生物相容性及评价

生物相容性及评价第1页，课件共30页，创作于2023年2月目录生物相容性2

宿主反应病理学反应4材料在生物体内反应3生物材料相容性评价5人体生理环境1

生物材料研究进展及展望6第2页，课件共30页，创作于2023年2月2.1人体生理环境（1）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，其中包括液体、有机

大分子、酶、自由基、细胞等多种因

素。（2）人体的内部环境：基本上是建立在全部或部分的还

原的有机材料（分子或组织）之

上的。第3页，课件共30页，创作于2023年2月人体的生理环境：

体温为37C，由水、电解质、血糖、蛋白质等构成相对稳定的环境；

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的溶液。第4页，课件共30页，创作于2023年2月2.2生物相容性1.概念：生物相容性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第5页，课件共30页，创作于2023年2月1.组织相容性1.概念：材料与组织器官接触时，不能被组织所侵蚀，材料与

组织之间应用一种亲和能力。2.表现：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。3.具体表现：

某些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细胞产生影响，甚

至诱发肿瘤的发生；

某些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。

2.2生物相容性第6页，课件共30页，创作于2023年2月2.2生物相容性2.血液相容性1.概念：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

酸腺苷和前列腺素的释放等分子水平的反映。

第7页，课件共30页，创作于2023年2月2.血液相容性生物材料的表面与血液成分的相互作用（1）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；

（2）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。

（3）血小板的黏附和凝聚，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；

（4）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、材料表面的黏附性、血

液参数、凝血变化等因素有关第8页，课件共30页，创作于2023年2月2.血液相容性生物材料的表面与血液成分的相互作用（5）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。

（6）高聚物表面与血液接触时，可以激活补体系统。

补体是存在于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。

（7）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。第9页，课件共30页，创作于2023年2月2.血液相容性生物材料的表面特性对血液相容性的影响（1）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。

（2）生物材料表面的粗糙程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。

（3）表面的润湿性，即材料亲水性或疏水性是一个重要因素。亲水性的材料表面与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较强，又不可逆，不易形成材料结构的重建。第10页，课件共30页，创作于2023年2月2.血液相容性生物材料的表面特性对血液相容性的影响（4）人们利用血液相容性与材料表面亲水性之间的关系，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，即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，提高了材料的血液相容性。

（5）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。

材料表面带有负电荷，会引起某种蛋白质的吸收形成钝化层，材

料对血液的毒性减少，从而使材料具有更好的血液相容性。

第11页，课件共30页，创作于2023年2月2.3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。宿主反应材料反应第12页，课件共30页，创作于2023年2月2.3材料在生物体内的反应（1）宿主反应

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。第13页，课件共30页，创作于2023年2月2.3材料在生物体内的反应（1）宿主反应生物材料进入机体后，可产生以下宿主反应：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。第14页，课件共30页，创作于2023年2月（2）材料反应2.3材料在生物体内的反应

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的结构破坏和性质改变，主要包括：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，造成修复机体失效。机械力作用也可能引起材料失效。第15页，课件共30页，创作于2023年2月2.3材料在生物体内的反应材料进入生物体内的反应：1）膨胀和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，或是生物材料的某些成分溶解在组织的液体相中时，产生材料的孔隙的过程。

膨胀和浸析都是扩散的结果第16页，课件共30页，创作于2023年2月

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。吸收造成的影响有颜色的变化、体积的变化、可能还有力学性能的变化（弹性模量降低、内部粘度的增加，延展性的增加或降低，摩擦系数以及抗磨损性能的降低等）。

造成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。材料进入生物体内的反应：1）膨胀和浸析第17页，课件共30页，创作于2023年2月材料进入生物体内的反应：1）膨胀和浸析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。第18页，课件共30页，创作于2023年2月材料进入生物体内的反应：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在栓与板接合的部分。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。第19页，课件共30页，创作于2023年2月材料进入生物体内的反应：2）腐蚀与溶解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、内部修饰物、锁钉和骨折端环

扎线等，腐蚀很轻微。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。第20页，课件共30页，创作于2023年2月材料进入生物体内的反应：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。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，表现为过敏感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。第21页，课件共30页，创作于2023年2月材料进入生物体内的反应：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：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：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。第22页，课件共30页，创作于2023年2月2.4宿主反应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。第23页，课件共30页，创作于2023年2月2.4宿主反应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做出的防御反应。实

质上就是抗原体反应；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。两者免疫，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。第24页，课件共30页，创作于2023年2月2.4宿主反应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研究的研究和评估过。

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。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，但是重复的适用材料时门槛值会降低或引起毒性增加。第25页，课件共30页，创作于2023年2月2.4宿主反应3）全身反应系统的毒性有免疫反应引起。当宿主收到外来物质入侵时免疫系统发生响应保护机体。高度敏感的免疫响应：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种类型（自学）第26页，课件共30页，创作于2023年2月2.4宿主反应3）全身反应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