生物医用材料2电子教案

1、生物医用材料2生物相容性及生物学评价的研究涉及学科广泛，一般是通过细胞学、组织学、免疫学、遗传毒理学和整体实验动物及物理、化学等体内外的试验方法和手段研究生物医用材料及装置与生物体的相互作用，以评价最终产品是否安全有效。90年代开始，各国学者利用分子生物学技术，从分子水平上研究生物医用材料对体内细胞的影响，深入了解生物医用材料和装置与人体的相互作用，提高了材料的生物相容性，研究出很多具有优良生物相容性的生物医用材料。目前，我国正致力于智能性生物医用材料和组织工程的研究，对材料的生物相容性提出了更高的要求。组织工程所需的人工细胞骨架或载体要求材料除满足一般的生物相容性外，还需满足生物材料在与细胞

2、、组织接触过程中有利于细胞生长的一系列生理、生化功能的要求，期望在不久能研究开发出新一代生物医用材料，为人类的健康服务。 第一节第一节 生物相容性概念和原理生物相容性概念和原理生物相容性是生物医用材料与人体之间相互作用产生各种复杂的生物、物理、化学反应的一种概念。植入人体内的生物医用材料及各种人工器官、医用辅助装置等医疗器械，必须对人体无毒性、无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和无致癌性，对人体组织、血液、免疫等系统不产生不良反应。因此，材料的生物相容性优劣是生物医用材料研究设计中首先考虑的重要问题。各种人工器官、医用制品所用的生物医用材料，植入体内后都将与组织、细胞直接接触，一些人工血管、人工心

3、瓣膜、人工心脏和各种血管内导管、血管内支架等材料还与血液直接接触。植入物材料表面与组织、细胞、血液等短期或长期接触时，它们之间的相互作用将产生各种不同的反应（见图21）。 图图21生物相容性反应生物相容性反应 生物相容性反应生物学反应血液反应血小板血栓（血小板粘附激活）凝血系统激活纤溶系统激活溶血反应白细胞反应细胞因子反应蛋白粘附免疫反应补体系统激活体液免疫反应（抗原抗体反应）细胞免疫反应组织反应炎症反应细胞粘附细胞增值（异常分化）形成囊膜（假内膜）细胞质的转化（诱变）材料反应物理性质变化化学性质变化材料与机体之间的相互作用使各自的功能和性质受到影响。这种影响不仅能使生物材料变形，更重要的是对

4、机体将造成各种危害（见图22）。 生物医用材料方面的变化 生物体方面的反应和变化 物理性质变化 大小 形状 弹性 强度 硬度 脆性 软化 相 对 密 度 熔点 导电 硬化 摩擦 蠕变 热传导 化学性质变化 亲水疏水 pH 吸附性 溶出性 渗透性 反应性 急性全身毒性 过敏反应 毒性反应 溶血反应 发热反应 神经麻痹 慢性全身反应 免疫反应 功能障碍 毒性 致畸 急性局部反应 炎症 血栓形成 坏死 排异 慢性局部反应 致癌 钙化 炎症 溃疡 机械相互作用 摩擦 冲击 曲绕 物理化学相互作用 溶出 吸收 渗透 降解 化学相互作用 分解 修饰 图图22材料与机体相互作用反应示意模式图材料与机体相互作

5、用反应示意模式图 一、引起生物医用材料变化的因素一、引起生物医用材料变化的因素生物医用材料及制品植入体内，在人体复杂的内环境中长期受到生命活动过程中体内的物理、化学、生物学等多种综合因素的作用，多数医用材料很难保持植入时的形状和物理、化学性能。引起材料发生变化的主要因素有以下方面：1）生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动态运动；2）细胞生物电、磁场和电解、氧化作用；3）新陈代谢过程中生物化学和酶催化反应；4）细胞粘附吞噬作用；5) 体液中各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基酸、多肽、自由基对材料的生物降解作用。二、引起生物体反应的因素二、引起生物体反应的因素生物医用材料及装置植入人体后，主要引起组织

