人工晶状体材料和设计的生物适应性PPT课件

人工晶状体的生物相容性Biocompatibilityofintraocularlenses 天津市眼科医院天津医科大学眼科临床学院马忠旭 Biocompatibility thecapabilityofaprosthesisimplantedinthebodytoexistinharmonywithtissuewithoutcausingdeleteriouschanges InternationalDictionaryofMedicineandBiology Vol1 NewYork NY ChurchillLivingstone 1986 生物相容性 生物相容性 植入生物体内的材料理化性质稳定 能够与机体组织和谐共处 对机体无毒副作用 无刺激性 不引起机体的免疫反应 人工晶状体作为医用生物材料 植入眼内后直接与眼内组织 蛋白以及炎性介质相互作用 引起一系列生物相容性问题 生物相容性的影响因素 生物相容性包括了材料的许多特性 细胞毒性 组织相容性 血液相容性 生物材料的表面设计影响着生物体与移植材料的界面 生物材料的化学结构和表面特性影响着材料的生物相容性 包括界面自由能 表面亲疏水的平衡 表面电荷 化学结构和功能基团 分子量 多聚物的可伸缩性 表面形态结构和粗糙度等 生物材料的一般性能要求 生物相容性包括血液相容性 组织相容性 材料在人体内要求无不良反应 活体组织不发生炎症 排拒 致癌等 力学性能材料要有合适的强度 硬度 韧性 塑性等力学性能以满足耐磨 耐压 抗冲击 抗疲劳 弯曲等医用要求 耐生物老化性能材料在活体内要有较好的化学稳定性 能长期使用 在发挥其医疗功能的同时还要耐生物腐蚀 耐生物老化 成型加工性能容易成型和加工 价格适中 血管支架的生物相容性 性能良好的支架应在置入后 必须保证能让细胞很好的贴附生长 具有良好的细胞亲和性 提高支架置入后的生物相容性主要从两方面入手 即提高支架置入后的血液相容性和组织相容性 良好的生物相容性 其本身或降解产物无毒性 不会引起炎症和免疫排斥反应 良好的结构相容性 适当的强度和可塑性 能保持稳定的立体结构 置入后可以代替血管的结构和功能 良好的表面相容性和一定的生物活性 材料表面有利于种子细胞的黏附和生长 人工晶状体的相容性 葡萄膜相容性 uvealbiocompatibility 是IOL与虹膜 睫状体和前部脉络膜的反应所引发的早期和迟发的异物反应的强弱 即巨噬细胞等炎性细胞在IOL前表面的粘附程度 囊膜相容性 capsularbiocompatibility 是IOL引发的晶状体上皮细胞增生反应的强弱 包括IOL前表面的LECs增生膜 前囊膜混浊 ACO 后囊膜混浊 PCO 和囊膜皱缩的程度 AmonM Biocompatibilityofintraocularlenses letter JCataractRefractSurg2001 27 178 179 葡萄膜相容性 术后早期的炎症反应 主要源于手术对前葡萄膜的激惹 引起血 房水屏障的改变 术后晚期的炎症反应 源自免疫反应的结果 影响因素 手术操作技术 手术前后的治疗手段 IOL的材料和设计 宿主对IOL的反应 IOL诱导的炎性细胞反应 主要由巨噬细胞造成 也包括小圆细胞 巨细胞的反应 可以认为它是异物巨细胞对IOL的反应 同时也可以作为IOL生物相容性的重要指针 单核细胞和巨噬细胞从葡萄膜血管移行到前房 沉着在IOL表面 单核细胞转变为小圆细胞 巨噬细胞转变成上皮细胞和吞噬碎屑 细菌的异物巨细胞 