第2章-生物相容性及生物学评价

第2章生物相容性及生物学评价,目录,2.1人体生理环境,生物学环境：处于生物系统中的生物医用材料周围的情况或条件，其中包括体液、有机大分子、酶、自由基、细胞等多种因素。人体的内部环境基本上是建立在全部或是部分的还原的有机材料（分子和组织）之上的。,人体的生理环境：体温为37，由水、电解质、血糖、蛋白质等构成相对稳定的内环境。细胞外液的4/5存在于血管外构成组织液，1/5在血管内，即血浆。正常人血的相对密度为1.050-1.060，粘度为4-5（通常以水的粘度为1作为标准进行计算）。血浆的渗透压约为313mOsm/L，pH值为7.35-7.45。模拟人体生理环境的溶液：有机酸、蛋白质、酯、生物原分子、电解质、溶解氧、氮化合物以及可溶性碳酸盐的NaCl水溶液，浓度约为0.1mol/L，溶液的pH值约为5.5（0.2）的溶液。,2.2生物相容性,1）定义生物材料在宿主的特定环境和部位，与宿主直接或间接接触时所产生相互反应的能力。生物相容性是是材料在生物体内处于动态变化过程中，能耐受宿主各系统作用而保持相对稳定，不被排斥和破坏的生物学特性，又称为生物适应性和生物可接受性材料与宿主产生相互作用所涉及生物化学、生物力学和生物电学三个反应系统。2）生物相容性分类两类：组织相容性和血液相容性,组织相容性定义：材料与组织器官接触时，不能被组织所侵蚀，材料与组织之间应有一种亲和能力组织相容性的优劣，主要取决于材料结构的化学稳定性。一般来说，相对分子质量大，分布窄或有交联结构的材料，组织相容性较好。其顺序由好到差依次为：硅橡胶、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯晴、聚酰胺、酚醛树脂、环氧树脂等。具体表现为生物材料和生物体结缔组织中的胶原结合成为一体，并能保持长时间稳定牢固的结合。某些材料长期植入机体仍然会对组织细胞产生影响，甚至诱发肿瘤的发生，只是不同的生物材料制成的人工器官植入体内诱发肿瘤的潜伏期有所不同而已。生物材料的组织相容性还与高聚物的形状和表面粗糙程度有关。,血液相容性,1）定义生物材料与血液循环之间的一种特殊联系2）表现生物材料的界面现象（在材料的表面首先吸附血浆蛋白，包括白蛋白、球蛋白、纤维蛋白原等）；溶血、白细胞减少等细胞水平的反映；凝血系统、纤溶系统激活等血浆蛋白水平反映；免疫成分的改变、补体的激活以及血小板受体、二磷酸腺苷（ADP）和前列腺素的释放等分子水平的反映。,3）生物材料的表面与血液成分的相互作用,生物材料与血液接触，可以激活凝血因子，启动凝血系统形成血栓，经内源性凝血系统实现。内源性凝血一般是从凝血因子XII激活为XIIa开始，随后相继激活其他凝血因子，形成凝血。当材料与血液接触时，血浆蛋白首先吸附于高聚物表面。一般来说，容易吸附蛋白质的材料表面不利于血小板的吸附，材料的抗凝血性能较好；容易吸附-球蛋白和纤维蛋白原的材料表面，则能加速凝血过程的形成。血小板的黏附和凝集，不仅仅与血管带电情况有关，可能还与材料表面吸附蛋白质的种类有关。血液成分与材料表面接触并相互作用，是否会造成红细胞受损而引起溶血，主要与材料表面积、化学结构、材料表面的粘附性、血液参数、凝血变化等因素有关。,所有的生物材料几乎都能激活中性粒细胞和单核细胞。白细胞在生物材料表面形成血栓起着直接的作用，主要是由于白细胞具有内源性前凝血质活性和前聚集体活性，它们均可影响血小板聚集。高聚物表面与血液接触时，可以激活补体系统。补体是存在与血液中的一类参与免疫效应的蛋白分子，由20多种血清蛋白组成。