生物相容性及生物学评价课件

1、生物医用材料2生物相容性及生物学评价人体生理环境简介1生物相容性定义2宿主反应 -病理学反应4材料在生物体内的反应3生物材料的生物相容性评价5 人体生理环境基本组成生物学环境： 处于生物系统中的生物医学材料周围的情况或条件，包括与其接触的体液、酶、自由基、细胞等多种因素。生物材料所处的生物环境既受材料自身的组成和性质的影响，又与植入位置、应用目标、手术设计和创伤程度等有关。 成人：60%为体液，2/3于细胞内，1/3为细胞外液， 外液1/5在血管内，4/5在血管外人体的生理环境：体温为37，由水、电解质、血糖、蛋白质等构成相对稳定的内环境。细胞外液的4/5存在于血管外构成组织液，1/5在血管内

2、，即血浆。正常人血的相对密度为1.050-1.060，粘度为4-5（通常以水的粘度为1作为标准进行计算）。血浆的渗透压约为313mOsm/L，pH值为7.35-7.45。模拟人体生理环境的溶液：有机酸、蛋白质、酯、生物原分子、电解质、溶解氧、氮化合物以及可溶性碳酸盐的NaCl水溶液，浓度约为0.1mol/L，溶液的pH值约为5.5（0.2）的溶液。几种植入材料与生物体作用的常见反应膨胀浸析腐蚀溶解吸附降解毒性作用愈合调控炎症反应感染肿瘤形成材料反应宿主反应生物医用材料与生物体间的相互作用及其后果物理性质变化大小、形状、强度、弹性、疲劳强度、断裂强度、蠕变、磨耗、硬度、透明度、热传导、电导、熔点

3、、软化点、比重。化学性质变化亲疏水性、酸碱性、物质吸附性、透过性、溶出性、化学反应性 。医用材料机械相互作用摩擦、冲击、曲挠物理化学相互作用溶出、吸附、浸透生物体急性全身反应变态反应、急性毒性反应、神经麻醉、发热、循环阻碍等慢性全身反应慢性毒性反应、致畸、抗原抗体反应、脏器功能障碍等急性局部反应血栓形成、急性炎症、坏死、异物排除等慢性局部反应致癌、钙化、慢性炎症、形成溃疡等由材料的各种刺激引起的生物反应材料在生物体作用下的老化作用化学相互作用分解、修饰生物医用材料与生物体间的相互作用生物反应材料反应血液反应免疫反应组织反应血小板血栓（血小板黏附、聚集、变形）凝血系统的激活纤溶系统的激活溶血反应

4、急性白血球减少细胞因子反应及蛋白粘附等补体系统激活体液性免疫（抗原- 抗体反应）细胞性免疫（免疫细胞的激活）.炎症反应细胞黏附细胞增殖（异常分化）形成伪内膜细胞质转移.物理性质的变化化学性质的变化（金属腐蚀、聚合物降解、磨损）材料与宿主产生相互作用：生物化学 生物力学 生物电学生物材料生物相容性定义：材料在宿主的特定环境和部位，与宿主直接或间接接触时引起适当的宿主反应和材料反应的能力，即能够被生物体或其组成单位接受或容纳的能力。材料与生物体之间相互作用后产生的各种生物、物理、化学等反应的一种概念。生物相容性分类： 细胞相容性, cellular compatibility, cyto- 组织相

5、容性, tissue compatibility 血液相容性, blood compatibility, hemo- 分子生物相容性, molecular biocompatibility分子生物相容性：在分子水平上研究生物相容性细胞/组织相容性血液相容性生物相容性存活黏附增殖分化血液学：溶血抗凝血血小板分泌无致畸性无致敏性无致癌性轻炎症无遗传毒性无生殖毒性抗血栓补体系统生物医用材料与生物体间的相互作用材料的结构层次生物体的结构层次一次结构（化学结合、取代基效应）二次结构（构象。）高次结构（结晶性、取向性、交联结构、微相分离结构）物体（形状、大小）分子（水、无机离子、蛋白质、核糖类、氨基酸、脂

