章三级结构由分子链内的相互作用形成，包括氢键、离子三级结构由分子链内的相互作用形成，包括氢键、离子键

18、和疏水力、盐桥和二硫键。键和疏水力、盐桥和二硫键。四级机构由链段间的结合形成。四级机构由链段间的结合形成。其中，四级结构决定了蛋白质与材料表面和细胞的作用。其中，四级结构决定了蛋白质与材料表面和细胞的作用。19医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章多数的血液蛋白多数的血液蛋白 包含极性、非极性和带电的侧链。在极包含极性、非极性和带电的侧链。在极性的溶液体系（如性的溶液体系（如PBS或血浆）中，为降低体系界面的自由或血浆）中，为降低体系界面的自由能，亲水的侧链间会相互聚集并趋向存在于与水接触的界面，能，亲水的侧链间会相互聚集并趋向存在于与水接触的界面，而疏水侧链则聚集在蛋白质分子的内部。因此，

19、在蛋白质分而疏水侧链则聚集在蛋白质分子的内部。因此，在蛋白质分子中产生了截然不同的微区结构，这些微区决定了蛋白质的子中产生了截然不同的微区结构，这些微区决定了蛋白质的高级结构，如图高级结构，如图4-2。20医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章决定蛋白质在材料表面吸附和脱附行为的物理化学因素通常有决定蛋白质在材料表面吸附和脱附行为的物理化学因素通常有8种，如图种，如图4-3.在靠近过程中，在靠近过程中，蛋白质分子的运输性蛋白质分子的运输性质质和蛋白质与材料表面的本征相互作用共和蛋白质与材料表面的本征相互作用共同决定蛋白质靠近表面的程度同决定蛋白质靠近表面的程度（1），），它它们也同时受们也同

20、时受溶剂分子运动溶剂分子运动和其本身分子运和其本身分子运动性质的影响动性质的影响（2）;在黏附过程中，以下三个因素构成稳在黏附过程中，以下三个因素构成稳定黏附在材料表面的驱动力：定黏附在材料表面的驱动力：蛋白质和材蛋白质和材料界面间的短程相互作用料界面间的短程相互作用（3）；）；由于在由于在蛋白质与表面之间蛋白质与表面之间释放结合水以及相反电释放结合水以及相反电荷离子而引起的熵增荷离子而引起的熵增（4）；）；材料表面使材料表面使蛋白质变性引起的熵值增加蛋白质变性引起的熵值增加（5） ；在蛋白质从材料表面的脱附过程中，在蛋白质从材料表面的脱附过程中，有三个因素使黏附表面去稳定化并引起脱有三个因素

21、使黏附表面去稳定化并引起脱附：附：溶剂热扰动溶剂热扰动（6） ；剪切流动剪切流动（7） ；其他其他能够更稳定地吸附于表面的物质和蛋能够更稳定地吸附于表面的物质和蛋白质竞争吸附所做的功白质竞争吸附所做的功（8）。）。21医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章从蛋白质靠近材料表面，到在生物材料表面黏附，到从蛋白质靠近材料表面，到在生物材料表面黏附，到从材料表面脱附的每一个过程中都有其独自的特征。从材料表面脱附的每一个过程中都有其独自的特征。在靠近过程中，蛋白质分子的输运性质和蛋白质与材在靠近过程中，蛋白质分子的输运性质和蛋白质与材料表面的本征相互作用共同决定蛋白质靠近表面的程度，料表面的本征相互

22、作用共同决定蛋白质靠近表面的程度，它们也同时受溶剂分子运动和其本身分子运动性质的影响。它们也同时受溶剂分子运动和其本身分子运动性质的影响。22医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章当单一、静态的蛋白质溶液与基底材料接触时，黏附速率取当单一、静态的蛋白质溶液与基底材料接触时，黏附速率取决于蛋白质从本体溶液向基底材料的传输速率。决于蛋白质从本体溶液向基底材料的传输速率。Andrade 和和Hlady认为有四种传输机制：认为有四种传输机制：扩散，热运动，扩散，热运动，流动和偶联运动流动和偶联运动-扩散扩散。在等温下，平行的层状流动或静态体系中蛋白质的传输只能在等温下，平行的层状流动或静态体系中蛋白

