医用材料生物学基础-第三章医用植入材料与人体间的相互作用1-PPT课件

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1、 哈尔滨哈尔滨工业大学工业大学材料学院材料学院 材料物理与化学材料物理与化学二二OO六六年十月年十月第三章 相互作用1一、生物相容性概念和原理 医用植入材料医用植入材料与人体间的相互作用与人体间的相互作用一、一、生物相容性生物相容性概念和原理概念和原理二、植入材料与组织界面反应二、植入材料与组织界面反应三、三、植入材料引起的炎症与伤口愈合植入材料引起的炎症与伤口愈合四、四、植入材料引起的感染、钙化和肿瘤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五、植入材料的病理学反应第三章第三章第三章相互作用2一、生物相容性概念和原理一、一、生物相容性概念和原理生物相容性概念和原理 n生物体引起植

2、入材料变化的因素生物体引起植入材料变化的因素n材料反应材料反应 n生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 n生物相容性的定义生物相容性的定义n生物相容性分类生物相容性分类n生物相容性评价体系生物相容性评价体系n生物相容性试验生物相容性试验 第三章相互作用3一、生物相容性概念和原理生物体系生物体系生命体系生命体系人体人体系统系统器官器官细胞细胞分子分子组织组织体液体液细胞内液细胞内液细胞外液细胞外液组织液组织液血液血液淋巴液淋巴液免疫系统免疫系统材料材料侵蚀性侵蚀性排外性排外性材料降解材料降解炎症、肿瘤炎症、肿瘤细胞毒性细胞毒性遗传基因表达遗传基因表达血凝、溶血血凝、溶血电解质、酶电解质、酶腐蚀和

3、水解、腐蚀和水解、生物、化学活性生物、化学活性免疫细胞免疫细胞淋巴、吞噬淋巴、吞噬破坏外来成分破坏外来成分含水缓冲环境含水缓冲环境pH7.4、37复杂的结构、完美的功能复杂的结构、完美的功能第三章相互作用4一、生物相容性概念和原理Biomaterial-Tissue Interactions第三章相互作用5一、生物相容性概念和原理 生生物物机机体体是是一一个个复复杂杂的的环环境境, ,植植入入体体内内的的材材料料长长期期处处于于物物理理、化化学学、生生物物、电电、机机械械等等因因素素的的复复杂杂环环境境影影响响之之下下, ,外外科科植植入入物物不不仅仅受受到到组组织织不不停停运运动动的的动动态

4、态作用作用, ,也处于也处于代谢的反应代谢的反应之中。之中。 生生物物体体对对植植入入材材料料的的影影响响又又取取决决于于材材料料本本身身化化学学、物物理理性性质质及及其其各各组组分分的的相对含量相对含量, ,引起机体组织反应也存在异同。引起机体组织反应也存在异同。生物体引起植入材料变化的因素生物体引起植入材料变化的因素第三章相互作用6一、生物相容性概念和原理生物体引起植入材料变化的因素生物体引起植入材料变化的因素n体液中各种酶、细胞因子、蛋白质、氨体液中各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基酸、多肽、自由基、无机盐对材料的基酸、多肽、自由基、无机盐对材料的生物降解作用生物降解作用n细胞黏附吞噬作用细

5、胞黏附吞噬作用n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n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n生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动态运动动态运动 第三章相互作用7一、生物相容性概念和原理一、一、生物相容性概念和原理生物相容性概念和原理 n生物体引起植入材料变化的因素生物体引起植入材料变化的因素n材料反应材料反应 n生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 n生物相容性的定义生物相容性的定义n生物相容性分类生物相容性分类n生物相容性评价体系生物相容性评价体系n生物相容性试验生物相容性试验 第三章相互作用8一、