6、。）细胞组织器官（系统）个体引起生物体反应的因素：1、材料中残留的毒性低分子物质 2、材料及其制品在灭菌过程中吸附了化学毒剂和高温引发的裂解产物3、材料的降解产物4、材料的酸碱度5、材料的形状、大小、表面光滑度6、材料的力学性能 引起生物医用材料变化的因素：1、生理活动中骨骼、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、细胞黏附吞噬作用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生物相容性概念专业词典解释：不同生物体之间的相互接纳程度；国际标准化组织（ISO）: 生命体组织对无活性材料产生反应的一种性能

7、，包括生物、物理、化学等；目前较为认可的一种说法是：指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。是材料在生物体内处于静动态变化过程中，能耐受宿主各系统作用而保持相对稳定，不被排斥和破坏的生物学性质。理想生物医用材料的应具备的条件无毒性无致敏性无刺激性无遗传毒性无致癌性对人体组织、血液、免疫系统不产生不良反应具有与天然组织相适应的物理机械特性针对不同的使用目的具有特定的功能生物相容性分类组织相容性植入体局部组织对异物的机体防御性对答反应白细胞、淋巴细胞、吞噬细胞聚集，不同程度的急性炎症有毒局部炎症加剧组织坏死长期植入材料被淋巴细胞、成纤维细胞、胶原纤维包裹，形成纤维

8、性薄膜囊，使正常组织和材料隔开组织相容性好在半年、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1-2层成纤维细胞形成的无炎症正常包膜囊组织相容性不好材料周围包囊壁增厚，淋巴细胞浸润，逐步出现肉芽肿或发生癌变材料与炎症非感染性炎症： 1、材料中微量小分子物质的渗出（轻微，一般1-2周消失） 2、毒性小分子物质的长期释放（慢性炎症，增生）感染性炎症 1、术中组织损伤，给微生物侵入提供了机会 2、植入了被细菌污染的生物材料 3、植入材料能够抑制免疫反应，增加了组织的易感染性 4、植入材料能抑制或吸附补体C3a、C5a，使局部抑制炎症反应的能力减弱炎症反应炎性反应（inflammator

9、y reaction）：机体对材料所产生的一种以炎性细胞浸润为特征的反应，典型表现为局部的红、肿、热、痛等症状。急性炎症：主要特征是体液渗出和白细胞（中性粒细胞）的游走。时间较短，主要作用是吞噬和降解。慢性炎症：以巨噬细胞、单核细胞和巴细胞的出现，以及血管和结缔组织的增殖为特征。一般局限于植入部。ePTFE血管移植物引起的急性炎症ePTFE动静脉分流器引起的慢性炎症肉芽组织：以新生小血管和成纤维细胞的出现为特征。是炎症愈合的标志。ePTFE血管移植物吻合处的肉芽组织增生生物材料植入体引起机体炎症和愈合的顺序损伤，植入炎性细胞浸润PMNs,单核细胞，淋巴细胞 渗出/组织 生物材料急性炎症PMNs

10、 单核细胞黏附 巨噬细胞分化 巨噬细胞甘露糖体上调 巨噬细胞融合 慢性炎症单核细胞淋巴细胞TH2 IL-4 IL-13肉芽组织成纤维细胞增殖和迁移毛细血管形成纤维囊形成异物巨细胞形成（由单核细胞和巨噬细胞在试图吞噬材料时融合所形成）生物材料的异物反应是由异物巨细胞与肉芽组织的形成为特征。生物医学材料导致炎症反应的机制：血液中的补体黏附生物材料表面，导致整合素介导的白细胞的募集和黏附，黏附的单核、巨噬细胞释放细胞因子和生长因子，导致生物医学材料相关炎症感染的发生。生物材料相关炎症的产生是炎症细胞，炎症因子，补体以及酶，氧自由基共同作用的结果。以上的各个因素之间相互制约促进，构成了一个庞大炎症调节