这些细胞反应说明了异物反应的免疫过程 IOL诱导的炎性细胞反应 异物巨细胞 血 房水屏障 血 房水屏障受到IOL本身及其它因素的影响 如眼部存在的病变 眼手术创伤和手术前是否治疗 实验证实 小圆细胞在术后1周达高峰 3 6个月后逐渐降低 这与血 房水屏障的破坏与修复的过程一致 血 房水屏障破坏 引起蛋白渗漏并吸附在IOL表面 这层蛋白膜由多种蛋白组成 它的组成又受到IOL材料的影响 而这层膜又影响IOL表面细胞的黏附与移行 IOL材料与异物反应 亲水性IOL比疏水性IOL有较少的细胞黏附 也说明细胞黏附与IOL的表面特性有关 人工晶状体表面的异物反应可作为其生物相容性的指标 也是评价葡萄膜生物相容性的最重要的因素 巨噬细胞沉积的数量 囊膜相容性的机理 晶状体上皮细胞和晶状体囊对IOL材料及结构的反应 机理 白内障手术破坏了LECs及囊膜的完整性 诱发了晶状体自身的创伤愈合反应 产生上皮细胞增生和细胞外基质的重新构建 术后囊膜混浊的本质 是组织修复和晶体上皮细胞再生的过程 囊膜相容性的表现 IOL植入囊袋并与残余LECs接触 LECs增殖延伸于后囊 前囊和IOL表面形成ACO PCO和囊的收缩 人工晶状体与晶状体囊和上皮细胞的直接接触会引起许多介质参与的前后囊的混浊 晶状体上皮细胞 LECs有两种形状 一种是前部的立方形上皮细胞 另一种是赤道部弓形细胞 LECs与生物材料的接触后可产生细胞外基质蛋白 细胞外基质蛋白在晶状体囊与LECs之间以及LECs与IOL之间作为一种黏和剂 阻止LECs的增生 LECs LECs与PCO IOL植入囊袋后 LECs从前囊边缘向IOL的光学部蔓延 是囊混浊重要的致病因素 LECs表达的细胞因子可引起LECs在囊与IOL表面的增生与化生 形成前囊纤维化的前囊混浊 从撕囊边缘向人工晶状体表面的增殖膜 晶状体纤维变性形成的Sommerring环和珍珠小体 LECs与PCO TGF 与组织纤维化 前囊膜混浊 晶体前囊膜下和赤道部有一层LECs ACO出现在前囊膜和IOL光学部接触的部位 呈环形围绕撕囊口 Werner指出 siliconeIOL引发的ACO重于PMMA和acrylicIOL 2003年 Saika对PMMA silicone acrylic和hydrogel等4种IOL作了临床病理学的对比研究 光镜及电镜下可见 囊膜下聚集了纤维母细胞样的LECs和胞外基质 囊膜皱缩capsulecontractionorshrinkage 是环形撕囊后出现的并发症 撕囊口明显的缩小和晶体囊膜赤道直径的缩小 认为囊膜皱缩是囊膜纤维化产生的向心力与悬韧带向外牵拉的力量之间的不平衡造成的 它与悬韧带的力量 撕囊口的大小 残留的LECs的量 植入IOL的直径 袢的硬度有关 IOL偏心偏位 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯 其材料稳定 质轻 透明度好 屈光指数1 49 为疏水性材料 有较好的抗老化和抗环境变化特性 较好的抗酸 碱和抗有机溶剂特性及良好的生物相容性 不被机体的生物氧化反应所降解 缺点 不耐高温 高压 多用环氧己烷气体消毒 弹性有限 不能制造可折叠人工晶状体 对YAG激光耐受有限 而且激光治疗后释放的单体具有生物毒性 是一种较为理想的制造硬质人工晶状体的材料 水凝胶 PHEMA 为聚甲基丙烯酸羟乙酯 PHEMA 是一种亲水性材料 脱水状态时质硬 半透明 可进行抛光处理 此物质折光指数与吸水率呈反比 吸水后折光指数下降 吸水率40 时屈光指数为1 