材料与生物体相互作用解

第二章

生物相容性和安全性评价(二)讲授人：解美娜（98020）生物制药学教研室/医学研究实验中心

Office：科技楼C212TEL：8462461E-mail：12.2.1.3对免疫系统的影响

“首次使用综合症”就是在使用铜仿膜后发现的，表现在引起机体产生一系列防御反应，临床表现为轻者恶心、呕吐、胸痛、呼吸困难、皮疹、麻疹等过敏反应，重者则呈过敏性休克。

Ringoir和Vanholder在1992年的综述性文章中，曾明确提出应当拒绝把铜仿膜一类的血液净化膜用于临床。2免疫反应与补体系统免疫反应：人体对病原体或异物作出的防御反应。实质上就是抗原抗体反应。体液免疫：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：T淋巴细胞被抗原刺激后产生细胞毒作用。补体系统(complement）：存在于血清与组织液中的一组经活化后具有酶活性的蛋白质。通常以非活化状态的前体分子形式存在，当因某种原因(植入体内的材料)激话补体时、补体各成分便按一定顺序呈链锁的酶促反应，即补体活化。生物材料→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→免疫功能低下

易受感染因素或肿瘤的攻击

影响免疫细胞的抗原识别能力→病理性

免疫应答

1、免疫抑制造成免疫防御功能不足，使得机体抵抗病原微生物的能力降低。2、变态反应造成免疫防御功能亢进，免疫反应过于强烈损伤人体。如残留乳胶、双酚A、丙烯酸添加剂等低分子量有机分子或单体。3、自身免疫造成免疫自稳功能亢进，免疫系统不能和识别自己和非己，对自体正常组织产生免疫反应。如聚四氟乙烯、聚酯等。化学物对免疫系统的作用（双向性）免疫自稳：机体免疫系统维持内环境稳定的一种生理功能，及时清除体内损伤、衰老、变性的细胞和免疫复合物等异物，维持机体内环境稳定。变态反应8Ⅰ型超敏反应又称过敏性变态反应或速发型变态反应。全身性（过敏性休克）、局部过敏Ⅱ型超敏反应又称细胞溶解型变态反应或细胞毒型变态反应。新生儿溶血反应Ⅲ型超敏反应又称免疫复合物型变态反应。肾小球肾炎Ⅳ型超敏反应又称迟发性变态反应。传染性变态反应、移植排斥2.2.2材料与蛋白质的相互作用高分子材料与血液或体液接触时，首先是与蛋白质的反应，之后是与血小板和细胞的反应，以及引起其它体内的活化反应。血浆中存在大量的蛋白质，主要有白蛋白，纤维蛋白原，免疫球蛋白等（盐析法）。白蛋白：38～48g/L；球蛋白：15～30g/L；A/G：正常值1.5~2.5。

9血浆蛋白10血浆蛋白质的功能维持血浆胶体渗透压；组成血液缓冲体系，参与维持血液酸碱平衡；运输营养和代谢物质；营养功能，血浆蛋白分解产生的氨基酸，可用于合成组织蛋白质或氧化分解供应能量；参与凝血和免疫作用。11蛋白吸附

血小板的黏附和凝集，与材料表面吸附蛋白质的种类有关。当材料表面吸附球蛋白、纤维蛋白原时易于使血小板粘附表面，进而导致血小板变形聚集，引发凝血。材料表面纤维蛋白原的吸附性可以反映该材料的抗凝血性。蛋白质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。12吸附蛋白质多并不一定相容性差，蛋白质构象的变化也是引起血液相容性差的重要原因。蛋白质的活性化（蛋白质与材料表面的相互作用引起蛋白质构造的变化），引起系列的生体反应（血液凝固和补体激活）。132.2.3材料与细胞的相互作用材料与血液细胞的反应，血细胞主要指红细胞、白细胞和血小板。14血细胞的种类和形态151617纤维芽细胞，上皮细胞，内皮细胞在材料表面的吸附、生长等的反应。评价材料对细胞生长的影响最直接的方法：在该材料上进行细胞培养将细胞置于生物材料的表面,测量细胞在表面的黏附与伸展的程度,长时间培养,确定材料对细胞活性、细胞功能以及细胞迁移和聚集的影响。18局限性：1.在体外培养的细胞,观察不到材料植入体内时的细胞的响应；2.研究人员技术上的差别也将影响对材料与细胞相互作用的评价；3.在体内培养时,又不容易得到可控制的、可资比较的培养环境。细胞在各个生长时期与生物材料相互作用的评价和表征方法：细胞的贴附与伸展细胞的迁移细胞的聚集21细胞贴附程度可以根据在材料表面贴附的细胞数及被淋洗下来的脱附的细胞数来确定。利用一种流动的流体产生既可重复又可控制的脱附力,来测定细胞黏附程度,1将细胞分散到材料的表面;2培养一定的时间;3在一定的作用力下脱附那些贴附较弱的细胞。22对于贴壁型生长细胞,细胞的生长和功能主要取决于材料的表面性质。