11、网络系统。炎症反应及其效应物会引起机体一系列综合征，包括感染、材料降解、血栓形成等。材料表面的微结构、化学和介电等性质都直接影响炎症细胞对材料的反应。异物反应生物材料的异物反应是由异物巨细胞与肉芽组织的形成为特征。通常会在材料的表面形成1-2层由巨噬细胞所构成的膜。 单核细胞 巨噬细胞 异物巨细胞血液 组织 组织/生物材料 生物材料异物巨细胞：是由单核细胞和巨噬细胞在试图吞噬材料时融合所形成。植入材料与免疫反应先天性免疫（原始、广谱）获得性免疫 （特异性）微生物先天性免疫 补体 自然杀伤细胞 获得性免疫 B淋巴细胞 抗体 生物材料对于宿主来说是一种异体物, 通过不同的接触方式可产生不同的免疫反

12、应及过敏性症状。 体外循环:即肾透析及 心肺分流。激活补体系统,引起白细胞聚集,导致肺功能异常。金属植入物过敏,植入物松弛,金属离子释放作为半抗原, 引起细胞免疫反应。 聚合物表面的组分及形貌刺激单核细胞释放 IL -1,作用 于T 细胞、B 细胞生长，引起免疫反应。 磷酸钙陶瓷吸收过程中主要为巨噬细胞取代陶瓷植入物。特异性或免疫反应取决于生物材料的化学成分及结构，异体材料的反应通过两种机制产生体液和细胞调节反应。异体材料称为抗原,使机体产生抗体,与大的免疫球蛋白结合形成大分子复合物且存在于血清中, 与细 胞表面 结合,发生结构改变,产生特异性；或与特殊抗原结合,抗原抗体复合物聚集组织,由 B

13、 淋巴细胞吞噬,快速产生抗体。抗原抗体复合物是否引起抗体反应,取决于最初材料浓度、免疫系统的健康状况及致敏剂的种类。生物材料与免疫反应合成与组织源性生物材料的免疫反应合成材料不会引起免疫排斥反应。同种组织（如胶原），因为没有主要组织相容性抗原的存在，一般也不引起排斥反应。异种组织有主要抗原的差异，可以引起特异性免疫排斥反应。所有的材料都可能会因其异物反应的发生。生物材料与肿瘤植入物致瘤是材料应用面临的引人注目的问题，尽管致瘤现象很少见；植入物致瘤还存在较多争议：如有研究表明用于整形外科常用的硅树脂对乳腺癌有抑制作用，但产生肺癌的几率却有轻度升高；植入物导致肉瘤的比较多，引发癌症报道还仅限于上皮

14、管道器官内腔的移植物；植入物致瘤的潜伏期一般较长，25%的在15年后才会被发现，50%以上的要经历25年才能发现材料致瘤的机理假说组织发炎和急性异物反应过程中的细胞增生和组织浸润（此阶段可能出现特异性前成瘤细胞）；植入物周围形成界限清楚的纤维组织包裹；组织反应静止期（依附在异物上的巨噬细胞静止，失去吞噬活性），肿瘤前体细胞与异物表面直接接触；肿瘤前体细胞最终成熟为癌变细胞；肉瘤性增生植入物诱发肿瘤的可能因素引起肿瘤的原因与植入材料的外型有明显的相关性。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；与植入物的埋置方法有关：连续放置的片状材料诱发肿

15、瘤几率明显高于打孔放置的片状材料；与植入材料表面的粗糙程度有关：光滑则潜伏期短，粗糙则长；被致癌物污染的或老化后释放致癌物质的材料容易诱发肿瘤；与植入物在体内所诱发的纤维包裹的厚度有关：植入1年时厚度超过0.25-0.3mm就有可能诱发恶性肿瘤；与材料中残留释放的小分子种类有关，长期的刺激可诱发肿瘤血液相容性血液相容性是指材料与血液接触时，不引起凝血及血小板粘着聚集；没有破坏血液中有形成分，无溶血现象。生物材料表面与血液中的血小板、红细胞、白细胞、血浆蛋白、细胞因子等成分发生作用时，引起蛋白黏附、补体系统中不同补体的增减以及细胞因子的抑制与激活等，主要通过 1、血小板黏附激活凝血系统，形成血栓

