医用材料生物学基础-蔡伟第三章医用植入材料与人体间的相互作用2-PPT文档资料
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生物医用材料ppt课件
正器具等。
可锻可铸，机械性能好 价格高，加工难、 常用来制作人工关节的金 硬度有硬，中，软之分 应用不够普及 属间华东联接。
USA Organogenesis Inc., Massa, USA
Intergra Life Science, NJ, USA Smith & Nephew, UK
Interpore Cross International Inc., USA
8
目录
生物医用材料市场发展概况 生物医用材料的基本特性及分类 金属生物医用材料 无机生物医用材料 有机高分子生物医用材料 杂化生物医用材料
13
三、生物医用材料的分类
按材料的用途进行分类：
生物医用材料
口腔医用材料 硬组织修复与替换材料(用于骨骼和
关节等) 软组织修复与替代材料(用于皮肤、
肌肉、心、肺、胃等) 医疗器械材料
14
按材料的组成进行分类：
金属生物医用材料:包括不锈钢、钴基合金，钛及合金等，广泛应用 于人工假体、人工关节、医疗器械等。 无机生物医用材料：分为惰性生物陶瓷、生物玻璃、碳素材料。 有机高分子生物医用材料：分为天然的和合成的，天然的如多糖类、 蛋白类，合成的聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等，用于人体 器官、组织、关节、药物载体等。 杂化生物医用材料：不同种材料的混合或结合，克服单一材料的缺点， 可获得性能更优的材料。
2000万心血管病患者 --------每年需要24万套人工心瓣膜
肾衰患者 --------每年需要12万个肾透析器
……
5
全球生物医用材料 细分市场发展
矫形外科修复材料 和制品
增长率26%
心血管系统修复材 料、血液净化材料
《生物医用材料》幻灯片
• （2）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。
• 3）耐生物老化性能
• 材料在活体内要有较好的化学稳定性，能够长期使用，即在发挥 其医疗功能的同时要耐生物腐蚀、耐生物老化。
• （4）成形加工性能
• 容易成形和加工，价格适中。
1
其他医疗器械制品
矫形外科修复材料 和制品
增长率 26%
心血管 料、血
系统修 液净化
复材 材料
高速增长
工程化组织和器官市80场0亿将美达元
人 合
造皮肤、组 剂及术后防
织 粘粘 连增长率
制品
45%
药物缓释材料 高速增长
其他生物材料和制 品
人造器官
人工器官是生物医学工程专业中一门新的学科。它主要研究模拟人体 器官的结构和功能，用人工材料和电子技术制成部分或全部替代人体 自然器官功能的机械装置和电子装置。当人体器官病损而用常规方法 不能医治时，有可能给病人使用一个人工制造的器官来取代或部分取 代病损的自然器官，补偿或修复或辅助其功能。
3、生物降解吸收性
生物降解吸收性指材料在活体环境中可发生速度能控制的降解，并能被活体在 一定时间内自行吸收代谢或排泄。
按照在生物体内降解方式可分为水解型和酶解型两种。
4、具备效果显示功能
具有显示其医用效果的功能，即生物功能性。 1.可检查、诊断疾病 2．可辅助治疗疾病如注射器、缝合线和手套等手术用品材料 3.可分别满足各脏器对维持或延长生命功能的性能要求 4.具备支持活体、保护软组织、脑和内脏的功能等。 5.具备可改变药物吸收途径，控制药物释放速度、部位，并满足疾病治
——是用于与生命系统接触和发生相互作用，并能对其细胞、 组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然 或人工合成的特殊功能材料，亦称生物材料
• 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。
• 3）耐生物老化性能
• 材料在活体内要有较好的化学稳定性，能够长期使用，即在发挥 其医疗功能的同时要耐生物腐蚀、耐生物老化。
• （4）成形加工性能
• 容易成形和加工，价格适中。
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其他医疗器械制品
矫形外科修复材料 和制品
增长率 26%
心血管 料、血
系统修 液净化
复材 材料
高速增长
工程化组织和器官市80场0亿将美达元
人 合
造皮肤、组 剂及术后防
织 粘粘 连增长率
制品
45%
药物缓释材料 高速增长
其他生物材料和制 品
人造器官
人工器官是生物医学工程专业中一门新的学科。它主要研究模拟人体 器官的结构和功能，用人工材料和电子技术制成部分或全部替代人体 自然器官功能的机械装置和电子装置。当人体器官病损而用常规方法 不能医治时，有可能给病人使用一个人工制造的器官来取代或部分取 代病损的自然器官，补偿或修复或辅助其功能。
3、生物降解吸收性
生物降解吸收性指材料在活体环境中可发生速度能控制的降解，并能被活体在 一定时间内自行吸收代谢或排泄。
按照在生物体内降解方式可分为水解型和酶解型两种。
4、具备效果显示功能
具有显示其医用效果的功能，即生物功能性。 1.可检查、诊断疾病 2．可辅助治疗疾病如注射器、缝合线和手套等手术用品材料 3.可分别满足各脏器对维持或延长生命功能的性能要求 4.具备支持活体、保护软组织、脑和内脏的功能等。 5.具备可改变药物吸收途径，控制药物释放速度、部位，并满足疾病治
——是用于与生命系统接触和发生相互作用，并能对其细胞、 组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然 或人工合成的特殊功能材料，亦称生物材料
生物医用材料PPT课件
需用材料
止血材料 抗凝血材料 人工瓣膜材料 人工血管材料 人工血浆 人工红血球 人工肺 人工骨 人工关节 人工肌腱、人工肌肉 人工浆膜
2.