43 充分复水后质韧 透明 优点 热稳定性佳 耐高温 高压灭菌 质软 韧性好 不易断 可折叠 更适合使用YAG激光 化学稳定性好 植入后炎症和渗出反应较轻 缺点 由于PHEMA具有网状结构 可使水分子 离子以及小分子物质自由通过 同时也易使排泄及污染物存留 发生迟发性钙沉积 使其透明度降低 此外 还有羟基磷灰石导致混浊的现象 从而引起视力下降 可能是眼内代谢产物钙 磷沉积导致 硅凝胶 硅凝胶是一种聚甲基硅氧烷 是疏水性材料 优点 热稳定性好 耐高温 高压 可进行高压煮沸消毒 抗老化性好 可折叠 比重为1 04 是我国最早生产的软性人工晶状体材料 缺点 韧性差 抗拉力和抗撕力差 屈光指数较PMMA小 同等屈光度较PMMAIOL要厚 生物相容性相对差 易产生静电效应 使空气中的微粒及眼内代谢产物容易黏附在晶状体表面 且易与硅油黏附 可影响术后人工晶状体的透明度和透光率 疏水性较强 表面易黏附炎症细胞 细菌等 硅凝胶遇水后表面较滑 给植入带来困难 聚丙烯酸酯 甲基丙烯酸的长链脂类聚合物与它和丙烯酸的共聚物统称为聚丙烯酸酯类聚合物 具有稳定的惰性 光学透明性 其弹性较小 由折叠状态到完全展开约需3 5秒 因此术中操作比较安全 分为亲水性及疏水性2种 疏水性丙烯酸酯类人工晶状体 具有屈光指数高 激光损伤阈值高 复位慢 易操作等优点 亲水性丙烯酸酯材料 屈光指数为1 47 激光损伤阈值与疏水性丙烯酸酯相仿 同时亦具有伸展缓慢等特点 容易操作 亲水性丙烯酸酯 亲水性丙烯酸酯是HEMA与甲基丙烯酸甲酯MMA通过化学交联共聚结合而成 优点 既具有良好的机械性能和光学性能 耐高温 IOL可脱水植入 又具有良好的弹性和亲水性 折叠时不易产生划痕 可减少异物反应 缺点 其富含渗水性 眼内代谢物可进入内部而黏附污染 影响其透明度 IOL内部发生有钙等物质混浊的报道 其亲水表面给细胞的增生和迁移提供了合适的基质 LECs在此表面增生的发生率较高 但宿主抗异体细胞反应较轻 较少发生巨细胞和上皮样细胞的沉积 疏水性丙烯酸酯 疏水性Acrylic是由苯乙烯基丙烯酸甲酯 MMA 苯乙基丙烯酸酯 HEMA 及其他交联体聚合而成的一类多聚物 优点 可被高度纯化 性质稳定 透明性极佳 屈光指数为1 544 较PMMA高 可做成更薄的IOL 表面黏性较大 使其更易黏附于囊袋内 使后囊与视区紧密接触 阻止晶状体上皮细胞的移行 后发障发生率也低 丙烯酸酯对硅油的黏附性远小于硅凝胶IOL 缺点 其易被镊子损伤产生划痕 其高折射率可使患者术后眩光等不良现象增加 亲水vs疏水 两类IOL材料诱导LECs的病理变化的规律为 在亲水性IOL表面 增生的LECs能够长期存活 变性 纤维化较轻 而在疏水的IOL表面 增生的LECs会较早地发生较重的变性 纤维化 由于LECs分布的解剖学差异 导致了同一IOL材料诱发的ACO和PCO的不同 疏水性IOL与PCO 疏水IOL的PCO更轻 视敏度更好 疏水的IOL 由于能诱导LECs迅速而明显的变性 LECs在由IOL后表面周边向中心的迁移过程中就会出现变性 纤维化 甚至死亡 从而表现为囊膜周边的混浊程度较重 但由于绝大部分LECs未能到达IOL中心部就死亡了 因而IOL光学中心还能保持良好的透光性 因此 疏水IOL其PCO的形成 表现为一个向心的形成过程 亲水性IOL与PCO 亲水的IOL发生PCO的病理过程完全不同 由于亲水的IOL对LECs的刺激作用不大 LECs变性较轻 因此LECs会长满整个后囊膜 特点为 PCO的范围较广但是程度较轻 尽管程度轻 