16、； 2、补体系统的异常激活，引起导致血栓形成、溶血等一系列的全身症状。 IIa Ca2+ VIII- VIIIa III Plt- PF3 Ca2+ IIa Xa VVa Ca2+正常凝血过程（瀑布学说） PF3 磷脂 凝血酶原(II) 凝血酶(IIa) 纤维蛋白原(I) 可溶性纤维蛋白 稳固性纤维蛋白 内源性途径带负电荷的胶原纤维与凝血因子接触启动PKa PKXIIXIIa HMWK外源性途径组织损伤释放的组织因子（III）暴露于血液而启动XI XIa IIaIX IXaVIIa VIIXIIIXIIIa参加因子：所需时间：X Xa（凝血旁路） VIII、IX、XI、XII V、X、 II、

17、I III、VIICa2+、PF3、磷脂38min材料表面与血液接触的数秒内首先血浆蛋白（白蛋白、球蛋白、纤维蛋白原）被吸附，接着血小板黏附、聚集并被激活，同时一系列凝血因子相继被激活，参与材料表面的血栓形成。显微镜下观察到的凝血现象AB材料植入体内后形成血栓的情况生物材料与补体系统补体是血液中的一群可以参与免疫反应的蛋白质，平时无活性，但可被抗体或某些因子激活而协助破坏细菌、中和毒素、清除抗原抗体复合物。补体系统由20余种理化性状和免疫特性不同的血清蛋白组成，可按一定顺序呈连锁的酶促反应被激活。经典激活途径：通过抗原抗体复合物激活补体系统，包括9种组分。旁路激活途径：在无抗体的条件下，补体被

18、某些细菌、真菌、动物细胞或病毒感染的细胞激活。生物材料与血液接触激活补体主要是旁路途径。研究发现材料表面带有胺基、羟基、氰基或酚基的聚合物等可以激活经典途径。生物材料对补体系统的激活示意图补体C4、C3、C5经典或旁路激活途径活化（C3-C5转化酶）和裂解C3a、C3bC4aC5a、C5b补体激活对身体产生的影响过敏症状：患者首次透析是常出现头痛、恶心、呕吐症状，这与C3a、C5a补体（过敏毒素）有关；血氧下降或低血压症状：补体活化，引起免疫功能亢进，白细胞大量渗出到肺毛细血管，影响了肺的换气功能，引起缺氧；肺循环的压力增高，使回到左心的血液减少，引起血压下降；血栓的形成：补体引起血小板在材料

19、表面的黏附，从而引起血栓；慢性并发症如易感染，恶性肿瘤发病率增高，肺纤维化、动脉硬化等改善材料血液相容性的方法提高表面的亲水性，降低表面自由能表面接支抗凝血分子（肝素、水蛭素等）白蛋白钝化修饰内皮细胞伪饰表面仿生修饰肝素钠修饰提高材料抗凝血性Biomaterials 25 (2004) 19471957Hemocompatibility of polyacrylonitrile dialysis membrane immobilized with chitosan and heparin conjugateWen-Ching Lin et al抗凝血表面仿生修饰（RGD等）抗凝钙耦合剂和药物控

20、释抗凝体外细胞种植, mechanical stimuli scaffold SMCECmechanical stimuliTissue engineering vessueRemodeling in vivo促进内皮化HDL修饰Divya Seetharam Circ.Res 2006Fig. 7. (A) Cell growth on 90/10 surfaces treated with the proteins indicated. Human plasma (po105) and HDL, both commercial and isolated from plasma, signi

21、ficantly improved proliferation (po0:01). (B) Thrombin generation on the 90/10 and 50/50 coatings pre-treated with purified HDL.促进内皮化生物因子修饰Micrographs of various PLLA and curcumin-loaded PLLA surfaces. SEM images of (a) HAECs seeded on PLLA films (control); (b)HAEC seeded on 6% C-PLLA films; (c) fib

