醫(yī)用材料生物學基礎－蔡偉第三章醫(yī)用植入材料與人體間的相互作用1課件

工業(yè)大學二OO六醫(yī)用材料生物學基礎第三章相互作用1一、生物相容性概念和原理

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2一、生物相容性概念和原理一、生物相容性概念和原理生物體引起植入材料變化的因素材料反應生物體（宿主）反應生物相容性的定義生物相容性分類生物相容性評價體系生物相容性試驗

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機體是一個復雜的環(huán)境,植入體內的材料長期處于物理、化學、生物、電、機械等因素的復雜環(huán)境影響之下,外科植入物不僅受到組織不停運動的動態(tài)作用,也處于代謝的反應之中。生物體對植入材料的影響又取決于材料本身化學、物理性質及其各組分的相對含量,引起機體組織反應也存在異同。生物體引起植入材料變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體引起植入材料變化的因素體液中各種酶、細胞因子、蛋白質、氨基酸、多肽、自由基、無機鹽對材料的生物降解作用細胞黏附吞噬作用細胞生物電、磁場和電解、氧化作用新陳代謝過程中生物化學和酶催化反應生理活動中骨骼、關節(jié)、肌肉的力學性動態(tài)運動第三章相互作用7一、生物相容性概念和原理材料反應——金屬的腐蝕

醫(yī)用金屬具有良好的機械力學性能，且應具有良好的生物相容性，通常醫(yī)用金屬材料，含有Fe、Cr、Co、Ni、Ti、Ta、Mo、W等

金屬在體內的腐蝕大多是通過可預見的普通機制發(fā)生的，因其可以預見，所以人們選擇耐腐蝕性好、機械性能優(yōu)良――可以在受力結構中應用的金屬――惰性的合金。

惰性的合金：純鈦、鈦鋁釩合金、鈷鉻合金、不銹鋼

第三章相互作用9一、生物相容性概念和原理材料反應——金屬的腐蝕合金在多數(shù)體內環(huán)境中保持惰性狀態(tài)，但仍然會有物質釋放到組織中。

鈦從體內取出時沒有腐蝕的跡象，氧化層也保存完好，甚至還隨時間逐漸加厚（Sundgren，1986）但有實驗表明，在周圍的組織中仍能很容易檢測出鈦（Thomsen1986）、金屬離子或其形成的絡合物可能會造成組織的損害，所以即使是輕微的腐蝕也不可忽視。第三章相互作用10一、生物相容性概念和原理材料反應——金屬的腐蝕很難確定有活性的生理環(huán)境在金屬腐蝕中的作用。

蛋白質的存在完全改變一些金屬在鹽水中的腐蝕速度，特別是在溶液中能和蛋白質結合的金屬（鈷、銀、銅），血清蛋白使它們的腐蝕速度提高一個數(shù)量級。

蛋白質、鹽溶液、細胞活化的產(chǎn)物等都可能改變金屬腐蝕的速度或其與機體的界面層結構。

第三章相互作用11一、生物相容性概念和原理材料反應——聚合物的水解

1）易吸水和能水解的聚合物在植入后易發(fā)生降解。聚乳酸、聚乙醇酸（縫合線、藥物緩釋系統(tǒng)）2）不易吸水但能水解的聚合物通過表面腐蝕的機制降解。暴露在表面的易水解基團或分子最敏感，降解過程由表面緩慢地進行，也可能，反應是非常迅速和不均勻的。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應——聚合物的水解

3）易吸水但不水解的聚合物會發(fā)生膨脹和破裂等結構變化，但不一定發(fā)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類脂，并可能繼而發(fā)生破裂。4）既不水解又能抵抗水分滲入的聚合物能在組織中存在而不發(fā)生降解。聚四氟乙烯、聚烯烴等均聚物。第三章相互作用14一、生物相容性概念和原理材料反應——聚合物的水解

