生物相容性與評價

目錄生物相容性2

宿主反應(yīng)病理學(xué)反應(yīng)4材料在生物體內(nèi)反應(yīng)3生物材料相容性評價5人體生理環(huán)境1

生物材料研究進(jìn)展及展望6第一頁，共32頁。2.1人體生理環(huán)境（1）生物學(xué)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，其中包括液體、有機(jī)

大分子、酶、自由基、細(xì)胞等多種因

素。（2）人體的內(nèi)部環(huán)境：基本上是建立在全部或部分的還

原的有機(jī)材料（分子或組織）之

上的。第二頁，共32頁。人體的生理環(huán)境：

體溫為37C，由水、電解質(zhì)、血糖、蛋白質(zhì)等構(gòu)成相對穩(wěn)定的環(huán)境；

細(xì)胞外液的4/5存在于血管外構(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，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。

模擬人體生理環(huán)境的溶液：有機(jī)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的溶液。第三頁，共32頁。2.2生物相容性1.概念：生物相容性是材料在生物體內(nèi)處于動態(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(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)生相互作用涉及生物化學(xué)、生物力學(xué)

和生物電學(xué)三個反應(yīng)系統(tǒng)。2.生物相容性分類：

兩類：組織相容性和血液相容性第四頁，共32頁。1.組織相容性1.概念：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(yīng)用一種親和能力。2.表現(xiàn)：組織相容性的優(yōu)劣，主要取決于材料結(jié)構(gòu)的化學(xué)穩(wěn)定

性。一般來說，相對分子質(zhì)量大，分布窄或有交聯(lián)結(jié)

構(gòu)的材料，組織相容性較好。3.具體表現(xiàn)：

某些生物材料和生物體結(jié)締組織中的膠原結(jié)合成為一體，并能保持長時間穩(wěn)定牢固的結(jié)合；

某些材料長期植入機(jī)體仍然會對細(xì)胞產(chǎn)生影響，甚

至誘發(fā)腫瘤的發(fā)生；

某些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)。

2.2生物相容性第五頁，共32頁。2.2生物相容性2.血液相容性1.概念：生物材料與血液循環(huán)之間的一種特殊聯(lián)系。2.表現(xiàn)：

生物材料的界面現(xiàn)象（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）；

溶血、白細(xì)胞減少等細(xì)胞水平的反映；

凝血系統(tǒng)、纖溶系統(tǒng)激活等血漿蛋白水平反映；

免疫成分的改變、補(bǔ)體的激活以及血小板受體、二磷

酸腺苷和前列腺素的釋放等分子水平的反映。

第六頁，共32頁。2.血液相容性生物材料的表面與血液成分的相互作用（1）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(shí)現(xiàn)；

（2）當(dāng)材料與血液接觸時，血漿蛋白首先吸附于高聚物表面。

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。

（3）血小板的黏附和凝聚，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)；

（4）血液成分與材料表面接觸并相互作用，是否會造成紅細(xì)胞受損而

引起溶血，主要與材料表面積、化學(xué)結(jié)構(gòu)、材料表面的黏附性、血

液參數(shù)、凝血變化等因素有關(guān)第七頁，共32頁。2.血液相容性生物材料的表面與血液成分的相互作用（5）所有的生物材料幾乎都能激活中性粒細(xì)胞和單核細(xì)胞。白細(xì)胞在

生物材料表面形成血栓起著直接的作用，主要是由于白細(xì)胞具有

內(nèi)源性前凝血質(zhì)活性和前聚集體活性，它們均可影響血小板聚集。

（6）高聚物表面與血液接觸時，可以激活補(bǔ)體系統(tǒng)。

補(bǔ)體是存在于血液中的一類參與免疫效應(yīng)的蛋白分子，由20多種

血清蛋白組成。

（7）當(dāng)生物材料與血液接觸之后，可以通過兩條途徑激活補(bǔ)體系統(tǒng)。

直接或表面吸附的免疫球蛋白引起經(jīng)典途徑的補(bǔ)體激活。

通過旁路途徑激活補(bǔ)體系統(tǒng)。第八頁，共32頁。2.血液相容性生物材料的表面特性對血液相容性的影響（1）生物體與生物材料表面的接觸，它們之間的初級反應(yīng)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。

（2）生物材料表面的粗糙程度是影響血液相容性的一個重要因素。因?yàn)樵酱植诘谋砻姹┞对谘褐械拿娣e越大。

（3）表面的潤濕性，即材料親水性或疏水性是一個重要因素。親水性的材料表面與疏水性的材料表面更有利于細(xì)胞生長。

親水性的表面吸附作用較弱，并且是可逆的，這有利于調(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較強(qiáng)，又不可逆，不易形成材料結(jié)構(gòu)的重建。第九頁，共32頁。2.血液相容性生物材料的表面特性對血液相容性的影響（4）人們利用血液相容性與材料表面親水性之間的關(guān)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(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，即保持了原有的機(jī)械性能，又在材料表面形成了具有凝血

作用的表面層，提高了材料的血液相容性。

（5）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)。

材料表面帶有負(fù)電荷，會引起某種蛋白質(zhì)的吸收形成鈍化層，材

料對血液的毒性減少，從而使材料具有更好的血液相容性。

第十頁，共32頁。2.3材料在生物體內(nèi)的反應(yīng)

醫(yī)療器械的復(fù)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。宿主反應(yīng)材料反應(yīng)第十一頁，共32頁。2.3材料在生物體內(nèi)的反應(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)生是由于生理環(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。第十二頁，共32頁。2.3材料在生物體內(nèi)的反應(yīng)（1）宿主反應(yīng)生物材料進(jìn)入機(jī)體后，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)，是由于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質(zhì)量產(chǎn)物造成的，有急性和慢性反應(yīng)；過敏反應(yīng)，是由于材料降解所產(chǎn)生的毒物造成的；致癌、致畸、致突變反應(yīng)，是由于材料中或降解產(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。第十三頁，共32頁。（2）材料反應(yīng)2.3材料在生物體內(nèi)的反應(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)致材料的結(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，導(dǎo)致過敏反應(yīng)；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)機(jī)體失效。機(jī)械力作用也可能引起材料失效。第十四頁，共32頁。2.3材料在生物體內(nèi)的反應(yīng)材料進(jìn)入生物體內(nèi)的反應(yīng)：1）膨脹和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，材料通過界面的轉(zhuǎn)移。

膨脹：物質(zhì)從組織進(jìn)入生物材料，致密的材料就會因?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，或是生物材料的某些成分溶解在組織的液體相中時，產(chǎn)生材料的孔隙的過程。

膨脹和浸析都是擴(kuò)散的結(jié)果第十五頁，共32頁。

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。吸收造成的影響有顏色的變化、體積的變化、可能還有力學(xué)性能的變化（彈性模量降低、內(nèi)部粘度的增加，延展性的增加或降低，摩擦系數(shù)以及抗磨損性能的降低等）。

造成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。材料進(jìn)入生物體內(nèi)的反應(yīng)：1）膨脹和浸析第十六頁，共32頁。材料進(jìn)入生物體內(nèi)的反應(yīng)：1）膨脹和浸析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：

材料中應(yīng)力可能超過蠕變應(yīng)力，這將造成持續(xù)的變形和吸收；

膨脹會降低材料的彈性極限，而且會導(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。第十七頁，共32頁。材料進(jìn)入生物體內(nèi)的反應(yīng)：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(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)生在栓與板接合的部分。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。第十八頁，共32頁。材料進(jìn)入生物體內(nèi)的反應(yīng)：2）腐蝕與溶解應(yīng)力腐蝕也有可能發(fā)生，但是非常少見，在現(xiàn)代整形手術(shù)多元件裝置的

