第2章生物相容性及生物學評價

1、目錄目錄人體生理環(huán)境人體生理環(huán)境生物相容性生物相容性宿主反應宿主反應 病理學反應病理學反應材料在生物體內(nèi)的反應材料在生物體內(nèi)的反應生物材料的生物相容性評價生物材料的生物相容性評價2.1 人體生理環(huán)境人體生理環(huán)境生物學環(huán)境：處于生物系統(tǒng)中的生物醫(yī)用材料周圍的情況或條件，其中包括體液、有機大分子、酶、自由基、細胞等多種因素。成人60%為體液，2/3于細胞內(nèi)，1/3為細胞外液，外液1/5在血管內(nèi)，4/5在血管外組織液存在于組織液存在于組織、細胞的間隙內(nèi)組織、細胞的間隙內(nèi)，絕大部分呈，絕大部分呈膠凍狀膠凍狀，不能自由流動，因，不能自由流動，因此不會因重力作用而流至身體的低垂部分。將注射針頭插入組織間隙

2、內(nèi)，也此不會因重力作用而流至身體的低垂部分。將注射針頭插入組織間隙內(nèi)，也不能抽出組織液不能抽出組織液。組織液凝膠組織液凝膠的基質(zhì)是的基質(zhì)是膠原纖維和透明質(zhì)酸細絲膠原纖維和透明質(zhì)酸細絲。組織液中。組織液中有極小一部分呈液態(tài)，可自由流動。組織液中有極小一部分呈液態(tài)，可自由流動。組織液中各種離子成分與血漿相同各種離子成分與血漿相同。組。組織液中也存在各種血漿蛋白質(zhì)但其織液中也存在各種血漿蛋白質(zhì)但其濃度明顯低于血漿濃度明顯低于血漿。組織液是血漿濾過毛細血管壁而形成組織液是血漿濾過毛細血管壁而形成 人體的生理環(huán)境： 體溫為37，由水、電解質(zhì)、血糖、蛋白質(zhì)等構成相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。 細胞外液的4/5存在于血

3、管外構成組織液，1/5在血管內(nèi)，即血漿。 正常人血的相對密度為1.050-1.060，粘度為4-5（通常以水的粘度為1作為標準進行計算）。血漿的滲透壓約為313mosm/l，ph值為7.35-7.45。 模擬人體生理環(huán)境的溶液：有機酸、蛋白質(zhì)、酯、生物原分子、電解質(zhì)、溶解氧、氮化合物以及可溶性碳酸鹽的nacl水溶液，濃度約為0.1mol/l，溶液的ph值約為5.5（0.2）的溶液。2.2 生物相容性生物相容性1）定義 生物材料在宿主的特定環(huán)境和部位，與宿主直接或間接生物材料在宿主的特定環(huán)境和部位，與宿主直接或間接接觸時所產(chǎn)生相互反應的能力接觸時所產(chǎn)生相互反應的能力。生物相容性是材料在生物體內(nèi)處

4、于動態(tài)變化過程中，能耐受宿主各系統(tǒng)作用而保持相對穩(wěn)定，不被排斥和破壞的生物學特性，又稱為生物適應性和生物可接受性.材料與宿主產(chǎn)生相互作用所涉及生物化學、生物力學和生物電學三個反應系統(tǒng)。 (宿主是能給病原體提供營養(yǎng)和場所的生物。包括人和動物) 生物相容性是指材料與生物體之間相互作用后產(chǎn)生的各種生物、物理、化學等反應的一種概念。一般地講，就是材料植入人體后與人體相容程度，也就是說是否會對人體組織造成毒害作用. 2）生物相容性分類兩類：組織相容性和血液相容性組織相容性定義：材料與組織器官接觸時，不能被組織所侵蝕，材料與組織之間應有一種親和能力 組織相容性的優(yōu)劣，主要取決于材料結構的化學穩(wěn)定性。一般來

