生物医用材料生物相容性及其评价方法

《生物医用材料生物相容性及其评价方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物医用材料生物相容性及其评价方法（76页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、生物医用材料生物相容性及其评 价方法生物相容性概念l生物相容性是生物医用材料与人体之间相互 作用产生各种复杂的生物、物理、化学反应 的一种概念。l l生物相容性是生物材料研究中始终贯穿的主生物相容性是生物材料研究中始终贯穿的主 题。按题。按ISOISO会议的解释会议的解释: : 生物相容性是指生命生物相容性是指生命 体组织对非活性材料产生反应的一种性能。体组织对非活性材料产生反应的一种性能。 一般是指材料与宿主之间的相容性一般是指材料与宿主之间的相容性, , 包括组包括组 织相容性和血液相容性。织相容性和血液相容性。l 换言之：植入人体内的生物医用材料及各种人工器官植入人体内的生物医用材料及各

2、种人工器官 、医用辅助装置等医疗器械，必须对人体无、医用辅助装置等医疗器械，必须对人体无 毒性、无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和毒性、无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和 无致癌性，对人体组织、血液、免疫等系统无致癌性，对人体组织、血液、免疫等系统 不产生不良反应。不产生不良反应。生物相容性两大原则 l 生物安全性原则 l 生物功能性原则 生物安全性原则l 生物安全性原则目的在于消除生物材料对人体器官的 破坏性,比如细胞毒性和致癌性l 生物材料对于宿主是异物在体内必 定会产生某种应答或出现排异现象。 生物材料如果要成功至少要使发生 的反应被宿主接受，不产生有害作用 。因此要对生物材料进行生物安全性

3、 评价，即生物学评价。生物功能性原则l 是指其在特殊应用中“能够激发宿主 恰当地应答”的能力。l 随着对生物材料生物相容性的深入研 究，人们发现不仅要对生物材料的毒 副作用要进行评价，还要进一步评价 生物材料对生物功能的影响。生物相容性反应生物学反应 材料反应生物学反应l血液反应 l免疫反应 l组织反应血液反应l 血小板血栓 l 凝血系统激活 l 纤溶系统激活 l 溶血反应 l 白细胞反应 l 细胞因子反应 l 蛋白黏附免疫反应l 补体系统激活 l 体液免疫反应 l 细胞免疫反应组织反应l 炎症反应 l 细胞黏附 l 细胞增值 l 形成囊膜 l 细胞质的转变材料反应l 物理性质变化 l 化学性

4、质变化引起生物医用材料变化的因素l l 生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动 态运动；态运动； l l 细胞生物电、磁场和电解、氧化作用；细胞生物电、磁场和电解、氧化作用； l l 新陈代谢过程中生物化学和酶催化反应；新陈代谢过程中生物化学和酶催化反应； l l 细胞黏附吞噬作用；细胞黏附吞噬作用； l l 体液中各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基体液中各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基 酸、多肽、自由基对材料的生物降解作用酸、多肽、自由基对材料的生物降解作用 。引起生物体反应的因素引起生物体反应的因素l l 材料中残留有毒性的低分子物质；材料中残留有毒性的低分子物

5、质； l l 材料聚合过程残留有毒性、刺激性的单体；材料聚合过程残留有毒性、刺激性的单体； l l 材料及制品在灭菌过程中吸附了化学毒剂和材料及制品在灭菌过程中吸附了化学毒剂和 高温引发的裂解产物；高温引发的裂解产物； l l 材料和制品的形状、大小、表面光滑程度；材料和制品的形状、大小、表面光滑程度； l l 材料的酸碱度材料的酸碱度生物相容性分类生物相容性分类l血液相容性 l组织相容性（一般生物相容性）l 血液相容性： 材料用于心血管系统与血液直接接触， 主要考察与血液的相互作用；l 组织相容性： 材料与心血管系统外的组织和器官接触 ，主要考察与组织的相互作用。血液相容性要求l抗血小板血栓

6、形成； l抗凝血性； l抗溶血性； l抗白细胞减少性； l抗补体系统抗进性； l抗血浆蛋白吸附性； l抗细胞因子吸附性.组织相容性要求l 细胞黏附性； l 无抑制细胞生长性； l 细胞激活性； l 抗细胞原生质变化性； l 抗炎症性； l 无抗原性； l 无诱变性； l 无致癌性； l 无致畸性。l 组织相容性的两个问题： 生物医用材料与炎症； 生物医用材料与肿瘤。l 血液相容性的两个问题： 生物医用材料与血小板； 生物医用材料与补体系统 。l 非感染性炎症： 由于植入物中微量小分子物质渗出， 刺激组织所引起的炎症反应；l 感染性炎症： 生物医用材料和医用装置植入人体内 后，由于植入物灭菌不彻