實(shí)際應(yīng)用中，已經(jīng)看不到晶間腐蝕、浸析腐蝕和沖刷腐蝕。對單一元件裝置，如顱骨板、骨髓內(nèi)桿、內(nèi)部修飾物、鎖釘和骨折端環(huán)

扎線等，腐蝕很輕微。在不存在循環(huán)載荷的情況下，一般不會發(fā)生機(jī)械斷裂。與血液接觸的區(qū)

域發(fā)生的腐蝕極為復(fù)雜。過量的氧和連續(xù)流動的電解質(zhì)為各種腐蝕提供了高度的活性。血液中存在的許多有機(jī)小分子也會影響腐蝕速率。第十九頁，共32頁。材料進(jìn)入生物體內(nèi)的反應(yīng)：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界面上進(jìn)行。生物分子與材料表面的反應(yīng)的方式取決于植入的位置，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)絡(luò)等，使機(jī)體免疫功能低下，導(dǎo)致個體易受感染因素或腫瘤的攻擊，也可影響免疫細(xì)胞的抗原識別能力或過敏性，引起病理性免疫應(yīng)答，表現(xiàn)為過敏感反應(yīng)或自身的免疫性疾病。化學(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。第二十頁，共32頁。材料進(jìn)入生物體內(nèi)的反應(yīng)：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)該考慮的兩個主要因素。一般的生物降解材料：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：聚乙交酯、聚丙交酯、聚酰胺以及某些自增強(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。第二十一頁，共32頁。2.4宿主反應(yīng)1）傷口愈合過程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(xì)胞與纖維細(xì)胞移動到傷口處的組織；壞死的組織殘骸、血塊等被粒細(xì)胞核移走；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周后，傷口處逐漸恢復(fù)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(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

口開始愈合在傷口修復(fù)期間，傷口的愈合過程將隨著組織的變化而變化。第二十二頁，共32頁。2.4宿主反應(yīng)2）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)時做出的防御反應(yīng)。實(shí)

質(zhì)上就是抗原體反應(yīng)；當(dāng)病原體或異物侵入人體后，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)胞被抗原刺激后產(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)胞被抗原刺激后產(chǎn)生細(xì)胞毒作用。兩者免疫，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(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)生在全身各個系統(tǒng)。第二十三頁，共32頁。2.4宿主反應(yīng)3）全身反應(yīng)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)之前必須被研究的研究和評估過。

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。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。盡管增加生物材料的使用量可能不會引起惡化的反應(yīng)，但是重復(fù)的適用材料時門檻值會降低或引起毒性增加。第二十四頁，共32頁。2.4宿主反應(yīng)3）全身反應(yīng)系統(tǒng)的毒性有免疫反應(yīng)引起。當(dāng)宿主收到外來物質(zhì)入侵時免疫系統(tǒng)發(fā)生響應(yīng)保護(hù)機(jī)體。高度敏感的免疫響應(yīng)：那些不正常的、多余的、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)的刺激會導(dǎo)致機(jī)體損壞。一般由于免疫反應(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)槊庖唔憫?yīng)取決于各個機(jī)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(shí)驗(yàn)的動物差異很大。

高敏感反應(yīng)可以分成4種類型（自學(xué)）第二十五頁，共32頁。2.4宿主反應(yīng)3）全身反應(yīng)由于生物材料在人體內(nèi)降解或磨損會引起的體系反應(yīng)。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(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)很重要并且具有爭議。很多生物材料包含有幾種復(fù)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。第二十六頁，共32頁。2.4宿主反應(yīng)4）植入感染在整個炎癥過程中，酶被這些細(xì)胞合成、利用和釋放。同時由于細(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，最重要的酶是溶酶和體酶，它們是由炎癥細(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)胞后期酶活性發(fā)生改變。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引起免疫反應(yīng)，或者是作為一種半抗原，在和其