（图中Ms表示冷却时开始产生热弹性马氏体的转变温度，Mf表示 冷却时转变的终止温度，As表示升温时逆转的温度，Af表示逆转完全 的温度）。
医学应用
血栓过滤器、脑动脉瘤夹、食道支架、鼻出血
未来人造皮肤
+ 有触感
+ 可拉伸 + 能防弹
可剥落的电子表皮
人造心脏瓣膜的置换
• 第一个可靠的人工心 脏瓣膜，在1961年由 美国俄勒冈州波特兰 的外科医生史塔尔和 他的合作者爱德华斯 发明，是装在不锈钢 罩中的塑料球。
普通金属烤瓷牙
贵金属烤瓷牙
齿科材料
• 修复牙齿用的合金除银之外主要有镍铬、钴铬和 烤瓷合金。
“马赛克凝胶”是一 种薄皮状的物质，能 够与活体组织的细胞 生长兼容，进而确保 各种不同的细胞能够 在凝胶里进行精准的、 可操控的生长繁殖。 精确控制细胞生长 具有非常重大的意义， 如此一来，人造皮肤 的细胞就能模拟活体 组织细胞的自然生长， 对烧伤患者的治疗十 分有利。
控制“马赛克凝胶” 里的细胞生长，令 其排列成7个字母、 组成单词“Toronto”。
人工皮肤的发展
+ 人造皮肤在中国起步较晚，但经过几十年
的发展，其在各个领域上面都取得 了巨大 的成就。 在美国、 加拿大、 日本和欧共体 国家组织工程的研究和产业化得到迅速发 展， 尤其是美国有 50 余家公司从事组织工 程产品的产业化生产，已经形成价值 60 亿 美元的产业，并以每年 25%的速度递增。 初步估计，到 2020 年美国组织工程 产品市 场可达每年 180 亿美元。
医用材料生物学基础-蔡伟第二章医用植入材料生物环境——三人体血液与组织液-精品文档
2
三、人体血液与组织液系统
材料的血液相容性取决于 血液组份与材料表面的相互作
用以及随之引起的后续反应。 由于其作用机制复杂、作用途 径各异、影响因素繁多,至今 尚无一个被广泛认可的“血液 相容性”的确切定义,也没有 相应的标准评价方法。
第二章 生物环境
三、人体血液与组织液系统
3
三、人体血液与组织液系统
第二章 生物环境
三、人体血液与组织液系统
18
第二章 生物环境
三、人体血液与组织液系统
19
血细胞
血细胞的构成：
红细胞 red cell / red blood corpuscle, RBC
白细胞 white cell / white blood corpuscle, WBC
粒细胞：中性粒细胞 嗜酸性粒细胞 嗜碱性粒细胞
3、运输功能：蛋白质表面亲脂性结合位 点，与脂溶性物质结合，运输脂质等。 与低分子物质，如激素、正离子等可 逆性结合，防止它们流失。
4、参与凝血与抗凝血功能，血浆凝血因 子、生理性抗凝物质及促进血纤维溶 解的物质是血浆蛋白。
5、抵抗病源物的防御功能。 6、维持pH值稳定。
第二章 生物环境
三、人体血液与组织液系统
流体组织，在心血管系统内 循环流动。
第二章 生物环境
三、人体血液与组织液系统
7பைடு நூலகம்
血液的功能
1、沟通各部分组织液、和外环境进行 物质交换的场所。
2、运输功能：把氧和营养物质以及激 素运输到各器官和细胞；同时，把 全身各处细胞的代谢产物、二氧化 碳运走以利于排出体外；
3、维持体温相对恒定：血液热容量大， 可吸收大量的热量。
当血流速度小于某一限度时，红细胞叠连、
医用材料生物学基础-蔡伟第三章医用植入材料与人体间的相互作用238页
第三章
医用植入材料 与人体间的相互作用
一、生物相容性概念和原理 二、植入材料与组织界面反应 三、植入材料引起的炎症与伤口愈合 四、植入材料引起的感染、钙化和肿瘤 五、植入材料的病理学反应
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
1
二、植入材料与组织界面反应
物质过膜转运 反应过程与反应机理 颗粒状植入材料排泄
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
19
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
20
物质过膜转运
吞噬作用/吞饮/胞饮作用（pinocytosis）:
二、植入材料与组织界面反应
14
物质过膜转运
• 简单扩散/脂溶扩散 • 滤过和水溶性扩散 • 易化扩散/载体扩散 • 吞噬作用/胞吞/胞饮 • 吸收
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
15
物质过膜转运
简单扩散(simple diffusion)/脂溶扩散(lipid diffusion)：
大多数物质经简单扩散方式通过生物膜， 从浓度较高的一侧经脂质双分子层进行扩散性 转运。
