醫(yī)用材料生物學基礎(chǔ)第三章醫(yī)用植入材料與人體間的相互作用2課件

1、 哈爾濱工業(yè)大學材料學院 材料物理與化學二OO六年十月醫(yī)用材料生物學基礎(chǔ)第三章 相互作用1二、植入材料與組織界面反應 醫(yī)用植入材料與人體間的相互作用一、生物相容性概念和原理二、植入材料與組織界面反應三、植入材料引起的炎癥與傷口愈合四、植入材料引起的感染、鈣化和腫瘤五、植入材料的病理學反應第三章第三章 相互作用2二、植入材料與組織界面反應二、植入材料與組織界面反應物質(zhì)過膜轉(zhuǎn)運反應過程與反應機理顆粒狀植入材料可能的毒副作用細胞對植入物質(zhì)的反應規(guī)律吸收物質(zhì)的生物排泄第三章 相互作用3二、植入材料與組織界面反應生物材料人體生理環(huán)境：二、植入材料與組織界面反應水、無機鹽、蛋白質(zhì) 細胞、組織、器官對機體的

2、影響： 整體水平 細胞水平 分子水平 生物體（宿主）反應： 界面反應 局部的宿主反應 遠端和全身的影響反應首先是在材料組織界面上展開 第三章 相互作用4二、植入材料與組織界面反應 由于體液的作用或機械摩擦，顆粒狀的物質(zhì)可能從植入材料表面侵出或脫落，或是以離子狀態(tài)從材料表面侵出，進入體液系統(tǒng)產(chǎn)生各種毒性反應。 二、植入材料與組織界面反應第三章 相互作用5二、植入材料與組織界面反應 金屬種植體進入體內(nèi)兩、三年后，圍繞種植材料周圍的軟組織因毒蝕而變灰、變黑。 進入體液的化學物質(zhì)可對血液系統(tǒng)產(chǎn)生毒化作用，有毒元素替代紅細胞中的鐵原子，使血紅細胞運載氧的能力減弱。 有毒元素通過血液運載毒化神經(jīng)系統(tǒng)。 二

3、、植入材料與組織界面反應毒性反應：第三章 相互作用6二、植入材料與組織界面反應 植入人體中的材料以顆粒、分子或離子的形式經(jīng)細胞膜，產(chǎn)生細胞或器官毒副作用。這在不同程度上對細胞或器官造成損傷。物質(zhì)的毒副作用的可逆性取決于被損傷組織的再生能力： 肝臟：再生能力強，多數(shù)損傷是可逆的。 中樞神經(jīng)：再生能力很差， 損傷多是不可逆的。 SiO2所引起的硅沉著病是不可逆的。 致癌物質(zhì)引起的正常細胞發(fā)生惡變， 是不可逆的。二、植入材料與組織界面反應第三章 相互作用7二、植入材料與組織界面反應物質(zhì)過膜轉(zhuǎn)運細胞膜 在微觀水平上，無論是血液毒性還是神經(jīng)毒性，最初都是有毒物質(zhì)被細胞吸收，產(chǎn)生細胞毒性。 植入人體中的材

4、料以顆粒、分子或離子的形式經(jīng)細胞膜，產(chǎn)生細胞或器官毒副作用。 二、植入材料與組織界面反應第三章 相互作用8二、植入材料與組織界面反應二、植入材料與組織界面反應物質(zhì)過膜轉(zhuǎn)運反應過程與反應機理顆粒狀植入材料可能的毒副作用細胞對植入物質(zhì)的反應規(guī)律吸收物質(zhì)的生物排泄第三章 相互作用9二、植入材料與組織界面反應 細胞膜 Plasma Membrane細胞結(jié)構(gòu)細胞膜細胞質(zhì)細胞核包圍在細胞表面的一層薄膜，厚70100，電鏡下觀察，為三層結(jié)構(gòu)。細胞內(nèi)液：半透明膠體物質(zhì)。細胞器：具有一定形態(tài)和生理功能的結(jié)構(gòu)胞內(nèi)質(zhì)粒：非功能性單位核膜染色質(zhì)核仁核液細胞膜第三章 相互作用10二、植入材料與組織界面反應在電子顯微鏡下