当生物材料与血液接触之后，可以通过两条途径激活补体系统。直接或者表面吸附的免疫球蛋白引起经典途径的补体激活；通过旁路途径激活补体系统。,4）生物材料表面特性对血液相容性的影响,生物体与生物材料表面的接触，它们之间的初级反应必然依赖于生物材料表面的性能，如材料表面的物理性能、表面电荷、亲水性、表面自由能等，所以生物材料的表面性质在生物学反应中起着至关重要的作用。生物材料表面的粗糙度是影响血液相容性的一个重要因素。因为越粗糙的表面暴露在血液中的面积越大。表面的润湿性，即材料亲水性或疏水性是一个重要的因素。亲水性的材料表面比疏水性的材料表面更有利于细胞生长。亲水性的表面吸附作用较弱，并且是可逆的，这有利于调整材料的结构以适合细胞的生长；疏水性的表面吸附作用强，又不可逆，不易形成材料结构的重建。,人们利用血液相容性与材料表面亲水性之间的这种关系，研制和开发了许多水凝胶高聚物材料。水凝胶：一种亲水性的材料，具有良好的血液相容性，但机械性能较差可通过化学或物理的方法将其接枝到机械性能较好的材料表面，这样既保持了原有的机械性能，又在材料表面形成了具有凝血作用的表面层，从而提高了材料的血液相容性。与血液接触的材料表面化学性质与材料表面电学性质紧密相关。高分子官能团的种类决定了表面电荷的种类和多少。材料表面带有负电荷，会引起某种蛋白质的吸附形成钝化层，材料对血液的毒性减小，从而使材料具有更好的血液相容性。,2.4材料在生物体内的反应,医疗器械的复杂性主要取决于植入体对于宿主的影响以及宿主对于植入体的影响这两方面的因素。大部分的变化对生物体都有不利的影响。,图2-1几种植入材料表面在生物材料环境下常见的变化,宿主反应和材料反应,宿主反应是生物机体对植入材料的反应。宿主反应的发生是由于生理环境的作用，导致构成材料的组分原子、分子以及颗粒、碎片等代谢产物进入机体组织。生物材料进入机体后，可产生以下宿主反应：,（1）宿主反应,局部组织反应，是组织对手术创伤的急性或炎性反应；全身毒性反应，是由于材料降解在合成加工及消毒过程中吸收或形成的低相对分子质量产物造成的，有急性和慢性反应；,过敏反应，是由于材料降解所产生的毒物造成的；致癌、致畸、致突变反应，是由于材料中或降解产物中产生的有害物质造成的；适应性反应，是慢性的、长期的，包括机械力对组织和材料相互作用的影响。,材料反应是材料对生物机体作用产生的反应，材料反应的结果可导致材料结构破坏和性质改变，主要包括：,（2）材料反应,1）生理腐蚀生理环境对材料的化学侵蚀作用，致使材料产生离解、氧化等，导致过敏反应；2）吸收材料在生理环境中，可以通过吸收过程使其功能改变，也可导致材料物理机械性能改变；3）降解及失效在生理环境作用下，材料可能被机体降解，导致材料失效。磨损可以使修复体部件之间结合受损，造成修复体失效。机械力作用也可能引起材料失效。,2.4.1膨胀与浸析,植入材料与生物环境间最简单的相互作用形式是：在不发生反应的条件下，材料通过界面的转移。膨胀：物质从组织进入生物材料，致密的材料就会因为体积增加而发生膨胀。主要是指液体物质、周围的液相介质中的某些成分或溶质。浸析：当液体进入材料的内部，或是生物材料的某种成份溶解在组织的液体相中时，就将这种产生材料的孔隙的过程。膨胀和浸析都是扩散的结果。造成膨胀最简单的情况：从固定的浓度、完全均匀的混合液体到无限大介质的扩散。吸收造成的影响可以总结为：颜色的变化、体积的变化、可能还有力学性能的变化。