生物材料学知识重难点

1、 组织相容性定义:材料与组织接触时,表现出的亲和能力。组织相容性的优劣,主要取决于材料结构的化学稳定性。一般来说,相对分子质量大,分布窄或有交联结构的材料,组织相容性较好。其顺序由好到差依次为硅橡胶、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚酰胺、酚醛树脂、环氧树脂等。什么是生物材料？曾经的定义：由生物过程形成的材料。结构蛋白（胶原蛋白、蚕丝蛋白等）；结构多糖及生物软组织（纤维素、透明质酸等）；生物复合材料（腱、角、木材等）；生物矿物（骨、牙、贝壳）。天然生物材料生物材料定义：又称生物医用材料，是指与生物系统相作用，用以诊断、治疗、修复或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料。生物材料是材料科学领域

2、中正在发展的多种学科相互交叉渗透的领域，其研究内容涉及材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖学等学科，同时还涉及工程技术和人文学科的范畴。生物材料学的主要研究内容生物体生理环境/组织/器官生理功能及其替代方法。其特有的生理功能的生物医学材料的合成/改性/加工成型及材料的特种生理功能构建。材料与生物体的细胞/组织/血液/体液/免疫/内分泌等生理系统的相互作用以及降低材料毒副作用的对策。材料灭菌/消毒，医用安全性评价方法和标准，医用材料与制品的生产管理和法规。生物医学材料的主要用途：替代损伤的器官或组织（例如：人造心脏瓣膜/假牙/人工血管等）改善或恢复器官功能（如：隐形眼镜/心脏起搏器等）用于诊断

3、或治疗过程（如：介入性治疗血管内支架/用于血液透析的薄膜等）生物材料正在挽救和维持世界上数亿患者的生命；正广泛应用于损伤组织/器官的形态和功能的恢复；正在提高人们健康水平方面发挥巨大作用。发展阶段：第一代（1950s）第二代（1980s）第三代（1990s）特点：生物惰性特点：生物活性或生物可吸收性特点：生物活性或生物可吸收性第一代生物材料：惰性生物材料不锈钢、钛及其合金、以及钴基合金等金属材料碳素、氧化铝、氧化锆等生物惰性陶瓷材料硅橡胶、高分子量聚乙烯等有机高分子材料缺点：材料本身不能促进或加速伤口的愈合；往往要进行二次手术；植入体与生物主体之间存在界面问题。第二代生物材料：生物活性或生物可

4、吸收的生物材料生物活性材料：生物活性玻璃、陶瓷和玻璃陶瓷等具有生物活性的硬组织植入材料生物可吸收的生物材料：生物可降解性医用材料，包括可生物降解吸收的骨水泥、陶瓷及生物可降解高分子。第三代生物材料：生物活性和生物可吸收的生物材料第三代生物医用材料在生物体内能被降解，最终为机体所吸收，同时材料本身又具有生物活性，刺激相关细胞产生响应，从而诱导组织和器官的形成，是细胞和基因的活性化材料。目前，第三代生物医用材料已成为国际上材料前沿领域一个十分活跃的研究方向，在组织工程中已开始有广泛的临床应用。按材料属性分类：医用金属材料：包括不锈钢、钴基合金，钛及合金等，广泛应用于人工假体、人工关节、医疗仪器、工

5、具等。医用无机材料：主要是生物陶瓷。分为惰性生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷；生物活性陶瓷如磷酸钙基生物陶瓷；可降解生物陶瓷，如0-磷酸三钙陶瓷等。医用高分子材料：根据来源分为天然的和合成的。天然的如多糖类、蛋白类；合成的聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等。用于人体器官、组织、关节、药物载体等。医用复合材料：不同种材料的混合或结合，克服单一材料的缺点，可获得性能更优的材料按材料来源分类：自体组织：如人体听骨、血管等替代组织同种异体器官及组织：如不同人体之间的器官移植异种器官及组织：如动物骨、肾替换人体器官天然生物材料：如动物骨胶原、甲壳素、珊瑚等人工合成材料：如各种人工合成的新型材料按使用部位分类