5、細胞膜的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)“兩暗夾一明”的單位膜結(jié)構(gòu), 厚70100。細胞膜第三章 相互作用11二、植入材料與組織界面反應細胞膜糖脂糖蛋白外層脂質(zhì)分子（親水性頭部）表面蛋白質(zhì)疏水性尾部嵌入蛋白質(zhì)內(nèi)層脂質(zhì)分子（親水性頭部）細胞膜分子結(jié)構(gòu)模式圖第三章 相互作用12二、植入材料與組織界面反應細胞膜 Plasma Membrane雙層極性磷脂分子： 親水端構(gòu)成膜的內(nèi)外兩側(cè)，與體液或細胞質(zhì)接觸，疏水端朝向膜的中間，互相貼近。 膜蛋白:表面蛋白結(jié)合蛋白細胞膜第三章 相互作用13二、植入材料與組織界面反應細胞膜的功能 1、物質(zhì)輸送：有選擇性，進行新陳代謝的同時， 又能保持細胞內(nèi)成分穩(wěn)定。 水的滲透（細胞內(nèi)外溶液濃度差

6、異） 脂溶性物質(zhì)和小分子物質(zhì)，單純擴散作用。 非脂溶性物質(zhì)與膜蛋白暫時結(jié)合，易化擴散。 胞飲、胞吐作用（大分子） 主動轉(zhuǎn)運作用（濃度由低至高） 2、識別、傳遞信號 3、膜蛋白間結(jié)合產(chǎn)生細胞間結(jié)合。 4、將細胞內(nèi)外液分開，細胞內(nèi)物質(zhì)不會流散。細胞膜第三章 相互作用14二、植入材料與組織界面反應物質(zhì)過膜轉(zhuǎn)運 物質(zhì)能否通過生物膜，進入細胞，與物質(zhì)的生物膜通透性有關(guān)，即物質(zhì)的理化性質(zhì)有關(guān)： 大小/形狀 親脂性/親水性 所帶電荷/極性 與內(nèi)源性分子的相似性 第三章 相互作用15二、植入材料與組織界面反應物質(zhì)過膜轉(zhuǎn)運 簡單擴散/脂溶擴散 濾過和水溶性擴散 易化擴散/載體擴散 吞噬作用/胞吞/胞飲 吸收 第

7、三章 相互作用16二、植入材料與組織界面反應 大多數(shù)物質(zhì)經(jīng)簡單擴散方式通過生物膜， 從濃度較高的一側(cè)經(jīng)脂質(zhì)雙分子層進行擴散性 轉(zhuǎn)運。 物質(zhì)過膜轉(zhuǎn)運產(chǎn)生的條件： 膜兩側(cè)存在濃度梯度 物質(zhì)必須具有脂溶性 物質(zhì)必須是非電離狀態(tài)簡單擴散(simple diffusion)/脂溶擴散(lipid diffusion)：第三章 相互作用17二、植入材料與組織界面反應 毛細血管和腎小球的膜上具有較大的孔（約4nm）,可通過分子量小于60000的分子，由于水壓或/和滲透壓而產(chǎn)生的水流可順壓差攜帶化學物質(zhì)穿過膜孔。 物質(zhì)過膜轉(zhuǎn)運濾過(filtration)第三章 相互作用18二、植入材料與組織界面反應 大部分細

