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文檔簡介
1生物材料學(xué)
BiomaterialsScience
2第一章緒論概述硬組織相容性材料軟組織相容性材料血液相容性材料生物降解材料
3生物材料應(yīng)用實(shí)例之一45聚丙稀6聚乙烯7
2014年2月6日,美國國家工程院官方網(wǎng)站公佈評選出2014年院士名單,76歲的四川大學(xué)生物材料工程研究中心張興棟教授名列其中,為今年11名外籍院士中唯一一名中國人。張興棟教授是我國生物醫(yī)學(xué)材料科學(xué)技術(shù)開拓者之一,開創(chuàng)了我國生物活性人工骨、牙研究,發(fā)現(xiàn)了生物醫(yī)學(xué)材料骨誘導(dǎo)作用並建立了理論雛形。美國國家工程院媒體事務(wù)主管蘭迪·阿特金斯日前接受“成都商報(bào)”的書面採訪時(shí)表示,選舉過程是嚴(yán)格保密的,張教授獲選主要是因?yàn)槠洹皩∪夤趋赖呐R床實(shí)驗(yàn)以及發(fā)展生物材料上的貢獻(xiàn)?!?/p>
8科學(xué)很遠(yuǎn)?張興棟發(fā)現(xiàn)了骨誘導(dǎo)功能,將無生命的生物材料變成了有生命的組織和細(xì)胞??朔擞媒饘?、高分子材料做人工骨頭帶來的腐蝕、排異、異物感等問題。從發(fā)現(xiàn)骨誘導(dǎo)作用到被全世界廣泛承認(rèn),張興棟及其團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了漫長的18年??茖W(xué)很近!如今,已經(jīng)有10多萬例的病人使用了張興棟團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)的骨誘導(dǎo)材料,而全國90%以上的人造關(guān)節(jié)都在使用張興棟發(fā)明的材料塗層技術(shù)。
現(xiàn)在,張興棟正著力建立完整的生物材料誘導(dǎo)形成理論。不遠(yuǎn)的將來,或許我們就能用生物材料誘導(dǎo)軟骨、血管壁等各種器官在受損後實(shí)現(xiàn)自身的永久性修復(fù)。9
張興棟說,在當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)中,生物材料產(chǎn)業(yè)正成為最有生氣的朝陽產(chǎn)業(yè)。但是,我國醫(yī)院普遍還沒有應(yīng)用國產(chǎn)生物材料,除了品質(zhì)不過關(guān)、產(chǎn)品信譽(yù)度不高之外,目前國內(nèi)生物材料產(chǎn)業(yè)在發(fā)展中科研、生產(chǎn)、應(yīng)用脫節(jié)也是一大問題。
“現(xiàn)在國內(nèi)市場的生物醫(yī)學(xué)材料80%的高端產(chǎn)品都是國外的,成本高,希望我的研究能加快生物新材料的推廣應(yīng)用,解決老百姓看病貴的難題?!睆埮d棟說。10生物材料應(yīng)用實(shí)例之二11生物材料應(yīng)用實(shí)例之三12生物材料應(yīng)用實(shí)例之四13生物材料(biomaterials):
用於與生命系統(tǒng)接觸和發(fā)生相互作用的,並能對其細(xì)胞、組織和器官進(jìn)行診斷治療、替換修復(fù)或誘導(dǎo)再生的一類天然或人工合成的特殊功能材料,又稱生物醫(yī)用材料。生物材料是材料科學(xué)領(lǐng)域中正在發(fā)展的多種學(xué)科相互交叉滲透的領(lǐng)域,其研究內(nèi)容涉及材料科學(xué)、生命科學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、解剖學(xué)、病理學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、藥物學(xué)等學(xué)科,同時(shí)還涉及工程技術(shù)和管理學(xué)科的範(fàn)疇。1生物材料概述14
生物材料正在挽救和維持世界上成千上萬血管患者的生命;正廣泛用於傷殘人肢體形態(tài)和功能的恢復(fù);正在計(jì)劃生育、控制人口、提高人們健康水準(zhǔn)方面發(fā)揮巨大作用。如圖1。
注:生物材料不是藥物,其治療途徑是以生物機(jī)體直接結(jié)合和相互作用為基本特徵的。15生物材料發(fā)展簡史
(歷史上、近代、現(xiàn)代)生物材料分類
(屬性、功能、來源、使用)
生物材料的特徵與評價(jià)
(宿主反應(yīng)、材料反應(yīng)、生物相容性)
161.1生物醫(yī)學(xué)材料發(fā)展簡史古代(利用天然物質(zhì)和材料治病)
西元前5000年,黃金修復(fù)失牙;
西元前3500年,古埃及,棉花纖維、馬鬃等縫合傷口; 西元前2500年,中國、埃及,假手、假鼻、假耳等人工假體;隋末唐初,銀膏補(bǔ)牙----成分是銀、錫、汞,與現(xiàn)代牙齒填充材料汞齊合金類似。17
近代:
最先應(yīng)用於臨床實(shí)踐的金屬材料是金、銀、鉑等貴重金屬。(良好的化學(xué)穩(wěn)定性和易加工性)
1829年,通過多種金屬的系統(tǒng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn),得出:金屬鉑對機(jī)體組織刺激性最?。?/p>
1851年發(fā)明天然橡膠的硫化方法後,開始利用天然高分子硬橡木製作人工牙托和顎骨進(jìn)行臨床治療;
1892年,用硫酸鈣填充骨缺損,這是陶瓷材料植入人體的最早實(shí)例。18
現(xiàn)代:生物醫(yī)學(xué)材料取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展開始於20世紀(jì)20年代不銹鋼:
1926年,含18%鉻和8%鎳首先應(yīng)與於骨科治療,隨後應(yīng)與於口腔科;
1934年,研製出高鉻低鎳單相組織的AISI302和304,在體內(nèi)生理環(huán)境下的耐腐蝕性顯著提高;
1952年,開發(fā)出耐蝕性更好的AISI316不銹鋼,並逐漸取代AISI302;
60年代,為了解決不銹鋼的晶間腐蝕問題,又研製出超低碳不銹鋼AISI316L和317L。19
鈷鎳合金: 鑄造鈷鎳合金首先在口腔中得到應(yīng)用;
20世紀(jì)30年代末又被應(yīng)用於製作接骨板、骨釘?shù)葍?nèi)固定器械;
50年代成功製成人工髖關(guān)節(jié);
60年代為了提高力學(xué)性能,研製出鍛造鈷鉻鎢鎳合金和鍛造鈷鉻鉬合金,並應(yīng)用於臨床;
70年代為了改善鈷基合金抗疲勞性能,研製出鍛造鈷鉻鉬鎢鐵合金和具有多相組織的MP35N鈷鉻鉬鎳合金,應(yīng)用於臨床。20鈦:金屬鈦,優(yōu)異的耐蝕性、生物相容性、密度低;40年代,製作外科植入體;50年代用純鈦製作接骨板和骨釘;70年代,Ti6A14V合金(強(qiáng)度比純鈦高,耐蝕性和密度與之相似)、TiSAl2.5Sn合金和鈦鉬鋅錫等合金獲得應(yīng)用;從而使鈦和鈦合金成為繼不銹鋼和鈷基合金之後的又一類重要醫(yī)用金屬材料;70年代以後,NiTi系為代表的形狀記憶合金逐漸在骨科和口腔科得到應(yīng)用,並成為醫(yī)用金屬材料的重要組成部分。21生物陶瓷: 從60年代初開始應(yīng)用於生物材料。多晶氧化鋁陶瓷----低溫各向同性碳----生物玻璃----羥基磷灰石(生物活性陶瓷)----生物陶瓷複合材料----引入活體細(xì)胞或生長因數(shù)的生物陶瓷構(gòu)架;醫(yī)用高分子:開始於50年代有機(jī)矽聚物的發(fā)展。有機(jī)矽聚合物----聚甲基丙烯酸甲脂(骨水泥)----醫(yī)用高分子材料大發(fā)展,製作了人工心瓣膜、人工血管、人工骨、手術(shù)縫合線等90年代以後,借助於生物技術(shù)和基因工程的發(fā)展,由無生物存活性材料擴(kuò)展到具有生物學(xué)功能的材料領(lǐng)域,其基本特徵是具有促進(jìn)細(xì)胞分化、增殖、誘導(dǎo)組織再生、參與生命活動(dòng)等功能。221.2生物材料分類按材料屬性分類按材料功能分類按材料來源分類按使用部位分類231.按材料屬性分類:a.醫(yī)用金屬材料:包括不銹鋼、鈷基合金,鈦及合金等,廣泛應(yīng)用於人工假體、人工關(guān)節(jié)、醫(yī)療器械等。b.醫(yī)用無機(jī)材料:主要是生物陶瓷。分為惰性生物陶瓷,如氧化鋁生物陶瓷;表面生物活性陶瓷,如磷酸鈣基生物陶瓷;可降解生物陶瓷,如β-磷酸三鈣陶瓷等。c.醫(yī)用高分子材料:根據(jù)來源分為天然的和合成的,天然的如多糖類、蛋白類,合成的聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等,用於人體器官、組織、關(guān)節(jié)、藥物載體等。
d.醫(yī)用複合材料:不同種材料的混合或結(jié)合,克服單一材料的缺點(diǎn),可獲得性能更優(yōu)的材料。242.按材料的功能分類:a.硬組織相容性材料:主要用於生物機(jī)體的關(guān)節(jié)、牙齒及其他骨組織b.軟組織相容性材料:主要用於人工皮膚、人工氣管、人工食道等
c.血液相容性材料:主要用於人工血管、人工心臟、血漿分離膜、血液灌流用吸附劑、細(xì)胞培養(yǎng)基材等
d.生物降解材料:主要用於吸收型縫合線、藥物載體、癒合材料、粘合劑以及組織缺損用修復(fù)材料。253.按材料來源分類:a.自體組織如人體聽骨、血管等替代組織b.同種異體器官及組織如不同人體之間的器官移植c.異種器官及組織如動(dòng)物骨、腎替換人體器官d.天然生物材料如動(dòng)物骨膠原、甲殼素、珊瑚等e.人工合成材料如各種人工合成的新型材料264.按使用部位分類:a.硬組織材料骨、牙齒用材料b.軟組織材料軟骨、臟器用材料c.心血管材料心血管以及導(dǎo)管材料d.血液代用材料人工紅血球、血漿等e.分離、過濾、透析膜材料血液淨(jìng)化、腎透析以及人工肺氣體透過材料等271.3生物材料的特徵與評價(jià)宿主反應(yīng)與材料反應(yīng)生物相容性