7、底或植入被 污染的无菌材料而引起的并发症。生物医用材料与炎症l 植入手术过程中对皮肤或组织造成损伤， 给微生物提供侵入体内组织的机会； l 植入生产过程中已被细菌污染的材料和制 品或无菌材料已被污染； l 植入材料能抑制体内的抗炎防御系统的反 应性，增加了局部组织易感染性； l 植入材料能抑制和吸附补体C3a、C5a，增 加了多核白细胞在植入局部组织中的数量 ，使抑制局部炎症反应的能力减弱。造成细菌性感染的原因有以下几点：生物医用材料与肿瘤l 诱发肿瘤的可能因素： l 与植入材料的外形有明显的相关性； l 与植入材料的埋植方法有关； l 与植入材料表面的粗糙程度有关； l 被致癌物污染的材料或

8、生物老化时能释放致癌物 质的材料，在植入动物体内能诱发恶性肿瘤； l 与植入材料在体内形成的纤维包膜厚度有关； l 材料中残留的有毒性或有刺激性的小分子物质使 局部组织长期受毒或受刺激，可诱发恶性肿瘤。生物医用材料与血小板l l 生物医用材料对血小板的黏附。激活引生物医用材料对血小板的黏附。激活引 起的一系列凝血核纤溶系统的反应，形起的一系列凝血核纤溶系统的反应，形 成血小板血栓，其中血小板纤维连接蛋成血小板血栓，其中血小板纤维连接蛋 白参与血小板胶原的黏附，增强了血小白参与血小板胶原的黏附，增强了血小 板的伸展作用，加速血栓的形成；血小板的伸展作用，加速血栓的形成；血小 板因子板因子V V能

9、促进凝血酶的局部生成，加能促进凝血酶的局部生成，加 速凝血过程。速凝血过程。生物医用材料与补体系统l 补体是血液中的一群蛋白质，在机体抵 御感染中起重要作用。 l 补体活化：补体各成分按一定顺序呈链 锁的酶促反应。 l 补体系统激活的两条途径： l 经典激活途径； l 旁路激活途径（替代途径）。补体激活对机体产生的影响l C3a、C5a被称为过敏素，可引起患者过敏症状 l 在透析时观察到患者有血氧下降或低血压现象 l C3b将引起白细胞在材料表面黏附，通过释放 血小板激活因子促进血小板聚集，参与血栓的 形成 l 出现慢性并发症 l 植入物的表面黏附大量的白细胞生物医用材料的生物相容性评价l 生

10、物医用材料的安全性从广义上讲 应该包括物理性能、化学性能、生 物学性能及临床研究等四个方面； l 从狭义上讲是指生物学评价。生物学评价项目的选择l 不同用途的生物医用材料和医疗器械的生物学 评价项目的内容和水平都不相同。具体如下： l 接触部位有体表和体内组织、骨骼、牙、血液 ； l 接触方式有直接接触和间接接触； l 接触时间是： 暂时接触不大于24h, 短、中期接触长于24h至30日， 长期接触长于30日； l 用途：一般功能、生殖与胚胎发育及生物降解 。生物材料生物学评价标准的发展l1982年美国国家标准学会和牙科协会 (ANSI/ADA)公布了评价生物相容性实验标准 草案。 l国际标准

11、化组织( ISO )于1997年 以10993 编号发布了17 个相关标准 。 l我国全国医疗器械生物学评价标准化技术委 员会成功将ISO10993系列标准转化为国家标 准医疗器械生物学评价生物学评价标准l 美国ASTM(F748-82)标准； l 美、英、加拿大三国标准； l ISO生物学评价标准； l 我国生物学评价试验选择标准。ISO生物学评价标准l l ISO10993ISO10993的总题目是医疗装置生物学评价，由下列部分组成的总题目是医疗装置生物学评价，由下列部分组成 ： l l 第第1 1部分试验选择指南；部分试验选择指南； l l 第第2 2部分动物福利要求；部分动物福利要求；

