第三章 生物相容性及生物学评价(2)

黏附在材料表面的细菌不断生长、繁殖，合成多 糖的黏质物，与吸附到材料表面的机体细胞外基 质蛋白，共同形成包绕生物材料表面的生物膜. 这 层生物膜可以保护细菌本身避开人体体液以及细 胞分泌的免疫物质的免疫作用。
细菌生物膜是具有高度组织化的多细胞细菌群体 结构，细菌之间存在广泛的化学信息及遗传信息 交流，进行着耐药质粒的传递，并保持遗传多样 性。由于生物膜具有黏质性及带负电，限制了带 正电物质的进入，如金属离子和某些抗生素，菌 落中心的细胞就受到了很好的保护，这种特化的 “顽固细胞”群在抗生素存在的环境下不会生长， 但也不会死亡，当药物效力解除后，顽固细胞能 成长为正常的细菌菌落。这种机制造成了临床上 生物材料相关感染经久难愈、愈后复发的难题
1.2 高分子材料的降解
• 一般的生物降解高分子材料：一种人工合成的高 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 CO 2 和 H 2 O ，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。 • 常用的可降解材料：有聚乙交酯、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 可降解材料在体内的降解强度衰减过快
创伤愈合类型
1、一期愈合 （原发愈合） 组织修复以本来细胞为 主，修复处仅含少量纤维组 织。愈后功能良好。如上皮 细胞修复，皮肤粘膜损伤 2、二期愈合（瘢痕愈合） 组织修复以纤维组织为 主。愈后功能不良，可能有 瘢痕挛缩或增生，引起畸形， 管道狭窄，骨不连

损伤处细胞再生与分化的分子机制 受损组织修复的完好程度不仅取决于 受损组织、细胞的再生能力，同时也受 许多细胞因子及其他因素的调控。与再 生有关的几种生长因子：
免疫系统反应 化学物质对免疫系统的作用具有双向性，即化学物质 可在不同的条件下分别表现为对机体的免疫抑制或 超敏反应。 免疫抑制：生物材料可直接损伤免疫细胞的形态和 功能，使机体免疫功能下降，导致个体易受感染因 素或肿瘤的攻击。如苯、Pd、Hg等等。 超敏反应：生物材料也可影响免疫细胞的抗原识别 能力或过敏性，引起过高的病理性免疫应答，表现 为过敏或超敏反应。如器官移植的排斥反应。
渗入伤口间隙内的纤维蛋白原变为纤维蛋白，
2.2 生物材料植入物的宿主反应：
图2-2 生物材料在体内的反应随时间的变化
强度随时间的变化主要取决于植入体大小、形状、植入位置 以及材料的物理化学性质不同导致伤口区域的不同。
炎症反应 包括急性炎症反应，慢性炎性反应，粒状组织的形 成等。其强度随时间的变化与植入体大小、形状、 位置及材料的物理化学性质而不同。 例如： 急性炎性反应：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。 慢性炎性反应：聚乙烯植入物产生的磨损磨屑的周 围聚集淋巴细胞和单核白血球。
• 对单一元件装置，如颅骨板、骨髓内杆、内部修 补物、锁钉和骨折端环扎线等，腐蚀很轻微，均 匀腐蚀仍不可避免，而应力腐蚀，或者更一般地 说，应力增高或破裂失效 ( 疲劳腐蚀 ) ，大概是最 重要的破坏形式。 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。
为了减少生物材料相关的感染的发生，一方面应减少 细菌的污染，这包括在植入生物材料之前，彻底地治 愈慢性感染病灶，植入生物材料过程中和其后，严格 的无菌观念和预防性地应用抗生素；另一方面则应改 进和完善生物材料的性能。 目前，在材料的抗菌改性方面的研究，采取的主要措 施可以分为两类：一是通过在生物材料表面加载抗生 素等抗菌物质来产生抗菌作用；另外一类是通过改变 材料表面的物化性质(如亲水性、吸水率、表面自由能、 表面润湿性)、表面电性质(表面电荷、ζ电位)、表面形 貌等来抑制细菌的黏附。
宿主抗移植物排斥反应类型
超急性排斥反应 血管接通后数分钟 至 数小时 急性排斥反应 移植后 数天至2周 慢性排斥反应 移植后 数月 至 数年
2.3 几种重要的宿主反应 1）植入材料与肿瘤的产生