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
17
物质过膜转运
水溶性扩散(aqueous diffusion)
大部分细胞的膜孔较小（约0.4nm） ，只能通过分子量小于100、不带电荷的 极性分子，如水、乙醇、乳酸等水溶性 分子和O2、CO2等气体分子可通过水溶 扩散跨膜转运，其相对扩散率与该物质 在膜两侧的浓度差成正比。
植入人体中的材料以颗粒、分子或 离子的形式经细胞膜，产生细胞或器官 毒副作用。
物质过膜转运－－细胞膜
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
医用植入材料 与人体间的相互作用
一、生物相容性概念和原理 二、植入材料与组织界面反应 三、植入材料引起的炎症与伤口愈合 四、植入材料引起的感染、钙化和肿瘤 五、植入材料的病理学反应
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
1
二、植入材料与组织界面反应
物质过膜转运 反应过程与反应机理 颗粒状植入材料排泄
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
19
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
20
物质过膜转运
吞噬作用/吞饮/胞饮作用（pinocytosis）:
二、植入材料与组织界面反应
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物质过膜转运
• 简单扩散/脂溶扩散 • 滤过和水溶性扩散 • 易化扩散/载体扩散 • 吞噬作用/胞吞/胞饮 • 吸收
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
15
物质过膜转运
简单扩散(simple diffusion)/脂溶扩散(lipid diffusion)：
大多数物质经简单扩散方式通过生物膜， 从浓度较高的一侧经脂质双分子层进行扩散性 转运。
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
17
物质过膜转运
水溶性扩散(aqueous diffusion)
大部分细胞的膜孔较小（约0.4nm） ，只能通过分子量小于100、不带电荷的 极性分子，如水、乙醇、乳酸等水溶性 分子和O2、CO2等气体分子可通过水溶 扩散跨膜转运，其相对扩散率与该物质 在膜两侧的浓度差成正比。
植入人体中的材料以颗粒、分子或 离子的形式经细胞膜，产生细胞或器官 毒副作用。
物质过膜转运－－细胞膜
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
医用材料在医学中的应用.ppt
生物相容性
包括： 血液相容性
有无溶血、凝血、破坏血液成分等 组织相容性
能否对周围组织产生毒性、致畸、癌变等 力学相容性
植入材料的强度、硬度与组织的适应性等
生物相容性
生物相容性评价体系 国际标准—ISO10093 题目“医疗器械生物学评价”，共12部分 我国国家标准—GB/T16886 题目“医疗器械生物相容性评价体系”，共16项
生物体对生物材料的响应－宿主反应
（1）生物学反应
A: 血液反应 1、血小板血栓 2、凝血系统激活 3、纤溶系统激活 4、溶血反应 5、白细胞反应 6、细胞因子反应 7、蛋白粘附
B: 免疫反应
1、补体激活
2、体液免疫反应 （抗原－抗体反应）
3、细胞免疫反
C: 组织反应 1、炎症反应； 2、细胞粘附 3、细胞增殖（异常
磷酸钙陶瓷等
复合生物材料：由基体材料与增强材料或功能材料组成，它们之 间相互配合或组合，形成大量性质各异的复合生物材料。 复合材料的某些性能比各组成相的性能有较大程度的提 高，主要用于制成人工器官、修复或替换人体组织、器 官，增进或替代其功能
常用基体材料：医用高分子材料、医用碳素材料、生物玻璃、玻 璃陶瓷、医用不锈钢、钴基合金等
常用增强材料：碳纤维、不锈钢或钴基合金、生物玻璃陶瓷等
生物衍生材料：是天然生物组织经过特殊处理而 形成的医用材料，可取自同种或异种动物 体的组织细胞，可作为修复和替代材料
主要用于人工心脏瓣膜、血管修复、人工皮 肤、骨修复、鼻软骨种植体等
问题：
1.材料本身性质
化学稳定性、力学性能
2.与身体融合程度
生物材料的性能
生物功能性 生物相容性
生物功能性