6、：硬组织材料：骨、牙齿用材料软组织材料：软骨、脏器用材料心血管材料：心血管以及导管材料血液代用材料：人工红血球、血浆等分离、过滤、透析膜材料：血液净化、肾透析以及人工肺气体透过材料传统细胞增殖分化理论的两个基本点！细胞增殖分化一旦启动，便是一个由生到死的不可逆转的过程；三个胚层组织的细胞分化方向一旦确定，是不能跨胚层转化的，甚至同胚层之间也不能相互转化。组织工程f积极地利用细胞进行组织、器官的修复和再生f组织、器官功能（障碍、不全、缺失）组织工程三要素:种子细胞支架材料生长因子组织工程的实现方式:（1）支架材料（+细胞+生长因子）移植（体内培养）（2）自体（或同种异体，或异种）细胞+生物材料+

7、生长因子体外培养移植现在已临床应用的几乎都是第（1）种方式,所利用的细胞主要有纤维细胞、成骨细胞、软骨细胞等，但当组织缺损程度大时,需从外部向体内补充生长因子:且体内不能进行组织的大量生产。第一章生物学相关基础第一节细胞生物学概论一、细胞学说的建立细胞学说的主要内容17世纪中叶，显微镜被用于生物学研究，用显微镜观察来自树皮的木栓，看到一个个“小室结构”，称之“Cell”（细胞）。在观察各种生物中到处都看到细胞结构，逐渐形成一个观念：各处生物都是由细胞组成。这个观点经发展形成公认的细胞学说:（1）细胞是所有动植物的基本结构单位（2）每个细胞相对独立，一个生物体内各细胞之间协同配合（3）新细胞由老

8、细胞繁殖产生。细胞学说的科学意义：细胞学说使生命世界是有机体多样性的统一，从哲学推断走向自然科学论证。思考：有没有非细胞生命？（19世纪末发现比细菌还小的“传染性的活性成分”，称为病毒。1930-1940弄清楚病毒的化学本质和电镜结构。）病毒是一类不具细胞结构的生命形态。最简单的病毒仅由核酸大分子和蛋白质大分子组成。但是病毒颗粒必需进入寄生宿主的活细胞才能表现出生命的各方面特性。二、细胞的结构与功能动物细胞的典型结构细胞膜和生物膜磷脂和鞘脂分子具有一个共同的特征个极性的头两个非极性的尾巴。在水环境中，这类分子会自发形成脂双层微囊。细胞膜的框架，就脂双层，还有蛋白质“镶嵌其中”。1970s提出的

9、流动镶嵌学说，强调了生物膜中脂分子和蛋白质分子的运动。这样的膜结构不但用以组成细胞膜.还用以分割形成各种细胞器.所以统称为生物膜细胞核由两层生物膜围成，遗传信息储藏在核内，是DNA复制和RNA合成的场所。内质网由单层生物膜围成。是蛋白质修饰和分泌、脂类合成的场所。高尔基体由单层生物膜围成，参与蛋白质修饰和分泌。溶酶体由单层生物膜围成，是生物大分子分解的场所。线粒体由双层生物膜围成，是生物氧化、产生能量的场所。细胞质有多种蛋白质和酶，是糖酶解和糖元合成等反应的场所。植物细胞的典型结构与动物细胞相比有几点不同：植物细胞动物细胞有细胞壁没有细胞壁有叶绿体没有细胞壁有中央液泡没有中央液泡真核细胞和原核

10、细胞细菌细胞结构简单，最主要的差别是细菌没有细胞核，核物质-DNA还是有的，形成类核区（又称拟核）。细菌细胞也没有其他各种细胞器。细胞骨架有多种蛋白质亚基组装成，和细胞形状、迁移、信息传导等有关。核糖体有RNA和蛋白质组成的颗粒，是蛋白质合成的场所。依据有无细胞核，整个生命世界可以区分为两大类：原核生物真核生物细菌植物放线菌动物等等真菌（霉菌、酵母）原生生物藻类三、细胞的分裂和细胞周期1.为什么会有细胞分裂？随着细胞生长，细胞体积不断增大，而细胞表面积与体积之比（表面积/体积）却在变小。活细胞不断进行新陈代谢，细胞表面担负着输入养分，排出废物的重任。表面积/体积比值的下降意味着代谢速率的受限和

