1、第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应1 哈尔滨哈尔滨工业大学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六六年十月年十月第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应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、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、植入材料引起的炎症与伤口愈合四、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第三章第三章第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应3二、植入材料与组织界面反应二、植入材料与组织界面反应n物质过膜转运物质过膜转运n反应过程与反应机理反应过程与反应机理n颗粒状植入
2、材料可能的毒副作用颗粒状植入材料可能的毒副作用n细胞对植入物质的反应规律细胞对植入物质的反应规律n吸收物质的生物排泄吸收物质的生物排泄第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应4生物材料生物材料人体生理环境：人体生理环境：二、植入材料与组织界面反应二、植入材料与组织界面反应水、无机盐水、无机盐、蛋白质蛋白质 细胞、组织、器官细胞、组织、器官对机体的对机体的影响影响：整体水平整体水平 细胞水平细胞水平 分子水平分子水平 生物体（生物体（宿主）宿主）反应反应：界面反应界面反应 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反应首先是在反应首先是在材料组织界面材料组织界面上展开上展开
3、 第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应5 由于体液的作用或机械摩由于体液的作用或机械摩擦，颗粒状的物质可能从植入擦，颗粒状的物质可能从植入材料表面侵出或脱落，或是以材料表面侵出或脱落，或是以离子状态从材料表面侵出，进离子状态从材料表面侵出，进入体液系统产生各种入体液系统产生各种毒性反应毒性反应。二、植入材料与组织界面反应二、植入材料与组织界面反应第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应6 金属种植体进入体内两、三年后，金属种植体进入体内两、三年后，围绕种植材料周围的围绕种植材料周围的软组织软组织因毒蚀而变因毒蚀而变灰、变黑。灰、变黑。进入体液的化学物质可对血液系统进入体液的化学物质可对
4、血液系统产生毒化作用，有毒元素替代产生毒化作用，有毒元素替代红细胞红细胞中中的铁原子，使血红细胞运载氧的能力减的铁原子，使血红细胞运载氧的能力减弱。弱。有毒元素通过血液运载毒化有毒元素通过血液运载毒化神经神经系系统。统。二、植入材料与组织界面反应二、植入材料与组织界面反应毒性反应：毒性反应：第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应7 植入人体中的材料以颗粒、分子或离植入人体中的材料以颗粒、分子或离子的形式子的形式经细胞膜经细胞膜，产生细胞或器官毒副，产生细胞或器官毒副作用。这在不同程度上对细胞或器官造成作用。这在不同程度上对细胞或器官造成损伤。损伤。物质的毒副作用的物质的毒副作用的可逆性可逆
5、性取决于被取决于被损伤组织的再生能力：损伤组织的再生能力：肝脏肝脏：再生能力强，多数损伤是：再生能力强，多数损伤是可逆的可逆的。中枢神经中枢神经：再生能力很差，：再生能力很差，损伤多是损伤多是不可逆的。不可逆的。SiO SiO2 2所引起的硅沉着病是不可逆的。所引起的硅沉着病是不可逆的。致癌物质引起的正常细胞发生恶变，致癌物质引起的正常细胞发生恶变，是不可逆的。是不可逆的。二、植入材料与组织界面反应二、植入材料与组织界面反应第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应8物质过膜转运细胞膜物质过膜转运细胞膜 在微观水平上，无论是血液毒性还在微观水平上，无论是血液毒性还是神经毒性，最初都是有毒物质被