8、胞的膜孔較小（約0.4nm），只能通過分子量小于100、不帶電荷的極性分子，如水、乙醇、乳酸等水溶性分子和O2、CO2等氣體分子可通過水溶擴散跨膜轉(zhuǎn)運，其相對擴散率與該物質(zhì)在膜兩側(cè)的濃度差成正比。 甘油較難通過，葡萄糖幾乎不能通過物質(zhì)過膜轉(zhuǎn)運水溶性擴散(aqueous diffusion)第三章 相互作用19二、植入材料與組織界面反應 膜上蛋白質(zhì)載體特異地與某種化學毒物結(jié)合后，其分子內(nèi)部發(fā)生構(gòu)型變化而形成的適合該物質(zhì)通過的通道而進入細胞。 順濃度方向轉(zhuǎn)運，不需消耗能量。 水溶性分子葡萄糖在體內(nèi)的轉(zhuǎn)運； Na+、K+、Ca2+離子帶有電荷，不能通過脂質(zhì)雙分子層的內(nèi)部疏水區(qū)，某種情況下，可隨濃度差

9、，快速出入細胞。 易化擴散(facilitated diffusion)/載體擴散: 物質(zhì)過膜轉(zhuǎn)運第三章 相互作用20二、植入材料與組織界面反應第三章 相互作用21二、植入材料與組織界面反應 固態(tài)顆粒狀生物材料與細胞膜接觸后，可改變膜的表面張力，引起外包或內(nèi)凹，將異物包圍進入細胞，這種轉(zhuǎn)運方式稱為吞噬作用。 某些液態(tài)蛋白或大分子物質(zhì)以此種方式進入細胞，稱為胞飲或吞飲作用。物質(zhì)過膜轉(zhuǎn)運 吞噬作用/吞飲/胞飲作用（pinocytosis）: 第三章 相互作用22二、植入材料與組織界面反應 生物材料經(jīng)接觸部位，通常是機體的內(nèi)表面或外表面（如皮膚、消化道、血管）的生物膜轉(zhuǎn)運至血液循環(huán)的過程。物質(zhì)過膜轉(zhuǎn)

10、運 吸收（absorption）： 第三章 相互作用23二、植入材料與組織界面反應二、植入材料與組織界面反應物質(zhì)過膜轉(zhuǎn)運反應過程與反應機理顆粒狀植入材料可能的毒副作用細胞對植入物質(zhì)的反應規(guī)律吸收物質(zhì)的生物排泄 第三章 相互作用24二、植入材料與組織界面反應反應過程與反應機理物質(zhì)消除速率: 生物材料在體內(nèi)吸收、消除或生物轉(zhuǎn)化的速率在任何時間與該時間物質(zhì)在體內(nèi)的量成正比。即滿足一級動力學過程：-dc/dt=kc 第三章 相互作用25二、植入材料與組織界面反應反應過程與反應機理物質(zhì)與細胞大分子的共價結(jié)合： 物質(zhì)或其具有活性的代謝產(chǎn)物與機體的一些重要大分子發(fā)生共價結(jié)合，從而改變核酸、蛋白質(zhì)、酶、膜脂質(zhì)

11、等生物大分子的化學結(jié)構(gòu)與其生物學功能，造成細胞損害。 第三章 相互作用26二、植入材料與組織界面反應物質(zhì)與細胞大分子的共價結(jié)合： 化學物質(zhì)或其代謝產(chǎn)物與蛋白質(zhì)發(fā)生共價結(jié)合，蛋白質(zhì)可位于胞漿、核或膜等部位， 造成酶活性、膜通透性、離子轉(zhuǎn)運的改變、 線粒體能量代謝障礙、 細胞骨架損害、 細胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)、 影響細胞信號傳遞 最終導致細胞死亡 細胞死亡：第三章 相互作用27二、植入材料與組織界面反應物質(zhì)與細胞大分子的共價結(jié)合：致癌作用： 致癌物與核酸相互作用，導致細胞癌變?；瘜W物質(zhì)或其代謝產(chǎn)物，與蛋白質(zhì)發(fā)生共價結(jié)合，引起DNA錯誤復制，如錯誤復制超過機體的修復能力，將導致突變，最終引起癌變。 與氨基