22、ronectin-coated 6% C-PLLA films; and (d) HAECs seeded on fibronectin-coated C-PLLA films.HAEC proliferation on different adhesive protein coated C-PLLA surfaces. Points marked with an asterisk (*) are statistically significant higher values than Collagen-I (n ) 8). Points marked witha plus (+) are s

23、tatistically significant higher values than controls (CPLLA films uncoated). 采用生物学方法检测材料对受体的毒副作用，从而预测该材料在医学实际应用中的安全性 包括：材料对受体局部组织、血液和整体的反应，对受体的遗传效应等 生物医学材料的生物安全性生物医用材料的生物相容性评价 1992年，ISO制定颁布了医用装置的生物学评价标准 ISO109931992 1997年，中国医疗器械生物学评价标准GB/T16886采用了国际标准目前，国际标准组织和欧美、日本及我国实行的标准在安全性能能上的评价主要是指生物学评价。评价标准生物

24、学评价项目的选择（选择依据）接触部位：体表、体内组织、骨骼、牙、血液接触方式：直接接触、间接接触接触时间：暂时接触24小时，短中期接触1-30天，长期接触30天用途：一般的功能、生殖与胚胎发育及生物降解。生物学评价项目我国生物学评价学者在ISO标准的基础上参考了美国和日本的标准，并根据我国多年来进行生物学评价的研究，在1994年提出了我国生物学评价选择标准，1997年正式由卫生部颁布，即GB/T16886.1-1997。生物评价的实验方法学细胞毒性试验致敏试验热源试验全身急性毒性试验全身亚急性(亚慢性)毒性试验全身慢性毒性试验遗传毒性试验植入试验血液相容性试验刺激试验致癌试验生殖和发育毒性试验

25、降解试验细胞毒性试验通过细胞培养技术，测定材料或其浸提液对细胞溶解(细胞死亡)、抑制细胞生长和其他毒性作用。常用直接接触法(琼脂扩散方法和滤过扩散方法)。致敏试验用材料或其浸提液做试验，评价材料的潜在过敏原。常用的方法有最大剂量法和接触斑贴法，使用啄鼠做试验。豚鼠皮肤对毒物刺激反应灵敏，常用于局部皮肤毒物作用的试验。如研究化妆品和外用药物对皮肤的刺激反应。 热源试验与刺激试验检测材料或其浸提液是否有致热源物质，常用兔法，将材料或其浸提液由静脉注入兔体内(10mlkg)，在一定时间内观察兔体温变化，以判断在材料或浸提液中所含热源量是否符合入体应用要求。用材料或其浸提液做试验，评价材料的潜在刺激源

26、。根据材料的具体使用部位，可选择进行皮肤刺激试验、皮内刺激试验或粘膜刺激试验等。兔体温反应十分敏感，最易产生发热反应，且典型、恒定，正常体温保持在38.539.5之间，可用于做发热及热原实验。毒性试验全身急性毒性试验：用材料或其浸提液，通过单一或多种途径由动物模型做试验，评价其急性有害作用。常用生理盐水浸提液进行小鼠尾静脉注射，用植物油浸提掖进行小鼠腹腔注射。由于大多数生物材料不能计算LD50。，所以在注射后24h、48h和72h以观察小鼠的体重变化，运动和呼吸状态，以及死亡情况作为评价指标。全身亚急性(亚慢性)毒性试验：通过多种途径、在不到试验动物寿命10的时间内(例如大鼠最多到90天)，测定材料的有害作用。全身慢性毒性试验：通过多种途径，在不少于功物寿命的10的时间内(例如大鼠要超过90天)，测定材料的有害作用。生长、发育、遗传毒性试验遗传毒性试验：用哺乳动物或非哺乳动物细胞培养技术，测定材料或其浸出液引起的基因突变，染色体结构和数量变化，或其他遗传毒性。为了预防出现假阳性，一般要求同时进行细胞的基因突变染色体结构改变和DNA改变三组试验。生殖和发育毒性试验：评价材料或其浸提液对生育、生殖功能、胎儿和早期发育的潜在有害作用。试验包括，一般生殖毒性试验，致畸胎试验和围产期毒性试验。血液相容性试验通过材料与血液相