5、說，相對分子質(zhì)量大，分布窄或有交聯(lián)結構的材料，組織相容性較好。其順序由好到差依次為：硅橡膠、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯晴、聚酰胺、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。 生物材料的組織相容性還與高聚物的形狀和表面粗糙程度有關。 動物實驗證明：高聚物呈海綿狀、纖維狀等形狀時不易誘發(fā)惡性腫瘤的發(fā)生，而片狀材料容易誘發(fā)惡性腫瘤。表面平整光滑的材料與組織接觸一段時間，其材料的周圍可形成一層與材料無明顯結合的、由纖維細胞平行排列而成的包裹組織，易引起炎癥，使得腫瘤發(fā)生的潛伏期縮短。若材料表面粗糙，可促使組織細胞與材料表面的黏附和結合，腫瘤發(fā)生的潛伏期延長血液相容性1）定義 材料與血液直接接觸時，與血液相互作用不引起凝

6、血或血栓、不損傷血液組成和功能等的能力和性能。 2）表現(xiàn) 在材料的表面首先吸附血漿蛋白，包括白蛋白、球蛋白、纖維蛋白原等； 繼而血小板在材料表面黏附、聚集、變形，同時血液內(nèi)一系列凝血因子被激活，從而引起血栓的形成; 溶血、白細胞減少等細胞水平的反映； 免疫成分的改變、補體的激活以及血小板受體、二磷酸腺苷（adp）和前列腺素的釋放等分子水平的反映。3）生物材料的表面與血液成分的相互作用 生物材料與血液接觸，可以激活凝血因子，啟動凝血系統(tǒng)形成血栓，經(jīng)內(nèi)源性凝血系統(tǒng)實現(xiàn)。內(nèi)源性凝血一般是從凝血因子xii激活為xiia開始，隨后相繼激活其他凝血因子，形成凝血。 當材料與血液接觸時，血漿蛋白首先吸附于高

7、聚物表面。一般來說，容易吸附蛋白質(zhì)的材料表面不利于血小板的吸附，材料的抗凝血性能較好；容易吸附-球蛋白和纖維蛋白原的材料表面，則能加速凝血過程的形成。 血小板的黏附和凝集，不僅僅與血管帶電情況有關，可能還與材料表面吸附蛋白質(zhì)的種類有關。 血液成分與材料表面接觸并相互作用，是否會造成紅細胞受損而引起溶血，主要與材料表面積、化學結構、材料表表面積、化學結構、材料表面的粘附性、血液參數(shù)、凝血變化等因素面的粘附性、血液參數(shù)、凝血變化等因素有關。4）生物材料表面特性對血液相容性的影響 生物體與生物材料表面的接觸，它們之間的初級反應必然依賴于生物材料表面的性能，如材料表面的物理性能、表面電荷、親水性、表面

8、自由能等，所以生物材料的表面性質(zhì)在生物學反應中起著至關重要的作用。 生物材料表面的粗糙度是影響血液相容性的一個重要因素。因為越粗糙的表面暴露在血液中的面積越大越粗糙的表面暴露在血液中的面積越大。 表面的潤濕性，即材料親水性或疏水性是一個重要的因素。親水性的材料表面比疏水性的材料表面更有利于細胞生長。 人們利用血液相容性與材料表面親水性之間的這種關系，研制和開發(fā)了許多水凝膠高聚物材料。 水凝膠： 一種親水性的材料，具有良好的血液相容性，但機械性能較差 可通過化學或物理的方法將其接枝到機械性能較好的材料表面，這樣既保持了原有的機械性能，又在材料表面形成了具有凝血作用的表面層，從而提高了材料的血液相

9、容性。 與血液接觸的材料表面化學性質(zhì)與材料表面電學性質(zhì)緊密相關。 高分子官能團的種類決定了表面電荷的種類和多少。 材料表面帶有負電荷，會引起某種蛋白質(zhì)的吸附形成鈍化層，材料對血液的毒性減小，從而使材料具有更好的血液相容性。2.4 材料在生物體內(nèi)的反應材料在生物體內(nèi)的反應 醫(yī)療器械的復雜性主要取決于植入體對于宿主的影響以及宿主對于植入體的影響這兩方面的因素。大部分的變化對生物體都有不利的影響。圖圖2-1 幾種植入材料表面在生物材料環(huán)境下常見的變化幾種植入材料表面在生物材料環(huán)境下常見的變化 宿主反應是宿主反應是生物機體對植入材料的反應生物機體對植入材料的反應。宿主反應的。宿主反應的發(fā)生是由于生理環(huán)