任何一種生物材料,除了應(yīng)具有必要的理化性能外,還需要滿足在生理環(huán)境下工作的生物學(xué)要求,即有良好的生物相容性。這也是生物材料區(qū)別於其他材料的基本特徵。28人體生理環(huán)境
生物學(xué)環(huán)境:處於生物系統(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(jī)大分子、酶、自由基、細(xì)胞等多種因素。
體液:人體內(nèi)含有大量的液體,這些液體統(tǒng)稱為體液。體液可以分為兩部分:存在於細(xì)胞內(nèi)的部分,叫做細(xì)胞內(nèi)液;存在於細(xì)胞外的部分,叫做細(xì)胞外液。細(xì)胞外液主要包括組織液、血漿和淋巴等。人體內(nèi)的細(xì)胞外液,構(gòu)成了體內(nèi)細(xì)胞生活的液體環(huán)境,這個(gè)液體環(huán)境叫做人體的內(nèi)環(huán)境。29細(xì)胞外液:
是人體細(xì)胞直接浸浴和生存的環(huán)境。因?yàn)槿梭w攝入的各種營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣,必須通過細(xì)胞外液才能進(jìn)入細(xì)胞,而細(xì)胞的代謝產(chǎn)物和二氧化碳也都是先排送到細(xì)胞外液中,最後排出體外。因此生理學(xué)中把細(xì)胞外液叫做機(jī)體的內(nèi)環(huán)境,以區(qū)別於機(jī)體生存的外界環(huán)境。細(xì)胞外液包括血漿、組織液、淋巴液和腦脊液。特別是血漿,由於新陳代謝的進(jìn)行,各種化學(xué)成分和理化特性,經(jīng)常在一定範(fàn)圍內(nèi)變化,處於動(dòng)態(tài)的相對恒定狀態(tài)中。因此內(nèi)環(huán)境的相對穩(wěn)定是細(xì)胞進(jìn)行正常生命活動(dòng)的必要條件。一旦內(nèi)環(huán)境的相對穩(wěn)定遭到破壞,機(jī)體將出現(xiàn)病態(tài)。所以臨床上經(jīng)常進(jìn)行血液的化驗(yàn),以做為輔助診斷。30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(gòu)成相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境。細(xì)胞外液的4/5存在於血管外構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)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(jī)酸、蛋白質(zhì)、酶、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。31補(bǔ)充知識(shí):
通常以溶質(zhì)濃度1mol/L作為滲透壓的單位,稱為滲透單位(Osm),或取此單位的千分之一,毫滲單位(mOsm)。
血漿滲透壓約為313mOsm/L(相當(dāng)於7個(gè)大氣壓或708.9KPa),主要來自於其中的晶體物質(zhì)(主要是NaCl),稱為晶體滲透壓,約為300mOsm/L。另一部分來自於血漿蛋白,稱為膠體滲透壓。血漿與組織液中晶體物質(zhì)的濃度幾乎相等,這些物質(zhì)絕大部分不易透過細(xì)胞膜,所以血漿晶體滲透壓的相對穩(wěn)定,對於保持細(xì)胞內(nèi)外的水準(zhǔn)衡,從而維持細(xì)胞正常形態(tài)和功能極為重要。血漿蛋白分子量大,不能透過毛細(xì)血管壁,故組織液中蛋白質(zhì)含量低於血漿,血漿膠體滲透壓高於組織液。血漿膠體滲透壓正常值僅為1.5mOsm/L(25mmHg或3.3kPa),主要由血漿蛋白構(gòu)成,其中白蛋白含量多、分子量相對較小,是構(gòu)成血漿膠體滲透壓的主要成分。血漿膠體滲透壓對於調(diào)節(jié)血管內(nèi)外水分的交換,維持血容量具有重要的作用。32生物材料的性能1.生物功能性
指生物材料具備或完成某種生物功能時(shí)應(yīng)該具有的一系列性能。根據(jù)用途主要分為:承受或傳遞負(fù)載功能。如人造骨骼、關(guān)節(jié)和牙等,占主導(dǎo)地位;控制血液或體液流動(dòng)功能。如人工瓣膜、血管等;電、光、聲傳導(dǎo)功能。如心臟起博器、人工晶狀體、耳蝸等;填充功能。如整容手術(shù)用填充體等。332.生物相容性
指生物材料有效和長期在生物體內(nèi)或體表行使其功能的能力。用於表徵生物材料在生物體內(nèi)與有機(jī)體相互作用的生物學(xué)行為。生物相容性主要包括血液相容性和組織相容性。材料在人體內(nèi)要求無不良反應(yīng),不引起凝血、溶血現(xiàn)象,活體組織不發(fā)生炎癥、排拒、致癌等。根據(jù)材料與生物體接觸部位分為:血液相容性。材料用於心血管系統(tǒng)與血液接觸,主要考察與血液的相互作用.與心血管外的組織和器官接觸。主要考察與組織的相互作用,也稱一般生物相容性力學(xué)相容性。考察力學(xué)性能與生物體的一致性。材料要有合適的強(qiáng)度、硬度、韌性、塑性等力學(xué)性能以滿足耐磨、耐壓、抗衝擊、抗疲勞、彎曲等醫(yī)用要求。34生物相容性1)定義
生物材料在宿主的特定環(huán)境和部位,與宿主直接或間接接觸時(shí)所產(chǎn)生相互反應(yīng)的能力。生物相容性是材料在生物體內(nèi)處於動(dòng)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(xué)特性,又稱為生物適應(yīng)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(xué)、生物力學(xué)和生物電學(xué)三個(gè)反應(yīng)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(dòng)物)
生物相容性是指材料與生物體之間相互作用後產(chǎn)生的各種生物、物理、化學(xué)等反應(yīng)的一種概念。一般地講,就是材料植入人體後與人體相容程度,也就是說是否會(huì)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35組織相容性定義:材料與組織器官接觸時(shí),不能被組織所侵蝕,材料與組織之間應(yīng)有一種親和能力組織相容性的優(yōu)劣,主要取決於材料結(jié)構(gòu)的化學(xué)穩(wěn)定性。一般來說,相對分子品質(zhì)大,分佈窄或有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的材料,組織相容性較好。其順序由好到差依次為:矽橡膠、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯晴、聚醯胺、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(guān)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明:高聚物呈海綿狀、纖維狀等形狀時(shí)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(shí)間,其材料的周圍可形成一層與材料無明顯結(jié)合的、由纖維細(xì)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(xì)胞與材料表面的黏附和結(jié)合,腫瘤發(fā)生的潛伏期延長36血液相容性1)定義血液相容性是指材料與血液接觸時(shí),不引起凝血及血小板粘著凝聚,沒有破壞血液中有形成分的溶血現(xiàn)象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(shí)血液內(nèi)一系列凝血因數(shù)被啟動(dòng),從而引起血栓的形成;溶血、白細(xì)胞減少等細(xì)胞水準(zhǔn)的反映;免疫成分的改變、補(bǔ)體的啟動(dòng)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準(zhǔn)的反映。37383)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,可以啟動(dòng)凝血因數(shù),啟動(dòng)凝血系統(tǒng)形成血栓,經(jīng)內(nèi)源性凝血系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。內(nèi)源性凝血一般是從凝血因數(shù)XII啟動(dòng)為XIIa開始,隨後相繼啟動(dòng)其他凝血因數(shù),形成凝血。當(dāng)材料與血液接觸時(shí),血漿蛋白首先吸附於高聚物表面。一般來說,容易吸附蛋白質(zhì)的材料表面不利於血小板的吸附,材料的抗凝血性能較好;容易吸附γ-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(guān),可能還與材料表面吸附蛋白質(zhì)的種類有關(guān)。血液成分與材料表面接觸並相互作用,是否會(huì)造成紅細(xì)胞受損而引起溶血,主要與材料表面積、化學(xué)結(jié)構(gòu)、材料表面的粘附性、血液參數(shù)、凝血變化等因素有關(guān)。394)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(jí)反應(yīng)必然依賴於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、表面自由能等,所以生物材料的表面性質(zhì)在生物學(xué)反應(yīng)中起著至關(guān)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(gè)重要因素。因?yàn)樵酱植诘谋砻姹┞对谘褐械拿娣e越大。表面的潤濕性,即材料親水性或疏水性是一個(gè)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於細(xì)胞生長。親水性的表面吸附作用較弱,並且是可逆的,這有利於調(diào)整材料的結(jié)構(gòu)以適合細(xì)胞的生長;疏水性的表面吸附作用強(qiáng),又不可逆,不易形成材料結(jié)構(gòu)的重建。40人們利用血液相容性與材料表面親水性之間的這種關(guān)係,研製和開發(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(jī)械性能較差可通過化學(xué)或物理的方法將其接枝到機(jī)械性能較好的材料表面,這樣既保持了原有的機(jī)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容性。與血液接觸的材料表面化學(xué)性質(zhì)與材料表面電學(xué)性質(zhì)緊密相關(guān)。高分子官能團(tuán)的種類決定了表面電荷的種類和多少。材料表面帶有負(fù)電荷,會(huì)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。41材料在生物體內(nèi)的反應(yīng)
