医用材料生物学基础-第三章医用植入材料与人体间的相互作用1.课件.ppt

1、第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理1 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学材料学院材料学院 材料物理与化学材料物理与化学二二OO六年十月六年十月第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理2 医用植入材料医用植入材料与人体间的相互作用与人体间的相互作用一、一、生物相容性概念和原理生物相容性概念和原理二、植入材料与组织界面反应二、植入材料与组织界面反应三、三、植入材料引起的炎症与伤口愈合植入材料引起的炎症与伤口愈合四、四、植入材料引起的感染、钙化和肿瘤植入材料引起的感染、钙化和肿瘤五、植入材料的病理学反应五、植入材料的病理学反应第三章第三章第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理3一、一、生物相容性概

2、念和原理生物相容性概念和原理 n生物体引起植入材料变化的因素生物体引起植入材料变化的因素n材料反应材料反应 n生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 n生物相容性的定义生物相容性的定义n生物相容性分类生物相容性分类n生物相容性评价体系生物相容性评价体系n生物相容性试验生物相容性试验 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理4生物体系生物体系生命体系生命体系人体人体系统系统器官器官细胞细胞分子分子组织组织体液体液细胞内液细胞内液细胞外液细胞外液组织液组织液血液血液淋巴液淋巴液免疫系统免疫系统材料材料侵蚀性侵蚀性排外性排外性材料降解材料降解炎症、肿瘤炎症、肿瘤细胞毒性细胞毒性遗传基因表达遗传基因表达

3、血凝、溶血血凝、溶血电解质、酶电解质、酶腐蚀和水解、腐蚀和水解、生物、化学活性生物、化学活性免疫细胞免疫细胞淋巴、吞噬淋巴、吞噬破坏外来成分破坏外来成分含水缓冲环境含水缓冲环境pH7.4、37复杂的结构、完美的功能复杂的结构、完美的功能第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理5Biomaterial-Tissue Interactions第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理6 生物机体是一个复杂的环境生物机体是一个复杂的环境, ,植入体植入体内的材料长期处于物理、化学、生物、内的材料长期处于物理、化学、生物、电、机械等因素的电、机械等因素的复杂环境复杂环境影响之下影响之下, ,外外科植入物

4、不仅受到组织不停运动的科植入物不仅受到组织不停运动的动态动态作用作用, ,也处于也处于代谢的反应代谢的反应之中。之中。 生物体对植入材料的影响又取决于生物体对植入材料的影响又取决于材料本身材料本身化学、物理性质及其各组分的化学、物理性质及其各组分的相对含量相对含量, ,引起机体组织反应也存在异同引起机体组织反应也存在异同。生物体引起植入材料变化的因素生物体引起植入材料变化的因素第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理7生物体引起植入材料变化的因素生物体引起植入材料变化的因素n体液中各种酶、细胞因子、蛋白质、氨体液中各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基酸、多肽、自由基、无机盐对材料的基酸、多肽、自由基

5、、无机盐对材料的生物降解作用生物降解作用n细胞黏附吞噬作用细胞黏附吞噬作用n细胞生物电、磁场和电解、氧化作用细胞生物电、磁场和电解、氧化作用n新陈代谢过程中生物化学和酶催化反应新陈代谢过程中生物化学和酶催化反应n生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动态运动动态运动 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理8一、一、生物相容性概念和原理生物相容性概念和原理 n生物体引起植入材料变化的因素生物体引起植入材料变化的因素n材料反应材料反应 n生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 n生物相容性的定义生物相容性的定义n生物相容性分类生物相容性分类n生物相容性评价体系生物相容

6、性评价体系n生物相容性试验生物相容性试验 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理9材料反应材料反应金属的腐蚀金属的腐蚀 医用金属具有良好的机械力学性能，且应医用金属具有良好的机械力学性能，且应具有良好的生物相容性，通常医用具有良好的生物相容性，通常医用金属金属材料，材料，含有含有FeFe、CrCr、CoCo、NiNi、TiTi、TaTa、MoMo、W W等等 金属金属在体内的腐蚀大多是通过可预见的在体内的腐蚀大多是通过可预见的普普通机制通机制发生的，因其可以预见，所以人们选择发生的，因其可以预见，所以人们选择耐腐蚀性好、机械性能优良耐腐蚀性好、机械性能优良可以在受力结可以在受力结构中应用的金

