醫(yī)用材料生物學(xué)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

哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院材料物理與化學(xué)二OO六年十月醫(yī)用材料生物學(xué)基礎(chǔ)第三章相互作用1二、植入材料與組織界面反應(yīng)醫(yī)用材料生物學(xué)基礎(chǔ)第三章相互作用1二、植入材料與組織界面反

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(yīng)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(xué)反應(yīng)第三章第三章相互作用2二、植入材料與組織界面反應(yīng)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二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理顆粒狀植入材料可能的毒副作用細(xì)胞對(duì)植入物質(zhì)的反應(yīng)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(yīng)二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)第三章相互作用3二、生物材料人體生理環(huán)境：二、植入材料與組織界面反應(yīng)水、無(wú)機(jī)鹽、蛋白質(zhì)細(xì)胞、組織、器官對(duì)機(jī)體的影響：整體水平細(xì)胞水平分子水平

生物體（宿主）反應(yīng)：

界面反應(yīng)局部的宿主反應(yīng)遠(yuǎn)端和全身的影響反應(yīng)首先是在材料－組織界面上展開(kāi)

第三章相互作用4二、植入材料與組織界面反應(yīng)生物材料人體生理環(huán)境：二、植入材料與組織界面反應(yīng)水、無(wú)機(jī)鹽、由于體液的作用或機(jī)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(jìn)入體液系統(tǒng)產(chǎn)生各種毒性反應(yīng)。

二、植入材料與組織界面反應(yīng)第三章相互作用5二、植入材料與組織界面反應(yīng)由于體液的作用或機(jī)械摩擦，顆粒狀的物質(zhì)可能從植入材金屬種植體進(jìn)入體內(nèi)兩、三年后，圍繞種植材料周?chē)能浗M織因毒蝕而變灰、變黑。進(jìn)入體液的化學(xué)物質(zhì)可對(duì)血液系統(tǒng)產(chǎn)生毒化作用，有毒元素替代紅細(xì)胞中的鐵原子，使血紅細(xì)胞運(yùn)載氧的能力減弱。有毒元素通過(guò)血液運(yùn)載毒化神經(jīng)系統(tǒng)。

二、植入材料與組織界面反應(yīng)毒性反應(yīng)：第三章相互作用6二、植入材料與組織界面反應(yīng)金屬種植體進(jìn)入體內(nèi)兩、三年后，圍繞種植材料周?chē)能浗M

植入人體中的材料以顆粒、分子或離子的形式經(jīng)細(xì)胞膜，產(chǎn)生細(xì)胞或器官毒副作用。這在不同程度上對(duì)細(xì)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(qiáng)，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(xì)胞發(fā)生惡變，是不可逆的。二、植入材料與組織界面反應(yīng)第三章相互作用7二、植入材料與組織界面反應(yīng)植入人體中的材料以顆粒、分子或離子的形式經(jīng)細(xì)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)－－細(xì)胞膜

在微觀(guān)水平上，無(wú)論是血液毒性還是神經(jīng)毒性，最初都是有毒物質(zhì)被細(xì)胞吸收，產(chǎn)生細(xì)胞毒性。

植入人體中的材料以顆粒、分子或離子的形式經(jīng)細(xì)胞膜，產(chǎn)生細(xì)胞或器官毒副作用。二、植入材料與組織界面反應(yīng)第三章相互作用8二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)－－細(xì)胞膜在微觀(guān)水平上，無(wú)論是血二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理顆粒狀植入材料可能的毒副作用細(xì)胞對(duì)植入物質(zhì)的反應(yīng)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(yīng)二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)第三章相互作用9二、細(xì)胞膜

PlasmaMembrane細(xì)胞結(jié)構(gòu)細(xì)胞膜細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞核包圍在細(xì)胞表面的一層薄膜，厚70－100?，電鏡下觀(guān)察，為三層結(jié)構(gòu)。細(xì)胞內(nèi)液：半透明膠體物質(zhì)。細(xì)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(xì)胞膜第三章相互作用10二、植入材料與組織界面反應(yīng)細(xì)胞膜PlasmaMembrane細(xì)細(xì)胞膜包圍在細(xì)胞在電子顯微鏡下細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)“兩暗夾一明”的單位膜結(jié)構(gòu),厚70－100?。細(xì)胞膜第三章相互作用11二、植入材料與組織界面反應(yīng)在電子顯微鏡下細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)“兩暗夾一明”的單位膜結(jié)構(gòu),細(xì)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(xì)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(yīng)細(xì)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)疏水性尾細(xì)胞膜PlasmaMembrane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(xì)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(xì)胞膜第三章相互作用13二、植入材料與組織界面反應(yīng)細(xì)胞膜PlasmaMembrane雙層極性磷脂分子：細(xì)胞膜的功能