23、质的传输只能靠扩散来完成；靠扩散来完成；而在扰动或搅拌体系中，四种传输方式都可发生。而在扰动或搅拌体系中，四种传输方式都可发生。23医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章24医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章4.2.3 蛋白质吸附研究方法蛋白质吸附研究方法材料表面吸附的蛋白质数量、组成和构象可用多种分析材料表面吸附的蛋白质数量、组成和构象可用多种分析与测量方法来表征，如圆二色谱法、差示扫描量热法、酶与测量方法来表征，如圆二色谱法、差示扫描量热法、酶联免疫分析、傅里叶变换红外光谱及衰减全反射光谱、放联免疫分析、傅里叶变换红外光谱及衰减全反射光谱、放免分析、全内反射荧光、椭圆偏振、扫描力显

24、微术和石英免分析、全内反射荧光、椭圆偏振、扫描力显微术和石英微天平等等。微天平等等。25医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章4.1 生物相容性概念与定义生物相容性概念与定义 4.1.1 血液相容性血液相容性 4.1.2 组织相容性组织相容性4.2 蛋白质吸附蛋白质吸附 4.2.1 蛋白质吸附的重要性蛋白质吸附的重要性 4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学蛋白质吸附热力学与动力学 4.2.3 蛋白质吸附的研究方法蛋白质吸附的研究方法 4.2.4 蛋白质吸附的蛋白质吸附的Vroman效应效应 4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性蛋白质吸附与生物相容性4.3 宿主宿主-生物材料的相互作用生物材料的

25、相互作用 4.3.1 材料反应材料反应 4.3.2 宿主反应宿主反应 4.3.3 结构相容性问题结构相容性问题4.4 免疫细胞与组织修复免疫细胞与组织修复 4.4.1 炎症细胞在组织修复中的作用炎症细胞在组织修复中的作用 4.4.2 生长因子在组织修复中的作用生长因子在组织修复中的作用26医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章差示扫描量热技术差示扫描量热技术可通过测量蛋白质在溶液中或在可通过测量蛋白质在溶液中或在材料表面的热变性时的热焓，通过转变热的差值推材料表面的热变性时的热焓，通过转变热的差值推导出蛋白质的构象变化。导出蛋白质的构象变化。红外光谱及衰减全反射光谱红外光谱及衰减全反射光谱可

26、用来研究蛋白可用来研究蛋白质在表面吸附前后的构象变化。质在表面吸附前后的构象变化。放射免疫分析放射免疫分析是测定表面蛋白质数量最直接的工具是测定表面蛋白质数量最直接的工具石英微天平石英微天平也可测定微量吸附的蛋白质。也可测定微量吸附的蛋白质。表面蛋白质层表面蛋白质层的厚度可通过椭圆偏振技术得到。的厚度可通过椭圆偏振技术得到。27医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章高度专一性的单克隆和多克隆抗体技术可特异性地检高度专一性的单克隆和多克隆抗体技术可特异性地检验到吸附蛋白的构象及组成。验到吸附蛋白的构象及组成。因此，不仅对细胞与吸附蛋白的数量关系进行研究，因此，不仅对细胞与吸附蛋白的数量关系进行

27、研究，同时可对细胞与蛋白质的组成及构象进行比较。同时可对细胞与蛋白质的组成及构象进行比较。28医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章4.1 生物相容性概念与定义生物相容性概念与定义 4.1.1 血液相容性血液相容性 4.1.2 组织相容性组织相容性4.2 蛋白质吸附蛋白质吸附 4.2.1 蛋白质吸附的重要性蛋白质吸附的重要性 4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学蛋白质吸附热力学与动力学 4.2.3 蛋白质吸附的研究方法蛋白质吸附的研究方法 4.2.4 蛋白质吸附的蛋白质吸附的Vroman效应效应 4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性蛋白质吸附与生物相容性4.3 宿主宿主-生物材料的相互作用生物

28、材料的相互作用 4.3.1 材料反应材料反应 4.3.2 宿主反应宿主反应 4.3.3 结构相容性问题结构相容性问题4.4 免疫细胞与组织修复免疫细胞与组织修复 4.4.1 炎症细胞在组织修复中的作用炎症细胞在组织修复中的作用 4.4.2 生长因子在组织修复中的作用生长因子在组织修复中的作用29医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章4.2.4 蛋白质吸附的蛋白质吸附的Vroman效应效应蛋白质在材料表面的吸附是继水和无机盐粒子吸附后蛋白质在材料表面的吸附是继水和无机盐粒子吸附后在几秒钟内发生的。在几秒钟内发生的。血小板和血液中的其他有形成分直到血小板和血液中的其他有形成分直到1分钟后才开始分