一般情况下，作为吸收的次级效应，力学性能的变化包括：弹性模量的降低，内部粘度的增加，延展性的增加，如果植入材料与被吸收的物质发生反应，延展性也可能降低，摩擦系数的变化以及抗磨损性能的降低。导致浸析的最简单的情况：扩散物质以恒定的速率离开材料的表面。,膨胀和浸析引起的材料变形有不少有害的效果。膨胀的影响：材料中应力可能超过蠕变应力，这将造成持续的变形和吸收膨胀会降低材料的弹性极限，而且会导致一种静态疲劳或“裂纹”的失效形式。浸析的影响：作为膨胀的相反作用，浸析对性能的影响一般不会太显著。可能发生的问题是对浸析产物的局部和系统整体的生物反应。过度浸析（例如金属晶间浸析）可以导致断裂强度的降低。浸析造成的缺陷可以聚合成空洞。对刚性材料来说，如果空洞所占的体积百分比大到一定值，就会造成弹性模量的降低，其降低的数量与空洞体积百分比的二次方成正比。,2.4.2腐蚀与溶解,生物医用金属材料在机体内重要反应之一是腐蚀和溶解。对高分子和陶瓷材料来说，腐蚀一般不是很显著，但是也存在着问题。金属在腐蚀时发生阳极溶解反应，阳极金属溶解越多，失去的电子数越多，则由阳极输出的电量也越大。缝隙腐蚀和点蚀是两种最重要的腐蚀形式。缝隙腐蚀常发生在螺栓板材装配结构的接合间隙内。腐蚀痕迹大多在板上的孔洞处。缝隙腐蚀偶尔也发生栓与板接合的部分。在板与螺栓之间也可能发生电化学腐蚀。电化学腐蚀常使螺栓与板的接触区域变色，留下像“烧焦”或“熏黑”的痕迹。,应力腐蚀也有可能发生，但是非常少见，在现代整形手术多元件装置的实际应用中，已经看不到晶间腐蚀、浸析腐蚀和冲刷腐蚀。对单一元件装置，如颅骨板、骨髓内杆、内部修补物、锁钉和骨折端环扎线等，腐蚀很轻微。均匀腐蚀不可避免，而应力腐蚀，或者更一般地说，应力增高或破裂失效(疲劳腐蚀)，大概是最重要的破坏形式。在不存在循环载荷的情况下，一般不会发生机械断裂。与血液接触的区域发生的腐蚀极为复杂。过量的氧和连续流动的电解质为各种腐蚀提供了高度的活性；血液中存在的许多有机小分子也会影响腐蚀速率。,在植入区的有机分子会影响腐蚀速率。可以从以下四个方面考虑它们的作用：(1)有机金属络合物的形成(2)腐蚀产物电荷的改变(3)钝化膜的变化(4)磨损条件的改变总之，腐蚀导致所有的金属植入物释放出阳离子，可以分为几部分。体内环境的一部分如三价铁离子或亚铁离子；具有已知生物功能的微量元素，如三价铬离子；其他的离子在自然界中十分稀少，然而这些元素即使在没有非正常腐蚀过程的情况下，也会被释放进入体内，其浓度比正常人体内的标准高几个数量级。,2.4.3生物分子与材料表面的反应,生物材料一旦植入体内用来连接、修复损伤的组织、器官等，人体的组织即将对植入体进行反应。这种反应通常只在材料与生物体接触的界面上进行的。生物分子与材料表面的反应的方式取决于植入的位置，反应的过程与材料的结构与性质有关，包括生物结合、毒性反应、排异与吸收。不同的生物材料可直接损伤免疫细胞的形态和功能，或者经吸收干扰神经内分泌网络等，使机体免疫功能低下，导致个体易受感染因素或肿瘤的攻击，也可影响免疫细胞的抗原识别能力或过敏性，引起病理性免疫应答，表现为过敏反应或自身的免疫性疾病。化学物对免疫系统的作用具有双向性，即化学物可在不同的条件下分别表现为对机体的免疫抑制或过敏。,2.4.4高分子材料的水解与降解,水分的吸收特性和高分子的水解特性共同决定了材料在生理环境中的行为。酶和自由基是生物降解应该考虑的两个主要因素。一般的生物降解材料：一种人工合成的高分子有机物，或天然高分子材料，其在体内经水解、氧化反应，最终代谢产物为CO2和H2O，通过呼吸系统或泌尿系统排出体外，不在体内蓄积，几乎没有毒性作用，也不需要二次手术取出。