12、酸或蛋白質(zhì)有相似空間構(gòu)型的高分子單體，可能更容易到達靶部位細胞核，化學毒物或其代謝產(chǎn)物一旦與核蛋白（控制細胞生長、增殖和分化等生理過程）共價結(jié)合，將影響細胞的結(jié)構(gòu)與功能。 第三章 相互作用28二、植入材料與組織界面反應反應過程與反應機理物質(zhì)與細胞大分子的共價結(jié)合：免疫反應： 較小分子量的物質(zhì)可作為半抗原與機體組織蛋白共價結(jié)合，改變其結(jié)構(gòu)，使之成為一種免疫原，誘發(fā)各種特殊的免疫反應。 細胞毒性反應、 過敏反應/變態(tài)反應。 第三章 相互作用29二、植入材料與組織界面反應二、植入材料與組織界面反應物質(zhì)過膜轉(zhuǎn)運反應過程與反應機理顆粒狀植入材料可能的毒副作用細胞對植入物質(zhì)的反應規(guī)律吸收物質(zhì)的生物排泄 第

13、三章 相互作用30二、植入材料與組織界面反應顆粒狀植入材料可能的毒副作用 植入顆粒材料經(jīng)組織液和血液的轉(zhuǎn)運過程，可能富積于肝區(qū)、腎臟以及骨組織改建前端，造成細胞損傷。 全身各種組織細胞，特別是具有高分化特殊功能的實質(zhì)細胞，如肝細胞、腎小管上皮細胞、神經(jīng)細胞、血細胞、心肌細胞等在中毒時，最常出現(xiàn)病變形式，其本質(zhì)是化學毒物作用下，細胞生長代謝發(fā)生異?；蛲Ｖ?，細胞內(nèi)生命活動的嚴重障礙和基本結(jié)構(gòu)嚴重破壞與崩解。 細胞損傷：壞死、變性第三章 相互作用31二、植入材料與組織界面反應顆粒狀植入材料可能的毒副作用 是生命機體對異物入侵的一種普遍防衛(wèi)反應。 原發(fā)于植入體的直接作用 繼發(fā)于吸收引起的組織壞死或繼發(fā)

14、感染 表現(xiàn)： 組織細胞變性 組織液、血液成分的滲出 炎癥細胞侵潤 纖維素樣變性和增殖 炎癥：第三章 相互作用32二、植入材料與組織界面反應二、植入材料與組織界面反應物質(zhì)過膜轉(zhuǎn)運反應過程與反應機理顆粒狀植入材料可能的毒副作用細胞對植入物質(zhì)的反應規(guī)律吸收物質(zhì)的生物排泄 第三章 相互作用33二、植入材料與組織界面反應細胞對植入物質(zhì)的反應規(guī)律 細胞是機體組織的基本組成單位，它通過攝取、轉(zhuǎn)化、貯存、利用物質(zhì)和能量來維持細胞的生命活動。 細胞通過膜表面的蛋白質(zhì)和親和素與植入材料表面結(jié)合。 物質(zhì)經(jīng)細胞吸收后，與細胞中的分子結(jié)合，有可能參與細胞中的各種生命活動，最終影響組織細胞的各種生物學功能。 第三章 相互作用34二、植入材料與組織界面反應細胞對植入物質(zhì)的反應規(guī)律植入材料對免疫系統(tǒng)的作用： 不同的生物材料可能直接損傷免疫細胞的形態(tài)或功能； 經(jīng)吸收，干擾神經(jīng)內(nèi)分泌網(wǎng)絡，使機體免疫功能低下，即免疫抑制，導致機體易受感染因素或腫瘤的攻擊。 影響免疫細胞的抗原識別能力或敏感性，引起病理性免疫應答。 同一化學物質(zhì)不同條件下，分別表現(xiàn)為免疫抑制或過敏。第三章 相互作用35二、植入材料與組織界面反應二、植入材料與組織界面反應物質(zhì)過