例如:将不同浓度的聚甲基丙烯酸羟乙酯(pHEMA)涂于聚苯乙烯(专门用于组织培养的TCPS)上,以产生一系列亲水性不同的表面,将细胞锚着在这些材料上,发现随着表面pHEMA含量增加,亲水性增强,细胞黏附与伸展程度则逐渐降低。材料的表面性质对细胞行为的影响材料的表面性质对细胞行为的影响2.黏附作用是通过细胞膜上的受体(receptors)发生的,该受体能特异性地识别材料表面的黏附位点。如果从培养液中或表面涂覆方法使材料表面获得了一些蛋白如:纤连蛋白(fibronectin,Fn),体外黏连蛋白(vitronectin,Vn),层黏连蛋白(laminin,Ln)等,这些蛋白被细胞膜上受体识别,细胞则以这些蛋白为介导,黏附于材料的表面。24材料的表面形态对细胞行为的影响3.材料的细微结构。细胞在带有构槽的或其他细微结构的表面或在棱角边缘上的生长情况与在光滑表面上是有差别的。一般情况下,细胞沿着材料表面的突起部分或是纤维进行取向和迁移。这一现象称为细胞培养的接触诱导。细胞取向的程度取决于表面沟槽的深度与宽度。25实质上是增强细胞在材料上的黏附及生长能力。表面改性:不改变材料的本体性质,而只改变材料的表面性质以提高材料的细胞亲和性。生物材料与细胞相互作用的改进2.2.4材料与组织的相互作用影响因素：1.材料本身的结构和性质(如亲水性、电荷等)；2.材料中可渗出的化学成分及表面的化学成分(如残留单体、杂质、低聚物、添加剂等)；3.降解或代谢产物等；4.植入材料的几何形状和表面的粗糙度。26组织反应指局部组织对生物医用材料所发生的反应。是机体对异物入侵产生的防御性反应，可以减轻异物对组织的损伤，促进组织的修复和再生。可能有下述三种情况：

植入物的毒性大，使周围的细胞组织无法正常代谢，导致细胞死亡，产生“非细菌性脓肿”。

植入物体积大，毒性适中，周围组织中的成纤维细胞大量沉积胶原纤维，从而形成一层致密的纤维包绕层，使植入物与组织隔开。

材料体积大但毒性很小，周围组织受影响小，形成的包绕层疏松且薄，包绕层中有血管产生，有时还可观察到上皮细胞直接与植入物接触。毒性反应：

包绕反应：活性反应：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。组织反应包括与皮下组织的反应，与骨组织的反应，在角膜的反应。在使用生物医用材料的过程中，由组织反应引起的两种严重的并发症是炎症和肿瘤。2.2.4.1生物材料和炎症一旦组织或器官被损伤或损坏，邻近细胞的反应就是将他们修复。任何伤口最直接的反应就是发炎。感染性炎症可能是由于材料植入的过程中损伤组织，使病原体趁虚而入；也可能是由于植入物本身未经严格的消毒灭菌处理，成为了病原体的载体。无菌性炎症不是由于病原体侵入引起，而是由于物理或化学因素影响机体内的炎症和抗炎系统的调节而引发的炎症反应。图2-3急性炎症反应图2-4局部慢性炎症反应植入物周围存在淋巴细胞和单核细胞，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2.2.4.2生物材料和肿瘤生物材料植入引起肿瘤是一个缓慢的过程，可能是由于材料本身释放毒性物质，也可能是由于材料的外形和表面性能所致。因此，在应用长期植入物之前，进行植入物的慢性毒性、致突变和致癌的生物学试验是十分必要的。生物医用材料诱发肿瘤的可能因素：(1)与植入材料的外形和埋植方法有关。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。(2)与植入材料表面的粗糙程度有关。若材料表面粗糙，肿瘤发生潜伏期延长。(3)材料中残留的有毒或刺激性的小分子物质或老化时能释放致癌物的材料，植入动物体内能诱发恶性肿瘤。表1不同形状的材料植入小白鼠体内对产生肿瘤的影响*（%）形状材料薄片大孔薄片海绵状纤维状粉末状玻璃33.318000赛璐珞2319000涤纶树脂188000尼龙427100聚四氟乙烯205000聚苯乙烯2810010聚氨酯3311110聚氯乙稀240200硅橡胶4116000*试验周期为两年

可能是由于材料的植入使周围的细胞代谢受到障碍，营养和氧的供应不充分以及长期受到异物刺激而使细胞异常分化、产生变异所致。而当植入材料为海绵状、纤维状和粉末状时，组织细胞可围绕材料生长，因此不会由于营养和氧的不足而变异，因此致癌危险性较小。脊髓内肿瘤372.2.5高分子材料在生物体内的变化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。多数医用材料很难保持植入时的形状、物理化学性能。

材料反应是材料对生物机体作用产生的反应。382.2.5.1引起生物医用材料变化的因素

(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。几种植入材料表面在生物材料环境下常见的变化1）生理腐蚀生理环境对材料的化学侵蚀作用，致使材料产生解离、氧化等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。4）表面钙化现象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：膨胀与浸析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，就将产生材料孔隙。吸收造成的影响：颜色的变化、体积的变化、力学性能的变化。高分子材料在植入人体内后，再经过一段时间的试用后，会出现钙化合物在材料表面沉积的现象，即钙化现象。

钙化现象不仅是胶原生物材料的特征，一些高分子水溶胶，如聚甲基丙烯酸羟乙酯在大鼠、仓鼠、荷兰猪的皮下也发现有钙化现象。

表面钙化材料植入时，被植个体越年青，材料表面越可能发生钙化。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。常用的可吸收材料：有聚乙交酯、聚丙交酯（聚乳酸）、聚酰胺、甲壳质、胶原等。目前存在的主要问题：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迟发型炎症

2.2.5.2引起

生物体反应的因素

宿主反应是生物机体对植入材料的反应。

(1)残留有毒性的低分子物质；(2)聚合过程残留有毒性、刺激性的单体；(3)灭菌过程中吸附了化学毒剂和高温引发的裂解；(4)形状、大小、表面光滑程度；(5)酸碱度。A．植入体对宿主的反应B．宿主对植入体的反应1.局部a.血液-材料的反应b.蛋