7、属构中应用的金属惰性的合金惰性的合金。 惰性的合金：惰性的合金： 纯钛、钛铝钒合金、钴铬合金、不锈钢纯钛、钛铝钒合金、钴铬合金、不锈钢 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理10材料反应材料反应金属的腐蚀金属的腐蚀 合金在多数体内环境中保持惰性状态合金在多数体内环境中保持惰性状态，但仍然会有，但仍然会有物质释放物质释放到组织中。到组织中。 钛钛从体内取出时没有腐蚀的迹象，氧从体内取出时没有腐蚀的迹象，氧化层也保存完好，甚至还随时间逐渐加厚化层也保存完好，甚至还随时间逐渐加厚（Sundgren，1986）但有实验表明，在周围但有实验表明，在周围的 组 织 中 仍 能 很 容 易 检 测 出的

8、组 织 中 仍 能 很 容 易 检 测 出 钛钛（Thomsen1986）、金属离子金属离子或其形成的或其形成的络络合物合物可能会造成组织的损害，所以即使是可能会造成组织的损害，所以即使是轻微的腐蚀也不可忽视。轻微的腐蚀也不可忽视。第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理11材料反应材料反应金属的腐蚀金属的腐蚀 很难确定有很难确定有活性的生理环境活性的生理环境在金属腐蚀在金属腐蚀中的作用。中的作用。 蛋白质蛋白质的存在完全改变一些金属在盐水的存在完全改变一些金属在盐水中的中的腐蚀速度腐蚀速度，特别是在溶液中能和，特别是在溶液中能和蛋白蛋白质结合质结合的金属（钴、银、铜），血清蛋白的金属（钴、银

9、、铜），血清蛋白使它们的腐蚀速度提高一个数量级。使它们的腐蚀速度提高一个数量级。 蛋白质、盐溶液、细胞活化蛋白质、盐溶液、细胞活化的产物等的产物等都可能改变金属腐蚀的速度或其与机体的都可能改变金属腐蚀的速度或其与机体的界面层结构。界面层结构。 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理12材料反应材料反应聚合物的水解聚合物的水解 许多聚合物都能许多聚合物都能吸水吸水（也有一些（也有一些医用高分子吸收很少的水或不吸水）医用高分子吸收很少的水或不吸水），所以，这些聚合物在组织中持续存，所以，这些聚合物在组织中持续存在会导致在会导致水渗透水渗透到它们的到它们的分子结构中分子结构中，这些分子结构可能是，

10、这些分子结构可能是易水解易水解的，水的，水分的吸收特性和聚合物的水解特性共分的吸收特性和聚合物的水解特性共同决定了聚合物在这环境中的行为。同决定了聚合物在这环境中的行为。 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理13材料反应材料反应聚合物的水解聚合物的水解 1 1）易吸水和能水解的聚合物在植入后易）易吸水和能水解的聚合物在植入后易 发生发生降解降解。 聚乳酸、聚乙醇酸（缝合线、药物缓聚乳酸、聚乙醇酸（缝合线、药物缓 释系统）释系统）2 2）不易吸水但能水解的聚合物通过）不易吸水但能水解的聚合物通过表面表面 腐蚀的机制降解腐蚀的机制降解。暴露在表面的易水。暴露在表面的易水 解基团或分子最敏感，降

11、解过程由表解基团或分子最敏感，降解过程由表 面缓慢地进行，也可能，反应是非常面缓慢地进行，也可能，反应是非常 迅速和不均匀的。迅速和不均匀的。 聚氨酯、聚酰胺聚氨酯、聚酰胺 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理14材料反应材料反应聚合物的水解聚合物的水解 3 3）易吸水但不水解的聚合物会发生）易吸水但不水解的聚合物会发生膨胀膨胀 和破裂和破裂等结构变化等结构变化，但不一定发生分，但不一定发生分 子降解。子降解。 丙烯酸酯聚合物能吸收一些水分，但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类脂不降解。聚硅氧烷易吸收脂肪和类脂 ，并可能继而发生破裂。，并可能继而发生破裂。4