6、生物相容性概念和原理材料反材料反应金属的腐蚀金属的腐蚀 医医用用金金属属具具有有良良好好的的机机械械力力学学性性能能，且且应应具具有有良良好好的的生生物物相相容容性性，通通常常医医用用金金属属材材料料，含有含有FeFe、CrCr、CoCo、NiNi、TiTi、TaTa、MoMo、W W等等 金金属属在在体体内内的的腐腐蚀大大多多是是通通过可可预见的的普普通通机机制制发生生的的，因因其其可可以以预见，所所以以人人们选择耐耐腐腐蚀性性好好、机机械械性性能能优良良可可以以在在受受力力结构中构中应用的金属用的金属惰性的合金惰性的合金。 惰性的合金：惰性的合金： 纯钛、钛铝钒合金、钴铬合金、不锈钢纯钛、

7、钛铝钒合金、钴铬合金、不锈钢 第三章相互作用9一、生物相容性概念和原理材料反材料反应金属的腐蚀金属的腐蚀 合合金金在在多多数数体体内内环环境境中中保保持持惰惰性性状状态态，但仍然会有但仍然会有物质释放物质释放到组织中。到组织中。 钛钛从从体体内内取取出出时时没没有有腐腐蚀蚀的的迹迹象象，氧氧化化层层也也保保存存完完好好，甚甚至至还还随随时时间间逐逐渐渐加加厚厚（Sundgren，1986）但但有有实实验验表表明明，在在周周围围的的 组组 织织 中中 仍仍 能能 很很 容容 易易 检检 测测 出出 钛钛（Thomsen1986）、金金属属离离子子或或其其形形成成的的络络合合物物可可能能会会造造成

8、成组组织织的的损损害害，所所以以即即使使是是轻微的腐蚀也不可忽视。轻微的腐蚀也不可忽视。第三章相互作用10一、生物相容性概念和原理材料反材料反应金属的腐蚀金属的腐蚀 很很难难确确定定有有活活性性的的生生理理环环境境在在金金属属腐腐蚀蚀中的作用。中的作用。 蛋蛋白白质质的的存存在在完完全全改改变变一一些些金金属属在在盐盐水水中中的的腐腐蚀蚀速速度度，特特别别是是在在溶溶液液中中能能和和蛋蛋白白质质结结合合的的金金属属（钴钴、银银、铜铜），血血清清蛋蛋白白使它们的腐蚀速度提高一个数量级。使它们的腐蚀速度提高一个数量级。 蛋蛋白白质、盐溶溶液液、细胞胞活活化化的的产物物等等都都可可能能改改变金金属属

9、腐腐蚀的的速速度度或或其其与与机机体体的的界面界面层结构。构。 第三章相互作用11一、生物相容性概念和原理材料反材料反应聚合物的水解聚合物的水解 许多多聚聚合合物物都都能能吸吸水水（也也有有一一些些医医用用高高分分子子吸吸收收很很少少的的水水或或不不吸吸水水），所所以以，这些些聚聚合合物物在在组织中中持持续存存在在会会导致致水水渗渗透透到到它它们的的分分子子结构构中中，这些些分分子子结构构可可能能是是易易水水解解的的，水水分分的的吸吸收收特特性性和和聚聚合合物物的的水水解解特特性性共共同同决决定定了了聚聚合合物在物在这环境中的行境中的行为。 第三章相互作用12一、生物相容性概念和原理材料反材料

10、反应聚合物的水解聚合物的水解 1 1）易吸水和能水解的聚合物在植入后易易吸水和能水解的聚合物在植入后易 发生发生降解降解。 聚乳酸、聚乙醇酸（缝合线、药物缓聚乳酸、聚乙醇酸（缝合线、药物缓 释系统）释系统）2 2）不易吸水但能水解的聚合物通过）不易吸水但能水解的聚合物通过表面表面 腐蚀的机制降解腐蚀的机制降解。暴露在表面的易水。暴露在表面的易水 解基团或分子最敏感，降解过程由表解基团或分子最敏感，降解过程由表 面缓慢地进行，也可能，反应是非常面缓慢地进行，也可能，反应是非常 迅速和不均匀的。迅速和不均匀的。 聚氨酯、聚酰胺聚氨酯、聚酰胺 第三章相互作用13一、生物相容性概念和原理材料反材料反应