1、物質(zhì)輸送：有選擇性，進(jìn)行新陳代謝的同時(shí)，又能保持細(xì)胞內(nèi)成分穩(wěn)定。

水的滲透（細(xì)胞內(nèi)外溶液濃度差異）脂溶性物質(zhì)和小分子物質(zhì)，單純擴(kuò)散作用。非脂溶性物質(zhì)與膜蛋白暫時(shí)結(jié)合，易化擴(kuò)散。胞飲、胞吐作用（大分子）主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)作用（濃度由低至高）2、識(shí)別、傳遞信號(hào)

3、膜蛋白間結(jié)合產(chǎn)生細(xì)胞間結(jié)合。4、將細(xì)胞內(nèi)外液分開(kāi)，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)不會(huì)流散。細(xì)胞膜第三章相互作用14二、植入材料與組織界面反應(yīng)細(xì)胞膜的功能1、物質(zhì)輸送：有選擇性，進(jìn)行新陳代謝的同物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)能否通過(guò)生物膜，進(jìn)入細(xì)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(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)能否通過(guò)生物膜，進(jìn)入細(xì)胞，與物質(zhì)的生物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)簡(jiǎn)單擴(kuò)散/脂溶擴(kuò)散濾過(guò)和水溶性擴(kuò)散易化擴(kuò)散/載體擴(kuò)散吞噬作用/胞吞/胞飲吸收

第三章相互作用16二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)簡(jiǎn)單擴(kuò)散/脂溶擴(kuò)散第三章相互作用16二、植入

大多數(shù)物質(zhì)經(jīng)簡(jiǎn)單擴(kuò)散方式通過(guò)生物膜，從濃度較高的一側(cè)經(jīng)脂質(zhì)雙分子層進(jìn)行擴(kuò)散性轉(zhuǎn)運(yùn)。

物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)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(jiǎn)單擴(kuò)散(simplediffusion)/脂溶擴(kuò)散(lipiddiffusion)：第三章相互作用17二、植入材料與組織界面反應(yīng)大多數(shù)物質(zhì)經(jīng)簡(jiǎn)單擴(kuò)散方式通過(guò)生物膜，物質(zhì)毛細(xì)血管和腎小球的膜上具有較大的孔（約4nm）,可通過(guò)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(xué)物質(zhì)穿過(guò)膜孔。

物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)濾過(guò)(filtration)第三章相互作用18二、植入材料與組織界面反應(yīng)毛細(xì)血管和腎小球的膜上具有較物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)濾過(guò)(fil

大部分細(xì)胞的膜孔較?。s0.4nm），只能通過(guò)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(guò)水溶擴(kuò)散跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，其相對(duì)擴(kuò)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(guò)，葡萄糖幾乎不能通過(guò)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)水溶性擴(kuò)散(aqueousdiffusion)第三章相互作用19二、植入材料與組織界面反應(yīng)大部分細(xì)胞的膜孔較?。s0.4nm），只能通過(guò)分子量小

膜上蛋白質(zhì)載體特異地與某種化學(xué)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(guò)的通道而進(jìn)入細(xì)胞。

順濃度方向轉(zhuǎn)運(yùn)，不需消耗能量。水溶性分子葡萄糖在體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)；

Na+、K+、Ca2+離子帶有電荷，不能通過(guò)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，快速出入細(xì)胞。

易化擴(kuò)散(facilitateddiffusion)/載體擴(kuò)散:

物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)第三章相互作用20二、植入材料與組織界面反應(yīng)膜上蛋白質(zhì)載體特異地與某種化學(xué)毒物結(jié)合后，第三章相互作用21二、植入材料與組織界面反應(yīng)第三章相互作用21二、植入材料與組織界面反應(yīng)