29、钟后才开始黏附，此时蛋白质层的厚度约黏附，此时蛋白质层的厚度约20nm。因此，在固因此，在固-液界面上，黏附的蛋白质必将影响到后液界面上，黏附的蛋白质必将影响到后续过程的发生，因此细胞必须和该层蛋白质发生作用。续过程的发生，因此细胞必须和该层蛋白质发生作用。所以，黏附蛋白如纤维粘连蛋白、玻璃粘连蛋白和胶原所以，黏附蛋白如纤维粘连蛋白、玻璃粘连蛋白和胶原蛋白等能够调控材料和细胞的作用。蛋白等能够调控材料和细胞的作用。30医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章实验：实验：蛋白质在玻璃表面的吸附呈先后次序。在玻璃与血浆蛋白质在玻璃表面的吸附呈先后次序。在玻璃与血浆接触接触2s时，可检测到纤维蛋白原

30、，而在时，可检测到纤维蛋白原，而在25s后而检测不到。后而检测不到。椭圆偏振测量表明椭圆偏振测量表明蛋白质层的厚度蛋白质层的厚度并没有变化并没有变化纤维蛋白原被亲和性更强的其他蛋白所取代，即发生纤维蛋白原被亲和性更强的其他蛋白所取代，即发生吸附蛋白置换的结果。吸附蛋白置换的结果。在吸附过程初期，纤维蛋白由于浓度较高而优先占据在吸附过程初期，纤维蛋白由于浓度较高而优先占据材料的表面。随着时间的推移，吸附的纤维蛋白原被浓度材料的表面。随着时间的推移，吸附的纤维蛋白原被浓度较低但亲和性能更强的高分子量激肽原所取代，因而纤维较低但亲和性能更强的高分子量激肽原所取代，因而纤维蛋白原含量降低，但蛋白质层的

31、厚度则保持不变蛋白原含量降低，但蛋白质层的厚度则保持不变。31医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章Vroman效应效应如果溶液中蛋白质分子浓度高和如果溶液中蛋白质分子浓度高和/或蛋白质的尺寸小或蛋白质的尺寸小(扩散系数大扩散系数大)，则蛋白质将迅速到达表面，这些与表面亲，则蛋白质将迅速到达表面，这些与表面亲和力较小的蛋白质可能优先吸附。随着时间变化，那些与和力较小的蛋白质可能优先吸附。随着时间变化，那些与表面有较大亲和力的蛋白质将缓慢到达表面，并与己经吸表面有较大亲和力的蛋白质将缓慢到达表面，并与己经吸附的蛋白质发生交换。直到与表面有强的相互作用的蛋白附的蛋白质发生交换。直到与表面有强的相

32、互作用的蛋白质全部吸附在材料表面，蛋白质交换的过程才结束。这个质全部吸附在材料表面，蛋白质交换的过程才结束。这个逐级碰撞、吸附、交换的过程称为逐级碰撞、吸附、交换的过程称为Vroman效应效应32医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章Vroman效应仅是蛋白沉积和置换结果的一部分。蛋白效应仅是蛋白沉积和置换结果的一部分。蛋白质按照尺寸与浓度的先后次序吸附于材料表面，然后被浓质按照尺寸与浓度的先后次序吸附于材料表面，然后被浓度较低但和基底材料有更高亲和性的蛋白质所取代。度较低但和基底材料有更高亲和性的蛋白质所取代。体外研究表明，在血浆和全血中观察到体外研究表明，在血浆和全血中观察到Vroman

33、效应，效应，说明血细胞的存在并不影响纤维蛋白原从血浆中的吸附。说明血细胞的存在并不影响纤维蛋白原从血浆中的吸附。进而可以推断进而可以推断Vroman效应在体内同样能够发生。效应在体内同样能够发生。因为几乎所有的哺乳动物与材料的作用都是通过吸附因为几乎所有的哺乳动物与材料的作用都是通过吸附的蛋白质层的调节来完成的，因此蛋白质沉积的动力学也的蛋白质层的调节来完成的，因此蛋白质沉积的动力学也是非常重要的。是非常重要的。33医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章4.1 生物相容性概念与定义生物相容性概念与定义 4.1.1 血液相容性血液相容性 4.1.2 组织相容性组织相容性4.2 蛋白质吸附蛋白质