6、是神经毒性，最初都是有毒物质被细胞细胞吸收吸收，产生细胞毒性。，产生细胞毒性。植入人体中的材料以颗粒、分子或植入人体中的材料以颗粒、分子或离子的形式离子的形式经细胞膜经细胞膜，产生细胞或器官，产生细胞或器官毒副作用。毒副作用。二、植入材料与组织界面反应二、植入材料与组织界面反应第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应9二、植入材料与组织界面反应二、植入材料与组织界面反应n物质过膜转运物质过膜转运n反应过程与反应机理反应过程与反应机理n颗粒状植入材料可能的毒副作用颗粒状植入材料可能的毒副作用n细胞对植入物质的反应规律细胞对植入物质的反应规律n吸收物质的生物排泄吸收物质的生物排泄第三章 相互作用
7、二、植入材料与组织界面反应10 细胞膜细胞膜 Plasma Membrane细细胞胞结结构构细胞膜细胞膜细胞质细胞质细胞核细胞核包围在细胞表面的一层薄膜，厚包围在细胞表面的一层薄膜，厚70100，电镜下观察，为三层结构。电镜下观察，为三层结构。细胞内液：半透明胶体物质。细胞器：具有一定形态和生理功能的结构胞内质粒：非功能性单位核膜染色质核仁核液细胞膜第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应1170100。细胞膜第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应12细胞膜糖脂糖脂糖蛋白糖蛋白外层脂质分子（亲水性头部）外层脂质分子（亲水性头部）表面蛋白质表面蛋白质疏水性尾部疏水性尾部嵌入蛋白质嵌入蛋白质
8、内层脂质分子（亲水性头部）内层脂质分子（亲水性头部）细胞膜分子结构模式图细胞膜分子结构模式图第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应13细胞膜细胞膜 Plasma Membranen双层极性双层极性磷脂磷脂分子：分子：亲水端构成膜的内外两侧，与体液亲水端构成膜的内外两侧，与体液或细胞质接触，疏水端朝向膜的中间，或细胞质接触，疏水端朝向膜的中间，互相贴近。互相贴近。n膜蛋白膜蛋白:表面蛋白表面蛋白结合蛋白结合蛋白细胞膜第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应14细胞膜的功能细胞膜的功能 1、物质输送物质输送：有选择性，进行新陈代谢的同时，：有选择性，进行新陈代谢的同时，又能保持细胞内成分稳定
9、。又能保持细胞内成分稳定。水的渗透（细胞内外溶液浓度水的渗透（细胞内外溶液浓度差异差异）脂溶性物质和小分子物质，单纯扩散作用。脂溶性物质和小分子物质，单纯扩散作用。非脂溶性物质与膜蛋白暂时结合，非脂溶性物质与膜蛋白暂时结合，易易化扩散。化扩散。胞饮、胞吐作用（大分子）胞饮、胞吐作用（大分子）主动转运作用（浓度由低至高）主动转运作用（浓度由低至高）2、识别、传递信号识别、传递信号 3、膜蛋白间结合产生、膜蛋白间结合产生细胞间结合细胞间结合。4、将细胞内外液分开，细胞内、将细胞内外液分开，细胞内物质不会流散物质不会流散。细胞膜第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应15物质过膜转运物质过膜转运
10、物质能否通过生物膜，进入细胞，物质能否通过生物膜，进入细胞，与与物质的物质的生物膜通透性生物膜通透性有关，即物质的有关，即物质的理化性质有关：理化性质有关：大小大小/形状形状 亲脂性亲脂性/亲水性亲水性 所带电荷所带电荷/极性极性 与内源性分子的相似性与内源性分子的相似性 第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应16物质过膜转运物质过膜转运 简单扩散简单扩散/脂溶扩散脂溶扩散 滤过和水溶性扩散滤过和水溶性扩散 易化扩散易化扩散/载体扩散载体扩散 吞噬作用吞噬作用/胞吞胞吞/胞饮胞饮 吸收吸收 第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应17 大多数物质经简单扩散方式通过生物膜，大多数物质经简单