11、下降。所以，细胞分裂是细胞生长过程中保持足够表面积，维持一定的生长速率的重要措施。原核细胞生物的细胞分裂原核生物以细菌为例，细胞分裂比较简单。细胞生长增长到一定程度，DNA复制形成两个DNA分子，分别移到拉长了的细胞两端，中间形成新的细胞间隔.进而形成细胞壁.成为两个细胞。这个过程称为二分分裂真核细胞的有丝分裂大多数真核生物是多细胞生物。体细胞的分裂称为有丝分裂。（生殖细胞形成过程中则有与之不同的减数分裂）（1）细胞分裂周期细胞从前一次分裂开始到后一次分裂开始，这段时间称为一个细胞周期通常，细胞周期可区分为四个阶段：M期分裂期，在这个阶段可以在显微镜下看到细胞分裂过程。G1期细胞分裂前期S期细

12、胞合成期（G1期、S期和G2期总称为分裂间期）G2期细胞分裂后期（2）有丝分裂过程（M期）前期染色质浓缩，折叠，包装，形成光镜下可见的染色体。每条染色体含两条姐妹染色单体。中期核膜消失，染色体排列在赤道板上。后期姐妹染色单体分开，被分别拉向细胞两侧。末期重新形成核膜，染色体消失。细胞质分裂胞质形成间隔，最终分开为两个细胞。（3）染色体和染色质处于分裂间期的细胞，细胞核内的DNA分子，在一些蛋白质的帮助下，有一定程度的盘绕，形成核小体。多个核小体串在一起形成染色质。所以,染色质是在细胞分裂期间遗传物质存在的形式。核小体直径10nm，在光学显微镜下看不到。当细胞进入M期时，染色质折叠包装大约压缩8

13、400倍，形成光镜下可以看到的染色体。在染色体出现时，细胞已经过S期完成DNA复制，已经由原来的每个DNA分子复制出两个DNA分子。所以，每条染色体由两条姐妹染色单体组成。四、细胞的分裂、衰老与死亡细胞的分化（定义：发育过程中细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程）成年人全身细胞总数约10八12个。细胞种类有200多种，这么多种类的细胞均来自一个受精卵细胞。细胞分化不但发生在胚胎阶段和发育过程中，亦发生在成人阶段。如：人体血细胞的产生。分化以后不同种类的细胞，形态、功能、基因表达、代谢活动都不同。2.细胞的衰老人体衰老时身体各部分功能都发生衰老。身体衰老是以细胞衰老为基础的。实验证明细胞有

14、明显的衰老过程。亦有人强调人体衰老时并非全身细胞的均衡衰老，而是部分细胞衰老，导致整体机能失调。激素系统和神经系统的衰老对全身的影响最大。衰老的机理，自由基假说广为人们接受。生物氧化中产生的自由基、自由基破坏生物大分子蛋白质、核酸、脂类等。使得细胞结构被破坏，基因突变，导致细胞衰老。人体存在着清除自由机制，这些淬灭自由机制受遗传控制。3.细胞凋亡多细胞生物个体的一生中，细胞的死亡不断发生。有两种细胞死亡：（1）因环境因素突变或入侵而死亡，称为病理死亡或细胞坏死（2）因个体正常生命活动的需要。一部分细胞必定在一定阶段死去.称细胞凋亡细胞凋亡受基因控制。细胞凋亡是普遍存在的。变态蝌蚪T青蛙昆虫：卵

15、T幼虫T成虫哺乳类皮肤.指（趾）甲红细胞分化成熟T失去细胞核T凋亡淋巴细胞95%以上在成熟之前死去.不到5%成熟后只存活一至几天T细胞杀伤靶细胞的机制之一，就是诱使靶细胞凋亡。癌细胞亦可看成是凋亡失控了的细胞。细胞凋亡和细胞坏死有明显区别：细胞凋亡细胞坏死细胞变圆，与周围细胞脱开细胞外形不规则变化核染色体凝聚溶酶体破坏细胞膜内陷细胞膜破裂细胞分为一个个小体胞浆外溢被周围细胞吞噬引起周围炎症反应第二节细胞外基质（细胞间质）ECMECM是细胞外大分子构成的网络。包括：胶原、非胶原糖蛋白、氨基聚糖与蛋白聚糖、弹性蛋白等。ECM在结缔组织中含量较高。ECM的成分及组装形式由分泌ECM的细胞决定，并与组