6、反应、血液反应和免疫反应等三种生物学反应。这些反应大部分由材料聚合加工过程中残留的低分子物质引起。残留在材料中的引发剂、催化剂、添加剂及中间产物、单体等在材料植人体内后逐渐溶出或渗出，对局部的组织、细胞乃至全身产生毒性、刺激性、致敏性、局部炎症，长期接触产生致突变、致畸、致癌作用，与血液接触产生凝血和形成血栓。材料和制品引起机体反应的主要因素如下：1) 材料中残留有毒性的低分子物质；2) 材料聚合过程残留有毒性、刺激性的单体；3) 材料及制品在灭菌过程中吸附了化学毒剂和高温引发的裂解产物；4) 材料和制品的形状、大小、表面光滑程度；5) 材料的酸碱度。第二节第二节 生物相容性分类生物相容性分类

7、生物医用材料的生物相容性按材料接触人体部位不同一般分为两类。若材料用于心血管系统与血液直接接触，主要考察与血液的相互作用，称为血液相容性；若与心血管系统外的组织和器官接触，主要考察与组织的相互作用，称为组织相容性或一般生物相容性。从广义上讲，植入体内的各种医用材料和装置都首先要求具有优良的组织相容性。各种人工组织、人工器官及医用装置植入体内都与相应的局部组织、细胞直接接触，所有进入体内的医用材料和装置都将遇到组织相容性问题。循环系统用的人工心脏、心脏瓣膜及进入血管中的血管支架、导管等医用装置，在与组织、细胞接触的同时还与血液直接接触，所以还有血液相容性问题。由于血液的成分和生理功能的复杂性，生

8、物医用材料及医用装置的表面性能不同，与血液相互作用时将产生对机体不利的各种生物学反应，因此血液相容性在生物医用材料的研究中有着重要的地位。 图图23 生物相容性分类和要求生物相容性分类和要求 抗血小板血栓形成 抗凝血性 抗溶血性 抗白细胞减少性 抗补体系统亢进性 抗血浆蛋白吸附性 抗细胞因子吸附性 细胞粘附性 无抑制细胞生长性 细胞激活性 抗细胞原生质转化性 抗炎症性 无抗原性 无诱变性 无致癌性 无致畸性 血液相容性组织相容性生物相容性组织相容性涉及的各种反应在医学上都是比较经典的，反应机理和试验方法也比较成熟；而血液相容性涉及的各种反应比较复杂，很多反应的机理尚不明确，需要研究阐明，试验方

9、法除溶血试验外，多数尚不成熟，特别是涉及凝血机理中细胞因子和补体系统方面分子水平的试验方法还有待研究建立。 一、组织相容性一、组织相容性组织相容性要求医用材料植入体内后与组织、细胞接触无任何不良反应。当医用材料与装置植入体内某一部位时，局部的组织对异物的反应属于一种机体防御性对答反应，植入物体周围组织将出现白细胞、淋巴细胞和吞噬细胞聚集，发生不同程度的急性炎症。当材料有毒性物质渗出时，局部炎症不断加剧，严重时出现组织坏死。长期存在植入物时，材料被淋巴细胞、成纤维细胞和胶原纤维包裹，形成纤维性包膜囊，使正常组织和材料隔开。如果材料无任何毒性，性能比较稳定，组织相容性良好，则在半年、一年或更长时间

10、包膜囊变薄，囊壁中的淋巴细胞消失，在显微镜下只见到很薄的12层成纤维细胞形成的无炎症反应的正常包膜囊。如果植入材料组织相容性差，材料中残留小分子毒性物质不断渗出，就会刺激局部组织细胞形成慢性炎症，材料周围的包囊壁增厚，淋巴细胞浸润，逐步出现肉芽肿或发生癌变。表表21 国产嵌段聚醚聚氨酯国产嵌段聚醚聚氨酯SPEU80B肌肉组织反应情况肌肉组织反应情况 植入时间/天炎 症 反 应囊壁形成程度7材料周围嗜中性白细胞浸润，可见吞噬细胞（级）囊壁开始形成（级），材料周围可见血小管和纤维母细胞增生14产生少量淋巴细胞（级）囊壁致密，壁变薄（级）30产生极少量淋巴细胞（级）囊壁稳定，无继续增生（级）60无炎