34、吸附 4.2.1 蛋白质吸附的重要性蛋白质吸附的重要性 4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学蛋白质吸附热力学与动力学 4.2.3 蛋白质吸附的研究方法蛋白质吸附的研究方法 4.2.4 蛋白质吸附的蛋白质吸附的Vroman效应效应 4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性蛋白质吸附与生物相容性4.3 宿主宿主-生物材料的相互作用生物材料的相互作用 4.3.1 材料反应材料反应 4.3.2 宿主反应宿主反应 4.3.3 结构相容性问题结构相容性问题4.4 免疫细胞与组织修复免疫细胞与组织修复 4.4.1 炎症细胞在组织修复中的作用炎症细胞在组织修复中的作用 4.4.2 生长因子在组织修复中的作用生长因子

35、在组织修复中的作用34医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章材料的生物相容性材料的生物相容性受许多因素的影响，如受许多因素的影响，如表面的亲表面的亲/疏水疏水性、电荷性质、表面能、化学官能团与生长因子或黏附因子性、电荷性质、表面能、化学官能团与生长因子或黏附因子等等。事实上，上述材料性能对生物相容性的影响在微观的本事实上，上述材料性能对生物相容性的影响在微观的本质上都与质上都与表面黏附蛋白的构象表面黏附蛋白的构象密切相关。密切相关。生物材料生物材料亲亲/疏水性疏水性磷磷 脂脂 间间 侧侧 面面 和和 垂垂 直直 面面 间间 相相 互互 作作 用用磷磷脂脂双双分分子子层层磷磷 脂脂 间间 侧侧

36、 面面 和和 垂垂 直直 面面 间间 相相 互互 作作 用用磷磷脂脂双双分分子子层层磷磷 脂脂 间间 侧侧 面面 和和 垂垂 直直 面面 间间 相相 互互 作作 用用磷磷脂脂双双分分子子层层磷磷 脂脂 间间 侧侧 面面 和和 垂垂 直直 面面 间间 相相 互互 作作 用用磷磷脂脂双双分分子子层层+-+ +- -+-电荷性质电荷性质化学官能团化学官能团生长因子等生长因子等4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性蛋白质吸附与生物相容性35医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章亲水性材料比疏水性材料具有更好的生物相容亲水性材料比疏水性材料具有更好的生物相容性。性。36医用高医用高分子材料分子材料第四章第

37、四章亲水性材料亲水性材料比疏水性材比疏水性材料具有更好料具有更好的生物相容的生物相容性性一、细胞与生物材料的粘附一、细胞与生物材料的粘附二、蛋白质空间构象二、蛋白质空间构象影响影响生物材料生物相容性生物材料生物相容性三、蛋白质分子在生物材料三、蛋白质分子在生物材料表面的吸附直接受水分子在表面的吸附直接受水分子在材料表面的聚集态结构所影材料表面的聚集态结构所影响。响。1、水在生物材料表、水在生物材料表面的结构特点面的结构特点2、从热力学上解释、从热力学上解释3、从动力学上解释、从动力学上解释4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性蛋白质吸附与生物相容性37医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章一、细

38、胞与生物材料的粘附一、细胞与生物材料的粘附 细胞在材料表面粘附过程的示意图细胞在材料表面粘附过程的示意图38医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章细胞膜表面的受体细胞膜表面的受体（receptor）能够特异）能够特异性地识别细胞外基质中性地识别细胞外基质中的配体，进而实现细胞的配体，进而实现细胞与外界的信号传导。与外界的信号传导。细胞在材料表面的黏细胞在材料表面的黏附也是通过上述附也是通过上述“生物生物识别识别”来实现的。细胞来实现的。细胞的表面存在一类叫做的表面存在一类叫做整整合素合素(Integrin)的跨膜受的跨膜受体。黏着因子除整合素体。黏着因子除整合素外，细胞膜表面还有其外，细胞膜