醫(yī)療器械的複雜性主要取決於植入體對於宿主的影響以及宿主對於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2
幾種植入材料表面在生物材料環(huán)境下常見的變化42宿主反應(yīng)和材料反應(yīng)(1)宿主反應(yīng)
宿主反應(yīng)是生物機(jī)體對植入材料的反應(yīng)。宿主反應(yīng)的發(fā)生是由於生理環(huán)境的作用,導(dǎo)致構(gòu)成材料的組分原子、分子以及顆粒、碎片等代謝產(chǎn)物進(jìn)入機(jī)體組織。生物材料進(jìn)入機(jī)體後,可產(chǎn)生以下宿主反應(yīng):局部組織反應(yīng),是組織對手術(shù)創(chuàng)傷的急性或炎性反應(yīng);全身毒性反應(yīng),是由於材料降解在合成加工及消毒過程中吸收或形成的低相對分子品質(zhì)產(chǎn)物造成的,有急性和慢性反應(yīng);過敏反應(yīng),是由於材料降解所產(chǎn)生的毒物造成的;致癌、致畸、致突變反應(yīng),是由於材料中或降解產(chǎn)物中產(chǎn)生的有害物質(zhì)造成的;適應(yīng)性反應(yīng),是慢性的、長期的,包括機(jī)械力對組織和材料相互作用的影響。43(2)材料反應(yīng)
材料反應(yīng)是材料對生物機(jī)體作用產(chǎn)生的反應(yīng),材料反應(yīng)的結(jié)果可導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)破壞和性質(zhì)改變,主要包括:1)生理腐蝕生理環(huán)境對材料的化學(xué)侵蝕作用,致使材料產(chǎn)生離解、氧化等。2)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(dǎo)致材料物理機(jī)械性能改變;3)降解及失效在生理環(huán)境作用下,材料可能被機(jī)體降解,導(dǎo)致材料失效。磨損可以使修復(fù)體部件之間結(jié)合受損,造成修復(fù)體失效。機(jī)械力作用也可能引起材料失效。44A.植入體對宿主的反應(yīng)B.宿主對植入體的反應(yīng)1.局部a.血液-材料的反應(yīng)b.蛋白質(zhì)的吸收c.凝結(jié)d.纖維蛋白溶解e.血小板的粘著,活化,釋放f.補(bǔ)充活化g.白血球粘著,活化h.溶血現(xiàn)象i.毒性j.改變了正常的癒合k.包成囊狀l.外來體的反應(yīng)m.形成血管翳n.感染o.形成腫瘤2.全身反應(yīng)與補(bǔ)體系統(tǒng)a.形成血栓b.植入體元素在血液中數(shù)量增加c.高度過敏癥d.淋巴顆粒的傳輸1.物理機(jī)制的反應(yīng)a.摩擦磨損b.疲勞損傷c.應(yīng)力腐蝕引起斷裂d.腐蝕e.降解及分解2.生理反應(yīng)a.吸收組織物質(zhì)b.酶的降解c.鈣化45(2-1)、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(yīng)的條件下,材料通過介面的轉(zhuǎn)移。膨脹:物質(zhì)從組織進(jìn)入生物材料,緻密的材料就會(huì)因?yàn)轶w積增加而發(fā)生膨脹。主要是指液體物質(zhì)、周圍的液相介質(zhì)中的某些成分或溶質(zhì)。浸析:當(dāng)液體進(jìn)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(shí),就將這種產(chǎn)生材料孔隙的過程。膨脹和浸析都是擴(kuò)散的結(jié)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(kuò)散。吸收造成的影響可以總結(jié)為:顏色的變化、體積的變化、可能還有力學(xué)性能的變化。一般情況下,作為吸收的次級(jí)效應(yīng),力學(xué)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(yīng),延展性也可能降低,摩擦係數(shù)的變化以及抗磨損性能的降低。導(dǎo)致浸析的最簡單的情況:擴(kuò)散物質(zhì)以恒定的速率離開材料的表面。46膨脹和浸析引起的材料變形有不少有害的效果。膨脹的影響:膨脹會(huì)降低材料的彈性極限,而且會(huì)導(dǎo)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(huì)太顯著。可能發(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(yīng)。過度浸析(例如金屬晶間浸析)可以導(dǎo)致斷裂強(qiáng)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(huì)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。47(2-2)、
腐蝕與溶解生物醫(yī)用金屬材料在機(jī)體內(nèi)重要反應(yīng)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(shí)發(fā)生陽極溶解反應(yīng),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??p隙腐蝕和點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(xué)腐蝕。電化學(xué)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。48(2-3)、
生物分子與材料表面的反應(yīng)生物材料一旦植入體內(nèi)用來連接、修復(fù)損傷的組織、器官等,人體的組織即將對植入體進(jìn)行反應(yīng)。這種反應(yīng)通常只在材料與生物體接觸的介面上進(jìn)行的。生物分子與材料表面的反應(yīng)的方式取決於植入的位置,反應(yīng)的過程與材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)有關(guān),包括生物結(jié)合、毒性反應(yīng)、排異與吸收。不同的生物材料可直接損傷免疫細(xì)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)路等,使機(jī)體免疫功能低下,導(dǎo)致個(gè)體易受感染因素或腫瘤的攻擊,也可影響免疫細(xì)胞的抗原識(shí)別能力或過敏性,引起病理性免疫應(yīng)答,表現(xiàn)為過敏反應(yīng)或自身的免疫性疾病?;瘜W(xué)物對免疫系統(tǒng)的作用具有雙向性,即化學(xué)物可在不同的條件下分別表現(xiàn)為對機(jī)體的免疫抑制或過敏。49(2-4)、
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(yīng)該考慮的兩個(gè)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(jī)物,或天然高分子材料,其在體內(nèi)經(jīng)水解、氧化反應(yīng),最終代謝產(chǎn)物為CO2和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(shù)取出。常用的可吸收材料:有聚乙交酯、聚丙交酯、聚醯胺以及某些自增強(qiáng)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(jī)械性能差可吸收材料在體內(nèi)的降解強(qiáng)度衰減過快50宿主反應(yīng)1、傷口癒合過程一旦組織或器官被損傷或損壞,鄰近細(xì)胞的反應(yīng)就是將他們修復(fù)。任何傷口最直接的反應(yīng)就是發(fā)炎。創(chuàng)傷形成後,傷口處的毛細(xì)血管收縮阻礙血液的流失,起凝血止血的作用。生物材料植入後形成的傷口癒合經(jīng)過一系列的過程:間質(zhì)細(xì)胞與纖維細(xì)胞移動(dòng)到傷口處的組織壞死的組織殘骸,血塊等被粒細(xì)胞核巨噬細(xì)胞移走移走的成纖維細(xì)胞利用纖維素構(gòu)成的支架分化膠原新的毛細(xì)血管形成內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞都能夠釋放膠原酶,保持傷口處的膠原質(zhì)含量達(dá)到平衡2-4周後,傷口處逐漸恢復(fù)和發(fā)生組織再建。在傷口癒合期間:傷口組織的蛋白糖和多聚糖將會(huì)減少成纖維細(xì)胞的增值速率變得緩慢,達(dá)到膠原合成和溶解的新平衡,傷口開始癒合。在傷口修復(fù)期間,傷口的癒合過程將隨著組織的變化而變化。51圖3
物材料在體內(nèi)的反應(yīng)隨時(shí)間的變化