11、聚合物的水解聚合物的水解 3 3）易吸水但不水解的聚合物会发生）易吸水但不水解的聚合物会发生膨胀膨胀 和破裂和破裂等结构变化等结构变化，但不一定发生分，但不一定发生分 子降解。子降解。 丙烯酸酯聚合物能吸收一些水分，但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不降解。聚硅氧烷易吸收脂肪和类脂 ，并可能继而发生破裂。，并可能继而发生破裂。4 4）既不水解又能抵抗水分渗入的聚合物）既不水解又能抵抗水分渗入的聚合物 能能在组织中在组织中存在存在而而不发生降解不发生降解。 聚四氟乙烯、聚烯烃等均聚物。聚四氟乙烯、聚烯烃等均聚物。第三章相互作用14一、生物相容性概念和原理材料反材

12、料反应聚合物的水解聚合物的水解 聚合物在体内对降解的敏感顺序（聚合物在体内对降解的敏感顺序（Williams,1982Williams,1982）吸吸水水 水水解解 聚合物在体内的可能变化聚合物在体内的可能变化 举例举例 YY降解降解脂肪族聚酯脂肪族聚酯: :聚乳酸聚乳酸 聚乙醇酸聚乙醇酸NY 表面的易水解基团或分子表面的易水解基团或分子以以表面腐蚀的机制表面腐蚀的机制降解降解芳香族芳香族: :聚氨酯聚氨酯 聚酰胺聚酰胺YN发生膨胀破裂等结构变化发生膨胀破裂等结构变化但但不一定不一定发生分子降解发生分子降解丙烯酸酯丙烯酸酯: :吸水不降解吸水不降解聚硅氧烷聚硅氧烷: :吸收脂肪类脂吸收脂肪类脂

13、 可能发生破裂可能发生破裂NN在组织中存在在组织中存在不发生不发生降解降解均聚物：聚四氟乙烯均聚物：聚四氟乙烯 聚烯烃聚烯烃第三章相互作用15一、生物相容性概念和原理材料反材料反应聚合物的生物降解聚合物的生物降解 生物降解生物降解： 如如果果降降解解仅仅仅仅是是由由于于水水造造成成的的，其其过过程程应应该该很很容容易易通通过过实实验验室室实实验验模模拟拟和和断定的。断定的。 如如果果在在体体内内降降解解比比在在3737缓缓冲冲盐盐溶溶液液（pH7.4pH7.4）中中进进行行得得快快，很很可可能能是是生生理理环环境境通通过过更更有有活活性性的的方方式式在在发发挥挥作作用用这个过程被称为这个过程被

14、称为生物降解生物降解。 第三章相互作用16一、生物相容性概念和原理材料反材料反应聚合物的生物降解聚合物的生物降解 酶酶在体外环境下能够影响各种各样的在体外环境下能够影响各种各样的易降解易降解的的 聚酯、聚酰胺、聚氨基酸和聚氨酯等聚合物聚酯、聚酰胺、聚氨基酸和聚氨酯等聚合物 的降解（的降解（SmithSmith，19871987）。）。在体外酶通过在体外酶通过催催 化水解化水解反应加快了聚合物降解过程。反应加快了聚合物降解过程。 酶酶是是由由许许多多细细胞胞合合成成和和释释放放的的，包包括括炎炎性性过过程程中中的的细细胞胞。这这些些细细胞胞也也会会产产生生和和释释放放各各种种各各样样的的自自由由

15、基基。细细胞胞释释放放的的过过氧氧化化氢氢能能产产生生羟羟基基自自由由基基和和其其它它次次级级自自由由基基，这这个个过过程程会会参参与与引引发发聚聚合合物物的的降降解解过过程程。如如自自动动氧氧化化等。（等。（WillamsWillams，19911991） 第三章相互作用17一、生物相容性概念和原理一、一、生物相容性概念和原理生物相容性概念和原理 n生物体引起植入材料变化的因素生物体引起植入材料变化的因素n材料反应材料反应（金属的腐蚀、聚合物的水解和降解）（金属的腐蚀、聚合物的水解和降解） n生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 n生物相容性的定义生物相容性的定义n生物相容性分类生物相容性分