39、表面还有其他与细胞黏附有关的受他与细胞黏附有关的受体。体。39医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章在动物体内，细胞外基质中的胶原蛋白、纤维粘连蛋白、玻在动物体内，细胞外基质中的胶原蛋白、纤维粘连蛋白、玻璃粘连蛋白和层粘蛋白等都是整合素的配体，统称为璃粘连蛋白和层粘蛋白等都是整合素的配体，统称为黏附蛋白黏附蛋白。现在已经证明，细胞膜表面受体可以特异性识别这些黏附蛋白中现在已经证明，细胞膜表面受体可以特异性识别这些黏附蛋白中的某些肽段，进而影响到细胞的黏附、增殖、迁移、取向、分化的某些肽段，进而影响到细胞的黏附、增殖、迁移、取向、分化与活性等功能。与活性等功能。40医用高医用高分子材料分子材料

40、第四章第四章在材料在材料-组织的相互作用过程中，材料表面最初阶段出现的组织的相互作用过程中，材料表面最初阶段出现的是是中性粒细胞和巨噬细胞中性粒细胞和巨噬细胞，它们的受体和吸附的蛋白质相互作，它们的受体和吸附的蛋白质相互作用，释放出细胞素、酶和化学信号，进而引导其他细胞的生长。用，释放出细胞素、酶和化学信号，进而引导其他细胞的生长。41医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章材料材料-界面蛋白质界面蛋白质-细胞细胞-生物系统生物系统相互间的信息相互间的信息传递决定了传递决定了材料的生物相容性材料的生物相容性，初步的研究结果表，初步的研究结果表明，明，吸附于生物材料表面的蛋白质能否维持其天然吸附

41、于生物材料表面的蛋白质能否维持其天然的空间构象是决定生物材料是否具有良好生物相容的空间构象是决定生物材料是否具有良好生物相容性的重要因素。性的重要因素。二、蛋白质空间构象影响生物材料生物相容性二、蛋白质空间构象影响生物材料生物相容性42医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章当吸附于材料表当吸附于材料表面的面的蛋白质蛋白质能够能够维持维持其其天然构象天然构象或未产生或未产生可以引发不良级连反可以引发不良级连反应的构象时，应的构象时，细胞细胞在在该该材料表面材料表面表现出表现出良良好的相容性能好的相容性能；反之，当吸附的反之，当吸附的蛋白质发生变性蛋白质发生变性或产或产生可以引发不良级连生可以引

42、发不良级连反应的构象时，则反应的构象时，则细细胞胞在该在该材料表面材料表面表现表现出出差的相容性能差的相容性能。43医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章1、水在生物材料表面的结构特点、水在生物材料表面的结构特点在纯水中，水分子相互之间可通过氢键自发形成氢键在纯水中，水分子相互之间可通过氢键自发形成氢键网络结构，这种行为称为水分子的自组合。网络结构，这种行为称为水分子的自组合。疏水性的材料表面无法与水分子形成氢键，这使水分疏水性的材料表面无法与水分子形成氢键，这使水分子只能通过自组合而形成一种较为有序的、疏松的排列结子只能通过自组合而形成一种较为有序的、疏松的排列结构，这种结构使得构，这种结

43、构使得疏水性材料表面水的密度要疏水性材料表面水的密度要比水本体的比水本体的密度密度低一些低一些。而亲水性的表面可以和水分子形成稳定的氢键，从而而亲水性的表面可以和水分子形成稳定的氢键，从而与水分子自身的氢键相互竞争，因而破坏了水分子的自组与水分子自身的氢键相互竞争，因而破坏了水分子的自组合，造成了氢键网络结构的坍塌，结果是水分子在亲水性合，造成了氢键网络结构的坍塌，结果是水分子在亲水性材料表面采取一种无序的、致密的排列结构，使得材料表面采取一种无序的、致密的排列结构，使得亲水性亲水性材料表面材料表面的的水的密度水的密度比其本体的密度比其本体的密度高高。三、蛋白质分子在生物材料表面的吸附直接受水

44、分子在材料三、蛋白质分子在生物材料表面的吸附直接受水分子在材料表面的聚集态结构所影响。表面的聚集态结构所影响。44医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章已经发现，两种疏水性材料表面之间存在着长程的相互已经发现，两种疏水性材料表面之间存在着长程的相互吸引力，又称为疏水作用力；两个亲水性的表面之间却存吸引力，又称为疏水作用力；两个亲水性的表面之间却存在着相互排斥的作用力。在着相互排斥的作用力。即两个较为疏松有序的水分子聚集结构之间存在着吸引即两个较为疏松有序的水分子聚集结构之间存在着吸引力；而两个无序致密的水分子聚集结构（水化层）之间存力；而两个无序致密的水分子聚集结构（水化层）之间存在着排斥力