11、症反应（级）囊壁稳定（级）90无炎症反应（级）囊壁稳定（级）180无炎症反应（级）囊壁稳定（级）360无炎症反应（级）囊壁稳定（级）组织相容性中人们最关心的两个问题是材料与炎症和材料与肿瘤。 1生物医用材料与炎症在机体中长期植入生物医用材料，常引起炎症。由于植入物中微量小分子物质渗出，刺激组织所引起的炎症反应属非感染性炎症。炎症过程较轻微，持续时间较短，12周基本消失。毒性较大的小分子残留物则引起炎症的时间较长，在材料长期刺激下或局部组织细胞长期受毒时，产生的慢性炎症将对机体造成不良后果。生物医用材料和医用装置植入体内后，临床上最常见的并发症是感染性炎症，发生率在110之间，引起感染的原因主要

12、是植入物灭菌不彻底或植入被污染的无菌材料。例如，近几年大量用于整形外科的聚丙烯酰胺水凝胶组织填充假体，由于多种原因，手术后的感染发生率较高，局部发生感染并发症的病人，植入材料的局部组织不但出现红肿、水肿及脓肿、坏死，当炎症转为慢性后出现肉芽肿，严重者发生全身脓毒败血症。 造成细菌性感染的原因有以下几点：1) 植入手术过程中对皮肤和组织造成损伤，给微生物提供侵入体内组织的机会；2) 植入生产过程中已被细菌污染的材料和制品或无菌材料已被污染；3) 植入材料能抑制体内的抗炎防御系统的反应性，增加了局部组织易感染性；4) 植入材料能抑制和吸附补体C3a、C5a，增加多核白细胞在植入物局部组织中的数量，

13、使抑制局部炎症反应的能力减弱。 2生物医用材料与肿瘤生物医用材料的致癌问题一直是人们关心的课题。尽管临床上在使用生物材料和人工器官过程中很少发生肿瘤。在周期两年的动物试验中，被诱发的肿瘤常是纤维肉瘤、骨肉瘤、软骨肉瘤和血管肉瘤等。临床上诱发肿瘤的时间较长，有75以上在植入体内15年后才发生肿瘤。医用聚氨酯和硅氧烷共聚物临床应用30年后才有发生肿瘤的报道，说明植入物在人体内诱发肿瘤具有较长的潜伏期。生物医用材料植入体内诱发肿瘤可能与下列因素有关。1) 与植入材料的外形有明显的相关性。将不同外形的材料埋入大鼠皮下组织内，肿瘤发生率明显不同。粉末和海绵状材料几乎不诱发恶性肿瘤，纤维状材料也很少发生恶

14、性肿瘤，只有片状材料容易诱发恶性肿瘤。 2) 与植入材料的埋植方法有关。连续放置的片状材料恶性肿瘤发生率明显高于打孔放置的片状材料。3) 与植入材料表面的粗糙程度有关。若材料表面光滑，肿瘤发生潜伏期短；若材料表面粗糙，肿瘤发生潜伏期延长。4) 被致癌物污染的材料或生物老化时能释放致癌物质的材料，在植入动物体内能诱发恶性肿瘤。例如被3，4苯并芘污染的热塑性聚烯烃橡胶植入大鼠皮下，在22周后即可诱发恶性肿瘤。聚氨酯在121或体内老化时裂解出的芳香酮化合物有潜在致癌作用。5) 与植入材料在体内形成的纤维包膜厚度有关。植入一年时，材料的外包膜厚度超过0.25 mm0.3 mm就有可能诱发恶性肿瘤。 6

15、) 材料中残留的有毒性或有刺激性的小分子物质使局部组织长期受毒或受刺激，可诱发恶性肿瘤。要消除生物医用材料及医用装置的潜在致癌性，材料不能有残留的有毒、有刺激性的小分子物质溶出；植入物的外形、表面性质和植入的方式均应避免出现可能诱发肿瘤的有关因素；对长期植入体内的医用材料和装置应进行慢性毒性和致突变、致癌的生物学评价试验，在分子水平上研究材料对基因DNA、细胞染色体的影响。 二、血液相容性二、血液相容性生物医用材料与血液直接接触时，血液和材料之间将产生一系列生物反应。这些反应表现为，材料表面出现血浆蛋白被吸附，血小板粘附、聚集、变形，凝血系统、纤溶系统被激活，最终形成血栓。通常情况下，材料表面