聚合物在體內對降解的敏感順序（Williams,1982）吸水

水解

聚合物在體內的可能變化

舉例

YY降解脂肪族聚酯:聚乳酸聚乙醇酸NY表面的易水解基團或分子以表面腐蝕的機制降解芳香族:聚氨酯聚酰胺YN發(fā)生膨脹破裂等結構變化但不一定發(fā)生分子降解丙烯酸酯:吸水不降解聚硅氧烷:吸收脂肪類脂可能發(fā)生破裂NN在組織中存在不發(fā)生降解均聚物：聚四氟乙烯聚烯烴第三章相互作用15一、生物相容性概念和原理材料反應——聚合物的生物降解

酶在體外環(huán)境下能夠影響各種各樣的易降解的聚酯、聚酰胺、聚氨基酸和聚氨酯等聚合物的降解（Smith，1987）。在體外酶通過催化水解反應加快了聚合物降解過程。酶是由許多細胞合成和釋放的，包括炎性過程中的細胞。這些細胞也會產(chǎn)生和釋放各種各樣的自由基。細胞釋放的過氧化氫能產(chǎn)生羥基自由基和其它次級自由基，這個過程會參與引發(fā)聚合物的降解過程。如自動氧化等。（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體引起植入材料變化的因素材料反應（金屬的腐蝕、聚合物的水解和降解）

生物體（宿主）反應

生物相容性的定義生物相容性分類生物相容性評價體系生物相容性試驗

第三章相互作用18一、生物相容性概念和原理生物體（宿主）反應

1、界面反應

材料一旦放入體內就形成界面，界面上組織的主要成分都是液態(tài)的，其中主要是血液，幾秒鐘內蛋白質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體（宿主）反應

1、界面反應——蛋白質的吸附的特點

a）蛋白質的競爭吸附：濃度較高的蛋白：白蛋白、纖維蛋白原表面親和性較高：纖維結合蛋白

b）吸附蛋白多層分布

c）可能會發(fā)生吸附蛋白分子的伸展、變性和解吸附

d）吸附迅速

e）親疏水性、表面電荷、化學性質、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體（宿主）反應

2、局部的宿主反應

植入材料后，組織、血管發(fā)生破壞，血液流出，其中包括纖維蛋白原、血小板等，開始凝血（在凝血酶的作用下，纖維蛋白原變?yōu)椴蝗芾w維網(wǎng)）。

第三章相互作用22一、生物相容性概念和原理生物體（宿主）反應

2、局部的宿主反應

近周血管迅速膨脹使白細胞（中性粒細胞）、血漿蛋白及細胞外液中炎性介質從管壁滲出，炎性介質通過趨化過程把細胞大量吸引到受損傷部位――急性炎性反應期。

第三章相互作用23一、生物相容性概念和原理生物體（宿主）反應

3、遠端和全身的影響

被動擴散：濃度梯度主動分布：可溶成分進入血液循環(huán)；被細胞吞噬的顆粒物質進入淋巴系統(tǒng)組織、器官聚集、沉積固體致癌原：金屬離子

第三章相互作用25一、生物相容性概念和原理生物體（宿主）反應

界面反應凝血：纖維蛋白原、血小板等炎性反應：中性粒細胞、吞噬細胞纖維囊：成纖維細胞激活分泌膠原蛋白質吸附——細胞結合局部的宿主反應遠端和全身的影響被動擴散：濃度梯度主動分布：血液循環(huán)、淋巴循環(huán)組織聚積、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學反應

各種生物醫(yī)用材料人工器官醫(yī)用輔助裝置對人體無毒性無致敏性無刺激性無致畸性無遺傳毒性無致癌性對人體系統(tǒng)無任何不良反應無凝血、無溶血反應無炎癥、腫瘤反應無免疫排斥反應免疫組織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類血液相容性：材料用于心血管系統(tǒng)與血液直接接觸，要考察與血液的相互作用。組織相容性、

一般生物相容性：材料與心血管系統(tǒng)外的組織和器官接觸，主要考察與組織的相互作用。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評價標準美國評價標準