16、类n生物相容性评价体系生物相容性评价体系n生物相容性试验生物相容性试验 第三章相互作用18一、生物相容性概念和原理生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 1 1、界面反应界面反应 材料一旦放入体内就形成材料一旦放入体内就形成界面，界面上组织的主要成分界面，界面上组织的主要成分都是液态的，其中主要是血液都是液态的，其中主要是血液，几秒钟内几秒钟内蛋白质就吸附到材蛋白质就吸附到材料表面上。料表面上。第三章相互作用19一、生物相容性概念和原理生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 蛋白质的吸附蛋白质的吸附 第三章相互作用20一、生物相容性概念和原理生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 1 1、界面反应界

17、面反应蛋白质的吸附的特点蛋白质的吸附的特点 a a）蛋白质的竞争吸附：蛋白质的竞争吸附： 浓度较高的蛋白：白蛋白、纤维蛋白原浓度较高的蛋白：白蛋白、纤维蛋白原 表面亲和性较高：纤维结合蛋白表面亲和性较高：纤维结合蛋白 b）吸附蛋白多层分布吸附蛋白多层分布 c）可能会发生吸附蛋白分子的伸展、可能会发生吸附蛋白分子的伸展、 变性和解吸附变性和解吸附 d）吸附迅速吸附迅速 e）亲疏水性、表面电荷、化学性质、亲疏水性、表面电荷、化学性质、 表面粗糙度表面粗糙度 第三章相互作用21一、生物相容性概念和原理生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 2 2、局部的宿主反应、局部的宿主反应 植入材料后，组织、血管

18、发植入材料后，组织、血管发生破坏，血液流出，其中包括生破坏，血液流出，其中包括纤纤维蛋白原、血小板维蛋白原、血小板等，开始凝血等，开始凝血（在凝血酶的作用下，纤维蛋白（在凝血酶的作用下，纤维蛋白原变为不溶纤维网）。原变为不溶纤维网）。 第三章相互作用22一、生物相容性概念和原理生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 2 2、局部的宿主反应、局部的宿主反应 近周血管迅速膨胀使白细胞（近周血管迅速膨胀使白细胞（中性粒细胞）中性粒细胞）、血浆蛋白及细胞外、血浆蛋白及细胞外液中液中炎性介质炎性介质从管壁渗出，炎性介从管壁渗出，炎性介质通过趋化过程把细胞大量吸引到质通过趋化过程把细胞大量吸引到受损伤部位受

19、损伤部位急性炎性反应期。急性炎性反应期。 第三章相互作用23一、生物相容性概念和原理生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 2 2、局部的宿主反应、局部的宿主反应 吞噬和消化外来微粒和物体的细胞吞噬和消化外来微粒和物体的细胞（吞噬细胞吞噬细胞）会被吸引到植入材料的周）会被吸引到植入材料的周围围受刺激的部位并被活化，使代谢受刺激的部位并被活化，使代谢水平迅速升高，使身体能抵御外来侵染水平迅速升高，使身体能抵御外来侵染产生产生急性炎症。急性炎症。 纤维囊纤维囊：成纤维细胞激活分泌胶原成纤维细胞激活分泌胶原，胶原纤维沿着植入体表面平行生长，胶原纤维沿着植入体表面平行生长，对惰性材料的轻微反应，形成薄的

20、纤维对惰性材料的轻微反应，形成薄的纤维囊。囊。 第三章相互作用24一、生物相容性概念和原理生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 3 3、远端和全身的影响、远端和全身的影响 被动扩散：浓度梯度被动扩散：浓度梯度 主动分布：可溶成分进入血液循环；主动分布：可溶成分进入血液循环； 被细胞吞噬的颗粒物质进入淋巴系统被细胞吞噬的颗粒物质进入淋巴系统 组织、器官组织、器官聚集、聚集、沉积沉积 固体固体致癌致癌原：金属离子原：金属离子 第三章相互作用25一、生物相容性概念和原理生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 界面反应界面反应凝血凝血：纤维蛋白原、血小板等纤维蛋白原、血小板等炎性反应炎性反应：中性粒细胞

