《生物医用材料》第三章生物相容性及生物学评价
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• 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材料的形状和表面粗糙程 度有关。
血液相容性
定义：
生物材料与血液接触所产生相互反应的能力 。具有良好血液相容性的材料或器械是在与血液 接触行使其功能时不会引起有害反应
2.3 材料或器械影响血液相容性的可能 因素
影响血液凝固（血栓形成）有三大要素： 血液化学、血液接触的表面、血液流 动形式。
因此材料或器械影响血液相容性的可能 因素有：
1) 材料的性质: 材料的本体和 表面特性 2)材料或器械的外形与尺寸
1）材料性能的影响
➢ 本体性能的影响： Ni引起癌变，碳素材料抗血栓性能好，聚氨酯抗凝
第一阶段: 血液与材料相互作用的初期，材 料表面 和血液都发生了变化。一方面，在 材料表面粘附蛋白 质、细胞及其他血液成 分，同时由于材料与水接触以及 蛋白质在
材料表面的粘附引起材料表面的链段发生 重 排，形成新的表面;另一方面，材料与血 液接触引起血 液内凝血、溶纤、补体等系 统的激活以及血细胞功能的 改变。此时的 血液已不同于没有接触材料时的血液。第 一阶段一般为2小时。
几种提高血液相容性的表面改性技术:
1）增加表面亲水性，降低表面与血液成分 的相互作用。
表面的亲水性及自由能对血液成分的吸附，变性等有 密切联系。提高材料表面的亲水性，使表面自由能降 低到接近血管内膜的表面自由能值可取得抗血栓性能。
例如在表面接枝聚乙二醇（PEG）侧链： PEG与水的低界面自由能，独特的溶液性质和分子构
血性较好。
➢ 表面性能来自百度文库影响： 表面形貌：表面粗糙度、表面织构、多孔性。
材料表面越粗糙，暴露在血液上的面积越大，凝血 的可能性也就越大，但如果在0,1~2 UM的范围内 存在不均匀结构，可提高材料的抗凝血性能
表面成分：例如表面涂覆碳素材料可抗血栓
血管支架表面改性薄膜
无机惰性薄膜提高支架的抗血栓性能 贵 金 属 涂 层 碳 化 物 涂 层 类金刚石薄膜
象，亲水性、表面流动性以及PEG的空间稳定效应 使其具有较好的血液相容性。
2）材料表面带负电荷：
正常人体血管壁内皮细胞的ε电位值为负值，血 液中的红细胞，白细胞及血小板等均带负电荷， 因此不易发生粘附。高分子材料表面电荷的正负 由其功能团类型决定，利用这一点，可以进行特 定的设计使材料表面带上负电荷，从而减少血栓 的形成。
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 受体的释放等分子水平的反映。
• 适宜的血液相容性材料应不损伤血液成分 和功能。
2）材料与血液的相互作用过程:
材料与血液接触后的相互作用可分为3个阶段:
第三阶段: 在此阶段，材料表面 与血液均要 发生变化。材料表面的变化，同样分为良 性 与恶性两种。假内膜表面的上皮化即属 良性变化。恶性 变化指形成肉芽或发生钙 化。
2.2 材料诱发血栓形成的可能机制 ✓材料表面与血液接触后，首先是蛋白质层和 脂质吸附在材料表面上，这些分子发生构象上 的变化，导致血液中各成分发生相互作用；
1.3 材料在生物体内的反应
材料在生物体内的反应包括两个方面：宿主反应和材料反应。 宿主反应：宿主对植入体材料作出的生理反应，主要包括血液反应
、组织反应。 材料反应：植入体材料在生物环境中发生的各种物理和化学反应。
图2-1 几种植入材料表面在生物材料环境下常见的变化
A．宿主反应
1.局部 a.血液-材料的反应 b.蛋白质的吸收 c.凝结 d.纤维蛋白溶解 e.血小板的粘着，活化，释放 f. 补体系统活化 h. 溶血现象 i.毒性 j.改变了正常的愈合 k.包成囊状 l.外来体的反应 m.感染 o.形成肿瘤 2..全身反应与补体系统 a．形成血栓 b．植入体元素在血液中数量增加 c．高度过敏症 d．淋巴颗粒的传输