45、。在着排斥力。45医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章蛋白质分子链中既有疏水的氨基酸残基，又有亲水的氨基酸蛋白质分子链中既有疏水的氨基酸残基，又有亲水的氨基酸残基。残基。血浆中多数蛋白质如纤维粘连蛋白都属于糖蛋白，其分子链血浆中多数蛋白质如纤维粘连蛋白都属于糖蛋白，其分子链中都含有亲水的寡聚糖链。中都含有亲水的寡聚糖链。在水溶液中，蛋白质分子采取疏水部分向内、亲水部分向外在水溶液中，蛋白质分子采取疏水部分向内、亲水部分向外的天然构象，的天然构象，因此，在蛋白质分子的周围也存在着较为致密的水化层。这因此，在蛋白质分子的周围也存在着较为致密的水化层。这种种水化层与亲水性表面的排斥力将不利于蛋白

46、质在亲水性表面的水化层与亲水性表面的排斥力将不利于蛋白质在亲水性表面的吸附。吸附。疏水性的表面比亲水性的表面更容易吸附蛋白质分子。疏水性的表面比亲水性的表面更容易吸附蛋白质分子。46医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章2、从热力学上解释从热力学上解释当溶液中蛋白质分子吸附于疏水性材料表面时，其分子当溶液中蛋白质分子吸附于疏水性材料表面时，其分子链的构象进行调整，使得分子链中的疏水部分与疏水性的链的构象进行调整，使得分子链中的疏水部分与疏水性的材料表面相互接触，而分子链中的亲水性部分则与水分子材料表面相互接触，而分子链中的亲水性部分则与水分子相互作用。相互作用。蛋白质的这种吸附行为破坏了水分

47、子在疏水材蛋白质的这种吸附行为破坏了水分子在疏水材料表面的疏松有序排列，增大了体系的熵值料表面的疏松有序排列，增大了体系的熵值，降低了水与降低了水与材料表面之间的自由能，在热力学上是有利的。材料表面之间的自由能，在热力学上是有利的。反之，随材料表面亲水性的提高，蛋白质在材料表面的反之，随材料表面亲水性的提高，蛋白质在材料表面的吸附将逐渐转变为热力学上不利的行为。吸附将逐渐转变为热力学上不利的行为。47医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章3、从动力学上解释、从动力学上解释疏水材料表面与蛋白质分子中疏水部分之间的疏水吸疏水材料表面与蛋白质分子中疏水部分之间的疏水吸引力有利于蛋白质分子在材料表面

48、的吸附引力有利于蛋白质分子在材料表面的吸附，而，而亲水材料亲水材料表面的水化层和蛋白质分子周围的水化层之间的排斥作表面的水化层和蛋白质分子周围的水化层之间的排斥作用不利于蛋白质的吸附。用不利于蛋白质的吸附。48医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章因此：因此：亲水性材料比疏水性材料具有更好的生物相容亲水性材料比疏水性材料具有更好的生物相容性。性。疏水表面蛋白质黏附的较为牢固，不易脱落，且易导致蛋疏水表面蛋白质黏附的较为牢固，不易脱落，且易导致蛋白质的构象变化；而亲水表面对蛋白质的黏附强度较低，白质的构象变化；而亲水表面对蛋白质的黏附强度较低，有利于蛋白质的构象调整。这样，当细胞作用于蛋白质层

49、有利于蛋白质的构象调整。这样，当细胞作用于蛋白质层时，细胞与蛋白质分子的相互作用可以使黏附蛋白采取更时，细胞与蛋白质分子的相互作用可以使黏附蛋白采取更为有利的空间结构。为有利的空间结构。49医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章亲水性材料亲水性材料比疏水性材比疏水性材料具有更好料具有更好的生物相容的生物相容性性一、细胞与生物材料的粘附一、细胞与生物材料的粘附二、蛋白质空间构象生物材二、蛋白质空间构象生物材料生物相容性影响料生物相容性影响三、蛋白质分子在生物材料三、蛋白质分子在生物材料表面的吸附直接受水分子在表面的吸附直接受水分子在材料表面的聚集态结构所影材料表面的聚集态结构所影响。响。1、水