12、4）既不水解又能抵抗水分渗入的聚合物）既不水解又能抵抗水分渗入的聚合物 能能在组织中在组织中存在存在而而不发生降解不发生降解。 聚四氟乙烯、聚烯烃等均聚物。聚四氟乙烯、聚烯烃等均聚物。第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理15材料反应材料反应聚合物的水解聚合物的水解 聚合物在体内对降解的敏感顺序（聚合物在体内对降解的敏感顺序（Williams,1982Williams,1982）吸吸水水 水水解解 聚合物在体内的可能变化聚合物在体内的可能变化 举例举例 YY降解降解脂肪族聚酯脂肪族聚酯: :聚乳酸聚乳酸 聚乙醇酸聚乙醇酸NY 表面的易水解基团或分子表面的易水解基团或分子以以表面腐蚀的机制表面

13、腐蚀的机制降解降解芳香族芳香族: :聚氨酯聚氨酯 聚酰胺聚酰胺YN发生膨胀破裂等结构变化发生膨胀破裂等结构变化但但不一定不一定发生分子降解发生分子降解丙烯酸酯丙烯酸酯: :吸水不降解吸水不降解聚硅氧烷聚硅氧烷: :吸收脂肪类脂吸收脂肪类脂 可能发生破裂可能发生破裂NN在组织中存在在组织中存在不发生不发生降解降解均聚物：聚四氟乙烯均聚物：聚四氟乙烯 聚烯烃聚烯烃第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理16材料反应材料反应聚合物的生物降解聚合物的生物降解 生物降解生物降解： 如果降解仅仅是由于水造成的，其如果降解仅仅是由于水造成的，其过程应该很容易通过实验室实验模拟和过程应该很容易通过实验室实验模

14、拟和断定的。断定的。 如果在体内降解比在如果在体内降解比在3737缓冲盐溶缓冲盐溶液液（pH7.4pH7.4）中进行得快，很可能是生理）中进行得快，很可能是生理环境通过更环境通过更有活性有活性的方式在发挥作用的方式在发挥作用这个过程被称为这个过程被称为生物降解生物降解。 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理17材料反应材料反应聚合物的生物降解聚合物的生物降解 酶酶在体外环境下能够影响各种各样的在体外环境下能够影响各种各样的易降解易降解的的 聚酯、聚酰胺、聚氨基酸和聚氨酯等聚合物聚酯、聚酰胺、聚氨基酸和聚氨酯等聚合物 的降解（的降解（SmithSmith，19871987）。在体外酶通过）。

15、在体外酶通过催催 化水解化水解反应加快了聚合物降解过程。反应加快了聚合物降解过程。 酶是由许多酶是由许多细胞合成和释放细胞合成和释放的，包括炎性的，包括炎性过程中的细胞。这些细胞也会产生和释放各过程中的细胞。这些细胞也会产生和释放各种各样的种各样的自由基自由基。细胞释放的。细胞释放的过氧化氢过氧化氢能产能产生羟基自由基和其它次级自由基，这个过程生羟基自由基和其它次级自由基，这个过程会参与引发聚合物的降解过程。如自动氧化会参与引发聚合物的降解过程。如自动氧化等。（等。（WillamsWillams，19911991） 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理18一、一、生物相容性概念和原理生物相

16、容性概念和原理 n生物体引起植入材料变化的因素生物体引起植入材料变化的因素n材料反应材料反应（金属的腐蚀、聚合物的水解和降解）（金属的腐蚀、聚合物的水解和降解） n生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 n生物相容性的定义生物相容性的定义n生物相容性分类生物相容性分类n生物相容性评价体系生物相容性评价体系n生物相容性试验生物相容性试验 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理19生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 1 1、界面反应界面反应 材料一旦放入体内就形成材料一旦放入体内就形成界面，界面上组织的主要成分界面，界面上组织的主要成分都是液态的，其中主要是血液都是液态的，其中主要是血液，几秒钟

17、内几秒钟内蛋白质就吸附到材蛋白质就吸附到材料表面上。料表面上。第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理20生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 蛋白质的吸附蛋白质的吸附 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理21生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 1 1、界面反应界面反应蛋白质的吸附的特点蛋白质的吸附的特点 a a）蛋白质的竞争吸附：）蛋白质的竞争吸附： 浓度较高的蛋白：白蛋白、纤维蛋白原浓度较高的蛋白：白蛋白、纤维蛋白原 表面亲和性较高：纤维结合蛋白表面亲和性较高：纤维结合蛋白 b）吸附蛋白多层分布）吸附蛋白多层分布 c）可能会发生吸附蛋白分子的伸展、）可能会发生吸附蛋白分子的伸展、 变