Uncoated
Coated
类金刚石薄膜血小板粘附与活化
2) 材料的外形与尺寸的影响
材料设计与制备 多学科：涉及材料、力学、有限元 分析、机械、激光加工等
2.4 提高材料血液相容性的技术—表面改性
利用各种物理和化学的方法对材料的表面进行处理 可以提高材料的抗血栓性能（血液相容性）
可以从以下几个方向来考虑： • 促进伪内膜形成； • 抑制血小板体系的活化； • 抑制凝固体系的活化； • 促进血栓溶解。
✓一方面触发以凝血因子活化为起点的内源性 凝固反应；
✓另一方面使血小板、红血球等细胞成分附着 于蛋白质表面，被黏附的血小板发生变形，这 些变化使血小板放出能促进凝血系统活化的因 子，产生凝血反应。
• 对于一种抗凝血生物材料来说，其表面既 能抑制凝血因子的活化，又能防止血小板 的粘附、释放和聚集，缺一不可。
第三章生物相容性及生物学评价
第一节：生物相容性的基本概念 第二节：材料的血液相容性 第三节：材料的组织相容性 第四节：生物学评价
➢组织相容性 ➢定义：材料与组织器官接触时所产生相互反应的
能力。生物材料要求不能被组织所侵蚀，材料与 组织之间应有一种亲和能力。
• 对于骨植入材料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。
第二阶段:
材料与血液的相互作用取决于新形 成的材料 表面与接触材料后的血液。在此期间，材 料表 面继续发生明显的变化。这一变化可 以是良性的变化， 也可能是恶性的变化。 良性变化指材料表面形成惰性表 面，恶性 变化指材料表面形成血栓等。第二阶段血 液也 发生许多变化，还可引起体液及细胞 成分的变化。这一 时期一般为两周。
B．材料反应
1. 物理机制的反应 a. 摩擦磨损 b．疲劳损伤 c．应力腐蚀引起断裂 d．腐蚀 e．降解及分解
2. 生理反应 a．吸收组织物质 b．酶的降解 c. 钙化
金属植入物表面分子水平的反应
第二节 材料的血液相容性 bloodcompatibility
2.1 材料与血液的相互作用： 1）生物材料可能引起的血液的变化： ➢生物材料的界面现象（在材料的表面首先
• 生物材料的组织相容性还与材料的形状和表面粗糙程 度有关。
血液相容性
定义：
生物材料与血液接触所产生相互反应的能力 。具有良好血液相容性的材料或器械是在与血液 接触行使其功能时不会引起有害反应
2.3 材料或器械影响血液相容性的可能 因素
影响血液凝固（血栓形成）有三大要素： 血液化学、血液接触的表面、血液流 动形式。
因此材料或器械影响血液相容性的可能 因素有：
1) 材料的性质: 材料的本体和 表面特性 2)材料或器械的外形与尺寸
1）材料性能的影响
➢ 本体性能的影响： Ni引起癌变，碳素材料抗血栓性能好，聚氨酯抗凝
第一阶段: 血液与材料相互作用的初期，材 料表面 和血液都发生了变化。一方面，在 材料表面粘附蛋白 质、细胞及其他血液成 分，同时由于材料与水接触以及 蛋白质在
材料表面的粘附引起材料表面的链段发生 重 排，形成新的表面;另一方面，材料与血 液接触引起血 液内凝血、溶纤、补体等系 统的激活以及血细胞功能的 改变。此时的 血液已不同于没有接触材料时的血液。第 一阶段一般为2小时。
几种提高血液相容性的表面改性技术:
1）增加表面亲水性，降低表面与血液成分 的相互作用。
表面的亲水性及自由能对血液成分的吸附，变性等有 密切联系。提高材料表面的亲水性，使表面自由能降 低到接近血管内膜的表面自由能值可取得抗血栓性能。
例如在表面接枝聚乙二醇（PEG）侧链： PEG与水的低界面自由能，独特的溶液性质和分子构
血性较好。
➢ 表面性能来自百度文库影响： 表面形貌：表面粗糙度、表面织构、多孔性。
材料表面越粗糙，暴露在血液上的面积越大，凝血 的可能性也就越大，但如果在0,1~2 UM的范围内 存在不均匀结构，可提高材料的抗凝血性能
表面成分：例如表面涂覆碳素材料可抗血栓
血管支架表面改性薄膜
无机惰性薄膜提高支架的抗血栓性能 贵 金 属 涂 层 碳 化 物 涂 层 类金刚石薄膜