50、在生物材料表、水在生物材料表面的结构特点面的结构特点2、从热力学上解释、从热力学上解释3、从动力学上解释、从动力学上解释4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性蛋白质吸附与生物相容性50医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章当蛋白质分子吸附于疏水性材料表面时，为了使分子链当蛋白质分子吸附于疏水性材料表面时，为了使分子链中的疏水残基与疏水性的材料表面相互接触，其构象需进中的疏水残基与疏水性的材料表面相互接触，其构象需进行调整，这有可能使蛋白质分子失去生理活性。行调整，这有可能使蛋白质分子失去生理活性。在高度疏水性的生物材料表面，蛋白质分子高度变性，在高度疏水性的生物材料表面，蛋白质分子高度变性，吸附

51、过程变为不可逆过程，蛋白质分子不能解吸附。吸附过程变为不可逆过程，蛋白质分子不能解吸附。高度疏水性的表面可用于制备具有良好抗凝血性能的血高度疏水性的表面可用于制备具有良好抗凝血性能的血液相容性材料。液相容性材料。这是因为这是因为1）吸附在材料表面的血浆蛋白由于变性而无）吸附在材料表面的血浆蛋白由于变性而无法引发凝血过程。法引发凝血过程。2）高度的疏水性促成了大量的白蛋白在）高度的疏水性促成了大量的白蛋白在材料表面的不可逆吸附，而白蛋白不具有促进血小板粘附材料表面的不可逆吸附，而白蛋白不具有促进血小板粘附和引发凝血过程的功能。和引发凝血过程的功能。51医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章高度

52、亲水性的表面（如固定了聚乙二醇的表面）也被高度亲水性的表面（如固定了聚乙二醇的表面）也被成功地用来制备优良的抗凝血材料成功地用来制备优良的抗凝血材料这是这是因为因为高度亲水性的表面可阻止血浆蛋白的吸附和高度亲水性的表面可阻止血浆蛋白的吸附和血小板的黏附，使凝血过程无法发生。血小板的黏附，使凝血过程无法发生。两种在亲两种在亲/疏水性方面走向极端的材料都具有良好的抗疏水性方面走向极端的材料都具有良好的抗凝血性能，然而它们并不能有效促进细胞的生长，即不具凝血性能，然而它们并不能有效促进细胞的生长，即不具有良好的细胞相容性。有良好的细胞相容性。52医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章从蛋白质吸附解

53、释亲水性材料比疏水性材料具有更好的从蛋白质吸附解释亲水性材料比疏水性材料具有更好的生物相容性生物相容性亲水性材料亲水性材料比疏水性材比疏水性材料具有更好料具有更好的生物相容的生物相容性性一、细胞与生物材料的粘附一、细胞与生物材料的粘附二、蛋白质空间构象生物材二、蛋白质空间构象生物材料生物相容性影响料生物相容性影响三、蛋白质分子在生物材料三、蛋白质分子在生物材料表面的吸附直接受水分子在表面的吸附直接受水分子在材料表面的聚集态结构所影材料表面的聚集态结构所影响。响。1、水在生物材料表、水在生物材料表面的结构特点面的结构特点2、从热力学上解释、从热力学上解释3、从动力学上解释、从动力学上解释53医用

54、高医用高分子材料分子材料第四章第四章4.1 生物相容性概念与定义生物相容性概念与定义 4.1.1 血液相容性血液相容性 4.1.2 组织相容性组织相容性4.2 蛋白质吸附蛋白质吸附 4.2.1 蛋白质吸附的重要性蛋白质吸附的重要性 4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学蛋白质吸附热力学与动力学 4.2.3 蛋白质吸附的研究方法蛋白质吸附的研究方法 4.2.4 蛋白质吸附的蛋白质吸附的Vroman效应效应 4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性蛋白质吸附与生物相容性4.3 宿主宿主-生物材料的相互作用生物材料的相互作用 4.3.1 材料反应材料反应 4.3.2 宿主反应宿主反应 4.3.3 结构相容性