16、织的功能相适应，如：角膜、肌腱。ECM影响细胞的存活、死亡、增殖和分化。一胶原组成：由原胶原交联而成，原胶原是三条肽链形成的三股螺旋。原胶原的每条链由重复的Gly-X-Y序列构成。X二pro（脯氨酸），Y二hyp（羟脯氨酸）或除甘氨酸和脯氨酸外的其他氨基酸，Gly-X-Y序列使a链卷曲为左手螺旋。三股链再绕成右手超螺旋。合成：由成纤维细胞、软骨细胞、成骨细胞、上皮细胞分泌，形成三股螺旋之前于Pro及Lys残基上进行羟基化修饰。-羟化反应的催化剂为脯氨酸4羟化酶和脯氨酸3羟化酶。一维生素C是这两种酶所必需的辅助因子，VC缺乏导致坏血病。交联：交联键是由侧向相邻的赖氨酸或羟赖氨酸残基氧化后所产生的

17、两个醛基间进行缩合而形成的。原胶原共价交联后成为具有抗拉强度的不溶性胶原。-胚胎及新生儿的胶原因缺乏分子间的交联而易于抽提。-随年龄增长，交联日益增多，组织僵硬老化。类型：-已知至少19种胶原，由不同的结构基因编码。l、ll、lll、V、XI型胶原为有横纹的纤维形结构。-是人体最丰富的蛋白，占蛋白总量的30%以上。功能：参与形成结缔组织，如骨、韧带、基膜、皮肤。二纤粘连蛋白类型：-血浆FN：V字形二聚体，可溶，存在于血浆、体液。细胞FN:多聚体，不溶，存在于ECM及细胞表面。已鉴定的FN亚单位20种以上。由同一基因编码，转录后拼接不同，形成多种异型分子。结构：-含糖4.5-9.5%。-每条FN

18、有5-7个有特定功能的结构域。组装：-FN不自发组装成纤维，通过细胞表面受体指导下进行。肿瘤细胞表面的FN纤维减少，因细胞表面的FN受体异常所致。功能：-FN可将细胞连接到ECM上:FN上的RGD(Arg-Gly-Asp)序列可与细胞表面的整合素结合。-人工合成的RGD三肽可抑制细胞在FN基质上粘附。三层粘连蛋白结构：-由三条肽链借二硫键交联成十字形分子。已知7种LN分子，8种亚单位(a1-3,01-3,y1-2)。与FN不同，这8种亚单位由不同基因编码。-含糖量很高(15-28%)，具有50条左右N-连接的糖链。功能：-参与构成基膜，是胚胎发育中出现最早的细胞外基质成分。四氨基聚糖与蛋白聚糖

19、氨基聚糖GAG是重复二糖单位构成的无分枝长链多酶。二糖单位通常由氨基已糖和糖醛酸组成。可分为六种：透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素、肝素、硫酸角质素。透明质酸(HA)是唯一不硫酸化的GAG，含多达10万个糖基。可结合大量水分子，赋予组织一定的抗压性。氨基聚糖是很长的伸展结构，不能像多肽链那样折叠，可在基质中占有很大空间。氨基聚糖表面有大量的亲水因子，并带有高密度的负电荷，能吸引阳离子Na+等进入而产生渗透压，使大量水分进入基质。氨基聚糖与水结合形成的凝胶后，由于产生膨胀压，可抵抗外界压力，对组织起到机械支撑作用（赋予组织一定的抗压性）.蛋白聚糖是氨基聚糖（除HA）与核心蛋白质的共