象，亲水性、表面流动性以及PEG的空间稳定效应 使其具有较好的血液相容性。
2）材料表面带负电荷：
正常人体血管壁内皮细胞的ε电位值为负值，血 液中的红细胞，白细胞及血小板等均带负电荷， 因此不易发生粘附。高分子材料表面电荷的正负 由其功能团类型决定，利用这一点，可以进行特 定的设计使材料表面带上负电荷，从而减少血栓 的形成。
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 受体的释放等分子水平的反映。
• 适宜的血液相容性材料应不损伤血液成分 和功能。
2）材料与血液的相互作用过程:
材料与血液接触后的相互作用可分为3个阶段:
第三阶段: 在此阶段，材料表面 与血液均要 发生变化。材料表面的变化，同样分为良 性 与恶性两种。假内膜表面的上皮化即属 良性变化。恶性 变化指形成肉芽或发生钙 化。
2.2 材料诱发血栓形成的可能机制 ✓材料表面与血液接触后，首先是蛋白质层和 脂质吸附在材料表面上，这些分子发生构象上 的变化，导致血液中各成分发生相互作用；
1.3 材料在生物体内的反应
材料在生物体内的反应包括两个方面：宿主反应和材料反应。 宿主反应：宿主对植入体材料作出的生理反应，主要包括血液反应
、组织反应。 材料反应：植入体材料在生物环境中发生的各种物理和化学反应。
图2-1 几种植入材料表面在生物材料环境下常见的变化
A．宿主反应
1.局部 a.血液-材料的反应 b.蛋白质的吸收 c.凝结 d.纤维蛋白溶解 e.血小板的粘着，活化，释放 f. 补体系统活化 h. 溶血现象 i.毒性 j.改变了正常的愈合 k.包成囊状 l.外来体的反应 m.感染 o.形成肿瘤 2..全身反应与补体系统 a．形成血栓 b．植入体元素在血液中数量增加 c．高度过敏症 d．淋巴颗粒的传输
Uncoated
Coated
类金刚石薄膜血小板粘附与活化
2) 材料的外形与尺寸的影响
材料设计与制备 多学科：涉及材料、力学、有限元 分析、机械、激光加工等
2.4 提高材料血液相容性的技术—表面改性
利用各种物理和化学的方法对材料的表面进行处理 可以提高材料的抗血栓性能（血液相容性）
可以从以下几个方向来考虑： • 促进伪内膜形成； • 抑制血小板体系的活化； • 抑制凝固体系的活化； • 促进血栓溶解。
✓一方面触发以凝血因子活化为起点的内源性 凝固反应；
✓另一方面使血小板、红血球等细胞成分附着 于蛋白质表面，被黏附的血小板发生变形，这 些变化使血小板放出能促进凝血系统活化的因 子，产生凝血反应。
• 对于一种抗凝血生物材料来说，其表面既 能抑制凝血因子的活化，又能防止血小板 的粘附、释放和聚集，缺一不可。
第三章生物相容性及生物学评价
第一节：生物相容性的基本概念 第二节：材料的血液相容性 第三节：材料的组织相容性 第四节：生物学评价
➢组织相容性 ➢定义：材料与组织器官接触时所产生相互反应的
能力。生物材料要求不能被组织所侵蚀，材料与 组织之间应有一种亲和能力。
• 对于骨植入材料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。
第二阶段:
材料与血液的相互作用取决于新形 成的材料 表面与接触材料后的血液。在此期间，材 料表 面继续发生明显的变化。这一变化可 以是良性的变化， 也可能是恶性的变化。 良性变化指材料表面形成惰性表 面，恶性 变化指材料表面形成血栓等。第二阶段血 液也 发生许多变化，还可引起体液及细胞 成分的变化。这一 时期一般为两周。
B．材料反应
1. 物理机制的反应 a. 摩擦磨损 b．疲劳损伤 c．应力腐蚀引起断裂 d．腐蚀 e．降解及分解
2. 生理反应 a．吸收组织物质 b．酶的降解 c. 钙化
金属植入物表面分子水平的反应
第二节 材料的血液相容性 bloodcompatibility
2.1 材料与血液的相互作用： 1）生物材料可能引起的血液的变化： ➢生物材料的界面现象（在材料的表面首先