• 肿瘤是机体在各种致瘤因子长期协同作用下，某部易感细胞群 体逐渐发生的、过度的异常反应性增生，往往持续增长，且与 整体不相协调。即使这些致瘤因子已经停止作用，细胞的增生 仍继续进行下去。 • 这种肿痛性细胞增生应与以下几种正常细胞增生相区别。 (1)与儿童生长分裂细胞，皮肤和造血骨髓细胞的增殖分化相区 别； (2)与炎症性和修复性增生相区别，如外伤引起的成纤细胞和胶 原细胞增生； (3)同局部组织受刺激或内分泌紊乱引起的细胞增生相区别。 • 基本区别在于：上述这些细胞增生在刺激除去后就停顿了，并 可能在一定程度上消退。
创伤引起的反应
局 部 反 应 炎症
细胞增生 体温反应
神经内分泌变化 代谢变化 免疫功能变化 感染 休克
创 伤
发 症
创伤性炎症利弊
益处：利于创伤修复
可充填裂隙和作为细胞增生的网架 中性粒细胞抗菌作用、巨噬细胞清除坏死组 织 局部血流灌注增加，提供细胞增生的营养成 分 弊端：反应强烈或广泛，不利于创伤治愈 大量血浆渗出→血容量缩减 闭合性创伤的严重炎症→组织内压过高， 阻碍局部血循环 大量组织细胞的裂解产物→损坏其他器官
组织修复的过程
（1）、纤维蛋白填充 伤口及组织裂隙先由血凝块充 填，继而发生炎症，有纤维蛋 白附加其间，其功用首先是止 血和封闭创面，可减轻损伤
（2）、细胞增生
6h后伤口边缘出现成纤 维细胞，血管内皮细 胞增生，形成新生小血管
肉芽 组织
（3）、组织塑形
多余的胶原纤维被胶原蛋白酶 降解；过度丰富的毛细血管网 消退和伤口的粘蛋白及水分减 少
• 耐腐蚀性能实验 恒温水浴筛选、点蚀电位 植入物与人体长期接触，耐腐蚀性实验用于模拟人 体环境，但请注意：现有的方法不能完全模拟人 体内的真实环境，并且，材料植入体内后，腐蚀 现象无时无刻都在发生，其释放的物质可能造成 机体组织的损伤，也可能由于腐蚀，导致器械的 使用性能发生变化，最终导致植入物失效。
• 良性肿瘤：
肿瘤块一直在它们的原发部位扩大生长，同周围邻近的正 常组织有一明显边界区分，秉性柔和，相对善良。 经合理而完善的外科手术切除是可治疗的。对机体危害较 轻。 除非它们生长在机体要害部位，否则良性肿瘤一股是不会 构成对生命威胁的。 • 恶性肿瘤： 通过浸润与扩散方式进行生长、发展。 恶性肿瘤细胞不仅可以在原发部位继续生长和蔓延，而且 还可以通过血液、淋巴和其它体液途径扩散到与原发部位 无关的身体其它部部位，形成与原发肿瘤同样类型的肿瘤。
2 宿主反应
2.1 伤口愈合过程简介 2.2 植入材料的宿主反应 2.3 几种重要的宿主反应
2.1 伤口愈合过程简介 创伤愈合过程的基本阶段
创伤 凝血 发炎 修复和重建
创伤修复的方式
• 创伤修复的基本方式是由伤后增生的细胞和细胞 间质，充填、连接或代替缺损的组织 • 理想的创伤修复，是组织缺损完全由原来性质的 细胞来修复，恢复原有的结构和功能
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
第三节：材料的组织相容性 1.材料反应 2.宿主反应
1. 材料反应 1.1 腐蚀
• 生物医用金属材料在机体内重要反应之一是腐蚀。对 高分子和陶瓷材料来说，腐蚀一般不是很显著，但是 也存在着问题。 • 缝隙腐蚀和点蚀是金属骨植入物两种最重要的腐蚀形 式。 缝隙腐蚀常发生在金属骨植入物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 蚀偶尔也发生栓与板接合的部分。 • 在金属骨植入板与螺栓之间也可能发生腐蚀。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。
• 材料植入机体引起肿瘤可能同物理、化学性的因 素有关.
2）植入感染
植入感染 • 生物材料相关的感染最初过程是生物材料表面的 细菌黏附. • 引起植入物感染的微生物主要是各种条件致病菌， 可来源于空气、宿主和手术医师的皮肤，经内源 性移位到达宿主植入物表面或经血行播散 • 植入物材料的化学组成、表面形貌、能量状态、 亲 ( 疏 ) 水性、表面电荷等均是影响细菌黏附的重 要因素. 大多数植入物表面有理化活性，能激发炎 症和免疫反应，影响正常组织细胞在植入物表面 黏附与定植，并形成有利于微生物定植的植入物 周围微环境。
血小板源性生长因子：源于血小板α 颗粒， 能引起成纤维细胞、平滑肌细胞和单核细 胞的增生和游走。 血管内皮生长因子：促进血管的形成， 增加血管的通透性
成纤维细胞生长因子：在毛细血管的新 生过程中，能使内皮细胞分裂并诱导其 产生蛋白溶解酶，溶解基底膜便于内皮 细胞穿越生芽。 表皮生长因子：对上皮细胞、成纤维细 胞、胶质细胞及平滑肌细胞有促增殖作 用。