但因为IOL的后表面光学中心部是眼的光学结点 因而会影响视觉质量 亲水性IOL与PCO Hollick发现 亲水性IOL的PCO有一个发展的趋势 IOL植入后 很快就可以观察到IOL与后囊膜间 有一层LECs出现 开始很薄且形状不规则 随着时间的推移逐渐变厚 变致密 形成Elschnigpearls等 影响视力 对比敏感度研究 术后2年 hydrogel的对比敏感度比silicone和PMMA的患者都差 尽管他们的矫正视力差异不显著 Elschnig spearls扫描电镜 IOL材料与PCO 细胞外基质蛋白的黏和作用与IOL的表面特性密切相关 疏水性材料比亲水性材料引起较轻的PCO 一个可能的原因是亲水性IOL引起晶状体囊袋的收缩力弱导致残留晶状体囊袋的间隙使得LECs得以在后囊与人工晶状体光学部发生黏连之前沿后囊表面迁移 形成PCO 并且亲水性人工晶状体表面容易钙化 IOL材料同TGF PCO的病理 PCO 亲水与疏水的不同 在亲水IOL表面 增生的LECs能够长期存活 变性 纤维化较轻 而在疏水的IOL表面 增生的LECs会较早地发生较重的变性 纤维化 由于LECs分布的解剖学差异 导致了同一IOL材料诱发的ACO和PCO不同 一种新型的IOL 锐缘 前表面亲水而后表面疏水的IOL 这种IOL具有亲水性不同的两个表面 由IOL囊膜相容性的病理机制可以推测 它可能具有较轻的ACO 囊膜皱缩和PCO 亲水的IOL的前表面还意味着良好的葡萄膜相容性 复合型IOL 一种新型的IOL 锐缘 前表面亲水而后表面疏水 这种IOL具有亲水性不同的两个表面 由IOL囊膜相容性的病理机制可以推测 它可能具有较轻的ACO 囊膜皱缩和PCO 亲水的IOL的前表面还意味着良好的葡萄膜相容性 复合型IOL ModifiedsiliconeIOLswereproducedbygrafting2 MPC ontotheanteriorIOLsurfaceusingaplasmatechnique 记忆人工晶状体材料 记忆材料是由甲基丙烯酸甲酯 甲基丙烯酸羟乙基酯 甲基丙烯酸羟基苯酚酯与乙二醇双丙烯酸酯交联聚合而形成的三维共价网状结构 此材料在低于25 环境下质硬 将其加温变软后卷曲 冷却 使其成硬性卷筒形状 手术中将硬性卷筒形状的人工晶状体通过小切口植入眼内 经体温加热 其将依靠记忆 缓慢恢复初始形状 记忆材料为亲水性材料 可吸水20 屈光指数1 47 耐高温 高压 有极好的生物相容性 注塑式人工晶状体 手术中通过小切口清除晶状体物质后 将能迅速聚合成有弹性的凝胶状态的生物材料注入完整晶状体囊袋内 当该材料凝固后 形成一种类似正常晶状体生理状态的人工晶状体 目前还未在临床应用 注入型人工晶状体 1964年Kessler首次利用液态硅注入兔的晶状体囊袋内 得到了有弹性的人工晶状体 从而为人工晶状体的发展揭开了新的篇章 注入型人工晶状体在保持睫状肌 悬韧带和晶状体囊膜完整的条件下 在晶状体核与皮质后的囊袋内注入凝胶状态的人工晶状体材料 当材料固化后 通过睫状肌收缩引起晶状体囊膜形态的改变而获得与正常晶状体相同调节功能的晶状体 表面修饰的IOL IOL的材料不同 其在细胞黏附 硅油黏附 细菌黏附 蛋白吸附等方面的生物学性状会存在差异 通过表面修饰来改变IOL的生物学性状 进一步提高其生物相容性已成为眼科界的一个焦点 肝素修饰的IOL 肝素修饰的IOL是目前唯一已经商品化的IOL 它通过传统的化学方法 将肝素接枝在PMMA或亲水性丙烯酸酯材料表面 使IOL表面的亲水性提高 体外 体内实验及临床观察均已证实 肝素化的IOL较单纯的IOL的生物相容性好 IOL的材料的改性方法 化学改性法等离子体法表面修饰法物理改性法 化学改性法的原理 通过共聚 接枝等方法来改变材料的组成 从而获得具有良好细胞亲和性的表面 MPC修饰IOL 2 甲基丙烯酰氧乙基 2 三甲氨乙基磷酸酯 MPC 亲水性的表面有利于细胞黏附生长 疏水性表面则更易吸附蛋白 蛋白的吸附是影响血液相容性的重要方面 故使材料表面亲疏水性达到平衡也是提高生物相容性的重要方法 MPC修饰IOL MPC对人工晶体进行表面修饰不仅可使晶体表面产生亲水环境 而且较其他聚合物修饰更能抑制血清蛋白的表面黏附 Okajima等通过对软性疏水性丙烯酸酯IOL表面进行MPC聚合物修饰 发现修饰表面不仅可抑制体外培养的巨噬细胞的黏附 而且可抑制LECs的黏附与增殖 从而提高了丙烯酸酯IOL的生物相容性 MPC修饰IOL 细菌与纤维母细胞在IOL表面的黏附往往是细胞表达与增生的最初阶段 Shigeta证实 MPC修饰IOL可有效抑制细菌与纤维母细胞的黏附 故MPC修饰可为降低IOL植入术中眼内炎发生风险提供了一种有效的手段 姚克通过MPC修饰 使硅凝胶IOL表面呈永久亲水性 致使血小板 巨噬细胞和LECs在IOL表面的黏附明显受抑 说明硅凝胶IOL修饰后 其表面生物相容性得以增强 MPC修饰IOL 2 2 4 磷脂修饰IOL 磷脂单体MPC是目前国内外公认的生物相容性最佳材料 它有不吸附蛋白 不黏附细胞 不激活细胞的特性 黄晓丹采用低温等离子体表面改性方法将MPC接枝于硅凝胶软性IOL前表面 研制出一种前表面亲水后表面疏水的新型IOL 实验证实这种新型IOL有亲水和疏水两种IOL的优点 烯丙基葡糖苷修饰IOL 为了提高IOL的生物相容性 降低表面细胞的黏附性 曲超采用等离子体引发聚合方法 在PMMAIOL表面 在位聚合 修饰一层 烯丙基葡糖苷 静态接触角 电子能谱分析 光学和力学指标及体外细胞黏附性测试等结果表明 等离子体引发聚合所制备的 烯丙基葡糖苷表面修饰的IOL光学 力学指标均达到产品标准 经表面修饰的IOL亲水性提高 巨噬细胞的黏附性降低 具有更好的生物相容性 低温等离子体改性法 是利用等离子技术 使材料表面引入不同基团 从而使材料具有细胞识别位 氟 肝素修饰IOL 肝素为一种聚胺聚糖 带多量负电荷 亲水性强 氟离子可增加IOL表面的接触角 降低其表面能 使IOL表面疏水 袁佳琴采用载能离子束联合低温等离子体技术对PMMAIOLs表面进行氟离子与肝素双重表面修饰 使IOL表面同时具备肝素修饰和氟离子处理的特点 亲水性和疏水性处于平衡状态 出现亲疏水基团的微相分离结构 将氟 肝素表面修饰的PMMAIOL在体外通过细胞黏附 细胞生长实验 体内实验进行兔眼 猕猴眼内植入 进行相关的基础及体内研究 结果表明 氟 肝素表面修饰PMMAIOLs能更效地防止细胞黏附等并发症 钛修饰IOL 王桂琴采用低温等离子体联合离子束技术对硅凝胶IOL表面进行钛及氮化钛表面修饰 经钛修饰的IOL的接触角明显比未修饰硅凝胶IOL小 表面亲水性增加 不易产生静电 对细胞 病毒 杂物的黏着性下降同时提高了对紫外光的吸收能力 兔眼内植入实验显示 修饰IOL引起后囊混浊的程度轻于未修饰IOL 说明经表面修饰后 硅凝胶IOL其表面的黏附性能改善 IOL表面的异物反应减轻 提高了IOL的生物相容性 碳 钛修饰IOL Yuan通过使PMMAIOL表面更加疏水的表面改性方法 对PMMA进行碳 钛表面修饰 经过1年的动物体内观察 证实能减少前房的炎性细胞和纤维渗出 表面修饰法 通过在材料表面固定一些贴壁因子 生长因子而提高材料的生物相容性 活性氧修饰IOL气浆修饰IOL纤维结合素修饰IOL 活性氧修饰IOL 血浆化处理以及紫外线 臭氧表面修饰 均为亲水化法 可增强表面黏着力 AcrySofIOL表面有血浆蚀刻 具有较低的PCO发生率 材料表面的化学结构也有重要影响 引入胺基 酰胺基 羟基 羧基 磺酸基等基团有利于细胞的黏附和生长 松岛分别对疏水性丙烯酸酯IOL表面进行紫外线和臭氧的活性氧修饰以及氩血浆照射 用电子分光镜进行表面功能团检测 结果表明修饰后晶体表面氮含量 羟基及羧基等功能团均增多 且处理组晶体表面纤维结合蛋白与晶体上皮细胞的黏附性均增加 可预防PCO的发生 气浆修饰IOL 一种材料对于细胞的表面黏着可通过表面接触角来评价 接触角的测定可估计材料的亲疏水性 亲水的IOL对硅油的黏附最少 硅凝胶对其黏附最大 水凝胶对细菌黏附最少 硅凝胶则最多 Yuen对PMMA 硅凝胶及疏水性丙烯酯IOL进行气浆修饰 经测定其表面动态接触角均增加 明显提高了晶体表面的亲水性 发现未处理组晶体表面的牛眼晶体上皮细胞形态呈成纤维细胞样 而修饰组晶体可使黏附的牛LECs保持其正常的上皮形态 故可望通过进行IOL修饰后控制LECs的生长来降低PCO的发生率 纤维结合素修饰IOL Cooke等研究发现 将人眼LECs分别黏附于硅凝胶 PMMA及丙烯酸酯3种IOL时 丙烯酸酯晶体表面的黏附量最多 而对上述3种晶体进行纤维结合素修饰后 则人眼LECs在这3种IOL表面的黏附量均显著增加 且三者间无差别 若能通过修饰改善LECs在不同IOL生物材料表面的黏附特性 则可能最终促进IOL对晶体囊膜的黏附 从而降低后发障的发生率 物理改性法 采用粉碎 摩擦等方法 利用机械应力对材料进行表面激活 改变其表面的晶体结构 使分子晶格发生位移 内能增大等 以对其进行表面改性 人工晶体表面抛光 山川通过对PMMA人工晶体光学面进行抛光 使人工晶体获得不同程度的表面糙度值 结果表明人工晶体光学部表面糙度值越低 所黏附的炎性细胞越少 人工晶体的生物相容性得以提高 有可能降低实验性变应性色素层炎的发生率 田中亦对丙烯酸酯IOL中央光学部进行抛光使其表面糙度下降 研究结果显示IOL光学部表面糙度值越低 细胞黏附数越少 从而可避免眼内炎的发生 改进人工晶体表面设计 材料表面的构型与形状对于材料与细胞的相互作用开辟了新的研究领域 方形边缘的IOL是预防后囊混浊的有效设计 人工晶体光学部设计成方形边缘可在IOL与后囊膜之间形成一种间断性的弯管 使得晶状体与后囊间紧密贴附 达到接触抑制的作用 阻止晶状体上皮细胞由周边囊膜向视轴中心生长 从而降低了PCO IOL袢的设计 襻的材料主要包括PMMA PVDF及丙烯酸酯 PMMA是襻最常用的材料 MA6OBM及SensarAR40e的襻均为PMMA CeeOn911A的襻为PVDF材料 近年来丙烯酸酯也可作为襻的材料 一片式丙烯酸酯IOLSA60AT的襻即是代表 理想IOL的襻应该具有足够的柔韧性而易于植入 并能随囊袋形状调节 无论在植入过程中还是在术后都能避免对眼组织的破坏 还应能抗拒一定的外部压力 例如由于囊袋纤维化而带来的收缩力 这样就必然要求襻的材料具有良好的韧性和弹性 有晶状体眼前房型IOL Acrysof前房角支撑型有晶体眼人工晶状体 由美国Alcon公司生产 可折叠 应用推助器 通过切口即可植入前房 其在前房内距离角膜内皮的距离为2 0mm 离自然晶状体前囊膜的距离为0 7mm