20、价结合物。核心蛋白质的Ser残基在高尔基体中装配上GAG链。首先合成由四糖组成的连接桥（Xyl木聚糖-Gal半乳糖-Gal半乳糖-GlcUA葡萄糖醛酸）连接到Ser残基上，然后再延长糖链。除HA及肝素外，其他GAG均不游离存在。HA以非共价键连接许多蛋白聚糖单体巨分子。五弹性蛋白是弹性纤维的主要成分。由二类短钛交替排列构成。-一种是疏水短肽，赋予分子以弹性；-另一种为富Ala及Lys残基的a螺旋，负责在相邻分子间交联，形成网状结构。弹性蛋白外面包着一层由微原纤维（糖蛋白）构成的壳。老年组织中弹性蛋白的生成减少，降解增强，以致组织失.六细胞外基质的生物学作用影响细胞的存活、死亡定着依赖性：如，上

21、皮细胞一旦脱离了ECM则会发生anoikis失巢凋亡现象。大多数细胞的存活依赖于以锚着的方式黏附在细胞外基质上。这主要是由于细胞外基质与整合素结合后，可介导细胞信号传导途径，刺激细胞增殖而存活。决定细胞的形状不同细胞外基质介导的细胞骨架组装的状况不同，从而使细胞表现出不同的形状。调节细胞的增殖定着依赖性增长。细胞锚着于细胞外基质上后，可接受生长因子的刺激，通过整合素将信号传递到细胞内，促进细胞从G1期进入S期。控制细胞的分化如，成肌细胞在纤粘连蛋白上增殖并保持未分化的表型；而在层粘连蛋白上则停止增殖，进行分化，融合为肌管。参与细胞的迁移细胞迁移依赖于细胞的粘附与细胞骨架的组装。有时也需要基质成

22、分的局部降解，为其开辟通路。见手写 一疏松结缔组织（又称蜂窝组织：含多种细胞，三种纤维。它填充于皮肤与肌肉，肌肉与肌肉，包裹着血管，神经以及各种器官，并且作为肝肾腺体等器官的间质。）（一）细胞构成（共7种）1.成纤维细胞蛋白质分泌细胞。静止状态时称纤维细胞。2.巨噬细胞呈圆形，球形或不规则形状。胞质嗜酸性。可含有异物颗粒胞质含溶酶体和残余体。丰富的微丝和微管，参与细胞活动。巨噬细胞的功能（1）吞噬作用：能吞噬进入机体的细菌/异物颗粒，还可以清除体内衰老/变性/病毒感染的细胞。（2）抗原呈递作用：能识别/吞噬/加工/处理和储存抗原物质，然后将处理后的抗原物质传递给淋巴细胞，启动特异性免疫反应。（

23、3）分泌功能：能合成多种生物活性物质包括溶菌素/补体/多种细胞因子如白细胞介素I等。浆细胞LM：胞质嗜酸性核位于细胞的一侧，核仁明显EM：d大量板状排列的rER（粗面内质网）大量Gol（高尔基复合体）功能：合成与分泌免疫球蛋白。4.肥大细胞:肝毛细血管通透性滑肌细胞支气管平滑肌痉挛血脉扩张血浆液体溢出哮喘6.未分化的间充质细胞成纤维细胞内皮细胞血压休克过敏反应7.白细胞如：中性粒细胞/嗜酸性粒细胞/淋巴细胞等。常以变形运动穿出毛细血管和微静脉，游走到结缔组织内，行使防御功能。（二）纤维（Fiber-f）1.胶原白色嗜酸性韧性大，抗拉力强2.弹性纤维网状纤维（三）无定形基质无定形的胶状物（蛋白聚

24、糖/氨基聚糖/蛋白质等）。有一定粘性。二致密CT细胞少，纤维多保护作用1.规则致密CT2.不规则致密CT胶原f沿着受力的方向平行排成束以弹性f为主f束间有腱C（肌腱/腱膜）粗大的弹性f平行排成束韧带三脂肪组织由大量的脂肪C构成由疏松CT分割成小叶1.黄色：成人皮下/网膜等处。分两类2.棕色：新生儿。四网状组织由网状C和网状f构成。五软骨（一）软骨组织的结构软骨二软骨组织+软骨膜软骨组织二软骨C+软骨基质软骨CLM:核小而圆，1-2个核仁，胞质弱嗜碱性；EM:rER（糙面内质网）和Gol多。功能：分泌软骨基质。软骨陷窝软骨C包埋在软骨基质中，所在的腔隙称。同源C群由同一个软骨C分裂而来的2-8个

25、软骨C,同时存在于一个软骨陷窝中，称为。软骨基质由软骨C分泌无定形基质：凝胶状，蛋白多糖和水。软骨囊软骨C周围，有强嗜碱性基质成分，形似囊状，此区域称为。（二）软骨组织的类型根据纤维成分不同：透明软骨、纤维软骨、弹性软骨透明软骨新鲜时呈半透明分布：肋、关节、呼吸道纤维成分：胶原原f3.弹性软骨新鲜时黄色分布：耳廓、咽喉和会厌纤维成分：弹性纤维较强的弹性（三）软骨膜为软骨组织表面的薄层致密CT外层：胶原纤维，保护作用纤维软骨新鲜时乳白色分布：椎间盘、关节盘及耻骨联合纤维成分：胶原纤维束。内层：细胞多，骨祖细胞、血管、淋巴管和神经。（四）软骨的生长两种方式：附加性生长：又称软骨膜下生长，骨祖CT成

26、软骨CT软骨C间质性生长：软骨内生长（五）软骨的功能关节软骨T支撑重量、减少摩擦呼吸道软骨T支架作用参与骨发生和生长六骨概述骨组织骨膜骨髓支持和保护钙、磷的贮存库骨髓是血细胞发生的部位（一）骨组织的结构骨组织=骨细胞+钙化的基质特点：基质中有骨盐沉积T最坚硬的组织。1.骨组织的细胞（1）骨祖细胞：干细胞T成骨细胞，成软骨细胞（2）成骨细胞：蛋白质分泌细胞T合成骨质T钙化成骨基质T骨细胞（3）骨细胞：最多胞体小，多突起骨陷窝:骨细胞胞体所在的腔隙骨小管:骨细胞突起所在的腔隙破骨细胞：少多核（2-50个）巨细胞（直径可达100微米）功能:溶解、吸收骨骨基质简称骨质，即钙化的细胞外基质有机成分：胶原

27、f+无定形基质无机成分:即骨盐羟基磷灰石结晶:细针状，由钙、磷酸根和羟基结合而成骨板骨质呈板层状排列，称骨板成层排列的骨板犹如多层木质胶合骨细胞体位于相邻骨板之间钙化的基质中密质骨:骨板紧密排列。位于长骨的骨干、短骨和扁骨的表层松质骨:骨板形成骨针或骨小梁，交错成网。位于长骨的骨骺、扁骨的板障、短骨的中心（二）长骨的结构长骨=骨干+骨骺表面有骨膜和关节软骨内部为骨髓腔，充满骨髓。1.骨干主要由密质骨构成环骨板：内、外环骨板哈弗斯系统间骨板哈弗斯系统：又称骨单位由同心圆排列的哈弗斯骨板围绕中央构成是长骨中起支持作用的主要结构2.骨骺主要由松质骨构成表面有薄层密质骨关节面有关节软骨3.骨膜骨外膜骨

28、内膜功能:营养、生长及修复功能。七血液血液的组成血液(55%血浆45%血细胞)血浆中含有90%的水及其他，血细胞中有红细胞(350-550万个/|11)，白细胞(400-1000万个/J)，血小板(19-40万个/|!丨)血浆的组成血浆相当细胞外基质，pH7.3-7.4，水占90%,其余为:血浆白(白蛋白、球蚕白、纤维蛋白原等)、脂蛋白、酶、激素、无机盐及多种营学代谢物。在体外，血液静置后，溶解状态的纤维蛋白原转变为不溶解的纤维蛋白，将细成分及大分子血浆蛋白包裹起来，形成血凝块，并析出淡黄色的清亮液体，称为血清。血浆的功能营养功能：可以为积细胞提供氧基酸等;运输功能：脂肪、激素、氨基酸、生长因子、无机盐、氧气、二氧化碳的运输；缓冲功能：血浆蛋白其钠盐缓冲对、碳酸碳酸氢钠等无机盐缓冲对等，稳定血压PH值；形成胶体渗透压，调节血管内外的水分分布；参与机体免疫:免疫抗体、补体系统等，都是由血浆球蛋白构成；红c(RBC)大小：直径为7.5-8.5um形状:双凹圆盘状。结构特点：