指生物材料具备或完成某种生物功能时应该具有的一系列性能 根据用途主要分为: ① 承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙等，占主导地位 ② 控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等 ③ 电、光、声传导功能。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等 ④ 填充功能。如整容手术用填充体等
生物医用材料 ppt课件
灰石
由此可构成类似于硅酸盐水泥样的磷酸钙水泥，用与人 体骨的修复，故称磷酸钙骨水泥
新型CPC的研究
1. 药物控释骨水泥
2. 注射型骨水泥
3. 生物活性骨水泥
ppt课件
10
第三章 医用金属材料
定义：是一种用作生物医用材料的金属 或合金，又称作外科用金属材料或医 用金属材料，是一类生物惰性材料。
ppt课件
生物陶瓷人工听小骨假体
气
引
流
管
ppt课件
9
第一代 PMMA骨水泥:优点：易成型和粘结性能
好
缺点：材料化学成份与人体骨成份完全不同，生物相容 性差；单体放热剧烈；细胞毒性；引起过敏
第二代 磷酸钙骨水泥 CPC
20世纪80年代中期，E.brown和chow发现由几种磷酸 钙盐组成的混合物能在人体环境和温度下自行固化，水 化硬化过程基本不放热，其水化成分最终转化为羟基磷
(3) 镁具有独特的体内降解性能 。
(4) 镁资源丰富，价格低廉。
ppt课件
16
材料——是由两种或两种以上不同材料复合而成 的生物医用材料
1. 分类：复合材料一般有基体材料和增强材料组成
(1)按基体：陶瓷基医用复合材料、高分子基医 用复合材料、金属基医用复合材料
要方法)a.热喷涂b.脉冲激光融覆c.离子溅射d.喷 砂法e.电结晶法f.电化学法g.离子注入
ppt课件
15
医用金属材料研究进展
医用镁及镁合金材料的研究
镁合金具备作为可降解骨植入材料的多方面优点：
(1) 镁是人体内含量最多的阳离子之一，几乎参 与人体内所有的新陈代谢过程。
(2) 镁及镁合金的弹性模量约为45GPa，更接近 人骨的弹性模量，能有效降低应力遮挡效应； 镁与镁合金的密度约为1.7g/cm3，与人骨密度 (1.75g/cm3)接近，符合理想接骨板的要求。
由此可构成类似于硅酸盐水泥样的磷酸钙水泥，用与人 体骨的修复，故称磷酸钙骨水泥
新型CPC的研究
1. 药物控释骨水泥
2. 注射型骨水泥
3. 生物活性骨水泥
ppt课件
10
第三章 医用金属材料
定义：是一种用作生物医用材料的金属 或合金，又称作外科用金属材料或医 用金属材料，是一类生物惰性材料。
ppt课件
生物陶瓷人工听小骨假体
气
引
流
管
ppt课件
9
第一代 PMMA骨水泥:优点：易成型和粘结性能
好
缺点：材料化学成份与人体骨成份完全不同，生物相容 性差；单体放热剧烈；细胞毒性；引起过敏
第二代 磷酸钙骨水泥 CPC
20世纪80年代中期，E.brown和chow发现由几种磷酸 钙盐组成的混合物能在人体环境和温度下自行固化，水 化硬化过程基本不放热，其水化成分最终转化为羟基磷
(3) 镁具有独特的体内降解性能 。
(4) 镁资源丰富，价格低廉。
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16
材料——是由两种或两种以上不同材料复合而成 的生物医用材料
1. 分类：复合材料一般有基体材料和增强材料组成
(1)按基体：陶瓷基医用复合材料、高分子基医 用复合材料、金属基医用复合材料
要方法)a.热喷涂b.脉冲激光融覆c.离子溅射d.喷 砂法e.电结晶法f.电化学法g.离子注入
ppt课件
15
医用金属材料研究进展
医用镁及镁合金材料的研究
镁合金具备作为可降解骨植入材料的多方面优点：
(1) 镁是人体内含量最多的阳离子之一，几乎参 与人体内所有的新陈代谢过程。
(2) 镁及镁合金的弹性模量约为45GPa，更接近 人骨的弹性模量，能有效降低应力遮挡效应； 镁与镁合金的密度约为1.7g/cm3，与人骨密度 (1.75g/cm3)接近，符合理想接骨板的要求。
第三章 生物医学材料与生物体间的相互作用
在这一过程中存在有许多影响因素， 例如机械运动。机械运动不是原发 性因素而只是个继发性因素，只是 加速了材料表面钙化的过程，亦即 在有应力存在处先发生钙化。再如 材料表面潜在的一些缺陷也会加速 钙化的发生，如折叠也对钙化产生 影响，凝血也可加速钙化的产生。
对于人工血管来说，因纤维编织表 面易吸附细胞更易形成钙化。如果 材料易吸附细胞且吸附得较厚，则 由于底层细胞供氧不足而先坏死， 继而产生钙化。
营养不良性钙化无论在儿童还是在 成人皆可产生。