18、性和解吸附变性和解吸附 d）吸附迅速）吸附迅速 e）亲疏水性、表面电荷、化学性质、）亲疏水性、表面电荷、化学性质、 表面粗糙度表面粗糙度 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理22生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 2 2、局部的宿主反应、局部的宿主反应 植入材料后，组织、血管发植入材料后，组织、血管发生破坏，血液流出，其中包括生破坏，血液流出，其中包括纤纤维蛋白原、血小板维蛋白原、血小板等，开始凝血等，开始凝血（在凝血酶的作用下，纤维蛋白（在凝血酶的作用下，纤维蛋白原变为不溶纤维网）。原变为不溶纤维网）。 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理23生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应

19、2 2、局部的宿主反应、局部的宿主反应 近周血管迅速膨胀使白细胞（近周血管迅速膨胀使白细胞（中性粒细胞）中性粒细胞）、血浆蛋白及细胞外、血浆蛋白及细胞外液中液中炎性介质炎性介质从管壁渗出，炎性介从管壁渗出，炎性介质通过趋化过程把细胞大量吸引到质通过趋化过程把细胞大量吸引到受损伤部位受损伤部位急性炎性反应期。急性炎性反应期。 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理24生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 2 2、局部的宿主反应、局部的宿主反应 吞噬和消化外来微粒和物体的细胞吞噬和消化外来微粒和物体的细胞（吞噬细胞吞噬细胞）会被吸引到植入材料的周）会被吸引到植入材料的周围围受刺激的部位并被活化，

20、使代谢受刺激的部位并被活化，使代谢水平迅速升高，使身体能抵御外来侵染水平迅速升高，使身体能抵御外来侵染产生产生急性炎症。急性炎症。 纤维囊纤维囊：成纤维细胞激活分泌胶原成纤维细胞激活分泌胶原，胶原纤维沿着植入体表面平行生长，胶原纤维沿着植入体表面平行生长，对惰性材料的轻微反应，形成薄的纤维对惰性材料的轻微反应，形成薄的纤维囊。囊。 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理25生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 3 3、远端和全身的影响、远端和全身的影响 被动扩散：浓度梯度被动扩散：浓度梯度 主动分布：可溶成分进入血液循环；主动分布：可溶成分进入血液循环； 被细胞吞噬的颗粒物质进入淋巴系统被细

21、胞吞噬的颗粒物质进入淋巴系统 组织、器官聚集、组织、器官聚集、沉积沉积 固体固体致癌致癌原：金属离子原：金属离子 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理26生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 界面反应界面反应凝血凝血：纤维蛋白原、血小板等纤维蛋白原、血小板等炎性反应炎性反应：中性粒细胞、吞噬细胞中性粒细胞、吞噬细胞纤维囊纤维囊：成纤维细胞激活分泌胶原成纤维细胞激活分泌胶原蛋白质吸附蛋白质吸附细胞结合细胞结合局部的宿主反应局部的宿主反应远端和全身的影响远端和全身的影响被动扩散：被动扩散：浓度梯度浓度梯度主动分布：主动分布：血液循环、血液循环、淋巴循环淋巴循环组织聚积、组织聚积、致癌、致敏致癌

22、、致敏第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理27一、一、生物相容性概念和原理生物相容性概念和原理 n生物体引起植入材料变化的因素生物体引起植入材料变化的因素n材料反应材料反应（金属的腐蚀、聚合物的水解和降解）（金属的腐蚀、聚合物的水解和降解） n生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 n生物相容性的定义生物相容性的定义n生物相容性分类生物相容性分类n生物相容性评价体系生物相容性评价体系n生物相容性试验生物相容性试验 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理28生物相容性生物相容性 biocompatibility 生物材料和人体组织生物材料和人体组织接触后，在材料接触后，在材料机体机体组织界面

23、发生一系列组织界面发生一系列相互相互作用作用后，产生各种复杂的后，产生各种复杂的生物、生物、 物理、化学物理、化学反应反应, , 最终被人体组织所接受的最终被人体组织所接受的性能。性能。 生物相容性生物相容性第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理29生物相容性生物相容性理想材料的生物学反应理想材料的生物学反应 各种各种生物医用材料生物医用材料人工器官人工器官医用辅助装置医用辅助装置对人体对人体无毒性无毒性无致敏性无致敏性无刺激性无刺激性无致畸性无致畸性无遗传毒性无遗传毒性无致癌性无致癌性对人体对人体系统无任何不良反应系统无任何不良反应无凝血、无溶血反应无凝血、无溶血反应 无炎症、肿瘤反应无炎