固態(tài)顆粒狀生物材料與細(xì)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(jìn)入細(xì)胞，這種轉(zhuǎn)運(yùn)方式稱(chēng)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(jìn)入細(xì)胞，稱(chēng)為胞飲或吞飲作用。物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)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(yīng)固態(tài)顆粒狀生物材料與細(xì)胞膜接觸后，可改變膜的表面張力

生物材料經(jīng)接觸部位，通常是機(jī)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(yùn)至血液循環(huán)的過(guò)程。物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)

吸收（absorption）：

第三章相互作用23二、植入材料與組織界面反應(yīng)生物材料經(jīng)接觸部位，通常是機(jī)體的內(nèi)表面或外二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理顆粒狀植入材料可能的毒副作用細(xì)胞對(duì)植入物質(zhì)的反應(yīng)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(yīng)二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)第三章相互作用24二反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)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(shí)間與該時(shí)間物質(zhì)在體內(nèi)的量成正比。即滿(mǎn)足一級(jí)動(dòng)力學(xué)過(guò)程：-dc/dt=kc

第三章相互作用25二、植入材料與組織界面反應(yīng)反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理物質(zhì)消除速率:第三章相互作用25二、植入反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理物質(zhì)與細(xì)胞大分子的共價(jià)結(jié)合：

物質(zhì)或其具有活性的代謝產(chǎn)物與機(jī)體的一些重要大分子發(fā)生共價(jià)結(jié)合，從而改變核酸、蛋白質(zhì)、酶、膜脂質(zhì)等生物大分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)與其生物學(xué)功能，造成細(xì)胞損害。第三章相互作用26二、植入材料與組織界面反應(yīng)反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理物質(zhì)與細(xì)胞大分子的共價(jià)結(jié)合：物質(zhì)或物質(zhì)與細(xì)胞大分子的共價(jià)結(jié)合：化學(xué)物質(zhì)或其代謝產(chǎn)物與蛋白質(zhì)發(fā)生共價(jià)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(yùn)的改變、

線(xiàn)粒體能量代謝障礙、

細(xì)胞骨架損害、細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)、影響細(xì)胞信號(hào)傳遞――最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡

細(xì)胞死亡：第三章相互作用27二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)與細(xì)胞大分子的共價(jià)結(jié)合：化學(xué)物質(zhì)或其代謝物質(zhì)與細(xì)胞大分子的共價(jià)結(jié)合：致癌作用：致癌物與核酸相互作用，導(dǎo)致細(xì)胞癌變?；瘜W(xué)物質(zhì)或其代謝產(chǎn)物，與蛋白質(zhì)發(fā)生共價(jià)結(jié)合，引起DNA錯(cuò)誤復(fù)制，如錯(cuò)誤復(fù)制超過(guò)機(jī)體的修復(fù)能力，將導(dǎo)致突變，最終引起癌變。與氨基酸或蛋白質(zhì)有相似空間構(gòu)型的高分子單體，可能更容易到達(dá)靶部位――細(xì)胞核，化學(xué)毒物或其代謝產(chǎn)物一旦與核蛋白（控制細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖和分化等生理過(guò)程）共價(jià)結(jié)合，將影響細(xì)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(yīng)物質(zhì)與細(xì)胞大分子的共價(jià)結(jié)合：致癌作用：第三章相互作用28二反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理物質(zhì)與細(xì)胞大分子的共價(jià)結(jié)合：免疫反應(yīng)：

較小分子量的物質(zhì)可作為半抗原與機(jī)體組織蛋白共價(jià)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(yīng)。細(xì)胞毒性反應(yīng)、過(guò)敏反應(yīng)/變態(tài)反應(yīng)。

第三章相互作用29二、植入材料與組織界面反應(yīng)反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理物質(zhì)與細(xì)胞大分子的共價(jià)結(jié)合：免疫反應(yīng)：第三二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理顆粒狀植入材料可能的毒副作用細(xì)胞對(duì)植入物質(zhì)的反應(yīng)規(guī)律吸收物質(zhì)的生物排泄

第三章相互作用30二、植入材料與組織界面反應(yīng)二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)第三章相互作用30二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(yùn)過(guò)程，可能富積于肝區(qū)、腎臟以及骨組織改建前端，造成細(xì)胞損傷。全身各種組織細(xì)胞，特別是具有高分化特殊功能的實(shí)質(zhì)細(xì)胞，如肝細(xì)胞、腎小管上皮細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、血細(xì)胞、心肌細(xì)胞等在中毒時(shí)，最常出現(xiàn)病變形式，其本質(zhì)是化學(xué)毒物作用下，細(xì)胞生長(zhǎng)代謝發(fā)生異?；蛲Ｖ?，細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)的嚴(yán)重障礙和基本結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞與崩解。