10、境的作用，導致發(fā)生是由于生理環(huán)境的作用，導致構成材料的組分原子、分構成材料的組分原子、分子以及顆粒、碎片等代謝產(chǎn)物進入機體組織子以及顆粒、碎片等代謝產(chǎn)物進入機體組織。生物材料進入。生物材料進入機體后，可產(chǎn)生以下宿主反應：機體后，可產(chǎn)生以下宿主反應：（1 1）宿主反應）宿主反應l 局部組織反應，是組織對手術創(chuàng)傷的局部組織反應，是組織對手術創(chuàng)傷的急性或炎性反應急性或炎性反應；l 全身毒性反應，是由于材料降解在合成加工及消毒過程中全身毒性反應，是由于材料降解在合成加工及消毒過程中吸吸收或形成的低相對分子質(zhì)量產(chǎn)物造成的，有急性和慢性反應；收或形成的低相對分子質(zhì)量產(chǎn)物造成的，有急性和慢性反應；l 過敏反

11、應，是由于材料降解所產(chǎn)生的過敏反應，是由于材料降解所產(chǎn)生的毒物毒物造成的；造成的；l 致癌、致畸、致突變反應，是由于材料中或降解產(chǎn)物中產(chǎn)致癌、致畸、致突變反應，是由于材料中或降解產(chǎn)物中產(chǎn)生的有害物質(zhì)造成的；生的有害物質(zhì)造成的；l 適應性反應，是慢性的、長期的，包括機械力對組織和材適應性反應，是慢性的、長期的，包括機械力對組織和材料相互作用的影響。料相互作用的影響。 材料反應是材料對生物機體作用產(chǎn)生的反應，材料反應材料反應是材料對生物機體作用產(chǎn)生的反應，材料反應的結果可導致材料的結果可導致材料結構破壞和性質(zhì)改變結構破壞和性質(zhì)改變，主要包括：，主要包括：（2 2）材料反應）材料反應u1 1）生理腐

12、蝕）生理腐蝕 生理環(huán)境對材料的化學侵蝕作生理環(huán)境對材料的化學侵蝕作用，致使用，致使材料產(chǎn)生離解、氧化等材料產(chǎn)生離解、氧化等u2 2）吸收）吸收 材料在生理環(huán)境中，可以通過吸收材料在生理環(huán)境中，可以通過吸收過程使其功能改變，也可導致材料物理機械性能過程使其功能改變，也可導致材料物理機械性能改變；改變；u3 3）降解及失效）降解及失效 在生理環(huán)境作用下，材料可在生理環(huán)境作用下，材料可能能被機體降解被機體降解，導致材料失效。磨損可以使修復，導致材料失效。磨損可以使修復體部件之間結合受損，造成修復體失效。機械力體部件之間結合受損，造成修復體失效。機械力作用也可能引起材料失效。作用也可能引起材料失效。a

13、 a植入體對宿主的反應植入體對宿主的反應1.1.局部局部a.a.血液血液-材料的反應材料的反應b.b.蛋白質(zhì)的吸收蛋白質(zhì)的吸收c.c.凝結凝結d.d.纖維蛋白溶解纖維蛋白溶解e.e.血小板的粘著，活化，釋放血小板的粘著，活化，釋放f. f. 補充活化補充活化g.g.白血球粘著，活化白血球粘著，活化h. h. 溶血現(xiàn)象溶血現(xiàn)象i.i.毒性毒性j.j.改變了正常的愈合改變了正常的愈合k.k.包成囊狀包成囊狀l.l.外來體的反應外來體的反應m.m.形成形成血管翳血管翳n.n.感染感染o.o.形成腫瘤形成腫瘤2.2.全身反應與補體系統(tǒng)全身反應與補體系統(tǒng)a a形成血栓形成血栓b b植入體元素在血液中數(shù)量