機(jī)體對生物材料植入體在急性炎癥反應(yīng)、慢性炎癥反應(yīng)、粒狀組織的形成和外來體回應(yīng)這幾個(gè)方面的變化.強(qiáng)度隨時(shí)間的變化主要取決於植入體大小、形狀、植入位置以及材料的物理化學(xué)性質(zhì)不同導(dǎo)致傷口區(qū)域的不同。52圖4
急性炎癥反應(yīng)圖5
局部慢性炎癥反應(yīng)在聚四氟乙烯
PTFE血管植入物外表面發(fā)生的流膿和附著有多形態(tài)的白血球肘部補(bǔ)體周圍存在淋巴細(xì)胞和單核白血球,在外來大細(xì)胞周圍的裂口能觀察到聚乙烯磨損的碎屑。53圖6磨屑反應(yīng)圖7矽橡膠乳房補(bǔ)體介面上纖維囊的密度圖6
外來體對於完整的膝關(guān)節(jié)置換體滑膜下關(guān)節(jié)囊的聚乙烯磨屑的反應(yīng)。在磨屑小的碎片表面存在外來巨噬細(xì)胞和腹腔巨噬細(xì)胞。金屬磨屑包含在腹腔巨噬細(xì)胞內(nèi)部。纖維囊內(nèi)部沒有血管。圖中乳房補(bǔ)體開裂,顯微照片頂部的橢圓形小塊代表了組織於生物材料介面的矽凝膠。542、免疫反應(yīng)與補(bǔ)體系統(tǒng)免疫反應(yīng):人體對病原體或異物通過免疫系統(tǒng)時(shí)作出的防禦反應(yīng)。所說的免疫反應(yīng)實(shí)質(zhì)上就是抗原抗體反應(yīng)。當(dāng)病原體或異物侵入人體後,激化人體內(nèi)的淋巴細(xì)胞產(chǎn)生體液免疫和細(xì)胞免疫。體液免疫:體內(nèi)的B淋巴細(xì)胞被抗原刺激後產(chǎn)生全身或局部性的抗體。細(xì)胞免疫:體內(nèi)的T淋巴細(xì)胞被抗原刺激後產(chǎn)生細(xì)胞毒作用。兩種免疫,前者能消滅病原體,後者可中和毒素。人體有許多物質(zhì)可以作為特異性抗原,由於某種因素啟動(dòng)機(jī)體的免疫系統(tǒng)而發(fā)生免疫反應(yīng),免疫反應(yīng)幾乎可以發(fā)生在全身各個(gè)系統(tǒng)。55圖8
免疫系統(tǒng)的功能元素563、
全身反應(yīng)系統(tǒng)的毒性是隨著生物材料植入體內(nèi)後,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(yán)格的研究和評估過。對於每一種生物材料來說,它的毒性常常有一個(gè)門檻值,低於這個(gè)值則說明生物材料不具有毒性。重複使用同種材料的反應(yīng)與第一次使用這種材料的反應(yīng)是相似的。由生物材料引起的免疫性反應(yīng),或是材料的降解和磨損常常具有很低的門檻值。儘管增加生物材料的使用量可能不會(huì)引起惡化的反應(yīng),但是重複的使用材料時(shí)門檻值會(huì)降低或引起毒性增加。57系統(tǒng)的毒性有免疫反應(yīng)引起。當(dāng)宿主受到外來物質(zhì)入侵時(shí)免疫系統(tǒng)發(fā)出回應(yīng)保護(hù)機(jī)體。高度敏感的免疫回應(yīng):那些不正常的、多餘的、不受控制的反應(yīng)。細(xì)胞內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的釋放和炎癥反應(yīng)的刺激會(huì)導(dǎo)致機(jī)體損壞。一般由於免疫反應(yīng)或是材料降解和磨損引起的系統(tǒng)毒性是不可能被預(yù)測的,因?yàn)槊庖呋貞?yīng)取決於各個(gè)機(jī)體的基因、材料的劑量、植入的位置等。個(gè)體的免疫系統(tǒng)千差萬別,可能與用來實(shí)驗(yàn)的動(dòng)物差異很大。高敏感反應(yīng)可以分成4種類型。58第一種反應(yīng)類型:抗原與IgE類免疫球蛋白抗體的反應(yīng)。IgE黏附與宿主皮膚或其他組織的細(xì)胞上(柱狀細(xì)胞、嗜堿細(xì)胞、血小板、嗜伊紅細(xì)胞)。由於細(xì)胞質(zhì)的釋放導(dǎo)致抗原的產(chǎn)生,包括活化的分子,例如組織胺、肝磷脂、血清素、以及其他的血管活化物質(zhì)。隨後在幾分鐘或幾小時(shí)內(nèi)導(dǎo)致局部或體系的毒性癥狀。59第二種反應(yīng)類型:它的臨床表現(xiàn)與第一種反應(yīng)相同,但是它們具有不同的機(jī)制。第二種反應(yīng)中,抗體是IgG或IgM類免疫球蛋白。抗原粘附於血小板上,形成半抗原。藥物-血小板的結(jié)合刺激了免疫系統(tǒng),產(chǎn)生抗體??贵w與血小板的反應(yīng)啟動(dòng)了補(bǔ)體系統(tǒng),造成血小板細(xì)胞膜破壞,細(xì)胞質(zhì)被釋放出來,其中包括血管活化物質(zhì)。植入生物材料引起的第二種類型的反應(yīng)極為罕見。60第三種反應(yīng)類型:高度的過敏癥狀,它被歸類為“複雜性的免疫反應(yīng)”,是由於受到複雜的免疫性破壞引起的炎癥回應(yīng)刺激的結(jié)果。病癥的徵兆或癥狀通常發(fā)生在抗原和抗體產(chǎn)生反應(yīng)的幾天或幾周後。當(dāng)抗原和抗體同時(shí)出現(xiàn)在機(jī)體迴圈中時(shí),問題就產(chǎn)生了,在血管壁上形成了複雜的免疫反應(yīng)。這種反應(yīng)通常只發(fā)生在藥物緩釋和生物降解的系統(tǒng)中。61第四種反應(yīng)類型:這種高度過敏反應(yīng)與抗體的產(chǎn)物沒有聯(lián)繫,但是與一種同抗原反應(yīng)的T細(xì)胞關(guān)係密切。這個(gè)複雜的反應(yīng)體系包括T細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和可溶性介質(zhì)。通常第四種反應(yīng)是劇烈的,在24-48小時(shí)之內(nèi)會(huì)出現(xiàn)皮疹之類的癥狀,整個(gè)體系的反應(yīng)也可能出現(xiàn)。62由於生物材料在人體內(nèi)降解或磨損會(huì)引起的體系反應(yīng)。生物材料釋放的有毒物質(zhì)可能會(huì)損壞一個(gè)特定的器官。這通??梢酝ㄟ^對生物材料化學(xué)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(xué)反應(yīng)很重要並且具有爭議。很多生物材料包含有幾種複合物,磨損作用也受幾種物質(zhì)共同的影響,正如全關(guān)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(shí)際形狀、尺寸和化學(xué)成分對全身的高度過敏反映作用的影響還是未知的。634、
材料與腫瘤的產(chǎn)生腫瘤是機(jī)體在各種致瘤因數(shù)長期協(xié)同作用下,某部易感細(xì)胞群體逐漸發(fā)生的、過度的異常反應(yīng)性增生,往往持續(xù)增長,且與整體不相協(xié)調(diào)。即使這些致瘤因數(shù)已經(jīng)停止作用,細(xì)胞的增生仍繼續(xù)進(jìn)行下去。這種腫痛性細(xì)胞增生應(yīng)與以下幾種正常細(xì)胞增生相區(qū)別。(1)與兒童生長分裂細(xì)胞,皮膚和造血骨髓細(xì)胞的增殖分化相區(qū)別;(2)與炎癥性和修復(fù)性增生相區(qū)別,如外傷引起的成纖細(xì)胞和膠原細(xì)胞增生;(3)同局部組織受刺激或內(nèi)分泌紊亂引起的細(xì)胞增生相區(qū)別?;緟^(qū)別在於:上述這些細(xì)胞增生在刺激除去後就停頓了,並可能在一定程度上消退。64良性腫瘤:腫瘤塊一直在它們的原發(fā)部位擴(kuò)大生長,同周圍鄰近的正常組織有一明顯邊界區(qū)分,秉性柔和,相對善良。經(jīng)合理而完善的外科手術(shù)切除是可治療的。對機(jī)體危害較輕。除非它們生長在機(jī)體要害部位,否則良性腫瘤一股是不會(huì)構(gòu)成對生命威脅的。惡性腫瘤:通過浸潤與擴(kuò)散方式進(jìn)行生長、發(fā)展。惡性腫瘤細(xì)胞不僅可以在原發(fā)部位繼續(xù)生長和蔓延,而且還可以通過血液、淋巴和其他體液途徑擴(kuò)散到與原發(fā)部位無關(guān)的身體其他部部位,形成與原發(fā)腫瘤同樣類型的腫瘤。材料植入機(jī)體引起腫瘤可能同物理、化學(xué)性的因素有關(guān),對植入物帶來的輻射致瘤的可能性目前瞭解不多。655、
植入感染在整個(gè)炎癥過程中,酶被這些細(xì)胞合成,利用和釋放。同時(shí)由於細(xì)胞的數(shù)量在變化,酶的含量也是變化的。在炎癥反應(yīng)中,最重要的酶是溶酶體酶,它們是由炎細(xì)胞內(nèi)的溶酶體釋放。粒細(xì)胞早期酶活性和巨噬細(xì)胞相同,巨噬細(xì)胞後期酶活性變化。人造合成材料是無生命力的,因此免疫效應(yīng)物的作用過程可能會(huì)引起免疫反應(yīng),或者是作為一種半抗原,在和其他成份結(jié)合後而引起免疫反應(yīng)。666、
植入物的病理學(xué)反應(yīng)植入物的病理學(xué)反應(yīng)主要包括兩反面的內(nèi)容:首先是材料的反應(yīng),即材料在生物活體中的回應(yīng)。主要包括材料在生物環(huán)境中被腐蝕、吸收、降解、磨損和失效的情況。其次是宿主反應(yīng),即生物醫(yī)學(xué)材料在生物系統(tǒng)期間所引起的活體系統(tǒng)對材料的反應(yīng)。包括材料的植入部位的鄰近組織對材料的局部反應(yīng),及遠(yuǎn)離材料植入部位的組織和器官,以至整個(gè)活體系統(tǒng)對材料的全身反應(yīng)。677、
生物材料的生物相容性評價(jià)評價(jià)生物相容性應(yīng)從微觀至宏觀、從局部至整體、從靜態(tài)至動(dòng)態(tài)等反應(yīng)過程的規(guī)律和結(jié)果進(jìn)行綜合性評價(jià)。(1)