常用的可吸收材料：有聚乙交酯、聚丙交酯、聚酰胺以及某些自增强材料等。目前，各种降解材料存在的主要问题：可降解聚合物的机械性能差可吸收材料在体内的降解强度衰减过快,2.5宿主反应,2.5.1伤口愈合过程生物材料植入后形成的伤口愈合经过一系列的过程：间质细胞与纤维细胞移动到伤口处的组织坏死的组织残骸，血块等被粒细胞核巨噬细胞移走移走的成纤维细胞利用纤维素构成的支架分化胶原新的毛细血管形成内皮细胞和成纤维细胞都能够释放胶原酶，保持伤口处的胶原质含量达到平衡2-4周后，伤口处逐渐恢复和发生组织在建。在伤口愈合期间：伤口组织的蛋白糖和多聚糖将会减少成纤维细胞的增值速率变得缓慢，达到胶原合成和溶解的新平衡，伤口开始愈合。在伤口修复期间，伤口的愈合过程将随着组织的变化而变化。,图2-2生物材料在体内的反应随时间的变化,强度随时间的变化主要取决于植入体大小、形状、植入位置以及材料的物理化学性质不同导致伤口区域的不同。,图2-3急性炎症反应,图2-4局部慢性炎症反应,肘部补体周围存在淋巴细胞和单核白血球，在外来大细胞周围的裂口能观察到聚乙烯磨损的碎屑。,在PTFE血管植入物外表面发生的流脓和附着有多形态的白血球,图2-5外来体对于完整的膝关节置换体滑膜下关节囊的聚乙烯磨屑的反应。在磨屑小的碎片表面存在外来巨噬细胞和腹腔巨噬细胞。金属磨屑包含在腹腔巨噬细胞内部。,图2-5磨屑反应,图2-6硅橡胶乳房补体界面上纤维囊的密度,纤维囊内部没有血管。图中乳房补体开裂，显微照片顶部的椭圆形小块代表了组织于生物材料界面的硅凝胶。,2.5.2免疫反应与补体系统,免疫反应：人体对病原体或异物通过免疫系统时作出的防御反应。所说的免疫反应实质上就是抗原抗体反应。当病原体或异物侵入人体后,激化人体内的淋巴细胞产生体液免疫和细胞免疫。体液免疫：体内的B淋巴细胞被抗原刺激后产生全身或局部性的抗体。细胞免疫：体内的T淋巴细胞被抗原刺激后产生细胞毒作用。两种免疫，前者能消灭病原体，后者可中和毒素。人体有许多物质可以作为特异性抗原，由于某种因素激活机体的免疫系统而发生免疫反应，免疫反应几乎可以发生在全身各个系统。,图2-7免疫系统的功能元素,2.5.3全身反应,系统的毒性是随着生物材料植入体内后，宿主对材料降解或产生磨粒磨损而造成的。生物材料毒性在植入体内之前必须被严格的研究和评估过。对于每一种生物材料来说，它的毒性常常有一个门槛值，低于这个值则说明生物材料不具有毒性。重复使用同种材料的反应与第一次使用这种材料的反应是相似的。由生物材料引起的免疫性反应，或是材料的降解和磨损常常具有很低的门槛值。尽管增加生物材料的使用量可能不会引起恶化的反应，但是重复的使用材料时门槛值会降低或引起毒性增加。,系统的毒性有免疫反应引起。当宿主受到外来物质入侵时免疫系统发出响应保护机体。高度敏感的免疫响：那些不正常的、多余的、不受控制的反应。细胞内部化学物质的释放和炎症反应的刺激会导致机体损坏。一般由于免疫反应或是材料降解和磨损引起的系统毒性是不可能被预测的，因为免疫响应取决于各个机体的基因、材料的剂量、植入的位置等。个体的免疫系统千差万别，可能与用来实验的动物差异很大。高敏感反应可以分成4中类型。,第一种反应类型：抗原与IgE类免疫球蛋白抗体的反应。IgE黏附与宿主皮肤或其他组织的细胞上（柱状细胞、嗜碱细胞、血小板、嗜伊红细胞）。由于细胞质的释放导致抗原的产生，包括活化的分子，例如组织胺、肝磷脂、血清素、以及其他的血管活化物质。