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1、医用材料生物学基础蔡伟第二医用材料生物学基础蔡伟第二章医用植入材料生物环境章医用植入材料生物环境四四人体骨骼系统与骨组织生物力学人体骨骼系统与骨组织生物力学五免疫系统与免疫细胞五免疫系统与免疫细胞第二章第二章医用植入材料生物环境医用植入材料生物环境一、生命体系结构、一、生命体系结构、人体组织与器官人体组织与器官二、二、细胞结构与功能细胞结构与功能三、三、人体血液与组织液系统人体血液与组织液系统四、四、人体骨骼系统与骨组织生物力学人体骨骼系统与骨组织生物力学五五、人体免疫系统与免疫细胞、人体免疫系统与免疫细胞第二章 生物环境2四、骨骼与骨组织生物力学骨的构造骨的构造:骨膜骨膜/骨质骨质/骨骨髓髓
2、骨质骨质：分骨密质和骨松质两类。分骨密质和骨松质两类。骨密质：骨密质：在在骨骨的的表表面面，由由层层层层紧紧密密排排列列的的骨骨板板构构成成，结结构构致致密密坚坚硬硬，抗抗压压、抗扭曲力强。抗扭曲力强。第二章 生物环境9四、骨骼与骨组织生物力学骨的构造骨的构造:骨膜骨膜/骨质骨质/骨骨髓髓骨松质：骨松质：骨松质在骨密质的内面，结构疏骨松质在骨密质的内面，结构疏松，弹性较大，由许多片状的松，弹性较大，由许多片状的骨小梁骨小梁交织交织排列而成。排列而成。呈蜂窝状，骨小梁与压力的传呈蜂窝状，骨小梁与压力的传递方向一致，能承受很大的压力。递方向一致，能承受很大的压力。第二章 生物环境10四、骨骼与骨组
3、织生物力学骨的构造骨的构造:骨膜骨膜/骨质骨质/骨骨髓髓骨密质和骨松质的骨密质和骨松质的分布分布：长骨骨干长骨骨干：有很厚的骨密质，骨干有很厚的骨密质，骨干中央为骨髓腔。中央为骨髓腔。长骨骨骺及短骨长骨骨骺及短骨：表面有一层薄的骨密表面有一层薄的骨密质，中央为骨松质。质，中央为骨松质。扁骨扁骨：内外表面都是骨密质形内外表面都是骨密质形成的骨板，中央为骨松质成的骨板，中央为骨松质Macroscopic structure第二章 生物环境11四、骨骼与骨组织生物力学骨的构造骨的构造:骨膜骨膜/骨质骨质/骨骨髓髓在在胎胎儿儿和和幼幼儿儿时时期期全全部部都都是是红红骨骨髓髓，具具有有造造血血功功能能。
4、随随着着年年龄龄的的增增长长(约约57岁岁)，骨骨髓髓腔腔中中的的红红骨骨髓髓逐逐渐渐被被脂脂肪肪组组织织所所代代替替，颜颜色色变变黄黄称称为为黄黄骨骨髓髓，失失去去造造血血功功能能。但但当当大大失失血血或或严严重重贫贫血血时时，黄黄骨髓可再转变为红骨髓，恢复造血功能。骨髓可再转变为红骨髓，恢复造血功能。在在骨骨骺骺、短短骨骨及及扁扁骨骨的的骨骨松松质质内内的的红骨髓终生保持造血功能。红骨髓终生保持造血功能。骨髓：骨髓：充填于骨髓腔和骨松质的网眼内。充填于骨髓腔和骨松质的网眼内。第二章 生物环境12四、骨骼与骨组织生物力学的显微结构的显微结构作作用用：骨骨组组织织与与软软骨骨组组织织均均属属于
5、于具具有有支支持和保护作用的结缔组织。持和保护作用的结缔组织。骨质、骨质、骨膜（血管、神经）、骨髓骨膜（血管、神经）、骨髓骨组织骨组织骨细胞：多突起，位于骨陷窝内，埋藏骨细胞：多突起，位于骨陷窝内，埋藏在固体状态基质中在固体状态基质中基质：基质和纤维排列成紧密的骨板。基质：基质和纤维排列成紧密的骨板。具有一定的形状和强大的坚韧性具有一定的形状和强大的坚韧性和弹性。和弹性。软骨组织软骨组织骨组织骨组织透明软骨、弹力软骨和纤维软骨透明软骨、弹力软骨和纤维软骨骨骨第二章 生物环境13四、骨骼与骨组织生物力学Microscopicstructureofbone中央管中央管第二章 生物环境14四、骨骼与
6、骨组织生物力学骨骨的化学成分与物理性质的化学成分与物理性质无机物无机物碱性磷酸钙为主的无机盐类、碳酸钙等。碱性磷酸钙为主的无机盐类、碳酸钙等。作用作用：使骨挺硬坚实。：使骨挺硬坚实。有机物有机物大量排列规则的骨胶原纤维束和粘多糖蛋白大量排列规则的骨胶原纤维束和粘多糖蛋白作用作用：作为骨支架，赋予骨弹性和韧性，：作为骨支架，赋予骨弹性和韧性， 使骨具有基本形态。使骨具有基本形态。骨的可塑性骨的可塑性：在生长、发育过程中，由于各：在生长、发育过程中，由于各种条件的影响使得骨的形态有所改变。种条件的影响使得骨的形态有所改变。骨的粘弹性骨的粘弹性：在外力作用下，骨产生的形变：在外力作用下，骨产生的形变