細(xì)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(yīng)顆粒狀植入材料可能的毒副作用植入顆粒材料經(jīng)組織液和血顆粒狀植入材料可能的毒副作用是生命機(jī)體對(duì)異物入侵的一種普遍防衛(wèi)反應(yīng)。

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)感染

表現(xiàn)：組織細(xì)胞變性組織液、血液成分的滲出炎癥細(xì)胞侵潤(rùn)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(yīng)顆粒狀植入材料可能的毒副作用是生命機(jī)體對(duì)異物入侵的一種普二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理顆粒狀植入材料可能的毒副作用細(xì)胞對(duì)植入物質(zhì)的反應(yīng)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(yīng)二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)第三章相互作用33二細(xì)胞對(duì)植入物質(zhì)的反應(yīng)規(guī)律細(xì)胞是機(jī)體組織的基本組成單位，它通過(guò)攝取、轉(zhuǎn)化、貯存、利用物質(zhì)和能量來(lái)維持細(xì)胞的生命活動(dòng)。細(xì)胞通過(guò)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(xì)胞吸收后，與細(xì)胞中的分子結(jié)合，有可能參與細(xì)胞中的各種生命活動(dòng)，最終影響組織細(xì)胞的各種生物學(xué)功能。

第三章相互作用34二、植入材料與組織界面反應(yīng)細(xì)胞對(duì)植入物質(zhì)的反應(yīng)規(guī)律細(xì)胞是機(jī)體組織的基本組成單位細(xì)胞對(duì)植入物質(zhì)的反應(yīng)規(guī)律植入材料對(duì)免疫系統(tǒng)的作用：不同的生物材料可能直接損傷免疫細(xì)胞的形態(tài)或功能；經(jīng)吸收，干擾神經(jīng)內(nèi)分泌網(wǎng)絡(luò)，使機(jī)體免疫功能低下，即免疫抑制，導(dǎo)致機(jī)體易受感染因素或腫瘤的攻擊。影響免疫細(xì)胞的抗原識(shí)別能力或敏感性，引起病理性免疫應(yīng)答。同一化學(xué)物質(zhì)不同條件下，分別表現(xiàn)為免疫抑制或過(guò)敏。第三章相互作用35二、植入材料與組織界面反應(yīng)細(xì)胞對(duì)植入物質(zhì)的反應(yīng)規(guī)律植入材料對(duì)免疫系統(tǒng)的作用：第三章相二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理顆粒狀植入材料可能的毒副作用細(xì)胞對(duì)植入物質(zhì)的反應(yīng)規(guī)律吸收物質(zhì)的生物排泄

第三章相互作用36二、植入材料與組織界面反應(yīng)二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)第三章相互作用36二吸收物質(zhì)的生物排泄排泄：

吸收物質(zhì)及其代謝產(chǎn)物向機(jī)體外轉(zhuǎn)移的過(guò)程，是生物轉(zhuǎn)運(yùn)的最后環(huán)節(jié)。

腎臟排泄：

腎是排泄外來(lái)物質(zhì)的最重要器官。毒物可經(jīng)陽(yáng)離子或陰離子主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)逆濃度梯度分泌至腎小管，進(jìn)而排出體外。

肝、膽排泄：

血循環(huán)中物質(zhì)進(jìn)入胃腸道經(jīng)過(guò)膽汁排泄出大分子物質(zhì)。第三章相互作用37二、植入材料與組織界面反應(yīng)吸收物質(zhì)的生物排泄排泄：第三章相互作用37二、植入材料與組

哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院材料物理與化學(xué)二OO六年十月醫(yī)用材料生物學(xué)基礎(chǔ)第三章相互作用38二、植入材料與組織界面反應(yīng)醫(yī)用材料生物學(xué)基礎(chǔ)第三章相互作用1二、植入材料與組織界面反

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(yīng)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(xué)反應(yīng)第三章第三章相互作用39二、植入材料與組織界面反應(yīng)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二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理顆粒狀植入材料可能的毒副作用細(xì)胞對(duì)植入物質(zhì)的反應(yīng)規(guī)律吸收物質(zhì)的生物排泄第三章相互作用40二、植入材料與組織界面反應(yīng)二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)第三章相互作用3二、生物材料人體生理環(huán)境：二、植入材料與組織界面反應(yīng)水、無(wú)機(jī)鹽、蛋白質(zhì)細(xì)胞、組織、器官對(duì)機(jī)體的影響：整體水平細(xì)胞水平分子水平

生物體（宿主）反應(yīng)：

界面反應(yīng)局部的宿主反應(yīng)遠(yuǎn)端和全身的影響反應(yīng)首先是在材料－組織界面上展開(kāi)

第三章相互作用41二、植入材料與組織界面反應(yīng)生物材料人體生理環(huán)境：二、植入材料與組織界面反應(yīng)水、無(wú)機(jī)鹽、由于體液的作用或機(jī)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(jìn)入體液系統(tǒng)產(chǎn)生各種毒性反應(yīng)。

二、植入材料與組織界面反應(yīng)第三章相互作用42二、植入材料與組織界面反應(yīng)由于體液的作用或機(jī)械摩擦，顆粒狀的物質(zhì)可能從植入材金屬種植體進(jìn)入體內(nèi)兩、三年后，圍繞種植材料周?chē)能浗M織因毒蝕而變灰、變黑。進(jìn)入體液的化學(xué)物質(zhì)可對(duì)血液系統(tǒng)產(chǎn)生毒化作用，有毒元素替代紅細(xì)胞中的鐵原子，使血紅細(xì)胞運(yùn)載氧的能力減弱。有毒元素通過(guò)血液運(yùn)載毒化神經(jīng)系統(tǒng)。

二、植入材料與組織界面反應(yīng)毒性反應(yīng)：第三章相互作用43二、植入材料與組織界面反應(yīng)金屬種植體進(jìn)入體內(nèi)兩、三年后，圍繞種植材料周?chē)能浗M

植入人體中的材料以顆粒、分子或離子的形式經(jīng)細(xì)胞膜，產(chǎn)生細(xì)胞或器官毒副作用。這在不同程度上對(duì)細(xì)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(qiáng)，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(xì)胞發(fā)生惡變，是不可逆的。二、植入材料與組織界面反應(yīng)第三章相互作用44二、植入材料與組織界面反應(yīng)植入人體中的材料以顆粒、分子或離子的形式經(jīng)細(xì)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)－－細(xì)胞膜

在微觀(guān)水平上，無(wú)論是血液毒性還是神經(jīng)毒性，最初都是有毒物質(zhì)被細(xì)胞吸收，產(chǎn)生細(xì)胞毒性。

植入人體中的材料以顆粒、分子或離子的形式經(jīng)細(xì)胞膜，產(chǎn)生細(xì)胞或器官毒副作用。二、植入材料與組織界面反應(yīng)第三章相互作用45二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)－－細(xì)胞膜在微觀(guān)水平上，無(wú)論是血二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理顆粒狀植入材料可能的毒副作用細(xì)胞對(duì)植入物質(zhì)的反應(yīng)規(guī)律吸收物質(zhì)的生物排泄第三章相互作用46二、植入材料與組織界面反應(yīng)二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)第三章相互作用9二、細(xì)胞膜

PlasmaMembrane細(xì)胞結(jié)構(gòu)細(xì)胞膜細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞核包圍在細(xì)胞表面的一層薄膜，厚70－100?，電鏡下觀(guān)察，為三層結(jié)構(gòu)。細(xì)胞內(nèi)液：半透明膠體物質(zhì)。細(xì)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(xì)胞膜第三章相互作用47二、植入材料與組織界面反應(yīng)細(xì)胞膜PlasmaMembrane細(xì)細(xì)胞膜包圍在細(xì)胞在電子顯微鏡下細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)“兩暗夾一明”的單位膜結(jié)構(gòu),厚70－100?。細(xì)胞膜第三章相互作用48二、植入材料與組織界面反應(yīng)在電子顯微鏡下細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)“兩暗夾一明”的單位膜結(jié)構(gòu),細(xì)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(xì)胞膜分子結(jié)構(gòu)模式圖第三章相互作用49二、植入材料與組織界面反應(yīng)細(xì)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)疏水性尾細(xì)胞膜PlasmaMembrane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(xì)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(xì)胞膜第三章相互作用50二、植入材料與組織界面反應(yīng)細(xì)胞膜PlasmaMembrane雙層極性磷脂分子：細(xì)胞膜的功能

1、物質(zhì)輸送：有選擇性，進(jìn)行新陳代謝的同時(shí)，又能保持細(xì)胞內(nèi)成分穩(wěn)定。

水的滲透（細(xì)胞內(nèi)外溶液濃度差異）脂溶性物質(zhì)和小分子物質(zhì)，單純擴(kuò)散作用。非脂溶性物質(zhì)與膜蛋白暫時(shí)結(jié)合，易化擴(kuò)散。胞飲、胞吐作用（大分子）主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)作用（濃度由低至高）2、識(shí)別、傳遞信號(hào)

3、膜蛋白間結(jié)合產(chǎn)生細(xì)胞間結(jié)合。4、將細(xì)胞內(nèi)外液分開(kāi)，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)不會(huì)流散。細(xì)胞膜第三章相互作用51二、植入材料與組織界面反應(yīng)細(xì)胞膜的功能1、物質(zhì)輸送：有選擇性，進(jìn)行新陳代謝的同物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)能否通過(guò)生物膜，進(jìn)入細(xì)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52二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)能否通過(guò)生物膜，進(jìn)入細(xì)胞，與物質(zhì)的生物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)簡(jiǎn)單擴(kuò)散/脂溶擴(kuò)散濾過(guò)和水溶性擴(kuò)散易化擴(kuò)散/載體擴(kuò)散吞噬作用/胞吞/胞飲吸收

第三章相互作用53二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)簡(jiǎn)單擴(kuò)散/脂溶擴(kuò)散第三章相互作用16二、植入

大多數(shù)物質(zhì)經(jīng)簡(jiǎn)單擴(kuò)散方式通過(guò)生物膜，從濃度較高的一側(cè)經(jīng)脂質(zhì)雙分子層進(jìn)行擴(kuò)散性轉(zhuǎn)運(yùn)。

物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)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(jiǎn)單擴(kuò)散(simplediffusion)/脂溶擴(kuò)散(lipiddiffusion)：第三章相互作用54二、植入材料與組織界面反應(yīng)大多數(shù)物質(zhì)經(jīng)簡(jiǎn)單擴(kuò)散方式通過(guò)生物膜，物質(zhì)毛細(xì)血管和腎小球的膜上具有較大的孔（約4nm）,可通過(guò)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(xué)物質(zhì)穿過(guò)膜孔。

物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)濾過(guò)(filtration)第三章相互作用55二、植入材料與組織界面反應(yīng)毛細(xì)血管和腎小球的膜上具有較物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)濾過(guò)(fil

大部分細(xì)胞的膜孔較?。s0.4nm），只能通過(guò)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(guò)水溶擴(kuò)散跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，其相對(duì)擴(kuò)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(guò)，葡萄糖幾乎不能通過(guò)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)水溶性擴(kuò)散(aqueousdiffusion)第三章相互作用56二、植入材料與組織界面反應(yīng)大部分細(xì)胞的膜孔較?。s0.4nm），只能通過(guò)分子量小

膜上蛋白質(zhì)載體特異地與某種化學(xué)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(guò)的通道而進(jìn)入細(xì)胞。

順濃度方向轉(zhuǎn)運(yùn)，不需消耗能量。水溶性分子葡萄糖在體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)；

Na+、K+、Ca2+離子帶有電荷，不能通過(guò)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，快速出入細(xì)胞。

易化擴(kuò)散(facilitateddiffusion)/載體擴(kuò)散:

物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)第三章相互作用57二、植入材料與組織界面反應(yīng)膜上蛋白質(zhì)載體特異地與某種化學(xué)毒物結(jié)合后，第三章相互作用58二、植入材料與組織界面反應(yīng)第三章相互作用21二、植入材料與組織界面反應(yīng)

固態(tài)顆粒狀生物材料與細(xì)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(jìn)入細(xì)胞，這種轉(zhuǎn)運(yùn)方式稱(chēng)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(jìn)入細(xì)胞，稱(chēng)為胞飲或吞飲作用。物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)吞噬作用/吞飲/胞飲作用（pinocytosis）:

第三章相互作用59二、植入材料與組織界面反應(yīng)固態(tài)顆粒狀生物材料與細(xì)胞膜接觸后，可改變膜的表面張力

生物材料經(jīng)接觸部位，通常是機(jī)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(yùn)至血液循環(huán)的過(guò)程。物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)

吸收（absorption）：

第三章相互作用60二、植入材料與組織界面反應(yīng)生物材料經(jīng)接觸部位，通常是機(jī)體的內(nèi)表面或外二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理顆粒狀植入材料可能的毒副作用細(xì)胞對(duì)植入物質(zhì)的反應(yīng)規(guī)律吸收物質(zhì)的生物排泄

第三章相互作用61二、植入材料與組織界面反應(yīng)二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)第三章相互作用24二反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)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(shí)間與該時(shí)間物質(zhì)在體內(nèi)的量成正比。即滿(mǎn)足一級(jí)動(dòng)力學(xué)過(guò)程：-dc/dt=kc

第三章相互作用62二、植入材料與組織界面反應(yīng)反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理物質(zhì)消除速率:第三章相互作用25二、植入反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理物質(zhì)與細(xì)胞大分子的共價(jià)結(jié)合：

物質(zhì)或其具有活性的代謝產(chǎn)物與機(jī)體的一些重要大分子發(fā)生共價(jià)結(jié)合，從而改變核酸、蛋白質(zhì)、酶、膜脂質(zhì)等生物大分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)與其生物學(xué)功能，造成細(xì)胞損害。第三章相互作用63二、植入材料與組織界面反應(yīng)反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理物質(zhì)與細(xì)胞大分子的共價(jià)結(jié)合：物質(zhì)或物質(zhì)與細(xì)胞大分子的共價(jià)結(jié)合：化學(xué)物質(zhì)或其代謝產(chǎn)物與蛋白質(zhì)發(fā)生共價(jià)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(yùn)的改變、

線(xiàn)粒體能量代謝障礙、

細(xì)胞骨架損害、細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)失調(diào)、影響細(xì)胞信號(hào)傳遞――最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡

細(xì)胞死亡：第三章相互作用64二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)與細(xì)胞大分子的共價(jià)結(jié)合：化學(xué)物質(zhì)或其代謝物質(zhì)與細(xì)胞大分子的共價(jià)結(jié)合：致癌作用：致癌物與核酸相互作用，導(dǎo)致細(xì)胞癌變。化學(xué)物質(zhì)或其代謝產(chǎn)物，與蛋白質(zhì)發(fā)生共價(jià)結(jié)合，引起DNA錯(cuò)誤復(fù)制，如錯(cuò)誤復(fù)制超過(guò)機(jī)體的修復(fù)能力，將導(dǎo)致突變，最終引起癌變。與氨基酸或蛋白質(zhì)有相似空間構(gòu)型的高分子單體，可能更容易到達(dá)靶部位――細(xì)胞核，化學(xué)毒物或其代謝產(chǎn)物一旦與核蛋白（控制細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖和分化等生理過(guò)程）共價(jià)結(jié)合，將影響細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與功能。

第三章相互作用65二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)與細(xì)胞大分子的共價(jià)結(jié)合：致癌作用：第三章相互作用28二反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理物質(zhì)與細(xì)胞大分子的共價(jià)結(jié)合：免疫反應(yīng)：

較小分子量的物質(zhì)可作為半抗原與機(jī)體組織蛋白共價(jià)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(yīng)。細(xì)胞毒性反應(yīng)、過(guò)敏反應(yīng)/變態(tài)反應(yīng)。

第三章相互作用66二、植入材料與組織界面反應(yīng)反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理物質(zhì)與細(xì)胞大分子的共價(jià)結(jié)合：免疫反應(yīng)：第三二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)反應(yīng)過(guò)程與反應(yīng)機(jī)理顆粒狀植入材料可能的毒副作用細(xì)胞對(duì)植入物質(zhì)的反應(yīng)規(guī)律吸收物質(zhì)的生物排泄

第三章相互作用67二、植入材料與組織界面反應(yīng)二、植入材料與組織界面反應(yīng)物質(zhì)過(guò)膜轉(zhuǎn)運(yùn)第三章相互作用30二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(yùn)過(guò)程，可能富積于肝區(qū)、腎臟以及骨組織