24、症、肿瘤反应无免疫排斥反应无免疫排斥反应 免疫免疫 组织组织血液血液 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理30生物相容性分类生物相容性分类n血液相容性：血液相容性：材料用于心血管系统与血材料用于心血管系统与血 液直接接触，要考察与液直接接触，要考察与血血 液的相液的相 互作用。互作用。n组织相容性、组织相容性、 一般生物相容性：一般生物相容性： 材料与心血管系统外的材料与心血管系统外的组组 织和器官接触，主要考织和器官接触，主要考察察 与组织的相互作用。与组织的相互作用。生物相容性生物相容性第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理31生物相容性的评价标准生物相容性的评价标准n美国评价标准美

25、国评价标准 ASTM(F48-82)n美国、英国、加拿大三国评价标准美国、英国、加拿大三国评价标准1986n国际标准化组织评价标准国际标准化组织评价标准 ISO/TC194 ISO10993.1-1992 ISO10993.12-1992n中国的评价标准中国的评价标准 GB/T16886.1-1997生物相容性生物相容性第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理32国际标准化组织评价标准国际标准化组织评价标准 ISO10993.1-1992 ISO10993.12-19921 1、医疗器械和生物材料生物学评价试验指南、医疗器械和生物材料生物学评价试验指南2 2、动物福利要求、动物福利要求3 3、

26、遗传毒性、致癌性和生殖毒性试验、遗传毒性、致癌性和生殖毒性试验4 4、与血液相互作用试验选择、与血液相互作用试验选择5 5、细胞毒性试验、细胞毒性试验( (体外法体外法) ) 6 6、植入后局部反应试验、植入后局部反应试验7 7、环氧乙烷灭菌残留量、环氧乙烷灭菌残留量8 8、临床调查、临床调查9 9、与生物学试验有关的材料降解（技术报告）、与生物学试验有关的材料降解（技术报告）1010、刺激和致敏试验、刺激和致敏试验1111、全身毒性试验、全身毒性试验1212、样品制备与标准样品、样品制备与标准样品第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理33Standards in Biomaterials

27、TestingnTechnical Committee 194 of the International Organization for Standardization (ISO) meet every springnSet of documents 10993 (FDAs version #G95-1):n10993-1: Guidance on Selection of Tests. n10993-2: Animal Welfare Requirements. n10993-3: Tests for Genotoxicity, Carcinogenicity, and Reproduct

28、ive Toxicity. n10993-4: Selection of Tests for Interactions with Blood. n10993-5: Tests for CytotoxicityIn Vitro Methods. n10993-6: Tests for Local Effects after Implantation. n10993-7: Ethylene Oxide Sterilization Residuals. n10993-9: Degradation of Materials Related to Biological Testing. n10993-1

29、0: Tests for Irritation and Sensitization. n10993-11: Tests for Systemic Toxicity. n10993-14: “Materials Evaluation. 第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理34Guideline of biological evaluation of medical device ( ISO standard, 1997)接触接触时间时间： A: A: 一时接触一时接触( (24h) 24h) B: B: 短、中期接触短、中期接触 ( 24h( 24h30 30 日日) ) C: C: 长期接

30、触长期接触( 30 ( 30 日日) )接触部位接触部位： 表面接触表面接触：皮肤皮肤、粘膜粘膜、损伤表面损伤表面 由由体外与体内接触体外与体内接触：血路间接血路间接、组织组织/ /骨骨/ /牙牙、 循环血液循环血液 体内植入体内植入：组织组织/ /骨骨、血液血液第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理35Guideline of biological evaluation of medical device ( ISO standard, 1997)基本评价基本评价的生物学试验的生物学试验：细胞毒性细胞毒性、致敏致敏试验试验 刺激或皮内反应刺激或皮内反应试验试验 全身急性毒性全身急性毒性试验