14、增加植入體元素在血液中數(shù)量增加c c高度過敏癥高度過敏癥d d淋巴顆粒的傳輸淋巴顆粒的傳輸b b宿主對植入體的反應宿主對植入體的反應1. 1. 物理機制的反應物理機制的反應 a. a. 摩擦磨損摩擦磨損 b b疲勞損傷疲勞損傷 c c應力腐蝕引起斷裂應力腐蝕引起斷裂 d d腐蝕腐蝕 e e降解及分解降解及分解2. 2. 生理反應生理反應 a a吸收組織物質(zhì)吸收組織物質(zhì) b b酶的降解酶的降解 c. c. 鈣化鈣化2.4.1 膨脹與浸析植入材料與生物環(huán)境間最簡單的相互作用形式是：在不發(fā)生反應的條件下，材料通過界面的轉移。 膨脹：物質(zhì)從組織進入生物材料，致密的材料就會因為體積增加而發(fā)生膨脹。主要是

15、指液體物質(zhì)、周圍的液相介質(zhì)中的某些成分或溶質(zhì)。 浸析：當液體進入材料的內(nèi)部，或是生物材料的某種成份溶解在組織的液體相中時，就將這種產(chǎn)生材料孔隙的過程。膨脹和浸析都是擴散的結果。 造成膨脹最簡單的情況：從固定的濃度、完全均勻的混合液體到無限大介質(zhì)的擴散。吸收造成的影響可以總結為：顏色的變化、體積的變化、可能還有力學性能的變化。一般情況下，作為吸收的次級效應，力學性能的變化包括：彈性模量的降低，內(nèi)部粘度的增加，延展性的增加，如果植入材料與被吸收的物質(zhì)發(fā)生反應，延展性也可能降低，摩擦系數(shù)的變化以及抗磨損性能的降低。 導致浸析的最簡單的情況：擴散物質(zhì)以恒定的速率離開材料的表面。 膨脹和浸析引起的材料變

16、形有不少有害的效果。 膨脹的影響： 膨脹會降低材料的彈性極限，而且會導致一種靜態(tài)疲勞或“裂紋”的失效形式。 浸析的影響： 作為膨脹的相反作用，浸析對性能的影響一般不會太顯著?？赡馨l(fā)生的問題是對浸析產(chǎn)物的局部和系統(tǒng)整體的生物反應。 過度浸析（例如金屬晶間浸析）可以導致斷裂強度的降低。浸析造成的缺陷可以聚合成空洞。對剛性材料來說，如果空洞所占的體積百分比大到一定值，就會造成彈性模量的降低，其降低的數(shù)量與空洞體積百分比的二次方成正比。2.4.2 腐蝕與溶解 生物醫(yī)用金屬材料在機體內(nèi)重要反應之一是腐蝕和溶解。對高分子和陶瓷材料來說，腐蝕一般不是很顯著，但是也存在著問題。 金屬在腐蝕時發(fā)生陽極溶解反應，

17、陽極金屬溶解越多，失去的電子數(shù)越多，則由陽極輸出的電量也越大。 縫隙腐蝕和點蝕是兩種最重要的腐蝕形式。 縫隙腐蝕常發(fā)生在螺栓板材裝配結構的接合間隙內(nèi)。腐蝕痕跡大多在板上的孔洞處?？p隙腐蝕偶爾也發(fā)生栓與板接合的部分。 在板與螺栓之間也可能發(fā)生電化學腐蝕。電化學腐蝕常使螺栓與板的接觸區(qū)域變色，留下像“燒焦”或“熏黑”的痕跡。2.4.3 生物分子與材料表面的反應 生物材料一旦植入體內(nèi)用來連接、修復損傷的組織、器官等，人體的組織即將對植入體進行反應。這種反應通常只在材料與生物體接觸的界面上進行的。 生物分子與材料表面的反應的方式取決于植入的位置，反應的過程與材料的結構與性質(zhì)有關，包括生物結合、毒性反應