21、、吞噬细胞中性粒细胞、吞噬细胞纤维囊纤维囊：成纤维细胞激活分泌胶原成纤维细胞激活分泌胶原蛋白质吸附蛋白质吸附细胞结合细胞结合局部的宿主反应局部的宿主反应远端和全身的影响远端和全身的影响被动扩散：被动扩散：浓度梯度浓度梯度主动分布：主动分布：血液循环、血液循环、淋巴循环淋巴循环组织聚积、组织聚积、致癌、致敏致癌、致敏第三章相互作用26一、生物相容性概念和原理一、一、生物相容性概念和原理生物相容性概念和原理 n生物体引起植入材料变化的因素生物体引起植入材料变化的因素n材料反应材料反应（金属的腐蚀、聚合物的水解和降解）（金属的腐蚀、聚合物的水解和降解） n生物体（宿主）反应生物体（宿主）反应 n生物

22、相容性的定义生物相容性的定义n生物相容性分类生物相容性分类n生物相容性评价体系生物相容性评价体系n生物相容性试验生物相容性试验 第三章相互作用27一、生物相容性概念和原理生物相容性生物相容性 biocompatibility 生生物物材材料料和和人人体体组组织织接接触触后后，在在材材料料机机体体组组织织界界面面发发生生一一系系列列相相互互作作用用后后，产产生生各各种种复复杂杂的的生生物物、 物物理理、化化学学反反应应, , 最最终终被被人人体体组组织织所所接接受受的的性能。性能。 生物相容性生物相容性第三章相互作用28一、生物相容性概念和原理生物相容性生物相容性理想材料的生物学反应理想材料的生

23、物学反应 各种各种生物医用材料生物医用材料人工器官人工器官医用辅助装置医用辅助装置对人体对人体无毒性无毒性无致敏性无致敏性无刺激性无刺激性无致畸性无致畸性无遗传毒性无遗传毒性无致癌性无致癌性对人体对人体系统无任何不良反应系统无任何不良反应无凝血、无溶血反应无凝血、无溶血反应 无炎症、肿瘤反应无炎症、肿瘤反应无免疫排斥反应无免疫排斥反应 免疫免疫 组织组织血液血液 第三章相互作用29一、生物相容性概念和原理生物相容性分类生物相容性分类n血液相容性：血液相容性：材料用于心血管系统与血材料用于心血管系统与血 液直接接触，要考察与血液直接接触，要考察与血 液的相液的相 互作用。互作用。n组织相容性、组

24、织相容性、 一般生物相容性：一般生物相容性： 材料与心血管系统外的组材料与心血管系统外的组 织和器官接触，主要考察织和器官接触，主要考察 与组织的相互作用。与组织的相互作用。生物相容性生物相容性第三章相互作用30一、生物相容性概念和原理生物相容性的评价标准生物相容性的评价标准n美国评价标准美国评价标准 ASTM(F48-82)n美国、英国、加拿大三国评价标准美国、英国、加拿大三国评价标准1986n国际标准化组织评价标准国际标准化组织评价标准 ISO/TC194 ISO10993.1-1992 ISO10993.12-1992n中国的评价标准中国的评价标准 GB/T16886.1-2019生物相

25、容性生物相容性第三章相互作用31一、生物相容性概念和原理国际标准化组织评价标准国际标准化组织评价标准 ISO10993.1-1992 ISO10993.12-19921 1、医疗器械和生物材料生物学评价试验指南医疗器械和生物材料生物学评价试验指南2 2、动物福利要求、动物福利要求3 3、遗传毒性、致癌性和生殖毒性试验、遗传毒性、致癌性和生殖毒性试验4 4、与血液相互作用试验选择、与血液相互作用试验选择5 5、细胞毒性试验、细胞毒性试验( (体外法体外法) ) 6 6、植入后局部反应试验、植入后局部反应试验7 7、环氧乙烷灭菌残留量、环氧乙烷灭菌残留量8 8、临床调查、临床调查9 9、与生物学试