16、在与血液接触的数秒内首先被吸附的是血浆蛋白(白蛋白、球蛋白、纤维蛋白原等)，接着发生血小板粘附、聚集并被激活，同时一系列凝血因子相继被激活，参与材料表面的血栓形成，血管内形成血栓将引起机体致命性后果。因此，要求制造人工心脏、人工血管、人工心血管的辅助装置及各种进入或留置血管内与血液直接接触的导管、功能性支架等医用装置的生物医用材料，必须具备优良的血液相容性。 研究表明，改变材料表面的性能或结构有助于提高材料的血液相容性。常见材料表面肝素化有明显的抗凝血和抗血栓性能，它是通过肝素与血小板第因子(AT3)共同作用于凝血酶，抑制了纤维蛋白原向纤维蛋白的转化反应；材料表面肝素化还能阻止血小板在材料表面

17、的粘附、聚集，达到抗凝血的目的。材料表面亲水疏水微相分离结构具有优良的抗凝血性能。我国研制的新型聚醚聚氨酯抗凝血材料ATPU系列，是具有表面亲水疏水微相分离结构的聚合物。改变软段中亲水性单体的分子量和含量比例，材料表面的血液相容性可优于同类医用嵌段聚醚聚氨酯抗凝血材料12倍。亲水性的材料表面与血小板相互作用微弱，不易引起血小板在材料表面的粘附，不激活凝血系统，可阻止血小板血栓的形成。一些表面带负电荷的生物医用材料亦有良好的抗凝血性能。 1生物医用材料与血小板血液相容性涉及医用材料与血液直接或间接接触时材料表面与血液各种成分相互作用问题。材料表面性能与血液中血小板、红细胞、白细胞、血浆蛋白、细胞

18、因子等成分发生作用的结果有血栓形成、溶血、血浆蛋白粘附、补体系统中不同补体的增减、细胞因子的抑制和激活等。这些反应中最重要的是，对血小板的粘附、激活引起的一系列凝血和纤溶系统的反应，形成血小板血栓。当血小板与进入血管内的材料接触时，血小板会被激活，血小板外形发生改变，出现粘附、聚集和释放反应，粘附在材料表面的血小板能激活流经其附近的血小板，在材料表面发生聚集，形成聚集体并进一步形成血栓。由于血液分子细胞学的发展，已在分子水平上搞清了血小板激活、粘附、聚集、释放反应。如在释放反应时血小板内的颗粒内容物被释放到细胞外，其中颗粒移动时所需的能量低于致密颗粒，比较容易释放。颗粒是血小板蛋白质储存场所，

19、这些多肽和蛋白质的各种细胞因子，如血小板球蛋白(TG)、血小板因子4(PF4)、血小板衍生生长因子(PDGF)和血小板因子5(PF5)、血小板纤维连接蛋白(fibronectin)等在参与材料表面的凝血过程中起到重要作用。其中血小板纤维连接蛋白参与血小板胶原的粘附，增强了血小板的伸展作用，加速血栓形成；血小板因子V能促进凝血酶的局部生成，加速凝血过程。 2生物医用材料与补体系统补体(complement)是血液中的一群蛋白质。一般认为补体在机体抵御感染中起重要作用。人体补体系统是由20余种理化性状和免疫特性不同的血清蛋白组成，通常以非活化状态的前体分子形式存在于血清中，约占血浆球蛋白总量的15

20、。当因某种原因 (植入体内的材料)激活补体时，补体各成分便按一定顺序呈链锁的酶促反应，即补体活化。补体系统的激活有两种途径：经典激活途径及旁路激活途径。生物医用材料对补体激活最明显的例子，是在临床上进行人工肾透析时，患者出现暂时性的白细胞减少症。在体外循环开始后，血液中的白细胞，特别是嗜中性粒细胞不断减少，在10 min30 min左右，嗜中性粒细胞减少达到最低值，随后逐步回复，约1.5 h2 h恢复到正常水平。出现这种反应是由于透析膜与血液接触后，激活了补体替代途径产生的补体裂解产物C3a、C5a。 C3a、C5a被嗜中性粒细胞表面的受体结合导致嗜中性粒细胞聚集，被毛细血管内皮细胞吞噬，血浆