18、、排異與吸收。 不同的生物材料可直接損傷免疫細胞的形態(tài)和功能，或者經(jīng)吸收干擾神經(jīng)內(nèi)分泌網(wǎng)絡等，使機體免疫功能低下，導致個體易受感染因素或腫瘤的攻擊，也可影響免疫細胞的抗原識別能力或過敏性，引起病理性免疫應答，表現(xiàn)為過敏反應或自身的免疫性疾病。 化學物對免疫系統(tǒng)的作用具有雙向性，即化學物可在不同的條件下分別表現(xiàn)為對機體的免疫抑制或過敏。2.4.4 高分子材料的水解與降解 水分的吸收特性和高分子的水解特性共同決定了材料在生理環(huán)境中的行為。 酶和自由基是生物降解應該考慮的兩個主要因素。 一般的生物降解材料：一種人工合成的高分子有機物，或天然高分子材料，其在體內(nèi)經(jīng)水解、氧化反應，最終代謝產(chǎn)物為co2和

19、h2o，通過呼吸系統(tǒng)或泌尿系統(tǒng)排出體外，不在體內(nèi)蓄積，幾乎沒有毒性作用，也不需要二次手術取出。 常用的可吸收材料：有聚乙交酯、聚丙交酯、聚酰胺以及某些自增強材料等。 目前，各種降解材料存在的主要問題： 可降解聚合物的機械性能差 可吸收材料在體內(nèi)的降解強度衰減過快2.5 宿主反應宿主反應 2.5.1 傷口愈合過程一旦組織或器官被損傷或損壞，鄰近細胞的反應就是將他們修復。任何傷口最直接的反應就是發(fā)炎。創(chuàng)傷形成后，傷口處的毛細血管收縮阻礙血液的流失，起凝血止血的作用。生物材料植入后形成的傷口愈合經(jīng)過一系列的過程： 間質(zhì)細胞與纖維細胞移動到傷口處的組織 壞死的組織殘骸，血塊等被粒細胞核巨噬細胞移走 移

20、走的成纖維細胞利用纖維素構成的支架分化膠原 新的毛細血管形成 內(nèi)皮細胞和成纖維細胞都能夠釋放膠原酶，保持傷口處的膠原質(zhì)含量達到平衡2-4周后，傷口處逐漸恢復和發(fā)生組織在建。在傷口愈合期間： 傷口組織的蛋白糖和多聚糖將會減少 成纖維細胞的增值速率變得緩慢，達到膠原合成和溶解的新平衡，傷口開始愈合。在傷口修復期間，傷口的愈合過程將隨著組織的變化而變化。圖圖2-2 生物材料在體內(nèi)的反應隨時間的變化生物材料在體內(nèi)的反應隨時間的變化機體對生物材料植入體在急性炎癥反應、慢性炎癥反應、粒狀組織的形成和外來體響應這幾個方面的變化.強度隨時間的強度隨時間的變化主要取決于植入體大小、形狀、植入位置以及材料的物變化

21、主要取決于植入體大小、形狀、植入位置以及材料的物理化學性質(zhì)不同導致傷口區(qū)域的不同。理化學性質(zhì)不同導致傷口區(qū)域的不同。圖圖2-3 急性炎癥反應急性炎癥反應圖圖2-4 局部慢性炎癥反應局部慢性炎癥反應肘部補體周圍存在淋巴細肘部補體周圍存在淋巴細胞和單核白血球，在外來胞和單核白血球，在外來大細胞周圍的裂口能觀察大細胞周圍的裂口能觀察到聚乙烯磨損的碎屑。到聚乙烯磨損的碎屑。在在ptfe血管植入物外表面發(fā)血管植入物外表面發(fā)生的流膿和附著有多形態(tài)的生的流膿和附著有多形態(tài)的白血球白血球圖圖2-5 外來體對于完整的膝關外來體對于完整的膝關節(jié)置換體節(jié)置換體滑膜下關節(jié)囊滑膜下關節(jié)囊的聚乙的聚乙烯磨屑的反應。在磨屑