26、验有关的材料降解（技术报告）、与生物学试验有关的材料降解（技术报告）1010、刺激和致敏试验、刺激和致敏试验1111、全身毒性试验、全身毒性试验1212、样品制备与标准样品、样品制备与标准样品第三章相互作用32一、生物相容性概念和原理Standards in Biomaterials TestingnTechnical Committee 194 of the International Organization for Standardization (ISO) meet every springnSet of documents 10993 (FDAs version #G95-1):n1

27、0993-1: Guidance on Selection of Tests. n10993-2: Animal Welfare Requirements. n10993-3: Tests for Genotoxicity, Carcinogenicity, and Reproductive Toxicity. n10993-4: Selection of Tests for Interactions with Blood. n10993-5: Tests for CytotoxicityIn Vitro Methods. n10993-6: Tests for Local Effects a

28、fter Implantation. n10993-7: Ethylene Oxide Sterilization Residuals. n10993-9: Degradation of Materials Related to Biological Testing. n10993-10: Tests for Irritation and Sensitization. n10993-11: Tests for Systemic Toxicity. n10993-14: “Materials Evaluation. 第三章相互作用33一、生物相容性概念和原理Guideline of biolog

29、ical evaluation of medical device ( ISO standard, 2019)接触时间接触时间： A: A: 一时接触一时接触(24(24h) h) B: B: 短、中期接触短、中期接触 ( 24 ( 24h h30 30 日日) ) C: C: 长期接触长期接触( 30 ( 30 日日) )接触部位接触部位： 表面接触：皮肤、粘膜、损伤表面表面接触：皮肤、粘膜、损伤表面 由体外与体内接触：血路间接、组织由体外与体内接触：血路间接、组织/ /骨骨/ /牙牙、 循环血液循环血液 体内植入：组织体内植入：组织/ /骨、血液骨、血液第三章相互作用34一、生物相容性概念

30、和原理Guideline of biological evaluation of medical device ( ISO standard, 2019)基本评价基本评价的生物学试验：细胞毒性、致敏试验的生物学试验：细胞毒性、致敏试验 刺激或皮内反应试验刺激或皮内反应试验 全身急性毒性试验全身急性毒性试验 亚慢性亚急性毒性亚慢性亚急性毒性 遗传毒性、植入试验遗传毒性、植入试验 血液相容性试验血液相容性试验补充评价补充评价的生物学评价试验：慢性毒性的生物学评价试验：慢性毒性 致癌性致癌性 生殖与发育毒性生殖与发育毒性 生物降解试验生物降解试验第三章相互作用35一、生物相容性概念和原理第三章相互作

31、用36一、生物相容性概念和原理中国的评价标准中国的评价标准 GB/T16886.1-2019GB/T16886.1-2019基本评价基本评价的生物学试验：的生物学试验： 热原试验、热原试验、 急性毒性急性毒性体外试验体外试验（溶血试验）（溶血试验） ( (亚慢性亚急性毒性亚慢性亚急性毒性) ) 补充评价补充评价的生物学评价试验：的生物学评价试验： 亚慢性亚急性毒性亚慢性亚急性毒性第三章相互作用37一、生物相容性概念和原理生物相容性试验生物相容性试验 整整体体、细胞胞和和分分子子生生物物学学三三个个层层次次评价生物材料的生物相容性价生物材料的生物相容性细胞学细胞学：从从细胞水平去胞水平去观察材料