31、试验 亚慢性亚急性毒性亚慢性亚急性毒性 遗传毒性遗传毒性、植入植入试验试验 血液相容性血液相容性试验试验补充评价补充评价的生物学评价试验的生物学评价试验：慢性毒性慢性毒性 致癌性致癌性 生殖与发育毒性生殖与发育毒性 生物降解生物降解试验试验第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理36第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理37中国的评价标准中国的评价标准 GB/T16886.1-1997GB/T16886.1-1997基本评价基本评价的生物学试验的生物学试验： 热原试验、热原试验、 急性毒性急性毒性体外试验体外试验（溶血试验）（溶血试验） ( (亚慢性亚急性毒性亚慢性亚急性毒性) ) 补充评价

32、补充评价的生物学评价试验的生物学评价试验： 亚慢性亚急性毒性亚慢性亚急性毒性第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理38生物相容性试验生物相容性试验 整体整体、细胞和分子生物学三个细胞和分子生物学三个层次层次评评价生物材料的生物相容性价生物材料的生物相容性细胞学细胞学：从细胞水平去观察材料对细胞的从细胞水平去观察材料对细胞的 数量、形态及分化的影响数量、形态及分化的影响 整体动物学整体动物学：从整体水平去观察材料对人从整体水平去观察材料对人 体各系统的影响体各系统的影响分子水平分子水平评价评价：观察材料对细胞观察材料对细胞DNADNA、RNA RNA 及细胞外基质的胶原蛋白和非胶原及细胞外基质

33、的胶原蛋白和非胶原 蛋白蛋白mRNA mRNA 基因表达的影响。基因表达的影响。第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理39 在人体生理环境中在人体生理环境中, , 材料所接触材料所接触的除了水、无机盐外的除了水、无机盐外, , 更有蛋白质、更有蛋白质、细胞、组织和器官等生命有机体细胞、组织和器官等生命有机体, , 因因此材料对所有这些生命有机体的作用此材料对所有这些生命有机体的作用和影响就变得至为重要。和影响就变得至为重要。 生物相容性试验生物相容性试验第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理40 生物材料特别是植入人体软组织的材生物材料特别是植入人体软组织的材料料, , 会与会与成纤维细胞

34、成纤维细胞直接接触直接接触, ,成纤维细成纤维细胞会合成：胞会合成： 作用于细胞合成的作用于细胞合成的组蛋白组蛋白、 作用于细胞粘着的作用于细胞粘着的纤联蛋白、纤联蛋白、 作用于细胞构架的作用于细胞构架的肌动蛋白肌动蛋白和和波形蛋白波形蛋白 以及以及大量与细胞外基质有关的大量与细胞外基质有关的胶原蛋白胶原蛋白 植入人体硬组织的材料植入人体硬组织的材料, ,会与会与成骨细成骨细胞胞直接接触，成骨细胞会合成：直接接触，成骨细胞会合成： 与骨形成相关的与骨形成相关的骨钙蛋白、骨钙蛋白、 骨粘连蛋白骨粘连蛋白 和和骨桥蛋白骨桥蛋白 以及大量的以及大量的胶原蛋白胶原蛋白。 第三章 相互作用一、生物相容性

35、概念和原理41 我们知道我们知道, ,遗传物质的主要活性是遗传物质的主要活性是指指导导蛋白质的合成蛋白质的合成。如果生物材料对机体如果生物材料对机体的影响已经在的影响已经在整体水平整体水平和和细胞水平细胞水平上表上表现出来现出来, , 那么在那么在分子水平的遗传基因表分子水平的遗传基因表达达方面一定已经造成影响方面一定已经造成影响, , 并且会极灵并且会极灵敏地反映出来敏地反映出来。 生物相容性试验生物相容性试验第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理42体外实验：体外实验：用材料或材料浸提液与细胞共培养，用材料或材料浸提液与细胞共培养， 观察材料对细胞的观察材料对细胞的形态形态、增殖增殖能力

36、及能力及 细胞主要细胞主要生理功能生理功能的影响的影响 体外细胞毒性试验、遗传毒性和致癌试验、体外细胞毒性试验、遗传毒性和致癌试验、 血液相容性评价方法、细胞粘附、细胞扩散血液相容性评价方法、细胞粘附、细胞扩散 细胞增殖细胞增殖动物动物体内实验：体内实验：将材料植入体内将材料植入体内, ,分阶段将植入体分阶段将植入体 与周围组织取出与周围组织取出, ,做组织学检查做组织学检查, , 观察材料植入体内后引起机体组观察材料植入体内后引起机体组 织学变化，评价织学变化，评价组织相容性组织相容性。 生物相容性试验生物相容性试验第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理43In vitro Testing