11、扩散方式通过生物膜，从浓度较高的一侧经脂质双分子层进行扩散性从浓度较高的一侧经脂质双分子层进行扩散性 转运。转运。物质过膜转运物质过膜转运产生的条件产生的条件：膜两侧存在浓度梯度膜两侧存在浓度梯度 物质必须具有物质必须具有脂溶性脂溶性 物质必须是非电离状态物质必须是非电离状态简单扩散简单扩散(simple diffusion)/脂溶扩散脂溶扩散(lipid diffusion)：第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应18 毛细血管和肾小球的膜上具有较毛细血管和肾小球的膜上具有较大的孔（约大的孔（约4nm）,可通过分子量小于可通过分子量小于60000的分子，由于水压或的分子，由于水压或/和渗
12、透压和渗透压而产生的而产生的水水流可顺压差携带化学物质流可顺压差携带化学物质穿过膜孔。穿过膜孔。物质过膜转运物质过膜转运滤过滤过(filtration)第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应19 大部分细胞的膜孔较小（约大部分细胞的膜孔较小（约0.4nm），只能通过分子量小于只能通过分子量小于100、不带电荷的、不带电荷的极性分子，如极性分子，如水、乙醇、乳酸水、乙醇、乳酸等等水溶性水溶性分子分子和和O2、CO2等气体分子等气体分子可通过水溶可通过水溶扩散跨膜转运，其相对扩散率与该物质扩散跨膜转运，其相对扩散率与该物质在膜两侧的在膜两侧的浓度差浓度差成正比。成正比。甘油较难通过，葡萄糖几乎
13、不能通过甘油较难通过，葡萄糖几乎不能通过物质过膜转运物质过膜转运水溶性扩散水溶性扩散(aqueous diffusion)第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应20 膜上蛋白质载体特异地与某种化学毒物结膜上蛋白质载体特异地与某种化学毒物结合后，其分子内部发生构型变化而形成的适合该合后，其分子内部发生构型变化而形成的适合该物质通过的通道而进入细胞。物质通过的通道而进入细胞。顺顺浓度浓度方向转运，不需消耗能量。方向转运，不需消耗能量。水溶性分子水溶性分子葡萄糖葡萄糖在体内的转运；在体内的转运；Na+、K+、Ca2+离子离子带有电荷，不能通过脂带有电荷，不能通过脂质双分子层的内部疏水区，某种情况
14、下，可随浓质双分子层的内部疏水区，某种情况下，可随浓度差，快速出入细胞。度差，快速出入细胞。易化扩散易化扩散(facilitated diffusion)/载体扩散载体扩散:物质过膜转运物质过膜转运第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应21第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应22 固态颗粒固态颗粒状生物材料与细胞膜接触状生物材料与细胞膜接触后，可改变膜的表面张力，引起外包或后，可改变膜的表面张力，引起外包或内凹，将异物包围进入细胞，这种转运内凹，将异物包围进入细胞，这种转运方式称为吞噬作用。方式称为吞噬作用。某些某些液态液态蛋白或大分子物质以此种蛋白或大分子物质以此种方式进入细胞，称
15、为胞饮或吞饮作用。方式进入细胞，称为胞饮或吞饮作用。物质过膜转运物质过膜转运 吞噬作用吞噬作用/吞饮吞饮/胞饮作用胞饮作用（pinocytosis）:第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应23 生物材料经接触部位，生物材料经接触部位，通常是机体的内表面或外表通常是机体的内表面或外表面（如皮肤、消化道、血管面（如皮肤、消化道、血管）的生物膜转运至血液循环）的生物膜转运至血液循环的过程。的过程。物质过膜转运物质过膜转运 吸收（吸收（absorption）：）：第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应24二、植入材料与组织界面反应二、植入材料与组织界面反应n物质过膜转运n反应过程与反应机理反应