22、小的碎烯磨屑的反應。在磨屑小的碎片表面存在外來巨噬細胞和片表面存在外來巨噬細胞和腹腹腔巨噬細胞腔巨噬細胞。 金屬磨屑包含金屬磨屑包含在腹腔巨噬細胞內(nèi)部在腹腔巨噬細胞內(nèi)部。圖圖2-5磨屑反應磨屑反應圖圖2-6硅橡膠乳房補體界面上纖維囊硅橡膠乳房補體界面上纖維囊的密度的密度纖維囊內(nèi)部沒有血管。纖維囊內(nèi)部沒有血管。圖中乳圖中乳房補體開裂，顯微照片頂部的房補體開裂，顯微照片頂部的橢圓形小塊代表了組織于生物橢圓形小塊代表了組織于生物材料界面的硅凝膠。材料界面的硅凝膠。2.5.2 免疫反應與補體系統(tǒng) 免疫反應：人體對病原體或異物通過免疫系統(tǒng)時作出的防御反應。所說的免疫反應實質(zhì)上就是抗原抗體反應。 當病原體

23、或異物侵入人體后,激化人體內(nèi)的淋巴細胞產(chǎn)生體液免疫和細胞免疫。 體液免疫：體內(nèi)的b淋巴細胞被抗原刺激后產(chǎn)生全身或局部性的抗體。 細胞免疫：體內(nèi)的t淋巴細胞被抗原刺激后產(chǎn)生細胞毒作用。 兩種免疫，前者能消滅病原體，后者可中和毒素。 人體有許多物質(zhì)可以作為特異性抗原，由于某種因素激活機體的免疫系統(tǒng)而發(fā)生免疫反應，免疫反應幾乎可以發(fā)生在全身各個系統(tǒng)。2.5.3 全身反應 系統(tǒng)的毒性是隨著生物材料植入體內(nèi)后，宿主對材料降解或產(chǎn)生磨粒磨損而造成的。 生物材料毒性在植入體內(nèi)之前必須被嚴格的研究和評估過。對于每一種生物材料來說，它的毒性常常有一個門檻值，低于這個值則說明生物材料不具有毒性。重復使用同種材料的

24、反應與第一次使用這種材料的反應是相似的。 由生物材料引起的免疫性反應，或是材料的降解和磨損常常具有很低的門檻值。盡管增加生物材料的使用量可能不會引起惡化的反應，但是重復的使用材料時門檻值會降低或引起毒性增加。 系統(tǒng)的毒性有免疫反應引起。當宿主受到外來物質(zhì)入侵時免疫系統(tǒng)發(fā)出響應保護機體。 高度敏感的免疫響：那些不正常的、多余的、不受控制的反應。細胞內(nèi)部化學物質(zhì)的釋放和炎癥反應的刺激會導致機體損壞。 一般由于免疫反應或是材料降解和磨損引起的系統(tǒng)毒性是不可能被預測的，因為免疫響應取決于各個機體的基因、材料的劑量、植入的位置等。 個體的免疫系統(tǒng)千差萬別，可能與用來實驗的動物差異很大。 高敏感反應可以分

25、成4中類型。 由于生物材料在人體內(nèi)降解或磨損會引起的體系反應。生物材料釋放的有毒物質(zhì)可能會損壞一個特定的器官。這通?？梢酝ㄟ^對生物材料化學分析和材料在組織內(nèi)的降解和磨損產(chǎn)物等分析被測試出來。 磨損產(chǎn)物的生物學反應很重要并且具有爭議。很多生物材料包含有幾種復合物，磨損作用也受幾種物質(zhì)共同的影響，正如全關節(jié)置換器的磨損顆粒有金屬、高分子聚合物和陶瓷材料。 材料的實際形狀、尺寸和化學成分對全身的高度過敏反映作用的影響還是未知的。2.5.4 材料與腫瘤的產(chǎn)生 腫瘤是機體在各種致瘤因子長期協(xié)同作用下，某部易感細胞群體逐漸發(fā)生的、過度的異常反應性增生，往往持續(xù)增長，且與整體不相協(xié)調(diào)。即使這些致瘤因子已經(jīng)停止作用，細胞的增生仍繼續(xù)進行下去。2.5.5 植入感染 在整個炎癥過程中，酶被這些細胞合成，利用和釋放。同時由于細胞的數(shù)量在變化，酶的含量也是變化的。 在炎癥反應中，最重要的酶是溶酶體酶，它們是由炎細胞內(nèi)的溶酶體釋放。 粒細胞早期酶活性和巨噬細胞相同，巨噬細胞后期酶活性變化。 人造合成材料是無生命力