按钙化的形成因素可将钙化分成两 种：一种是内源性钙化，第二种是 外源性钙化。
所谓内源性钙化是指材料本身的因 素所引起的钙化。外源性钙化则是 指材料以外的因素如血细胞等所引 起的钙化。
材料与血液接触后，其表面会有多 种细胞的沉积，这些细胞在这些区 域沉积很长一段时间后，细胞就会 死亡，局部的pH值就会改变，从 而吸附钙质，首先形成无定形磷酸 钙盐，随后转变成结晶型磷酸钙， 最后形成羟基磷灰石。这就是钙化 产生的一个基本过程。
感染是植入材料在临床上最常见的 主要并发症之一，植入患者的大约 １％～１０％发生感染。
在美国，每年因使用高分子材 料引起的感染已超过８５万例。
对植入感染机理还缺乏了解，因 此预防和处理由植入引起的脓毒 败血症还依然只能靠临床经验。
表３-４ 一些植入术后感染率的临床统计
植入高分子替代物手术名称 感染率（％） 使用含抗菌素骨水泥固定的全关节置换手术 １～４ 心脏瓣膜置换术 １～４ 人工血管置换术 １～６ 心脏起搏器植入术 １～２
四、生物医学材料引起的感染、 钙化和肿瘤 (Infection, Cancer and Calcification caused by Biomedical materials )
医用材料生物学基础-蔡伟第三章医用植入材料与人体间的相互作用
第三章 相互作用 一、生物相容性概念和原理 17
一、生物相容性概念和原理
生物体引起植入材料变化的因素 材料反应（金属的腐蚀、聚合物的水解和降解） 生物体（宿主）反应 生物相容性的定义 生物相容性分类 生物相容性评价体系 生物相容性试验
一、生物相容性概念和原理 18
第三章 相互作用
第三章 相互作用 一、生物相容性概念和原理 13
材料反应——聚合物的水解
3）易吸水但不水解的聚合物会发生膨胀 和破裂等结构变化，但不一定发生分 子降解。 丙烯酸酯聚合物能吸收一些水分，但 不降解。聚硅氧烷易吸收脂肪和类脂 ，并可能继而发生破裂。 4）既不水解又能抵抗水分渗入的聚合物 能在组织中存在而不发生降解。 聚四氟乙烯、聚烯烃等均聚物。
一、生物相容性概念和原理
生物体引起植入材料变化的因素 材料反应 生物体（宿主）反应 生物相容性的定义 生物相容性分类 生物相容性评价体系 生物相容性试验
一、生物相容性概念和原理 3
第三章 相互作用
生物体系
复杂的结构、完美的功能
含水缓冲环境
pH7.4、37℃
生命体系 人体 系统 器官 组织
第三章 相互作用 一、生物相容性概念和原理 14
材料反应——聚合物的水解
聚合物在体内对降解的敏感顺序（Williams,1982）
举例 吸 水 聚合物在体内的可能变化 水 解 Y Y 降解 脂肪族聚酯:聚乳酸 聚乙醇酸 N Y 表面的易水解基团或分子 芳香族:聚氨酯 以表面腐蚀的机制降解 聚酰胺 Y N 发生膨胀破裂等结构变化 丙烯酸酯:吸水不降解 但不一定发生分子降解 聚硅氧烷:吸收脂肪类脂 可能发生破裂 N N 在组织中存在不发生降解 均聚物：聚四氟乙烯 聚烯烃
一、生物相容性概念和原理
生物体引起植入材料变化的因素 材料反应（金属的腐蚀、聚合物的水解和降解） 生物体（宿主）反应 生物相容性的定义 生物相容性分类 生物相容性评价体系 生物相容性试验
一、生物相容性概念和原理 18
第三章 相互作用
第三章 相互作用 一、生物相容性概念和原理 13
材料反应——聚合物的水解
3）易吸水但不水解的聚合物会发生膨胀 和破裂等结构变化，但不一定发生分 子降解。 丙烯酸酯聚合物能吸收一些水分，但 不降解。聚硅氧烷易吸收脂肪和类脂 ，并可能继而发生破裂。 4）既不水解又能抵抗水分渗入的聚合物 能在组织中存在而不发生降解。 聚四氟乙烯、聚烯烃等均聚物。
一、生物相容性概念和原理
生物体引起植入材料变化的因素 材料反应 生物体（宿主）反应 生物相容性的定义 生物相容性分类 生物相容性评价体系 生物相容性试验
一、生物相容性概念和原理 3
第三章 相互作用
生物体系
复杂的结构、完美的功能
含水缓冲环境
pH7.4、37℃
生命体系 人体 系统 器官 组织
第三章 相互作用 一、生物相容性概念和原理 14
材料反应——聚合物的水解
聚合物在体内对降解的敏感顺序（Williams,1982）
举例 吸 水 聚合物在体内的可能变化 水 解 Y Y 降解 脂肪族聚酯:聚乳酸 聚乙醇酸 N Y 表面的易水解基团或分子 芳香族:聚氨酯 以表面腐蚀的机制降解 聚酰胺 Y N 发生膨胀破裂等结构变化 丙烯酸酯:吸水不降解 但不一定发生分子降解 聚硅氧烷:吸收脂肪类脂 可能发生破裂 N N 在组织中存在不发生降解 均聚物：聚四氟乙烯 聚烯烃
医用材料生物学基础-蔡伟第三章医用植入材料与人体间的相互作用3.