55、问题结构相容性问题4.4 免疫细胞与组织修复免疫细胞与组织修复 4.4.1 炎症细胞在组织修复中的作用炎症细胞在组织修复中的作用 4.4.2 生长因子在组织修复中的作用生长因子在组织修复中的作用54医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章材料在生物体内的反应材料在生物体内的反应 医疗器械的复杂性主要取决于医疗器械的复杂性主要取决于植入体对于宿主的影响植入体对于宿主的影响以以及及宿主对于植入体的影响宿主对于植入体的影响这两方面的因素。大部分的变化对这两方面的因素。大部分的变化对生物体都有生物体都有不利不利的影响。的影响。几种植入材料表面在生物材料环境下常见的变化几种植入材料表面在生物材料环境下常

56、见的变化55医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章4.1 生物相容性概念与定义生物相容性概念与定义 4.1.1 血液相容性血液相容性 4.1.2 组织相容性组织相容性4.2 蛋白质吸附蛋白质吸附 4.2.1 蛋白质吸附的重要性蛋白质吸附的重要性 4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学蛋白质吸附热力学与动力学 4.2.3 蛋白质吸附的研究方法蛋白质吸附的研究方法 4.2.4 蛋白质吸附的蛋白质吸附的Vroman效应效应 4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性蛋白质吸附与生物相容性4.3 宿主宿主-生物材料的相互作用生物材料的相互作用 4.3.1 材料反应材料反应 4.3.2 宿主反应宿主反应 4.3

57、.3 结构相容性问题结构相容性问题4.4 免疫细胞与组织修复免疫细胞与组织修复 4.4.1 炎症细胞在组织修复中的作用炎症细胞在组织修复中的作用 4.4.2 生长因子在组织修复中的作用生长因子在组织修复中的作用56医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章4.3 宿主宿主生物材料的相互作用生物材料的相互作用聚合物材料与生物组织相接触时，同时发生多种相互作聚合物材料与生物组织相接触时，同时发生多种相互作用。这些作用可分为两个方面，即用。这些作用可分为两个方面，即材料反应和宿主反应材料反应和宿主反应57医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章机械作用机械作用磨损，冲击，磨损，冲击，反复扩张与压缩等反

58、复扩张与压缩等物理化学作用物理化学作用溶解，吸附，渗透等溶解，吸附，渗透等化学作用化学作用分解，改性等分解，改性等急性全身反应急性全身反应变态反应，急性毒性反应等变态反应，急性毒性反应等慢性全身反应慢性全身反应慢性毒性反应，慢性毒性反应，变性等变性等急性局部反应急性局部反应凝血，急性炎症等凝血，急性炎症等慢性局部反应慢性局部反应肿瘤，钙化等肿瘤，钙化等生物体生物体聚合物聚合物材料材料物理性能变化物理性能变化形状，尺寸，强度，形状，尺寸，强度，弹性，蠕变，硬度，弹性，蠕变，硬度，透明，软化点，耐磨性，透明，软化点，耐磨性，导热与导电性等导热与导电性等化学性能变化化学性能变化亲亲/疏水性，酸疏水性

59、，酸/碱性，碱性，吸附，渗透，溶解，吸附，渗透，溶解，耐辐射耐辐射与耐化学腐蚀性能等与耐化学腐蚀性能等58医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章4.3.1 材料反应材料反应(biomaterials response) 材料反应材料反应是材料对生物机体作用产生的反应，材料反应是材料对生物机体作用产生的反应，材料反应的结果可导致的结果可导致材料结构破坏和性质改变材料结构破坏和性质改变。高分子医用材料高分子医用材料在使用过程中，常需与生物机体、体液、在使用过程中，常需与生物机体、体液、血液等接触。生物系统中包含有各种无机离子、小分子无血液等接触。生物系统中包含有各种无机离子、小分子无机物和大分子

60、有机物。在这些物质的作用下，高分子材料机物和大分子有机物。在这些物质的作用下，高分子材料的物理化学性质都会发生一定程度的变化。的物理化学性质都会发生一定程度的变化。高分子材料的材料反应：高分子材料的材料反应：通过机械的、物理化学的和化学的相互作用，聚合物材通过机械的、物理化学的和化学的相互作用，聚合物材料在生物环境中可以被料在生物环境中可以被腐蚀、吸收、降解、磨损和失效腐蚀、吸收、降解、磨损和失效，主要表现以下形式：主要表现以下形式：59医用高医用高分子材料分子材料第四章第四章 体液、自由基或生物酶引起体液、自由基或生物酶引起聚合物的降解、交联和相聚合物的降解、交联和相变化变化，使材料的理化性