第三章 生物相容性及生物学评价(2)

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
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
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
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
组 织 破 坏 细 胞 失 活
全 身 性 反 应 并 发 症
创伤性炎症利弊
益wenku.baidu.com：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
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。
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：
• 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。
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。
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。
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。
• 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。
• 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。
• 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。
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
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。
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。