21、中白细胞出现暂时性减少。 研究发现，血液的透析膜和其他生物材料与血液接触时都会引起补体替代途径的激活。激活过程是由于C3分子上带有含磺酸酯基团的活性位点，可与材料表面的亲核基团发生共价键合反应。因此，材料表面带有羟基或胺基的基团可使补体C3在材料表面沉积而激活补体。生物材料也可引起补体系统的经典途径激活。如涤纶人工血管植入人体后可以通过经典和替代两种途径引起补体的激活，导致体内C4a水平显著提高，而C4a只有在经典途径补体激活时才产生。聚四氟乙烯或硅橡胶植入物植入体内不会引起补体激活产生C4a。进一步研究发现，表面带胺基、羟基、氰基或酚基的聚合物及聚肌苷酸、硫酸葡聚糖、硫酸纤维素等都可以引起经

22、典途径的补体激活。因此生物医用材料不仅可以引起补体系统的替代途径激活，而且也可以引起经典途径的激活。 补体激活对机体产生下面的影响。1）C3a、C5a被称为过敏素，可引起患者过敏症状。患者首次透析时出现头痛、恶心、呕吐等症状与C3a、C5a有关。2）在透析时观察到患者有血氧下降或低血压现象。这是由于大量嗜中性白细胞聚集于肺毛细血管中，影响肺泡的换氧功能，出现缺氧现象。另外白细胞聚集增加肺循环压力，使肺血流减少，回到左心房的血液减少，使体循环的血压下降。3）C3b将引起白细胞在材料表面粘附，通过释放血小板激活因子促进血小板聚集，参与血栓的形成。4）出现慢性并发症，如易感染、恶性肿瘤发生率增高、软

23、组织钙化，特别是肺泡细胞纤维化、钙化及动脉硬化。在长期透析患者中见到的这些症状与反复长期使用透析膜而对补体系统产生的影响有关。5）植入物的表面粘附大量的白细胞，是由于C3b结合在材料表面，起到白细胞在材料表面粘附的调理作用。白细胞在材料表面粘附可通过释放血小板激活因子而促进血小板聚集。临床上采用聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯等不含羟基和羧基的材料制成中空纤维透析器进行人工肾治疗时，能减少材料表面C3b的结合性，减轻患者的临床症状和并发症。近年来的研究表明，补体激活并非是不利影响。C5a对机体免疫的促发有利，C3a对免疫抑制有利，而各种生物医用材料对补体的激活和粘附各不相同，对机体产生的反应和效应各

24、异。因此，可以根据上述情况改变材料结构和表面性能，研制有治疗意义的功能材料和制品，为某些自体免疫性的疾病进行治疗开辟新的途径。 第三节第三节 生物医用材料的生物相容性评价生物医用材料的生物相容性评价 生物医用材料及用其制作的各种用于人体的医用装置(medical devices，在1997年颁发的国家标准中译为医疗器械)的生物相容性和质量直接关系到患者的生命安全，因此由国家统一对这类产品实行注册审批制度。生物医用材料和医疗器械在研究和生产时都必须通过生物学评价(biological evaluation)，以确保安全。生物医用材料的安全性从广义上讲应该包括物理性能、化学性能、生物学性能及临床研

25、究等四方面。目前国际标准组织和欧美、日本及我国实行的标准在安全性能上的评价主要是指生物学评价。接触人体或植入体内的医疗器械，其材料的化学性能是直接影响人体安全的因素，例如医用聚氯乙烯中残留的氯乙烯单体(0.0001)、聚丙烯酰胺水凝胶中残留的丙烯酰胺单体(0.0001)的含量都必须控制在一定量以下，生物试验才无毒性。有些材料的单体、添加剂、有害金属元素等残留物及降解产物无法确定和控制，只有通过生物学评价试验才能确定是否有毒性。因此从狭义上讲，生物医用材料及医疗器械的安全性评价就是指生物学评价。一、生物学评价项目的选择一、生物学评价项目的选择不同用途的生物医用材料和医疗器械的生物学评价项目的内容