哈尔滨工业大学 材料学院 材料物理与化学
二OO六年十月
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
1
第三章
医用植入材料 与人体间的相互作用
一、生物相容性概念和原理 二、植入材料与组织界面反应 三、植入材料引起的炎症与伤口愈合 四、植入材料引起的感染、钙化和肿瘤 五、植入材料的病理学反应
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
炎症与伤口愈合
9
巨噬细胞 纤维原细胞
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
10
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
11
植入材料引起的反应阶段
超急性期：两小时内材料与组织和血液接触的作用
材料表面引起蛋白,细胞和其它血液成分的沉积 材料与血液和组织接触后引起凝血系统、补体、 酶、纤维蛋白原等的激活以及血细胞功能改变。
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
18
生物材料—组织界面
③骨接触界面:
生物惰性材料,与各组织形成薄层纤维组织 界面或伴有不同程度钙盐沉积。但随时间的延长 ,纤维层逐渐变薄或消失,还可能在界面上形成薄 层骨,缺乏明显的新生细胞生长,骨形成缓慢,是 一种有效的界面结合形式。
修复阶段
组织在结构上 和功能上修复损伤
组织、血管破坏,血液流出（纤维蛋白原、激活
血小板、淤积红细胞）－－凝血（在凝血酶的作用
下，纤维蛋白原变为不溶纤维网） 血管膨胀,中性粒细胞、血浆蛋白及细胞外液中
炎性介质从管壁渗出，炎性介质通过趋化过程把巨
噬细胞大量吸引到受损伤部位――急性炎性反应期。
第三章 相互作用
急性期：两周内植入体引起体液及细胞成分的变化
良性变化：材料表面形成惰性表面; 恶性变化：材料表面形成血栓等。
二OO六年十月
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
1
第三章
医用植入材料 与人体间的相互作用
一、生物相容性概念和原理 二、植入材料与组织界面反应 三、植入材料引起的炎症与伤口愈合 四、植入材料引起的感染、钙化和肿瘤 五、植入材料的病理学反应
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
炎症与伤口愈合
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巨噬细胞 纤维原细胞
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
10
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
11
植入材料引起的反应阶段
超急性期：两小时内材料与组织和血液接触的作用
材料表面引起蛋白,细胞和其它血液成分的沉积 材料与血液和组织接触后引起凝血系统、补体、 酶、纤维蛋白原等的激活以及血细胞功能改变。
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
18
生物材料—组织界面
③骨接触界面:
生物惰性材料,与各组织形成薄层纤维组织 界面或伴有不同程度钙盐沉积。但随时间的延长 ,纤维层逐渐变薄或消失,还可能在界面上形成薄 层骨,缺乏明显的新生细胞生长,骨形成缓慢,是 一种有效的界面结合形式。
修复阶段
组织在结构上 和功能上修复损伤
组织、血管破坏,血液流出（纤维蛋白原、激活
血小板、淤积红细胞）－－凝血（在凝血酶的作用
下，纤维蛋白原变为不溶纤维网） 血管膨胀,中性粒细胞、血浆蛋白及细胞外液中
炎性介质从管壁渗出，炎性介质通过趋化过程把巨
噬细胞大量吸引到受损伤部位――急性炎性反应期。
第三章 相互作用
急性期：两周内植入体引起体液及细胞成分的变化
良性变化：材料表面形成惰性表面; 恶性变化：材料表面形成血栓等。
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甘油较难通过，葡萄糖几乎不能通过
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
19
物质过膜转运
易化扩散(facilitated diffusion)/载体扩散:
膜上蛋白质载体特异地与某种化学毒物结 合后，其分子内部发生构型变化而形成的适合该 物质通过的通道而进入细胞。
顺浓度方向转运，不需消耗能量。 水溶性分子葡萄糖在体内的转运； Na+、K+、Ca2+离子带有电荷，不能通过脂 质双分子层的内部疏水区，某种情况下，可随浓 度差，快速出入细胞。
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
5
二、植入材料与组织界面反应
毒性反应：
金属种植体进入体内两、三年后，
围绕种植材料周围的软组织因毒蚀而变 灰、变黑。
进入体液的化学物质可对血液系统
产生毒化作用，有毒元素替代红细胞中 的铁原子，使血红细胞运载氧的能力减 弱。
有毒元素通过血液运载毒化神经系
统。
第三章 相互作用
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
18
物质过膜转运
水溶性扩散(aqueous diffusion)
大部分细胞的膜孔较小（约0.4nm） ，只能通过分子量小于100、不带电荷的 极性分子，如水、乙醇、乳酸等水溶性 分子和O2、CO2等气体分子可通过水溶 扩散跨膜转运，其相对扩散率与该物质 在膜两侧的浓度差成正比。
8
二、植入材料与组织界面反应
物质过膜转运 反应过程与反应机理 颗粒状植入材料可能的毒副作用 细胞对植入物质的反应规律 吸收物质的生物排泄
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
9
细胞膜 Plasma Membrane
细胞膜 包围在细胞表面的一层薄膜，厚70－
细
100Å，电镜下观察，为三层结构。
二、植入材料与组织界面反应
6
二、植入材料与组织界面反应
植入人体中的材料以颗粒、分子或离
子的形式经细胞膜，产生细胞或器官毒副