生物學(xué)評價(jià)專案的選擇國際標(biāo)準(zhǔn)ISO10993-1是由ISO/TC194國際標(biāo)準(zhǔn)化組織醫(yī)療器械生物學(xué)評價(jià)技術(shù)委員會(huì)制定的。ISO10993的總題目是醫(yī)療器械生物學(xué)評價(jià),由12個(gè)部分組成,分別是:實(shí)驗(yàn)選擇指南、動(dòng)物福利要求、遺傳毒性致癌性和生殖毒性試驗(yàn)、與血液相互作用試驗(yàn)選擇、細(xì)胞毒性試驗(yàn)體外法、植入後局部反應(yīng)試驗(yàn)、環(huán)氧乙烷滅菌殘留量、臨床應(yīng)用、與生物實(shí)驗(yàn)有關(guān)的材料降解、刺激與致敏試驗(yàn)、全身毒性試驗(yàn)、樣品製備與標(biāo)準(zhǔn)樣品。68我國的生物相容性評價(jià)內(nèi)容包括:(1)溶血試驗(yàn)評價(jià)(2)細(xì)胞毒性試驗(yàn)評價(jià)(3)急性全身毒性評價(jià)(4)過敏試驗(yàn)評價(jià)(5)刺激試驗(yàn)評價(jià)(6)植入試驗(yàn)評價(jià)(7)熱原試驗(yàn)評價(jià)(8)血液相容性試驗(yàn)評價(jià)(9)皮內(nèi)反應(yīng)試驗(yàn)(10)生物降解試驗(yàn)(11)遺傳毒性試驗(yàn)評價(jià)(12)致癌性試驗(yàn)評價(jià)(13)生殖和發(fā)育毒性試驗(yàn)(14)亞急性毒性試驗(yàn)(15)慢性毒性試驗(yàn)(16)藥物動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)評價(jià)69(2)
生物學(xué)評價(jià)與新材料研究
所謂的新材料是指最近發(fā)展或正在發(fā)展中的具有比傳統(tǒng)材料更為優(yōu)異性能的一類材料。目前世界上的傳統(tǒng)材料已有幾十萬種,而新材料正以每年大約5%的速度增長。對於與人體直接或間接接觸的醫(yī)療器械或生物材料在用於人體之前都必須進(jìn)行生物學(xué)評價(jià),以減小可能引起的不安全因素。生物學(xué)評價(jià)試驗(yàn)的目的是在材料或器械應(yīng)用於人體之前提供最基本的安全性方面的數(shù)據(jù)。70對生物材料的要求是:⑴對於人體組織無刺激性,無毒副作用,無致癌性。⑵接觸人體各種體液(唾液、淋巴液、血液)時(shí),應(yīng)有良好的耐蝕性。唾液、血液、間質(zhì)液都是以Clˉ、Na+、K+離子為主的電解質(zhì)溶液,生物材料在這種溶液中應(yīng)不發(fā)生反應(yīng)、腐蝕和變質(zhì)。玻璃鋼人工顱蓋骨高分子與鈦合金人造髖骨71⑶具有必要的強(qiáng)度、耐磨性和耐疲勞性能。如髖關(guān)節(jié)在靜止?fàn)顟B(tài)承受體重的二分之一,水準(zhǔn)步行時(shí)承受的重量為靜止時(shí)的3.3倍,而跑步時(shí)則為4倍以上。此外,每步行一公里大約活動(dòng)1000次,按照一般的生活情況,每年大約承受1×106~3×106次重複負(fù)荷的作用。72⑷與生物體組織、與血液有相容性不會(huì)引起凝血,與軟硬組織有良好的粘接性,不會(huì)產(chǎn)生吸收物和沉澱物。
Ti-O薄膜表面血小板的形態(tài)(好)Ti-O薄膜表面血小板的形態(tài)(差)732硬組織材料74硬組織材料有人造骨、人造關(guān)節(jié)、假牙等。人工髖關(guān)節(jié)是臨床應(yīng)用比較成功的一種。其中髖臼用高分子量聚乙烯製成,股骨多為金屬製品。這種塑膠與金屬的配合,使其耐磨性較金屬與金屬的配合強(qiáng)10倍。75常用的硬組織替代材料人工關(guān)節(jié)生物金屬材料生物陶瓷材料762.1人工關(guān)節(jié)1890年,Gluck首先應(yīng)用象牙製造下頜關(guān)節(jié);1938年,Wiles用不銹鋼作髖臼與股骨頭;而後Moor開展了人工股骨節(jié)置換術(shù);1940年Wder兄弟用合成樹脂製造人工關(guān)節(jié);1951年開始全髖人工關(guān)節(jié)置換術(shù)。1952年Habowsh用固定牙的丙烯酸脂固定人工髓關(guān)節(jié),由此合成樹脂開始用於人工關(guān)節(jié)與骨的結(jié)合。1958年Charnhey根據(jù)重體環(huán)境滑潤理論,用聚四氟乙烯髖臼和金屬股骨頭製成低磨擦的人工關(guān)節(jié),接著在1962年,Charnley把高密度聚乙烯髖臼和直徑為22毫米的金屬股骨頭組成全髖人工關(guān)節(jié),並用骨水泥(甲基丙烯酸脂)固定,獲得較滿意的效果。自此,人工關(guān)節(jié)置換術(shù)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的新階段。迄今已研製出膝、髖、肘、肩、指、趾關(guān)節(jié)假體用於臨床。歐美等發(fā)達(dá)國家每年僅全髖置換已超過80萬例.我國人工關(guān)節(jié)置換術(shù)達(dá)25萬例.77髖關(guān)節(jié)78人工髖關(guān)節(jié)79Simulatortesting5kN23080磨損病因無菌鬆動(dòng)是人工關(guān)節(jié)置換術(shù)後最常見的併發(fā)癥和最終失效的主要因素。
磨損產(chǎn)物—磨屑是導(dǎo)致無菌鬆動(dòng)的原因。人工關(guān)節(jié)長期使用後,一方面磨損後影響置換關(guān)節(jié)的裝配性能;更重要的是產(chǎn)生大量磨屑,其中較小的磨屑被組織細(xì)胞吞噬,較大的磨屑被組織細(xì)胞包繞。從而使組織細(xì)胞啟動(dòng),並分泌大量溶滑性因數(shù),引起骨溶解,導(dǎo)致人工關(guān)節(jié)鬆動(dòng)。而鬆動(dòng)的人工關(guān)節(jié)又加重了磨損,產(chǎn)生更多的磨屑,形成惡性循環(huán),最終使置換關(guān)節(jié)失效81生物金屬材料
金屬材料雖種類很多,但能在人體生理環(huán)境條件下長
期安全服役的卻不多。經(jīng)過長期研究和臨床篩選而得到廣泛應(yīng)用的金屬材料主要有不銹鋼、鈷基合金、鈦及其合金、形狀記憶合金和貴金屬,此外還有鉭、鈮、鋯和磁性合金等。821、不銹鋼不銹鋼成本低,但在體內(nèi)有腐蝕和組織反應(yīng)等,不銹鋼中添加Mo可克服鉻鈍化膜在氧化環(huán)境中耐腐蝕性能,如加Mo的316、317。降低碳含量,如使用超低碳不銹鋼骨釘
的316L可防止晶間腐蝕.常用來製作各種人工關(guān)節(jié)和骨折內(nèi)固定器、截骨連接器等,也用於牙科等各種器件製造。832、鈷基合金加Mo的鈷基合金,已用於生物體中。例如Co-Cr-Ni-Fe-Mo合金用在牙科和整形外科,這種合金的耐腐蝕性是一般不銹鋼如316的40倍。鈷基鉻鉬合金的生物相容性超過鐵鉻鎳和鈷鉻合金。鈷基合金的耐磨性是所有醫(yī)用金屬材料中最好的,與不銹鋼相比,更適於製造體內(nèi)承載苛刻的長期植入件.
CoCrMo合金制股骨帽843、鈦與鈦合金以純鈦和TC4(Ti-6Al-4V)為主,這類合金強(qiáng)度不如鈷合金,但耐腐蝕性好,與人體組織反應(yīng)很弱,鈦合金的密度小,彈性模量低,接近於天然骨。廣泛用於製作各種人工關(guān)節(jié)、接骨板、骨螺釘與骨折固定針等,也用於製作牙根種植體等,呈現(xiàn)出良好的耐疲勞性能。85生物陶瓷材料
生物陶瓷材料在生物體內(nèi)極為穩(wěn)定,與生物組織有良好的親和性,特別適於作人體硬組織如骨和齒的替換修補(bǔ)材料,能與人體骨生長在一起,形成化學(xué)結(jié)合。
生物陶瓷中耳通氣引流管861、磷酸鈣陶瓷這種陶瓷的主要性質(zhì)是具有生物降解性,並能被人體吸收,羥基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]是骨組織與牙組織的無機(jī)組成部分,它的單位晶胞與人體骨組織相同,但其性脆、強(qiáng)度不高,不能直接用於承受載荷大的種植體。羥基磷灰石具有非常好的生物活性,可用於低載荷多孔種植體,當(dāng)人骨組織長入羥基磷灰石孔洞中時(shí),可起到加強(qiáng)作用.生物陶瓷人工聽小骨假體87羥基磷灰石與聚合物複合用於人造骨,效果更好,已羥基磷灰石生物活性陶瓷人工骨羥基磷灰石覆蓋鈦合金假牙
有聚乙烯與它複合的材料。羥基磷灰石作為金屬種植體表面塗層,能大大提高人體骨長入孔洞的速度。88
採用高純氧化鋁生物陶瓷製備關(guān)節(jié)頭,無釩鈦合金製備關(guān)節(jié)柄,並在柄部塗覆生物活性陶瓷塗層,有效地解決了人工關(guān)節(jié)易磨損、生物相容性不佳、鬆動(dòng)、下沉等問題,提高了其使用壽命。89
採用羥基磷灰石和聚-DL-乳酸製備成可吸收內(nèi)固定材料,抗彎強(qiáng)度≥120MPa,植入體內(nèi)無需二次手術(shù)取出,對組織無刺激,能被人體完全吸收,最終代謝為二氧化碳、水、鈣和磷礦物質(zhì)排出體外,部分鈣和磷參與成骨,無任何毒副作用。適用於人體松質(zhì)骨骨折、截骨術(shù)和關(guān)節(jié)融合術(shù)的骨塊(段)固定。90圖
人工聽小骨
氧化鋁聽小骨系統(tǒng)提高聽力的能力在音頻大於2000Hz時(shí)開始出現(xiàn)較大的衰減,而羥基磷灰石聽小骨系統(tǒng)一般在4000Hz以上才開始明顯的衰減。
91
採用增強(qiáng)含微孔羥基磷灰石(HA)陶瓷製成人工聽小骨假體,在語言頻率範(fàn)圍,平均提高病人的聽力20-30dB,在特定語言頻率範(fàn)圍提高45~60dB。92
HA製備中耳通氣引流管,介面潤濕角小,毛細(xì)管力大,引流效果好,適用於分泌性中耳炎患者。置管後患者鼓膜多自行癒合,且能明顯改善聽力,是一種較為理想的通氣引流管。933軟組織相容性材料分類人工皮膚94人工皮膚Polymerscanbeusedtocreateartificialskinthatcanfacilitatethehealingofwounds,especiallyforburn-victims.Ahistologicalsectionthroughartificialskin.在膠原蛋白所做成的模皮上植入皮膚細(xì)胞,於體外培養(yǎng)後得到皮膚95臨床應(yīng)用的人工皮膚人工皮膚人工皮的種類很多,臨床效果比較好的是複合層人工皮,其內(nèi)層為網(wǎng)狀聚氨酯海綿,能吸收創(chuàng)面體液並促使?jié)B出的血液凝固,外層是微孔聚丙烯薄膜,能透過氣體和水汽,細(xì)菌不能進(jìn)入,這種人工皮來源廣、無抗原性,缺點(diǎn)是彈性差。96水凝膠類人工皮又稱凍膠,是親水性聚合物或水溶脹性聚合物,其粘附性能較好。例如,氧化乙烯-氧化丙烯的共聚物凝膠可先製成溶液;將溶液塗在創(chuàng)面上於人造皮膚
體溫下固化為人工皮。這種凝膠含水量達(dá)80%,能幫助維持體液平衡,加入消炎藥和維生素等藥物後還能促進(jìn)創(chuàng)面癒合。97發(fā)展: 隨著組織工程學(xué)科的出現(xiàn)和發(fā)展,人工皮膚的研究從原來單純的創(chuàng)傷敷料和人工皮膚向活性人工皮膚的方向發(fā)展?;钚匀斯てつw不僅包覆在創(chuàng)傷表面,保護(hù)創(chuàng)面,防毒殺毒,促進(jìn)皮膚的恢復(fù)和生長,而且組織支架材料中的活性細(xì)胞能誘導(dǎo)分化細(xì)胞,使活性人工皮膚能完全永久地代替已損傷和喪失的皮膚。 現(xiàn)在,已研究出可以永久替代人皮膚的活性人工皮膚,並已應(yīng)用到臨床。98國家“863”高科技計(jì)畫的絲蛋白人工皮膚研製成功2003.10.3115:15
被列入國家“863”高科技計(jì)畫的絲蛋白人工皮膚,經(jīng)蘇州大學(xué)和上海第二醫(yī)科大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院科研人員的聯(lián)合攻關(guān)研製成功,並於近日通過省科技廳組織的國內(nèi)外專家鑒定。絲蛋白人工皮膚採用組織工程這一高新科技原理,以天然蠶絲蛋白為主要原料研製而成,通過將種子細(xì)胞(表皮細(xì)胞)播種在人工真皮上,經(jīng)體外培養(yǎng)後,“生長”出一種新皮膚。
隨著醫(yī)學(xué)發(fā)展,人們相信不久的將來,人工皮膚便可像機(jī)器零件一樣,擺在“商店”的櫃檯上,用來更換損壞的皮膚組織。99日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所日前開發(fā)出柔軟的電子人工皮膚。主要面向機(jī)器人等領(lǐng)域。“靈敏度有望接近於人的皮膚”(東京大學(xué))。大約有1000個(gè)痛點(diǎn)的人造皮膚,具有壓感的基本反應(yīng)。
1004血液相容性材料血液相容性材料人工心臟人工心臟瓣膜101(一)血液相容性材料
血液相容性材料具有微相分離結(jié)構(gòu)和表面接枝親水性鏈段或基團(tuán),表現(xiàn)出良好的血液相容性。主要包括聚氨酯/聚二甲基矽氧烷、聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸羥乙酯、含聚氧乙烯鏈的聚合物、肝素化材料、尿酶固定化材料、骨膠原材料等。主要應(yīng)用於人工血管、人工心臟、血漿分離膜、血液灌流用吸附劑、細(xì)胞培養(yǎng)基材等。
102(二)人工心臟
人工心臟是推動(dòng)血液迴圈,完全替代或部分替代人體心臟功能的機(jī)械心臟。在人體心臟因疾患而嚴(yán)重衰竭時(shí),植入人工心臟暫時(shí)輔助或永久替代人體心臟的功能,推動(dòng)血液迴圈。
103人工心臟104人工心臟無線人工心臟植入病人體內(nèi)的完整人工心臟1051957年,威廉·科爾夫製造了第一個(gè)人工腎臟。植入狗的身體裏,一個(gè)半小時(shí)後狗就死了。羅伯特·亞爾維克在1970年研製出了另一個(gè)人工心臟“亞爾維克7”
。用玻璃纖維和聚氨酯製成,用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)血液流向全身。亞爾維克將人工心臟在幾頭小牛身上做了試驗(yàn),但因?yàn)檫@個(gè)人工心臟不能伴隨著小牛的生長而生長。大約66天後所有的小牛都死了。這個(gè)心臟可以跳動(dòng)30億次。1061982年美國猶太大學(xué)醫(yī)學(xué)中心Devries首次為6l歲患嚴(yán)重心臟衰竭的克拉克先生成功地進(jìn)行了人工心臟移植??窟@顆重300g的Jarvik-7型人工心臟,他生活了112天,成為世界醫(yī)學(xué)史上的一個(gè)重要的里程碑。借助一個(gè)新的心臟,威廉·施羅德活了20個(gè)月,是當(dāng)時(shí)植入人工心臟的人中活得最長的一個(gè)。然而,當(dāng)人們從電視看到施羅德遭受了如此巨大的痛苦時(shí),他們被震驚了。人工心臟隨後在美國被禁止使用。107
2003.8.30.,美國肯塔基州路易斯維爾的猶太醫(yī)院公佈了一張世界上第一個(gè)接受全植入式人工心臟移植手術(shù)的病人羅伯特·圖爾斯的最新照片。目前圖爾斯?fàn)顩r良好,他常常走出病房,進(jìn)行短距離散步。醫(yī)護(hù)人員準(zhǔn)備舉行一個(gè)小型的派對,慶祝他順利度過術(shù)後60天。﹕「最重要的是要適應(yīng)沒有心跳的日子。唯一能聽到的是馬達(dá)的聲音,不用聽筒也聽得到,這讓我感到自己仍生存?!?08
人工心臟的關(guān)鍵是血泵,血泵材料的種類和性能決定其使用壽命:無毒、無菌、無熱源、不致敏、不致畸變、不致癌、優(yōu)異的耐曲撓性能、耐疲勞強(qiáng)度和抗血栓性。臨床應(yīng)用以聚氨酯材料為主。但聚氨酯長期植入後血液中鈣沉積易引起泵體損傷的問題尚未得到徹底的解決。目前,組織工程正在研究使用仿生材料解決這一問題。109(三)人工心臟瓣膜據(jù)1992年數(shù)據(jù),世界上每年約進(jìn)行十萬例人工心臟瓣膜置換術(shù),需求市場正以每年6.9%的速度增長。在我國,心臟瓣膜疾病約占心血管疾病患者的30%,據(jù)統(tǒng)計(jì)我國每年有十萬以上危重病人必須施行人工心臟瓣膜置換術(shù)以挽救生命。
110
心臟瓣膜是左心室內(nèi)與主動(dòng)脈之間的一個(gè)重要器官,正常時(shí)承擔(dān)“單向閥門”的功能,只允許血流朝規(guī)定的方向流動(dòng),阻止血液回流,並有足夠大小的口徑,使血液通過時(shí)無阻力。若瓣膜發(fā)生炎癥或先天發(fā)育不全或退行性病變,瓣膜口徑會(huì)縮小或關(guān)閉不全,血流通過瓣口時(shí)就會(huì)受阻或形成返流,使心臟泵出血液的效率降低,負(fù)荷加重,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致心衰,甚至死亡。目前臨床上使用的人造心臟瓣膜主要分生物瓣膜與機(jī)械瓣膜兩種。生物瓣膜由於使用壽命僅8年至10年左右,一般較少使用。臨床中使用較多的是機(jī)械性瓣膜。111
低溫各向同性熱解碳(簡稱熱解碳)自七十年代末應(yīng)用於人工心臟瓣膜以來,一直是國際公認(rèn)的抗凝血性最好的材料,但是其製作的全熱解碳雙葉機(jī)械瓣的血液相容性仍顯不足,不能完全滿足臨床性能要求。西南交通大學(xué)材料系生物材料研究室進(jìn)行了Ti-O系人工心臟瓣膜材料的合成及優(yōu)化,成功研究出了血液相容性顯著優(yōu)於熱解碳且具有優(yōu)異的力學(xué)耐久性的新型人工心臟瓣膜材料??赏卣箲?yīng)用於其他人工器官(如:血管內(nèi)支撐,人工心臟,左心輔助泵等)112介入導(dǎo)管表面改性單葉心臟瓣膜表面改性的心臟瓣膜的瓣環(huán)沒有改性的瓣環(huán)(表面形成血栓)113⑴人工腎臟:人工腎只是一個(gè)人工滲析器,起淨(jìng)化血液作用,並調(diào)節(jié)壓力除去水分。滲析膜材料多用纖維素膜及聚丙烯腈膜、乙烯醇共聚物膜等。要求有良好的抗血栓性。人工腎還不具備人工腎造血、代謝等功能。114⑶人工肝臟:目前人工肝還不能實(shí)現(xiàn)合成參與維持生命物質(zhì)及各種代謝功能,只能作到用活性炭除去有毒物質(zhì),因此只是一種吸附型血液淨(jìng)化裝置。活性炭表面用甲基丙烯酸–2-羥基乙酯或丙烯酸水凝膠
高聚物塗覆。也在探討用合成離子交換樹脂作吸附劑的可能性.人工臟器還有許多問題須解決,離實(shí)際應(yīng)用還有很大距離。115人工肺工作過程仿真肺的核心為纖維束,使用多孔介質(zhì)材料來模擬,外部覆蓋一層結(jié)構(gòu)材料。通過外部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)使氣體流入、流出人工肺。1165生物降解材料生物降解支架
(β-磷酸三鈣
)納米藥物載體
(納米藥、納米磁性顆粒、納米脂質(zhì)體)117生物降解材料:
是一類在生物機(jī)體中,在體液及其酸、核酸作用下,材料不斷降解被機(jī)體吸收,或排出體外,最終所植入的材料完全被新生組織取代的天然或合成的生物醫(yī)用材料。包括β-磷酸三鈣、硫酸鈣生物陶瓷和聚氨基酸、聚酯、甲殼素、骨膠原/明膠等高分子材料。1185.1生物降解支架
生物可吸收陶瓷材料,植入骨組織後,材料通過體液溶解吸收或被代謝系統(tǒng)排出體外,最終使缺損的部位完全被新生的骨組織所取代,而植入的生物可降解材料只起到臨時(shí)支架作用。
主要構(gòu)成:β-磷酸三鈣和硫酸鈣生物陶瓷
1193.β-TCP多孔生物陶瓷在體內(nèi)的降解主要有兩個(gè)途徑:體液的溶解和細(xì)胞(主要是破骨細(xì)胞和巨噬細(xì)胞)的吞噬和吸收。 降解過程:材料在體液作用下,粘結(jié)劑發(fā)生水解,使材料分離成顆粒、分子或離子。解體形成的小顆粒不斷被細(xì)胞吞噬、吸收,其代謝產(chǎn)物可參與新骨形成,從而完成了由無生命材料轉(zhuǎn)變?yōu)橛猩M織的一部分的過程。 下圖為
β-TCP生物陶瓷的體內(nèi)降解模型:120圖
β-TCP陶瓷的體內(nèi)降解模型
121122清華大學(xué)教授歷時(shí)六載研製
納米人工骨投入臨床
清華大學(xué)材料系崔福齋教授課題組歷時(shí)6年多研製成功“NB系列納米晶膠原基骨材料”,它與原有傳統(tǒng)人工骨材料的最大區(qū)別在於修復(fù)後的骨頭和人體骨完全一樣,不會(huì)在體內(nèi)留下植入物。
崔福齋教授介紹說:植入納米人工骨最大的好處就是病人免去了從自己身上再取一塊骨頭的痛苦。植入納米人工骨後,就好像藤會(huì)沿著支架不斷生長一樣,人體的骨細(xì)胞會(huì)慢慢“爬”進(jìn)多孔的生物材料內(nèi)部,破骨細(xì)胞一邊“吃掉”納米人工骨,成骨細(xì)胞一邊鞏固陣地,在納米人工骨的內(nèi)部生長起來。隨著時(shí)間的推移,骨細(xì)胞在納米人工骨的內(nèi)部聚集得越來越多,納米人工骨的材料逐漸被人體吸收,直到最後納米人工骨將完全被人體自身的骨細(xì)胞“吃”掉。納米人工骨沒有任何排斥反應(yīng)。已用於多種骨病的治療,預(yù)期可以在全國各大醫(yī)院應(yīng)用?!?23
1245.2納米藥物載體
簡介:在醫(yī)藥領(lǐng)域,納米級(jí)粒子使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便,納米級(jí)粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體後,可主動(dòng)搜索並攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。 例:德國一家醫(yī)院的研究人員將一些極其細(xì)小的氧化鐵納米顆粒,注入患者的腫瘤裏,然後將患者置於可變的磁場中,使患者腫瘤裏的氧化鐵納米顆粒升溫到45~47度,這個(gè)溫度足以燒毀腫瘤細(xì)胞,而周圍健康組織不會(huì)受到傷害。125理想的納米藥物載體應(yīng)具備以下性質(zhì):
a.具有較高的載藥量;
b.具有較高的包封率;
c.有適宜的製備及提純方法;
d.載體材料可生物降解,毒性較低或沒有毒性;
e.具有適當(dāng)?shù)牧脚c粒形;
f.具有較長的體內(nèi)迴圈時(shí)間。
126127(一)納米藥
靶向給藥:口服給藥要受到兩種首過效應(yīng)的影響,即胃腸道上皮細(xì)胞中酶系的降解、代謝及肝中各酶系的生物代謝。許多藥物很大一部分因首過效應(yīng)而代謝失效。注射途徑的非靶向藥物可均勻分佈在全身迴圈中,在到達(dá)病灶之前,要經(jīng)過同蛋白結(jié)合、排泄、代謝、分解等步驟,只有少量藥物才能達(dá)到病灶。靶向給藥目的就是提高靶區(qū)的藥物濃度,從而提高藥物的利用率和療效,並降低藥物的副作用。納米藥物載體有效的解決了上述問題。納米藥物載體的應(yīng)用:128優(yōu)勢:難溶性藥物的溶解與比表面積有關(guān),粒子小,比表面積大,溶解性能就好,利用率高,療效也好。納米粒在尺度上下降3個(gè)數(shù)量級(jí),它的表面積就提高6個(gè)數(shù)量級(jí),6個(gè)數(shù)量級(jí)就是一百萬倍,也就是說其療效就會(huì)提高一百萬倍。2001年,世界上首項(xiàng)將納米技術(shù)應(yīng)用於中草藥加工領(lǐng)域的納米中藥微膠囊生產(chǎn)技術(shù),在西安國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)誕生並通過了產(chǎn)品技術(shù)鑒定。129(二)納米磁性顆粒
腫瘤比正常組織更容易被加熱,當(dāng)加熱到43℃時(shí),癌細(xì)胞被殺死而正常細(xì)胞則不會(huì)受到損害。因而高溫是一種副作用小而治療效果好的方法。當(dāng)在腫瘤周圍植人鐵磁性材料並加上交替磁場後,就可通過磁滯的損失達(dá)到加熱腫瘤的目的。順磁性的納米鐵氧體顆粒在外加磁場的作用下溫度上升到45℃,可達(dá)到殺死腫瘤的目的。脂肪族的芬芳的硫磺
氨基乙酸脯氨酸縮氨酸AA-NH2與另一AA-COOH間失水形成的醯胺鍵稱肽鍵,所形成的化合物稱肽。組成多肽的單元稱為氨基酸殘基共價(jià)主鏈
四、蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)是以氨基酸為基本單位構(gòu)成的生物高分子
蛋白質(zhì)是細(xì)胞中最豐富的生物分子,是生命的物質(zhì)基礎(chǔ),沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。整個(gè)生物界中已知存在著的蛋白質(zhì)總數(shù)逾百萬。
蛋白質(zhì)具有多種不同的生物功能,其中最重要的一種就是結(jié)構(gòu)功能。如動(dòng)物的角、腱、韌帶、骨、蠶絲、細(xì)胞骨架等,其主要成分都是結(jié)構(gòu)蛋白。
結(jié)構(gòu)蛋白還可與多糖和生物礦物結(jié)合在一起獲得各式各樣的結(jié)構(gòu)功能,如使骨骼或皮膚、葉脈等具有特定的柔性和剛度。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)超二級(jí)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)域三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)高級(jí)結(jié)構(gòu)空間構(gòu)象4.1蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)組織層次指肽鏈的主鏈在空間的排列,或規(guī)則的幾何走向、旋轉(zhuǎn)及折疊。只涉及主鏈構(gòu)象及鏈內(nèi)/間形成的氫鍵主要有
-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角、無規(guī)捲曲、-螺旋、環(huán)等。二級(jí)結(jié)構(gòu)(1)
-螺旋(
-helix)
-螺旋的結(jié)構(gòu)螺距0.54nm每圈含3.6個(gè)AA殘基
每個(gè)AA殘基占0.15nm
繞軸旋轉(zhuǎn)100°鏈內(nèi)形成氫鍵與軸平行多為右手螺旋由兩/多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排列,通過鏈間的氫鍵交聯(lián)而形成。肽鏈主鏈呈鋸齒狀折疊構(gòu)象。(2)
-折疊(
-pleatedsheet)C
總是處於折疊的角上AA的R基團(tuán)處於折疊的棱角上並與之垂直兩個(gè)AA之間的軸心距為0.35nm
-折疊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(3)
-轉(zhuǎn)角和凸起β轉(zhuǎn)角(βturn/bend/hairpinstructure)肽鏈主鏈骨架180°的回折結(jié)構(gòu)特點(diǎn):由4個(gè)連續(xù)的AA殘基組成第一個(gè)殘基C=O第四個(gè)殘基NH形成氫鍵
O……(氫鍵)………H—C—(NH—CH—CO)2—N—R比較穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)主要存在於球狀蛋白分子中多數(shù)處在蛋白質(zhì)分子的表面反平行β折疊片中的一種不規(guī)則排列實(shí)質(zhì)上是多出來的一個(gè)AA殘基β凸起(βbugle)泛指不能歸入明確的二級(jí)結(jié)構(gòu),如折疊片和螺旋的多肽片斷。(4)無規(guī)捲曲(randomcoil)(1)超二級(jí)結(jié)構(gòu)超二級(jí)結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)域
若干相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元按照一定規(guī)律有規(guī)則組合在一起、相互作用,形成在空間構(gòu)象上可彼此區(qū)別的二級(jí)結(jié)構(gòu)組合單位。(2)結(jié)構(gòu)域二級(jí)/超二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上形成的特定區(qū)域結(jié)構(gòu)域存在的原因:局域分別折疊比整條肽鏈折疊在動(dòng)力學(xué)上更為合理結(jié)構(gòu)域之間由肽鏈連接,有利於結(jié)構(gòu)的調(diào)整由二級(jí)結(jié)構(gòu)元件構(gòu)建成的總?cè)S結(jié)構(gòu),包括一級(jí)結(jié)構(gòu)中相距較遠(yuǎn)的肽段間的幾何相互關(guān)係和側(cè)鏈在三維空間中彼此間的相互關(guān)係。
維繫力有氫鍵/疏水鍵/離子鍵/範(fàn)德華力三級(jí)結(jié)構(gòu)
指由多條各自具有一、二、三級(jí)結(jié)構(gòu)的肽鏈通過非共價(jià)鍵連接起來的結(jié)構(gòu)形式。
包括各亞基:種類、數(shù)目、空間排列方式亞基間的相互作用關(guān)係蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定四級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力
結(jié)構(gòu)互補(bǔ)(極性)和非共價(jià)鍵離子鍵和氫鍵—締合的專一性疏水相互作用—驅(qū)動(dòng)締合
脊椎動(dòng)物體中50%以上是纖維狀結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)支架、防護(hù)作用規(guī)則的線性結(jié)構(gòu)
纖維結(jié)構(gòu)蛋白
不溶性纖維蛋白(角蛋白、膠原蛋白、彈性蛋白)可溶性纖維蛋白(肌球蛋白血纖蛋白原)硬蛋白4.2結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)4.2.1膠原膠原(Collagen)細(xì)胞外基質(zhì)中的一種張力強(qiáng)度很高的水不溶性纖維狀蛋白質(zhì),富含甘氨酸和脯氨酸,是構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)的骨架。簡介膠原在細(xì)胞外基質(zhì)中形成半晶體的纖維,給細(xì)胞提供抗張力和彈性,在成熟的組織中起結(jié)構(gòu)作用外,並在細(xì)胞的遷移和發(fā)育中起作用。所有多細(xì)胞生物都含有膠原,哺乳動(dòng)物身上所有蛋白質(zhì)中約30%是膠原蛋白,不同程度地存在於一切器官中。分佈膠原是皮膚、骨、腱、軟骨、血管和牙齒的主要纖維成分,細(xì)胞骨架的重要成分也是膠原。皮膚膠原蛋白是人體肌膚膚的主要成分,影響皮膚彈性的重要因素。皮膚中膠原蛋白占72%,真皮中80%是膠原蛋白,它在皮膚中構(gòu)成了一張細(xì)緻的保護(hù)網(wǎng),能鎖住水分,如支架般支撐著皮膚。骨腱血管眼睛角膜腸迄今已鑒別出15種膠原,並已分析出其主鏈組成和在組織中的分佈,其中Ⅰ型膠原在動(dòng)物體內(nèi)含量最多,研究得最清楚並已被提純而廣泛用於生物醫(yī)用材料及生化試劑。膠原蛋白種類皮膚中膠原蛋白肽鏈的96%是按三聯(lián)體(G1y—x—y)n順序重複排列,Gly數(shù)目占?xì)埢倲?shù)1/3X常為Pro,y常為Hy-Pro/Hy-Lys膠原蛋白分子結(jié)構(gòu)成纖維膠原中基本結(jié)構(gòu)單元是三股螺旋的原膠原。原膠原的品質(zhì)約為285kDa(Da全稱道爾頓(Dalton),是分子量最常用的單位,就是將分子中所有原子按個(gè)數(shù)求原子量的代數(shù)和。由於蛋白質(zhì)是大分子,所以常用KDa(千道爾頓)來表示。
),由兩條α1和一條α2鏈共三條多肽鏈組成,每股多肽鏈中都有約1000個(gè)氨基酸。膠原蛋白分子結(jié)構(gòu)膠原蛋白分子結(jié)構(gòu)膠原蛋白分子結(jié)構(gòu)膠原蛋白分子結(jié)構(gòu)腱腱腱腸腸腸膠原的抗原性膠原和其他蛋白質(zhì)相比確實(shí)不易引起抗體產(chǎn)生,其理由是:前面所述I型膠原種屬間的差異很小,與球形蛋白質(zhì)不同,三股螺旋結(jié)構(gòu)一般不發(fā)生變化,例如,所有從哺乳動(dòng)物分離提取的I型膠原非常相似,因而不易被人體免疫系統(tǒng)作為外體識(shí)別。但是其短的原肽端因種屬間的判別較大而表現(xiàn)出較大的抗原性,因此在使用時(shí)常將其原肽端切除,以降低膠原的抗原性。膠原的生物合成蠶絲的成分幾乎是純蛋白質(zhì),但蛋白質(zhì)種類因蠶品種不同而有異。有家蠶、柞蠶、天蠶、塔色蠶、姆珈蠶、蓖麻蠶。蜘蛛類雖然不屬於昆蟲,它也吐絲,馬達(dá)加斯加有一種蜘蛛的絲與天蠶科蛾的絲心蠶白纖維相似。簡介4.2.2絲心蛋白蠶絲的斷裂吸收能量(斷裂功)比鋼都大。家蠶絲的拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值是10GPa,可與高強(qiáng)度合成纖維媲美。性能繭絲還有一個(gè)不尋常的性質(zhì),即當(dāng)負(fù)載率增大時(shí),隨著強(qiáng)度和彈性模量增大,延伸率也增大,可達(dá)35%。而絕大多數(shù)化學(xué)纖維的延伸率隨負(fù)荷率的增大而下降。蜘蛛網(wǎng)表現(xiàn)出的材料和能量的高效利用令人嘆服。180μg的絲心蛋白能張開100cm2的網(wǎng)路以捕捉飛蟲。蜘蛛網(wǎng)通過其剛度、強(qiáng)度和延伸能力的巧妙平衡,把飛蟲的衝擊能分散到大片的面積上。作用於蜘蛛網(wǎng)上的約70%的衝擊能通過黏彈性拉伸過程發(fā)熱耗散掉,從而避免了網(wǎng)破或?qū)⒉东@物反彈回去。依賴於蠶絲的種類不同,斷面有很多種幾何形狀,直徑從0.01-50μm不等。絲心蛋白一般約占蠶絲成分的70-75%。包圍絲心蛋白的絲膠蛋白占20-25%。其他成分主要分佈在絲膠中,如蠟質(zhì)(0.4%-0.8%)、色素(約0.2%)、碳水化合物(1.2-1.6%)、無機(jī)物(0.7%)。蠶絲形狀和組成絲心蛋白的結(jié)構(gòu)絲心蛋白的結(jié)構(gòu)絲蛋白的結(jié)構(gòu)絲心蛋白的結(jié)構(gòu)家蠶絲心蛋白多肽鏈中包含結(jié)晶區(qū)域和非晶區(qū)。結(jié)晶區(qū)域的氨基酸順序特點(diǎn)是Gly和Ala的大量重複。非晶區(qū)域規(guī)律較差,有4種多肽組分,含酩氨酸、纈氨酸比例比結(jié)晶區(qū)高。主鏈中結(jié)晶區(qū)域和非結(jié)晶區(qū)域交互排布,每兩個(gè)結(jié)晶區(qū)域(單個(gè)結(jié)晶區(qū)含60個(gè)殘基)和兩個(gè)非晶區(qū)域(每個(gè)非結(jié)晶區(qū)域殘基數(shù)為49)組成一個(gè)重複單元??偸怯桑玻矀€(gè)這樣的重複結(jié)構(gòu)單元組成的。絲心蛋白的結(jié)構(gòu)絲心蛋白構(gòu)象家蠶蛾幼蟲的絹絲腺中逐漸合成的可溶性silkI型液態(tài)蛋白經(jīng)絹絲腺末端吐絲管壓出而成為不可溶的silkII型蛋白。絲心蛋白基因結(jié)構(gòu)絲心蛋白形成成分與性能角蛋白是一大類蛋白質(zhì),常見於脊椎動(dòng)物的皮膚、毛、發(fā)、角、忌毛、蹄中,角蛋白含有大份額的硫,或交聯(lián)的酩氨酸殘基。按物種可將角蛋白分為哺乳動(dòng)物角蛋白、鳥角蛋白和爬蟲類角蛋白三大類。人們對人發(fā)和羊毛中的角蛋白研究最為詳細(xì)。4.2.3角蛋白大纖維鱗狀細(xì)胞皮層細(xì)胞微纖維微原纖維初原纖維
α螺旋捲髮(燙髮)的生物化學(xué)基礎(chǔ)
角蛋白在濕熱條件下伸展轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>
—構(gòu)象,冷卻乾燥時(shí)可自發(fā)地恢復(fù)原狀。側(cè)鏈R基一般較大,不適於處在
—構(gòu)象螺旋多肽鏈間有著很多的二硫鍵交聯(lián)——交聯(lián)鍵使外力解除後肽鏈恢復(fù)原狀燙髮時(shí)還原劑氧化劑捲髮時(shí)彈性蛋白常與膠原和多糖一起存在於脊椎動(dòng)物的結(jié)締組織中。彈性蛋白是彈性纖維的主要成分,能拉長到原長度的幾倍,而努力鬆弛後就會(huì)很快恢復(fù)到原來的大小和形狀。簡介延伸率高而彈性模量低,很像橡膠,故名橡膠蛋白。4.2.4彈性蛋白在血管壁,特別是在心髒附近主動(dòng)脈的弓形結(jié)構(gòu)以及韌帶中,都有大量的彈性蛋白。在皮、腱和松結(jié)締組織中彈性蛋白則較少。分佈分佈食草動(dòng)物頸部凸出的彈性韌帶含有豐富的彈性蛋白,可達(dá)80%。應(yīng)力-應(yīng)變曲線性蛋白受熱後仍很穩(wěn)定,可用110℃下的自動(dòng)分解處理法,從結(jié)締組織中去掉膠原和其他成分,從而提取出彈性蛋白。食草動(dòng)物頸部韌帶切變模量可達(dá)約0.6MPa,在0.6MPa以下是標(biāo)準(zhǔn)的彈性區(qū)彈性蛋白的氨基酸組成很獨(dú)特。與膠原一樣,殘基中的1/3是甘氨酸。彈性蛋白中也富含脯氨酸,也富含非極性脂肪殘基,如丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸。氨基組成與膠原不同,彈性蛋白中羥基脯氨酸極少,且不含羥基賴氨酸和極性氨基酸。交聯(lián)成熟的彈性蛋白包含許多交聯(lián),使其拉伸後能恢復(fù)到它們原來的大小和形狀,同時(shí)也使它極為難溶和分析。(1)膠原中發(fā)現(xiàn)的醛醇交聯(lián)也存在於彈性蛋白中。(2)鎖鏈賴氨酸素存在於彈性蛋白中,是由4個(gè)賴氨酸側(cè)鏈組成的。(3)賴氨酸亮氨酸縮合物交聯(lián)交聯(lián)彈性蛋白交聯(lián)之間的區(qū)段富含甘氨酸、脯氨酸和纈氨酸。已經(jīng)知道有些區(qū)段的氨基酸順序顯示規(guī)則性。交聯(lián)前述序列性質(zhì)使得β轉(zhuǎn)折容易發(fā)生並導(dǎo)致一種螺旋二級(jí)結(jié)構(gòu),該螺旋結(jié)構(gòu)亦稱為元彈性蛋白螺旋,有足夠敞開的空隙使水分子容易進(jìn)入螺旋心部。三級(jí)結(jié)構(gòu)是三股彈性蛋白螺旋擰成的彈性蛋白纖維。分子結(jié)構(gòu)β轉(zhuǎn)折中的化學(xué)鍵旋轉(zhuǎn)自由度使得螺旋具有彈性。這可能是由於蛋白質(zhì)的疏水性和大量的水分子進(jìn)入心區(qū)作用的結(jié)果。脊椎動(dòng)物的肌肉有三種類型:平滑肌、心肌和橫紋肌。在電鏡下可見沿肌肉收縮方向有週期約為0.2μm的明暗帶,明暗帶中央有一條細(xì)線,稱Z線。相鄰Z線之間的片段叫肌結(jié),它是肌肉收縮的單位。這三種肌肉都具有特定的分級(jí)結(jié)構(gòu)。4.2.5肌肉收縮蛋白典型的橫紋肌細(xì)胞為圓柱形,體積非常大,長1mm-50mm;每個(gè)細(xì)胞(又稱肌纖維)含有多達(dá)100個(gè)細(xì)胞核和許多成束的纖維,後者稱為肌原纖維。每個(gè)肌原纖維又由重複排列的肌節(jié)組成。在鬆弛的肌肉中,每個(gè)肌節(jié)長約21μm。在電鏡下可見,每個(gè)肌節(jié)又包括兩種類型的纖維:粗絲就是肌球蛋白,細(xì)絲含有肌動(dòng)蛋白。細(xì)絲的一端連接在Z線上,另一端連接肌節(jié)的中央。肌肉中司運(yùn)動(dòng)功能的蛋白質(zhì)包括收縮蛋白質(zhì)(即肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白)及調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)(如原肌球蛋白和肌鈣蛋白等)。肌肉肌纖維束肌纖維肌原纖維粗絲和細(xì)絲肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白參與需能的收縮活動(dòng)肌原纖維由縱向排列的肌絲組成:粗絲(thickfilament)
——只分佈於暗/A帶細(xì)絲(thickfilament)
——I帶只有細(xì)絲H區(qū)只有粗絲肌球蛋白肌動(dòng)蛋白肌原纖維:明帶和暗帶肌節(jié)輕酶解肌球蛋白重酶解肌球蛋白頭片肌動(dòng)蛋白的兩種形式:
球狀∽(G—actin)
纖維狀∽(F—actin)
單體形式聚合形式K+、
Mg2+、
ATP存在時(shí)原肌球蛋白肌鈣蛋白複合體肌動(dòng)蛋白變構(gòu)引起肌肉收縮受Ca2+、ATP調(diào)節(jié)目前對具體結(jié)構(gòu)與功能的對應(yīng)規(guī)律研究尚剛剛起步整聯(lián)蛋白又名整合素,因其
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