ASTM(F48-82)美國、英國、加拿大三國評價標準1986國際標準化組織評價標準ISO/TC194ISO10993.1-1992~ISO10993.12-1992中國的評價標準

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國際標準化組織評價標準

ISO10993.1-1992~ISO10993.12-19921、醫(yī)療器械和生物材料生物學評價試驗指南2、動物福利要求3、遺傳毒性、致癌性和生殖毒性試驗4、與血液相互作用試驗選擇5、細胞毒性試驗(體外法)6、植入后局部反應試驗7、環(huán)氧乙烷滅菌殘留量8、臨床調查9、與生物學試驗有關的材料降解（技術報告）10、刺激和致敏試驗11、全身毒性試驗12、樣品制備與標準樣品第三章相互作用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)接觸時間：A:一時接觸(≤24h)

B:短、中期接觸(>24h－30日)C:長期接觸(>30日)接觸部位：表面接觸：皮膚、粘膜、損傷表面由體外與體內接觸：血路間接、組織/骨/牙、

循環(huán)血液體內植入：組織/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)基本評價的生物學試驗：細胞毒性、致敏試驗刺激或皮內反應試驗全身急性毒性試驗亞慢性亞急性毒性遺傳毒性、植入試驗血液相容性試驗補充評價的生物學評價試驗：慢性毒性致癌性生殖與發(fā)育毒性生物降解試驗第三章相互作用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國的評價標準

GB/T16886.1-1997基本評價的生物學試驗：

熱原試驗、

急性毒性體外試驗（溶血試驗）

(亞慢性亞急性毒性)

補充評價的生物學評價試驗：

亞慢性亞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試驗整體、細胞和分子生物學三個層次評價生物材料的生物相容性細胞學：從細胞水平去觀察材料對細胞的數(shù)量、形態(tài)及分化的影響

整體動物學：從整體水平去觀察材料對人體各系統(tǒng)的影響分子水平評價：觀察材料對細胞DNA、RNA及細胞外基質的膠原蛋白和非膠原蛋白mRNA基因表達的影響。第三章相互作用38一、生物相容性概念和原理在人體生理環(huán)境中,材料所接觸的除了水、無機鹽外,更有蛋白質、細胞、組織和器官等生命有機體,因此材料對所有這些生命有機體的作用和影響就變得至為重要。

生物相容性試驗第三章相互作用39一、生物相容性概念和原理

生物材料特別是植入人體軟組織的材料,會與成纖維細胞直接接觸,成纖維細胞會合成：作用于細胞合成的組蛋白、作用于細胞粘著的纖聯(lián)蛋白、作用于細胞構架的肌動蛋白和波形蛋白以及大量與細胞外基質有關的膠原蛋白

植入人體硬組織的材料,會與成骨細胞直接接觸，成骨細胞會合成：與骨形成相關的骨鈣蛋白、骨粘連蛋白

和骨橋蛋白以及大量的膠原蛋白。

第三章相互作用40一、生物相容性概念和原理

我們知道,遺傳物質的主要活性是指導蛋白質的合成。如果生物材料對機體的影響已經(jīng)在整體水平和細胞水平上表現(xiàn)出來,那么在分子水平的遺傳基因表達方面一定已經(jīng)造成影響,并且會極靈敏地反映出來。

生物相容性試驗第三章相互作用41一、生物相容性概念和原理體外實驗：用材料或材料浸提液與細胞共培養(yǎng)，觀察材料對細胞的形態(tài)、增殖能力及細胞主要生理功能的影響

體外細胞毒性試驗、遺傳毒性和致癌試驗、血液相容性評價方法、細胞粘附、細胞擴散細胞增殖動物體內實驗：將材料植入體內,分階段將植入體與周圍組織取出,做組織學檢查,觀察材料植入體內后引起機體組織學變化，評價組織相容性。

生物相容性試驗第三章相互作用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