作用。这在不同程度上对细胞或器官造成
损伤。物质的毒副作用的可逆性取决于被
损伤组织的再生能力：
肝脏：再生能力强，多数损伤是可逆的。
中枢神经：再生能力很差，
损伤多是不可逆的。
SiO2所引起的硅沉着病是不可逆的。 致癌物质引起的正常细胞发生恶变，
对机体的影响： 整体水平 细胞水平 分子水平
生物体（宿主）反应： 界面反应 局部的宿主反应 远端和全身的影响
反应首先是在材料－组织界面上展开
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
4
二、植入材料与组织界面反应
由于体液的作用或机械摩 擦，颗粒状的物质可能从植入材 料表面侵出或脱落，或是以离子 状态从材料表面侵出，进入体液 系统产生各种毒性反应。
哈尔滨工业大学 材料学院 材料物理与化学
二OO六年十月
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
1
第三章
医用植入材料 与人体间的相互作用
一、生物相容性概念和原理 二、植入材料与组织界面反应 三、植入材料引起的炎症与伤口愈合 四、植入材料引起的感染、钙化和肿瘤 五、植入材料的病理学反应
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
2
二、植入材料与组织界面反应
物质过膜转运 反应过程与反应机理 颗粒状植入材料可能的毒副作用 细胞对植入物质的反应规律 吸收物质的生物排泄
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
3
二、植入材料与组织界面反应
生物材料
人体生理环境：
水、无机盐、蛋白质 细胞、组织、器官
2、识别、传递信号
3、膜蛋白间结合产生细胞间结合。
4、将细胞内外液分开，细胞内物质不会流散。
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
14
物质过膜转运
物质能否通过生物膜，进入细胞，
与物质的生物膜通透性有关，即物质的
理化性质有关： 大小/形状 亲脂性/亲水性 所带电荷/极性 与内源性分子的相似性
第三章 相互作用
产生的条件： 膜两侧存在浓度梯度 物质必须具有脂溶性 物质必须是非电离状态
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
17Βιβλιοθήκη 物质过膜转运滤过(filtration)
毛细血管和肾小球的膜上具有较 大的孔（约4nm）,可通过分子量小于 60000的分子，由于水压或/和渗透压 而产生的水流可顺压差携带化学物质 穿过膜孔。
表面蛋白 结合蛋白
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
13
细胞膜的功能
1、物质输送：有选择性，进行新陈代谢的同时，
又能保持细胞内成分稳定。
水的渗透（细胞内外溶液浓度差异） 脂溶性物质和小分子物质，单纯扩散作用。 非脂溶性物质与膜蛋白暂时结合，易化扩散。 胞饮、胞吐作用（大分子） 主动转运作用（浓度由低至高）
胞
细胞内液：半透明胶体物质。
结 细胞质 细胞器：具有一定形态和生理功能的结构
构
胞内质粒：非功能性单位
核膜
细胞核 染色质
核仁
核液
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
10
在电子显微镜下细胞膜的结构表现“两暗
夹一明”的单位膜结构, 厚70－100Å。
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
11
糖脂
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
二、植入材料与组织界面反应
15
物质过膜转运
• 简单扩散/脂溶扩散 • 滤过和水溶性扩散 • 易化扩散/载体扩散 • 吞噬作用/胞吞/胞饮 • 吸收
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
16
物质过膜转运
简单扩散(simple diffusion)/脂溶扩散(lipid diffusion)：
大多数物质经简单扩散方式通过生物膜， 从浓度较高的一侧经脂质双分子层进行扩散性 转运。
是不可逆的。
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
7
二、植入材料与组织界面反应
在微观水平上，无论是血液毒性还 是神经毒性，最初都是有毒物质被细胞 吸收，产生细胞毒性。
植入人体中的材料以颗粒、分子或 离子的形式经细胞膜，产生细胞或器官 毒副作用。
物质过膜转运－－细胞膜
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
糖蛋白 外层脂质分子（亲水性头部）
疏水性尾部
表面蛋白质
嵌入蛋白质 内层脂质分子（亲水性头部）
细胞膜分子结构模式图
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
12
细胞膜 Plasma Membrane
双层极性磷脂分子： 亲水端构成膜的内外两侧，与体液
或细胞质接触，疏水端朝向膜的中间， 互相贴近。
膜蛋白:
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
19
物质过膜转运
易化扩散(facilitated diffusion)/载体扩散:
膜上蛋白质载体特异地与某种化学毒物结 合后，其分子内部发生构型变化而形成的适合该 物质通过的通道而进入细胞。
顺浓度方向转运，不需消耗能量。 水溶性分子葡萄糖在体内的转运； Na+、K+、Ca2+离子带有电荷，不能通过脂 质双分子层的内部疏水区，某种情况下，可随浓 度差，快速出入细胞。
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
5
二、植入材料与组织界面反应
毒性反应：
金属种植体进入体内两、三年后，
围绕种植材料周围的软组织因毒蚀而变 灰、变黑。
进入体液的化学物质可对血液系统
产生毒化作用，有毒元素替代红细胞中 的铁原子，使血红细胞运载氧的能力减 弱。
有毒元素通过血液运载毒化神经系
统。
第三章 相互作用