12、 l l 第第3 3部分遗传毒性、致癌性和生殖毒性试验；部分遗传毒性、致癌性和生殖毒性试验； l l 第第4 4部分与血液相互作用试验选择；部分与血液相互作用试验选择； l l 第第5 5部分细胞毒性试验，体外法；部分细胞毒性试验，体外法； l l 第第6 6部分植入后局部反应试验；部分植入后局部反应试验； l l 第第7 7部分环氧乙烷灭菌残留；部分环氧乙烷灭菌残留； l l 第第8 8部分临床调查；部分临床调查； l l 第第9 9部分与生物学试验有关的材料降解（技术报告）；部分与生物学试验有关的材料降解（技术报告）； l l 第第1010部分刺激与致敏试验；部分刺激与致敏试验； l l

13、第第1111部分全身毒性试验；部分全身毒性试验； l l 第第1212部分样品制备与标准样品。部分样品制备与标准样品。ISO生物学评价标准特点l 明确了医疗装置的分类，将接触部位分为表面接 触、体外与体内接触、体内植入三大类； l 在接触时间上将小于24h的接触列为一时接触，短 、中期接触时间大于24h至30天，30天以上为长期 接触； l 将生物学评价试验分为基本评价试验和补充评价 试验两大类； l 将亚慢性、亚急性毒性试验列入基本评价试验项 目中，取消了热原试验项目； l 在补充评价试验中增加了生殖与发育毒性和生物 降解试验两个项目。我国生物学评价标准与国际标准的不同l 将热原试验列为基本

14、评价的生物学评价试 验； l 将溶血试验列为一项生物学评价试验； l 将亚急性（亚慢性）毒性试验列入补充评 价部分。生物学评价试验特点l 大部分体内、外生物学试验检测样品用材料浸提 液，用121摄氏度生理盐水60min浸提进行试验； l 直接用材料和医疗器械植入体内，与组织、血液 或体表组织、血液接触进行试验； l 大部分的体内试验是通过外科无菌手术操作方式 进行的； l 进行体外细胞培养，观察样品的细胞毒性，测定 浸提液或材料对细胞溶解（细胞死亡）、抑制生 长的毒性作用；l致癌试验是用不同形状、大小、表面状态的材料植入体内某一 部位，观察动物整个寿命期材料和医疗器械对体内潜在的致癌 作用；

15、l血液相容性试验是通过材料和医疗器械直接接触血液，首先观 察对血小板激活、血栓形成的凝血作用，其次观察血浆蛋白、 血液由形成分和补体系统、细胞因子的作用； l植入试验是将生物材料和医疗器械埋入动物体内某些部位，断 肠埋入不同时间材料对局部的组织病理学的改变； l降解试验是采用各种体内外方法，测定材料和医疗器械的降解 程度、力学强度的变化，了解降解产物在体内的吸收、分布、 代谢过程，评价材料对机体的有害作用。生物相容性评估趋势整体动物细胞水平分子水平生物相容性评估发展体内植入体外细胞 毒性实验生物相容性评估发展趋势形态，数量功能形态，数量光学显微镜形态，数量 电子扫描显 微镜（SEM）形态，数量

16、相差显微镜功能l 四甲基偶氮唑盐微量酶反应色法（MTT 法） l 荧光染色法 l 流式细胞光度术（Flow cytometry, FCM） l 放射性同位素摄入法 l四甲基偶氮唑盐微量酶反应色法 l 1983年Mosroam提出，是测定细胞的代谢功能 l 原理：线粒体琥珀酸脱氢酶能催化四甲基偶氮 唑盐（MTT）形成兰色甲替。 l 特点：形成数目的多寡与活细胞数目和功能状 态呈正相关，该法简便迅速、不接触同位素、 而敏感性同位素法接近。 l 缺点：该法缺点是甲替有时易聚集成团影响结 果的难确性。 将细胞与乙酰乙酸荧光素(FDA) 和溴化乙锭(EB)一起培养, FDA 能够进入细胞内部并转化为荧光 素, 荧光素, 在适当的激发波长 下发出绿色荧光。EB不能穿过完 整的细胞膜, 但如果细胞膜已经 被破坏, EB就能够进入细胞并且 与核酸尤其是细胞核内的DNA 紧 密结合, 这时看到的是橘红或红 色的荧光。荧光染色法荧光染色法 l 原理：是当细胞受到损伤时，细胞膜的 选择通透性屏障作用消失，利用乙酰