37、: Direct ContactA confluent monolayer (100 x magnification) of well-defined L929 mouse fibroblast cells exhibiting cell-to-cell contact. This appearance is indicative of a non-cytotoxic (negative) responseL929 mouse fibroblast cells (100 x magnification) that illustrate a positive cytotoxic reaction

38、 in the elution test method. The cells are grainy and lack normal cytoplasmic space; the considerable open areas between cells indicate that extensive cell lysis (disintegration) has occurred.http:/ 相互作用一、生物相容性概念和原理44Testing BiomaterialsnIN VITRO (cell cultures in glass)nrapidninexpensivenpoor repre

39、sentation of physiological conditionsngood as the first stepnIN VIVO (animal experiments)nbetter approximation to human environmentndemanding protocols (Animal Welfare Act)nright animal model approximate human environmentnsecond step prior to clinical use第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理45Standards in Biomateria

40、ls Testing: ISO 10993-4: HemocompatibilityNormal neutrophils and lymphocytes subjected to a negative control materialhttp:/ nuclei fragmenting into pieces following exposure to a positive control material第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理46急性毒性试验急性毒性试验 将材料浸提液超高压过滤除菌将材料浸提液超高压过滤除菌, ,在动物在动物 腹腔内注射浸提液腹腔内注射浸提液, ,对照组腹腔内

41、注射生理对照组腹腔内注射生理 盐水。观察注射后盐水。观察注射后24 24 、48 48 、72h 72h 的体重变的体重变 化及各种反应。化及各种反应。热原实验热原实验 体温正常、恒定新西兰大白兔，自耳缘体温正常、恒定新西兰大白兔，自耳缘 静脉静推温度为静脉静推温度为37 37 的材料浸提液的材料浸提液, ,注射后注射后 每小时测肛温每小时测肛温1 1 次次, ,共共3 3 次次, ,以以3 3次中最高的次中最高的 一次减去正常体温一次减去正常体温, ,即为该兔的体温升高度即为该兔的体温升高度 数。数。 生物相容性试验生物相容性试验第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理47制备加入抗凝剂新鲜

42、稀释兔血制备加入抗凝剂新鲜稀释兔血 实验组实验组: :材料浸提液稀释兔血材料浸提液稀释兔血 阴性阴性对照组对照组: :生理盐水稀释兔血生理盐水稀释兔血 阳性阳性对照组对照组: :蒸馏水中稀释兔血蒸馏水中稀释兔血 离心、取上清离心、取上清, , 用分光光度计于波长用分光光度计于波长545nm545nm测吸光度测吸光度, ,每组取每组取3 3次平均值。次平均值。溶血程度公式溶血程度公式: :溶血程度溶血程度= (= (实验组吸光度实验组吸光度- -阴性对照组吸光度阴性对照组吸光度) ) / (/ (阳性对照组吸光度阳性对照组吸光度- -阴性对照组阴性对照组) ) 100 % 100 % 体外检测引

43、起的溶血程度体外检测引起的溶血程度5 % ,5 % ,符合要求。符合要求。 溶血实验溶血实验第三章 相互作用一、生物相容性概念和原理48 将材料制备成边缘光滑，形状规则的圆柱将材料制备成边缘光滑，形状规则的圆柱体，消毒备用。体，消毒备用。 在在动物体动物体选取植入点，做切口选取植入点，做切口, ,钝性分离肌钝性分离肌肉，植入深度为肉，植入深度为1 12cm2cm，缝合肌膜和皮肤。两，缝合肌膜和皮肤。两侧任一侧做实验组侧任一侧做实验组, ,另一侧做对照组，植入明胶另一侧做对照组，植入明胶海绵。海绵。 术后术后7 ,14 ,30 ,60 ,90 ,180d 7 ,14 ,30 ,60 ,90 ,180d 取材，取材，固固定定于于10%10%甲醛溶液甲醛溶液, ,石蜡包埋石蜡包埋切片切片,HE,HE染色染色, ,做组做组织学切片，在光学显微镜下观察。织学切片，在光学显微镜下观察。 组织病理学检查组织病理学检查：炎性细胞炎性细胞、中性粒细胞中性粒细胞 纤维细胞增纤维细胞增生、生、胶原纤维组织包膜胶原纤维组织包膜 肌肉内种植实验肌肉内种植实验