随后在几分钟或几小时内导致局部或体系的毒性症状。,第二种反应类型：它的临床表现与第一种反应相同，但是它们具有不同的机制。第二种反应中，抗体是IgG或IgM类免疫球蛋白。抗原粘附于血小板上，形成半抗原。药物-血小板的结合刺激了免疫系统，产生抗体。抗体与血小板的反应激活了补体系统，造成血小板细胞膜破坏，细胞质被释放出来，其中包括血管活化物质。植入生物材料引起的第二种类型的反应极为罕见。,第三种反应类型：高度的过敏症状，它被归类为“复杂性的免疫反应”，是由于受到复杂的免疫性破坏引起的炎症响应刺激的结果。病症的征兆或症状通常发生在抗原和抗体产生反应的几天或几周后。当抗原和抗体同时出现在机体循环中时，问题就产生了，在血管壁上形成了复杂的免疫反应。这种反应通常只发生在药物缓释和生物降解的系统中。,第四种反应类型：这种高度过敏反应与抗体的产物没有联系，但是与一种同抗原反应的T细胞关系密切。这个复杂的反应体系包括T细胞、巨噬细胞和可溶性介质。通常第四种反应是剧烈的，在24-48小时之内会出现皮疹之类的症状，整个体系的反应也可能出现。,由于生物材料在人体内降解或磨损会引起的体系反应。生物材料释放的有毒物质可能会损坏一个特定的器官。这通常可以通过对生物材料化学分析和材料在组织内的降解和磨损产物等分析被测试出来。磨损产物的生物学反应很重要并且具有争议。很多生物材料包含有几种复合物，磨损作用也受几种物质共同的影响，正如全关节置换器的磨损颗粒有金属、高分子聚合物和陶瓷材料。材料的实际形状、尺寸和化学成分对全身的高度过敏反映作用的影响还是未知的。,2.5.4材料与肿瘤的产生,肿瘤是机体在各种致瘤因子长期协同作用下，某部易感细胞群体逐渐发生的、过度的异常反应性增生，往往持续增长，且与整体不相协调。即使这些致瘤因子已经停止作用，细胞的增生仍继续进行下去。这种肿痛性细胞增生应与以下几种正常细胞增生相区别。(1)与儿童生长分裂细胞，皮肤和造血骨髓细胞的增殖分化相区别；(2)与炎症性和修复性增生相区别，如外伤引起的成纤细胞和胶原细胞增生；(3)同局部组织受刺激或内分泌紊乱引起的细胞增生相区别。基本区别在于：上述这些细胞增生在刺激除去后就停顿了，并可能在一定程度上消退。,良性肿瘤：肿瘤块一直在它们的原发部位扩大生长，同周围邻近的正常组织有一明显边界区分，秉性柔和，相对善良。经合理而完善的外科手术切除是可治疗的。对机体危害较轻。除非它们生长在机体要害部位，否则良性肿瘤一股是不会构成对生命威胁的。恶性肿瘤：通过浸润与扩散方式进行生长、发展。恶性肿瘤细胞不仅可以在原发部位继续生长和蔓延，而且还可以通过血液、淋巴和其它体液途径扩散到与原发部位无关的身体其它部部位，形成与原发肿瘤同样类型的肿瘤。材料植入机体引起肿瘤可能同物理、化学性的因素有关，对植入物带来的辐射致瘤的可能性目前了解不多。,2.5.5植入感染,在整个炎症过程中，酶被这些细胞合成，利用和释放。同时由于细胞的数量在变化，酶的含量也是变化的。在炎症反应中，最重要的酶是溶酶体酶，它们是由炎细胞内的溶酶体释放。粒细胞早期酶活性和巨噬细胞相同，巨噬细胞后期酶活性变化。人造合成材料是无生命力的，因此免疫效应物的作用过程可能会引起免疫反应，或者是作为一种半抗原，在和其它成份结合后而引起免疫反应。,2.6植入物的病理学反应,植入物的病理学反应主要包括两反面的内容：首先是材料的反应，即材料在生物活体中的响应。主要包括材料在生物环境中被腐蚀、吸收、降解、磨损和失效的情况。其次是宿主反应，即生物医学材料在生物系统期间所引起的活体系统对材料的反应。包括材料的植入部位