16、过程与反应机理n颗粒状植入材料可能的毒副作用n细胞对植入物质的反应规律n吸收物质的生物排泄 第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应25反应过程与反应机理反应过程与反应机理物质消除速率物质消除速率:生物材料在体内吸收、消除生物材料在体内吸收、消除或生物转化的或生物转化的速率速率在任何时间与在任何时间与该时间物质在该时间物质在体内的量体内的量成正比。成正比。即满足一级动力学过程：即满足一级动力学过程：-dc/dt=kcdc/dt=kc 第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应26反应过程与反应机理反应过程与反应机理物质与细胞大分子的物质与细胞大分子的共价结合：共价结合：物质物质或其具有活性的
17、或其具有活性的代谢产物代谢产物与机与机体的一些重要大分子发生共价结合，从体的一些重要大分子发生共价结合，从而改变核酸、蛋白质、酶、膜脂质等而改变核酸、蛋白质、酶、膜脂质等生生物大分子物大分子的化学结构与其生物学功能，的化学结构与其生物学功能，造成细胞损害。造成细胞损害。第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应27物质与细胞大分子的共价结合：物质与细胞大分子的共价结合：化学物质或其代谢产物与化学物质或其代谢产物与蛋白质蛋白质发生发生共价结合，蛋白质可位于胞浆、核或膜等共价结合，蛋白质可位于胞浆、核或膜等部位，部位，造成造成酶酶活性、活性、膜膜通透性、通透性、离子转运离子转运的改变、的改变、线粒
18、体线粒体能量代谢障碍、能量代谢障碍、细胞骨架细胞骨架损害、损害、细胞内细胞内钙稳态钙稳态失调、失调、影响细胞影响细胞信号传递信号传递 最终导致最终导致细胞死亡细胞死亡 细胞死亡：细胞死亡：第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应28物质与细胞大分子的共价结合：物质与细胞大分子的共价结合：致癌作用：致癌作用：致癌物与致癌物与核酸核酸相互作用，导致细胞癌变。化相互作用，导致细胞癌变。化学物质或其代谢产物，与学物质或其代谢产物，与蛋白质蛋白质发生共价结合，发生共价结合，引起引起DNADNA错误复制，如错误复制超过机体的错误复制，如错误复制超过机体的修复修复能力能力，将导致突变，最终引起癌变。，将导
19、致突变，最终引起癌变。与氨基酸或蛋白质有与氨基酸或蛋白质有相似空间构型相似空间构型的高分子的高分子单体，可能更容易到达靶部位单体，可能更容易到达靶部位细胞核细胞核，化学，化学毒物或其代谢产物一旦与核蛋白（控制细胞生长毒物或其代谢产物一旦与核蛋白（控制细胞生长、增殖和分化等生理过程）共价结合，将影响细、增殖和分化等生理过程）共价结合，将影响细胞的结构与功能。胞的结构与功能。第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应29反应过程与反应机理反应过程与反应机理物质与细胞大分子的共价结合：物质与细胞大分子的共价结合：免疫反应免疫反应：较小分子量的物质可作为半抗原与机较小分子量的物质可作为半抗原与机体组织
20、蛋白共价结合，改变其结构，使之体组织蛋白共价结合，改变其结构，使之成为一种免疫原，诱发各种特殊的免疫反成为一种免疫原，诱发各种特殊的免疫反应。应。细胞毒性反应、细胞毒性反应、过敏反应过敏反应/变态反应。变态反应。第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应30二、植入材料与组织界面反应二、植入材料与组织界面反应n物质过膜转运n反应过程与反应机理n颗粒状植入材料可能的毒副作用颗粒状植入材料可能的毒副作用n细胞对植入物质的反应规律n吸收物质的生物排泄 第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应31颗粒状植入材料可能的毒副作用颗粒状植入材料可能的毒副作用 植入颗粒材料经组织液和血液的转运植入颗粒材料经
21、组织液和血液的转运过程，可能富积于肝区、肾脏以及骨组织过程，可能富积于肝区、肾脏以及骨组织改建前端，造成细胞损伤。改建前端，造成细胞损伤。全身各种组织细胞，特别是具有全身各种组织细胞，特别是具有高分高分化特殊功能化特殊功能的实质细胞，如肝细胞、肾小的实质细胞，如肝细胞、肾小管上皮细胞、神经细胞、血细胞、心肌细管上皮细胞、神经细胞、血细胞、心肌细胞等在中毒时，最常出现病变形式，其本胞等在中毒时，最常出现病变形式，其本质是化学毒物作用下，质是化学毒物作用下，细胞生长代谢细胞生长代谢发生发生异常或停止，细胞内异常或停止，细胞内生命活动生命活动的严重障碍的严重障碍和和基本结构基本结构严重破坏与崩解。严
22、重破坏与崩解。细胞损伤细胞损伤：坏死、变性坏死、变性第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应32颗粒状植入材料可能的毒副作用颗粒状植入材料可能的毒副作用 是生命机体对异物入侵的一种普遍防卫反应。是生命机体对异物入侵的一种普遍防卫反应。原发于原发于植入体的直接作用植入体的直接作用 继发于继发于吸收引起的组织坏死或继发感染吸收引起的组织坏死或继发感染 表现：表现：组织细胞变性组织细胞变性 组织液、血液成分的渗出组织液、血液成分的渗出 炎症细胞侵润炎症细胞侵润 纤维素样变性和增殖纤维素样变性和增殖 炎症：炎症：第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应33二、植入材料与组织界面反应二、植入材料与组
23、织界面反应n物质过膜转运n反应过程与反应机理n颗粒状植入材料可能的毒副作用n细胞对植入物质的反应规律细胞对植入物质的反应规律n吸收物质的生物排泄 第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应34细胞对植入物质的反应规律细胞对植入物质的反应规律 细胞细胞是机体组织的基本组成单位，它通是机体组织的基本组成单位，它通过摄取、转化、贮存、利用物质和能量来维过摄取、转化、贮存、利用物质和能量来维持细胞的生命活动。持细胞的生命活动。细胞通过膜表面的蛋白质和亲和素与植细胞通过膜表面的蛋白质和亲和素与植入材料入材料表面结合表面结合。物质经细胞吸收后，与细胞中的物质经细胞吸收后，与细胞中的分子结分子结合合，有可能
24、参与细胞中的各种，有可能参与细胞中的各种生命活动生命活动，最，最终影响组织细胞的各种生物学功能。终影响组织细胞的各种生物学功能。第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应35细胞对植入物质的反应规律细胞对植入物质的反应规律植入材料对植入材料对免疫系统免疫系统的作用：的作用：不同的生物材料可能直接损伤不同的生物材料可能直接损伤免疫细胞免疫细胞的的形态形态或或功能功能；经吸收，干扰神经内分泌网络，使机体经吸收，干扰神经内分泌网络，使机体免疫功能低下，即免疫功能低下，即免疫抑制免疫抑制，导致机体易受，导致机体易受感染因素或肿瘤的攻击。感染因素或肿瘤的攻击。影响免疫细胞的影响免疫细胞的抗原识别能力抗原
25、识别能力或或敏感性敏感性，引起病理性免疫应答。，引起病理性免疫应答。同一化学物质不同条件下，分别表现为同一化学物质不同条件下，分别表现为免疫抑制或过敏。免疫抑制或过敏。第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应36二、植入材料与组织界面反应二、植入材料与组织界面反应n物质过膜转运n反应过程与反应机理n颗粒状植入材料可能的毒副作用n细胞对植入物质的反应规律n吸收物质的生物排泄吸收物质的生物排泄 第三章 相互作用二、植入材料与组织界面反应37吸收物质的生物排泄吸收物质的生物排泄排泄排泄：吸收物质及其代谢产物向机体外转移的过吸收物质及其代谢产物向机体外转移的过 程，是生物转运的最后环节。程，是生物转运的最后环节。肾脏排泄肾脏排泄：肾是排泄外来物质的最重要器官。毒物肾是排泄外来物质的最重要器官。毒物 可经阳离子或阴离子主动转运系统可经阳离子或阴离子主动转运系统逆浓度逆浓度 梯度梯度分泌至肾小管，进而排出体外。分泌至肾小管，进而排出体外。肝、胆排泄肝、胆排泄：血循环中物质进入胃肠道经过胆汁排泄血循环中物质进入胃肠道经过胆汁排泄 出出大分子物质大分子物质。