32、察材料对细胞的胞的 数量、形数量、形态及分化的影响及分化的影响 整体动物学整体动物学：从整体水平去从整体水平去观察材料察材料对人人 体各系体各系统的影响的影响分子水平分子水平评价评价：观察材料察材料对细胞胞DNADNA、RNA RNA 及及细胞外基胞外基质的胶原蛋白和非胶原的胶原蛋白和非胶原 蛋白蛋白mRNA mRNA 基因表达的影响。基因表达的影响。第三章相互作用38一、生物相容性概念和原理 在在人人体体生生理理环环境境中中, , 材材料料所所接接触触的的除除了了水水、无无机机盐盐外外, , 更更有有蛋蛋白白质质、细细胞胞、组组织织和和器器官官等等生生命命有有机机体体, , 因因此此材材料料

33、对对所所有有这这些些生生命命有有机机体体的的作作用用和影响就变得至为重要。和影响就变得至为重要。 生物相容性试验生物相容性试验第三章相互作用39一、生物相容性概念和原理 生生物物材材料料特特别别是是植植入入人人体体软软组组织织的的材材料料, , 会会与与成成纤纤维维细细胞胞直直接接接接触触, ,成成纤纤维维细细胞会合成：胞会合成： 作用于细胞合成的作用于细胞合成的组蛋白组蛋白、 作用于细胞粘着的作用于细胞粘着的纤联蛋白、纤联蛋白、 作用于细胞构架的作用于细胞构架的肌动蛋白肌动蛋白和和波形蛋白波形蛋白 以及以及大量与细胞外基质有关的大量与细胞外基质有关的胶原蛋白胶原蛋白 植植入入人人体体硬硬组组

34、织织的的材材料料, ,会会与与成成骨骨细细胞胞直接接触，成骨细胞会合成：直接接触，成骨细胞会合成： 与骨形成相关的与骨形成相关的骨钙蛋白、骨钙蛋白、 骨粘连蛋白骨粘连蛋白 和和骨桥蛋白骨桥蛋白 以及大量的以及大量的胶原蛋白胶原蛋白。 第三章相互作用40一、生物相容性概念和原理 我我们们知知道道, ,遗遗传传物物质质的的主主要要活活性性是是指指导导蛋蛋白白质质的的合合成成。如如果果生生物物材材料料对对机机体体的的影影响响已已经经在在整整体体水水平平和和细细胞胞水水平平上上表表现现出出来来, , 那那么么在在分分子子水水平平的的遗遗传传基基因因表表达达方方面面一一定定已已经经造造成成影影响响, ,

35、 并并且且会会极极灵灵敏地反映出来敏地反映出来。 生物相容性试验生物相容性试验第三章相互作用41一、生物相容性概念和原理体外实验：体外实验：用材料或材料浸提液与细胞用材料或材料浸提液与细胞共培养，共培养， 观察材料对细胞的观察材料对细胞的形态形态、增殖增殖能力及能力及 细胞主要细胞主要生理功能生理功能的影响的影响 体外细胞毒性试验、遗传毒性和致癌试验、体外细胞毒性试验、遗传毒性和致癌试验、 血液相容性评价方法、细胞粘附、细胞扩散血液相容性评价方法、细胞粘附、细胞扩散 细胞增殖细胞增殖动物动物体内实验：体内实验：将材料植入体内将材料植入体内, ,分阶段将植入体分阶段将植入体 与周围组织取出与周围

36、组织取出, ,做组织学检查做组织学检查, , 观察观察材料植入体内后引起机体组材料植入体内后引起机体组 织学变化织学变化，评价，评价组织相容性组织相容性。 生物相容性试验生物相容性试验第三章相互作用42一、生物相容性概念和原理In vitro Testing: Direct ContactA confluent monolayer (100 x magnification) of well-defined L929 mouse fibroblast cells exhibiting cell-to-cell contact. This appearance is indicative of a

37、 non-cytotoxic (negative) responseL929 mouse fibroblast cells (100 x magnification) that illustrate a positive cytotoxic reaction in the elution test method. The cells are grainy and lack normal cytoplasmic space; the considerable open areas between cells indicate that extensive cell lysis (disinteg