26、和水平都不相同。项目选择主要依据医疗器械和材料的用途、接触人体的部位和接触时间。具体有如下几点：1）接触部位有体表和体内组织、骨骼、牙、血液；2）接触方式有直接接触和间接接触；3）接触时间是：暂时接触24小时，短、中期接触长于24小时至30日，长期接触长于30日；4）用途：一般的功能、生殖与胚胎发育及生物降解。经过各国学者和标准部门的重视和努力，生物医用材料及医疗器械生物学评价项目不断完善，有了标准和相应的试验方法。各国已基本统一在国际标准化组织提出的生物学评价标准上，但各国的评价标准仍保留各自的特点。我国生物学评价学者在ISO标准的基础上参考了美国和日本的标准，并根据我国多年来进行生物学评价

27、的水平，在1994年提出了我国生物学评价选择标准，1997年我国技术监督局下发了国家标准GB/T16886系列医疗器械生物学评价标准。目前我国生物医用材料和医疗器械的生物学评价试验选择按GB/T16886.11997进行（表22）。 表表22 国家标准国家标准GB/T16886.11997评价试验指南评价试验指南 器械分类基本评价的生物学试验补充评价的生物学试验接触部位A 一时接触 （24h）B 短、中期接触 （24h至30日）C 长期接触 （30日）细胞毒性试验致敏试验刺激或皮内反应试验全身急性毒性试验亚慢性亚急性毒性试验遗传毒性试验植入试验血液相容性试验慢性毒性试验致癌性试验生殖与发育毒性

28、试验生物降解试验表面器械皮肤A B C 粘膜A B C 损伤表面A B C 外部接入器械血路、间接A B C 组织/骨/牙接入A B C 循环血液A B C 植入器械组织/骨A B C 血液A B C 注：为必须选择的项目 二、生物学评价与新材料研究二、生物学评价与新材料研究随着组织工程研究的开展和深入，21世纪新的生物医用材料的研究重点将由一般血液相容性和组织相容性材料性能的研究转向智能性材料的研究。在设计组织工程所需要的细胞基质支架材料时，一种材料的生物相容性和生物降解性已不能满足细胞生长调控的需要，往往需要采用天然或合成的多种材料共聚物制成三维支架材料，设计和研究与所载的细胞生长、扩增同

29、步又能生物降解的新材料，以满足丰富的生物相容性对生物医用材料的要求。 1新材料的设计和研究新材料的设计和研究应把研究对象要求的生物相容性作为一个重要问题考虑。在研究内容中把有关生物学评价的实验与材料的筛选结合起来，最终使研究成功的新材料具有优异的生物相容性。在新材料的研究过程中不能只局限于对所研究材料简单做一些毒性方面的试验，而不去研究材料本体特征和表面性质。对材料本体特征和表面性质进行分析的多种物理、化学分析方法，有助于判断所研究材料的生物相容性。如材料的傅里叶变换红外光谱(FTIR-ATR)、热分析(DSC)、核磁共振(NMR)、电子能谱(ESCA)及材料的萃取实验(紫外光谱分析法)等，均

30、能通过分析了解新材料的表面特性和材料本体中添加剂、溶剂的残留物含量程度，判断聚合物的血液相容性和对细胞生长的影响。 ISO10993.11992标准中提出的生物学评价选择所列出的各种体内、外生物学试验，包括慢性毒性试验、遗传毒性试验、致癌性试验和生殖毒性试验等都是从毒理学的角度评价最终医疗器械产品的安全性。从一般意义上讲，材料的生物相容性越好，医疗器械植入体内长期使用的安全性就越大。材料和医疗器械在合成和制造工艺过程中使用的添加剂、交联剂、溶剂、化学灭菌剂以及材料本身的单体等残留物，都能构成不同程度的潜在毒性。这些含有潜在毒性的材料或医疗器械植入人体后，材料表面的低分子残留物首先溶出，对组织、细胞呈现毒性，选择适当的生物学评价试验能证实毒性的存在。 2建立新的生物相容性的试验方法常规的生物学评价试验方法，对研究智能性生物医用材料或组织工程所需的细胞基质支架材料的生物相容性来说，很难满足其新的功效性能的要求。在研究新材料的同时应设计、研究建立智能性要求的新的生物相容性试验方法。例如：1）材料对人体细胞培养、粘附、克隆化的试验方法；