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
18
物质过膜转运
水溶性扩散(aqueous diffusion)
大部分细胞的膜孔较小（约0.4nm） ，只能通过分子量小于100、不带电荷的 极性分子，如水、乙醇、乳酸等水溶性 分子和O2、CO2等气体分子可通过水溶 扩散跨膜转运，其相对扩散率与该物质 在膜两侧的浓度差成正比。
8
二、植入材料与组织界面反应
物质过膜转运 反应过程与反应机理 颗粒状植入材料可能的毒副作用 细胞对植入物质的反应规律 吸收物质的生物排泄
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
9
细胞膜 Plasma Membrane
细胞膜 包围在细胞表面的一层薄膜，厚70－
细
100Å，电镜下观察，为三层结构。
二、植入材料与组织界面反应
6
二、植入材料与组织界面反应
植入人体中的材料以颗粒、分子或离
子的形式经细胞膜，产生细胞或器官毒副
作用。这在不同程度上对细胞或器官造成
损伤。物质的毒副作用的可逆性取决于被
损伤组织的再生能力：
肝脏：再生能力强，多数损伤是可逆的。
中枢神经：再生能力很差，
损伤多是不可逆的。
SiO2所引起的硅沉着病是不可逆的。 致癌物质引起的正常细胞发生恶变，
对机体的影响： 整体水平 细胞水平 分子水平
生物体（宿主）反应： 界面反应 局部的宿主反应 远端和全身的影响
反应首先是在材料－组织界面上展开
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
4
二、植入材料与组织界面反应
由于体液的作用或机械摩 擦，颗粒状的物质可能从植入材 料表面侵出或脱落，或是以离子 状态从材料表面侵出，进入体液 系统产生各种毒性反应。
哈尔滨工业大学 材料学院 材料物理与化学
二OO六年十月
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
1
第三章
医用植入材料 与人体间的相互作用
一、生物相容性概念和原理 二、植入材料与组织界面反应 三、植入材料引起的炎症与伤口愈合 四、植入材料引起的感染、钙化和肿瘤 五、植入材料的病理学反应
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
2
二、植入材料与组织界面反应
物质过膜转运 反应过程与反应机理 颗粒状植入材料可能的毒副作用 细胞对植入物质的反应规律 吸收物质的生物排泄
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
3
二、植入材料与组织界面反应
生物材料
人体生理环境：
水、无机盐、蛋白质 细胞、组织、器官
2、识别、传递信号
3、膜蛋白间结合产生细胞间结合。
4、将细胞内外液分开，细胞内物质不会流散。
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
14
物质过膜转运
物质能否通过生物膜，进入细胞，
与物质的生物膜通透性有关，即物质的
理化性质有关： 大小/形状 亲脂性/亲水性 所带电荷/极性 与内源性分子的相似性
第三章 相互作用
产生的条件： 膜两侧存在浓度梯度 物质必须具有脂溶性 物质必须是非电离状态
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
17Βιβλιοθήκη 物质过膜转运滤过(filtration)
毛细血管和肾小球的膜上具有较 大的孔（约4nm）,可通过分子量小于 60000的分子，由于水压或/和渗透压 而产生的水流可顺压差携带化学物质 穿过膜孔。
表面蛋白 结合蛋白
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
13
细胞膜的功能
1、物质输送：有选择性，进行新陈代谢的同时，
又能保持细胞内成分稳定。
水的渗透（细胞内外溶液浓度差异） 脂溶性物质和小分子物质，单纯扩散作用。 非脂溶性物质与膜蛋白暂时结合，易化扩散。 胞饮、胞吐作用（大分子） 主动转运作用（浓度由低至高）
胞
细胞内液：半透明胶体物质。
结 细胞质 细胞器：具有一定形态和生理功能的结构
构
胞内质粒：非功能性单位
核膜
细胞核 染色质
核仁
核液
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
10
在电子显微镜下细胞膜的结构表现“两暗
夹一明”的单位膜结构, 厚70－100Å。
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
11
糖脂
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
二、植入材料与组织界面反应
15
物质过膜转运
• 简单扩散/脂溶扩散 • 滤过和水溶性扩散 • 易化扩散/载体扩散 • 吞噬作用/胞吞/胞饮 • 吸收
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
16
物质过膜转运
简单扩散(simple diffusion)/脂溶扩散(lipid diffusion)：
大多数物质经简单扩散方式通过生物膜， 从浓度较高的一侧经脂质双分子层进行扩散性 转运。
是不可逆的。
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
7
二、植入材料与组织界面反应
在微观水平上，无论是血液毒性还 是神经毒性，最初都是有毒物质被细胞 吸收，产生细胞毒性。
植入人体中的材料以颗粒、分子或 离子的形式经细胞膜，产生细胞或器官 毒副作用。
物质过膜转运－－细胞膜
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
糖蛋白 外层脂质分子（亲水性头部）
疏水性尾部
表面蛋白质
嵌入蛋白质 内层脂质分子（亲水性头部）
细胞膜分子结构模式图
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
12
细胞膜 Plasma Membrane
双层极性磷脂分子： 亲水端构成膜的内外两侧，与体液
或细胞质接触，疏水端朝向膜的中间， 互相贴近。
膜蛋白: