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1课件

工业大学二OO六医用材料生物学基础第三章相互作用1一、生物相容性概念和原理

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2一、生物相容性概念和原理一、生物相容性概念和原理生物体引起植入材料变化的因素材料反应生物体（宿主）反应生物相容性的定义生物相容性分类生物相容性评价体系生物相容性试验

第三章相互作用3一、生物相容性概念和原理Biomaterial-TissueInteractions第三章相互作用5一、生物相容性概念和原理生物机体是一个复杂的环境,植入体内的材料长期处于物理、化学、生物、电、机械等因素的复杂环境影响之下,外科植入物不仅受到组织不停运动的动态作用,也处于代谢的反应之中。生物体对植入材料的影响又取决于材料本身化学、物理性质及其各组分的相对含量,引起机体组织反应也存在异同。生物体引起植入材料变化的因素第三章相互作用6一、生物相容性概念和原理生物体引起植入材料变化的因素体液中各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基酸、多肽、自由基、无机盐对材料的生物降解作用细胞黏附吞噬作用细胞生物电、磁场和电解、氧化作用新陈代谢过程中生物化学和酶催化反应生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动态运动第三章相互作用7一、生物相容性概念和原理材料反应——金属的腐蚀

医用金属具有良好的机械力学性能，且应具有良好的生物相容性，通常医用金属材料，含有Fe、Cr、Co、Ni、Ti、Ta、Mo、W等

金属在体内的腐蚀大多是通过可预见的普通机制发生的，因其可以预见，所以人们选择耐腐蚀性好、机械性能优良――可以在受力结构中应用的金属――惰性的合金。

惰性的合金：纯钛、钛铝钒合金、钴铬合金、不锈钢

第三章相互作用9一、生物相容性概念和原理材料反应——金属的腐蚀合金在多数体内环境中保持惰性状态，但仍然会有物质释放到组织中。

钛从体内取出时没有腐蚀的迹象，氧化层也保存完好，甚至还随时间逐渐加厚（Sundgren，1986）但有实验表明，在周围的组织中仍能很容易检测出钛（Thomsen1986）、金属离子或其形成的络合物可能会造成组织的损害，所以即使是轻微的腐蚀也不可忽视。第三章相互作用10一、生物相容性概念和原理材料反应——金属的腐蚀很难确定有活性的生理环境在金属腐蚀中的作用。

蛋白质的存在完全改变一些金属在盐水中的腐蚀速度，特别是在溶液中能和蛋白质结合的金属（钴、银、铜），血清蛋白使它们的腐蚀速度提高一个数量级。

蛋白质、盐溶液、细胞活化的产物等都可能改变金属腐蚀的速度或其与机体的界面层结构。

第三章相互作用11一、生物相容性概念和原理材料反应——聚合物的水解

1）易吸水和能水解的聚合物在植入后易发生降解。聚乳酸、聚乙醇酸（缝合线、药物缓释系统）2）不易吸水但能水解的聚合物通过表面腐蚀的机制降解。暴露在表面的易水解基团或分子最敏感，降解过程由表面缓慢地进行，也可能，反应是非常迅速和不均匀的。聚氨酯、聚酰胺第三章相互作用13一、生物相容性概念和原理材料反应——聚合物的水解

3）易吸水但不水解的聚合物会发生膨胀和破裂等结构变化，但不一定发生分子降解。丙烯酸酯聚合物能吸收一些水分，但不降解。聚硅氧烷易吸收脂肪和类脂，并可能继而发生破裂。4）既不水解又能抵抗水分渗入的聚合物能在组织中存在而不发生降解。聚四氟乙烯、聚烯烃等均聚物。第三章相互作用14一、生物相容性概念和原理材料反应——聚合物的水解

聚合物在体内对降解的敏感顺序（Williams,1982）吸水

水解

聚合物在体内的可能变化

举例

YY降解脂肪族聚酯:聚乳酸聚乙醇酸NY表面的易水解基团或分子以表面腐蚀的机制降解芳香族:聚氨酯聚酰胺YN发生膨胀破裂等结构变化但不一定发生分子降解丙烯酸酯:吸水不降解聚硅氧烷:吸收脂肪类脂可能发生破裂NN在组织中存在不发生降解均聚物：聚四氟乙烯聚烯烃第三章相互作用15一、生物相容性概念和原理材料反应——聚合物的生物降解

酶在体外环境下能够影响各种各样的易降解的聚酯、聚酰胺、聚氨基酸和聚氨酯等聚合物的降解（Smith，1987）。在体外酶通过催化水解反应加快了聚合物降解过程。酶是由许多细胞合成和释放的，包括炎性过程中的细胞。这些细胞也会产生和释放各种各样的自由基。细胞释放的过氧化氢能产生羟基自由基和其它次级自由基，这个过程会参与引发聚合物的降解过程。如自动氧化等。（Willams，1991）

第三章相互作用17一、生物相容性概念和原理一、生物相容性概念和原理生物体引起植入材料变化的因素材料反应（金属的腐蚀、聚合物的水解和降解）

生物体（宿主）反应

生物相容性的定义生物相容性分类生物相容性评价体系生物相容性试验

第三章相互作用18一、生物相容性概念和原理生物体（宿主）反应

1、界面反应

材料一旦放入体内就形成界面，界面上组织的主要成分都是液态的，其中主要是血液，几秒钟内蛋白质就吸附到材料表面上。第三章相互作用19一、生物相容性概念和原理生物体（宿主）反应

1、界面反应——蛋白质的吸附的特点

a）蛋白质的竞争吸附：浓度较高的蛋白：白蛋白、纤维蛋白原表面亲和性较高：纤维结合蛋白

b）吸附蛋白多层分布

c）可能会发生吸附蛋白分子的伸展、变性和解吸附

d）吸附迅速

e）亲疏水性、表面电荷、化学性质、表面粗糙度

第三章相互作用21一、生物相容性概念和原理生物体（宿主）反应

2、局部的宿主反应

植入材料后，组织、血管发生破坏，血液流出，其中包括纤维蛋白原、血小板等，开始凝血（在凝血酶的作用下，纤维蛋白原变为不溶纤维网）。

第三章相互作用22一、生物相容性概念和原理生物体（宿主）反应

2、局部的宿主反应

近周血管迅速膨胀使白细胞（中性粒细胞）、血浆蛋白及细胞外液中炎性介质从管壁渗出，炎性介质通过趋化过程把细胞大量吸引到受损伤部位――急性炎性反应期。

第三章相互作用23一、生物相容性概念和原理生物体（宿主）反应

3、远端和全身的影响

被动扩散：浓度梯度主动分布：可溶成分进入血液循环；被细胞吞噬的颗粒物质进入淋巴系统组织、器官聚集、沉积固体致癌原：金属离子

第三章相互作用25一、生物相容性概念和原理生物体（宿主）反应

界面反应凝血：纤维蛋白原、血小板等炎性反应：中性粒细胞、吞噬细胞纤维囊：成纤维细胞激活分泌胶原蛋白质吸附——细胞结合局部的宿主反应远端和全身的影响被动扩散：浓度梯度主动分布：血液循环、淋巴循环组织聚积、致癌、致敏第三章相互作用26一、生物相容性概念和原理生物相容性理想材料的生物学反应

各种生物医用材料人工器官医用辅助装置对人体无毒性无致敏性无刺激性无致畸性无遗传毒性无致癌性对人体系统无任何不良反应无凝血、无溶血反应无炎症、肿瘤反应无免疫排斥反应免疫组织血液第三章相互作用29一、生物相容性概念和原理生物相容性分类血液相容性：材料用于心血管系统与血液直接接触，要考察与血液的相互作用。组织相容性、

一般生物相容性：材料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。生物相容性第三章相互作用30一、生物相容性概念和原理生物相容性的评价标准美国评价标准

ASTM(F48-82)美国、英国、加拿大三国评价标准1986国际标准化组织评价标准ISO/TC194ISO10993.1-1992~ISO10993.12-1992中国的评价标准

GB/T16886.1-1997生物相容性第三章相互作用31一、生物相容性概念和原理国际标准化组织评价标准

ISO10993.1-1992~ISO10993.12-19921、医疗器械和生物材料生物学评价试验指南2、动物福利要求3、遗传毒性、致癌性和生殖毒性试验4、与血液相互作用试验选择5、细胞毒性试验(体外法)6、植入后局部反应试验7、环氧乙烷灭菌残留量8、临床调查9、与生物学试验有关的材料降解（技术报告）10、刺激和致敏试验11、全身毒性试验12、样品制备与标准样品第三章相互作用32一、生物相容性概念和原理StandardsinBiomaterialsTestingTechnicalCommittee194oftheInternationalOrganizationforStandardization(ISO)meeteveryspringSetofdocuments10993(FDA’sversion#G95-1):10993-1:"GuidanceonSelectionofTests."10993-2:"AnimalWelfareRequirements."10993-3:"TestsforGenotoxicity,Carcinogenicity,andReproductiveToxicity."10993-4:"SelectionofTestsforInteractionswithBlood."10993-5:"TestsforCytotoxicity—InVitroMethods."10993-6:"TestsforLocalEffectsafterImplantation."10993-7:"EthyleneOxideSterilizationResiduals."10993-9:"DegradationofMaterialsRelatedtoBiologicalTesting."10993-10:"TestsforIrritationandSensitization."10993-11:"TestsforSystemicToxicity."10993-14:“MaterialsEvaluation."第三章相互作用33一、生物相容性概念和原理Guidelineofbiologicalevaluationofmedicaldevice(ISOstandard,1997)接触时间：A:一时接触(≤24h)

B:短、中期接触(>24h－30日)C:长期接触(>30日)接触部位：表面接触：皮肤、粘膜、损伤表面由体外与体内接触：血路间接、组织/骨/牙、

循环血液体内植入：组织/骨、血液第三章相互作用34一、生物相容性概念和原理Guidelineofbiologicalevaluationofmedicaldevice(ISOstandard,1997)基本评价的生物学试验：细胞毒性、致敏试验刺激或皮内反应试验全身急性毒性试验亚慢性亚急性毒性遗传毒性、植入试验血液相容性试验补充评价的生物学评价试验：慢性毒性致癌性生殖与发育毒性生物降解试验第三章相互作用35一、生物相容性概念和原理第三章相互作用36一、生物相容性概念和原理中国的评价标准

GB/T16886.1-1997基本评价的生物学试验：

热原试验、

急性毒性体外试验（溶血试验）

(亚慢性亚急性毒性)

补充评价的生物学评价试验：

亚慢性亚急性毒性第三章相互作用37一、生物相容性概念和原理生物相容性试验整体、细胞和分子生物学三个层次评价生物材料的生物相容性细胞学：从细胞水平去观察材料对细胞的数量、形态及分化的影响

整体动物学：从整体水平去观察材料对人体各系统的影响分子水平评价：观察材料对细胞DNA、RNA及细胞外基质的胶原蛋白和非胶原蛋白mRNA基因表达的影响。第三章相互作用38一、生物相容性概念和原理在人体生理环境中,材料所接触的除了水、无机盐外,更有蛋白质、细胞、组织和器官等生命有机体,因此材料对所有这些生命有机体的作用和影响就变得至为重要。

生物相容性试验第三章相互作用39一、生物相容性概念和原理

生物材料特别是植入人体软组织的材料,会与成纤维细胞直接接触,成纤维细胞会合成：作用于细胞合成的组蛋白、作用于细胞粘着的纤联蛋白、作用于细胞构架的肌动蛋白和波形蛋白以及大量与细胞外基质有关的胶原蛋白

植入人体硬组织的材料,会与成骨细胞直接接触，成骨细胞会合成：与骨形成相关的骨钙蛋白、骨粘连蛋白

和骨桥蛋白以及大量的胶原蛋白。

第三章相互作用40一、生物相容性概念和原理

我们知道,遗传物质的主要活性是指导蛋白质的合成。如果生物材料对机体的影响已经在整体水平和细胞水平上表现出来,那么在分子水平的遗传基因表达方面一定已经造成影响,并且会极灵敏地反映出来。

生物相容性试验第三章相互作用41一、生物相容性概念和原理体外实验：用材料或材料浸提液与细胞共培养，观察材料对细胞的形态、增殖能力及细胞主要生理功能的影响

体外细胞毒性试验、遗传毒性和致癌试验、血液相容性评价方法、细胞粘附、细胞扩散细胞增殖动物体内实验：将材料植入体内,分阶段将植入体与周围组织取出,做组织学检查,观察材料植入体内后引起机体组织学变化，评价组织相容性。

生物相容性试验第三章相互作用42一、生物相容性概念和原理InvitroTesting:DirectContactAconfluentmonolayer(100xmagnification)ofwell-definedL929mousefibroblastcellsexhibitingcell-to-cellcontact.Thisappearanceisindicativeofanon-cytotoxic(negative)responseL929mousefibroblastcells(100xmagnification)thatillustrateapositivecytotoxicreactionintheelutiontestmethod.Thecellsaregrainyandlacknormalcytoplasmicspace;theconsiderableopenareasbetweencellsindicatethatextensivecelllysis(disintegration)hasoccurred.第三章相互作用43一、生物相容性概念和原理TestingBiomaterialsINVITRO(cellculturesinglass)rapidinexpensivepoorrepresentationofphysiologicalconditionsgoodasthefirststepINVIVO(animalexperiments)betterapproximationtohumanenvironmentdemandingprotocols(AnimalWelfareAct)rightanimalmodelapproximatehumanenvironmentsecondsteppriortoclinicaluse第三章相互作用44一、生物相容性概念和原理StandardsinBiomaterialsTesting:ISO10993-4:HemocompatibilityNormalneutrophilsandlymphocytessu