38、ration) has occurred.devicelink/mddi/archive/98/04/013.html第三章相互作用43一、生物相容性概念和原理Testing BiomaterialsnIN VITRO (cell cultures in glass)nrapidninexpensivenpoor representation of physiological conditionsngood as the first stepnIN VIVO (animal experiments)nbetter approximation to human environmentndeman

39、ding protocols (Animal Welfare Act)nright animal model approximate human environmentnsecond step prior to clinical use第三章相互作用44一、生物相容性概念和原理Standards in Biomaterials Testing: ISO 10993-4: HemocompatibilityNormal neutrophils and lymphocytes subjected to a negative control materialdevicelink/mddi/archi

40、ve/98/11/009.htmlCell nuclei fragmenting into pieces following exposure to a positive control material第三章相互作用45一、生物相容性概念和原理急性毒性试验急性毒性试验 将材料浸提液超高压过滤除菌将材料浸提液超高压过滤除菌, ,在动物在动物 腹腔内注射浸提液腹腔内注射浸提液, ,对照组腹腔内注射生理对照组腹腔内注射生理 盐水盐水。观察注射后观察注射后24 24 、48 48 、7272h h 的体重变的体重变 化及各种反应。化及各种反应。热原实验热原实验 体温正常、恒定新西兰大白兔，自耳缘体温

41、正常、恒定新西兰大白兔，自耳缘 静脉静推温度为静脉静推温度为37 37 的材料浸提液的材料浸提液, ,注射后注射后 每小时测肛温每小时测肛温1 1 次次, ,共共3 3 次次, ,以以3 3次中最高的次中最高的 一次减去正常体温一次减去正常体温, ,即为该兔的体温升高度即为该兔的体温升高度 数。数。 生物相容性试验生物相容性试验第三章相互作用46一、生物相容性概念和原理制备加入抗凝剂新鲜稀释兔血制备加入抗凝剂新鲜稀释兔血 实验组实验组: :材料浸提液稀释兔血材料浸提液稀释兔血 阴性阴性对照组对照组: :生理盐水稀释兔血生理盐水稀释兔血 阳性阳性对照组对照组: :蒸馏水中稀释兔血蒸馏水中稀释兔血

42、 离心、取上清离心、取上清, , 用分光光度计于波长用分光光度计于波长545545nmnm测吸光度测吸光度, ,每组取每组取3 3次平均值。次平均值。溶血程度公式溶血程度公式: :溶血程度溶血程度= (= (实验组吸光度实验组吸光度- -阴性对照组吸光度阴性对照组吸光度) ) / (/ (阳性对照组吸光度阳性对照组吸光度- -阴性对照组阴性对照组) 100 % ) 100 % 体外体外检测引起的溶血程度引起的溶血程度5 % ,5 % ,符合要求。符合要求。 溶血实验溶血实验第三章相互作用47一、生物相容性概念和原理 将将材材料料制制备备成成边边缘缘光光滑滑，形形状状规规则则的的圆圆柱柱体，消毒

43、备用。体，消毒备用。 在在动动物物体体选选取取植植入入点点，做做切切口口, ,钝钝性性分分离离肌肌肉肉，植植入入深深度度为为1 12 2cmcm，缝缝合合肌肌膜膜和和皮皮肤肤。两两侧侧任任一一侧侧做做实实验验组组, ,另另一一侧侧做做对对照照组组，植植入入明明胶胶海绵。海绵。 术术后后7 7 ,14 ,14 ,30 ,30 ,60 ,60 ,90 ,90 ,180,180d d 取取材材，固固定定于于10%10%甲甲醛醛溶溶液液, ,石石蜡蜡包包埋埋切切片片, ,HEHE染染色色, ,做做组组织学切片，在光学显微镜下观察。织学切片，在光学显微镜下观察。 组织病病理理学学检查：炎炎性性细胞胞、中中性性粒粒细胞胞 纤维细胞增胞增生、生、胶原胶原纤维组织包膜包膜 肌肉内种植实验肌肉内种植实验第三章相互作用48一、生物相容性概念和原理