7、与时间相关。与时间相关。第二章 生物环境15四、骨骼与骨组织生物力学nBoneisatwo-phasecompositematerialwithorganic(flexible)andinorganic(rigid)componentsComponentsofBoneComponents of bone (wt%)第二章 生物环境16四、骨骼与骨组织生物力学骨骼及其力学性质骨骼及其力学性质骨骼：是人体的支架，运动的支撑。骨骼：是人体的支架，运动的支撑。力学性质：力学性质：极限极限强度强度：抗张强度抗张强度抗压强度抗压强度弯曲强度弯曲强度刚度刚度：弹性模量弹性模量：韧性韧性：应力应变曲线：应力应
8、变曲线：在此施加压力在此拉伸体重的着力点 人 体 股 骨 的 应 力 分 布 第二章 生物环境17四、骨骼与骨组织生物力学PropertiesofCorticalvs.CancellousBoneSTRESSStiffer, withstands greater stressCORTICAL 皮质骨 骨松质CANCELLOUSGreater Area: Absorbs more EnergyPhysiological Region第二章 生物环境18四、骨骼与骨组织生物力学骨骼及其力学性质骨骼及其力学性质成人湿润密质骨试件的拉伸应力成人湿润密质骨试件的拉伸应力应变曲线（应变曲线（图）图）=11
9、7Mpa桡骨桡骨腓骨腓骨肱骨肱骨=117Mpa=1.5%线弹性第二章 生物环境19四、骨骼与骨组织生物力学骨骼及其力学性质骨骼及其力学性质（极限压缩强度和压缩率）（极限压缩强度和压缩率）股骨股骨切向颅骨切向颅骨径向颅骨径向颅骨椎骨椎骨骨试件压缩应力骨试件压缩应力应变曲线（应变曲线（图）图）第二章 生物环境20四、骨骼与骨组织生物力学骨骼及其力学性质骨骼及其力学性质第二章 生物环境21四、骨骼与骨组织生物力学骨骨Meserer（1880）Yamada（1970）整骨数整骨数弯曲强度弯曲强度Mpa试件数试件数弯曲强度弯曲强度Mpa肱骨肱骨7男男143.615201958女女138.2桡骨桡骨152
10、0221尺骨尺骨1520221股骨股骨7男男178.015201776女女157.3胫骨胫骨7男男165.715202096女女162.8腓骨腓骨1520221新鲜成人密质骨弯曲强度均值新鲜成人密质骨弯曲强度均值第二章 生物环境22四、骨骼与骨组织生物力学Load-DeformationcurvesofseveralmaterialsLOADSTEEP = STIFF第二章 生物环境23四、骨骼与骨组织生物力学骨折愈合骨折愈合骨组织再生能力强，可完全愈合。骨组织再生能力强，可完全愈合。长骨单纯性骨折愈合分三期：长骨单纯性骨折愈合分三期：血肿的形成与急性炎症期血肿的形成与急性炎症期修复期修复期重
11、建期重建期第二章 生物环境24四、骨骼与骨组织生物力学骨折修复期骨折修复期血肿的形成与急性炎症期：血肿的形成与急性炎症期：第二章 生物环境25四、骨骼与骨组织生物力学骨折修复期骨折修复期1、血肿的形成：、血肿的形成：血肿血肿软组织损伤、血管破裂软组织损伤、血管破裂骨折骨折巨噬细胞、血小板、血细胞巨噬细胞、血小板、血细胞生化反应生化反应毛细血管通透性毛细血管通透性纤维蛋白原纤维蛋白原不溶纤维蛋白素不溶纤维蛋白素凝血因子：凝血酶、血小板、凝血因子：凝血酶、血小板、钙钙纤维网架纤维网架纤维细胞纤维细胞胶原、骨基质胶原、骨基质骨折处肉芽组织骨折处肉芽组织入侵细胞、毛细血管增生入侵细胞、毛细血管增生使血
12、块吸收，形成使血块吸收，形成收集入侵细胞收集入侵细胞第二章 生物环境26四、骨骼与骨组织生物力学骨折修复期骨折修复期2、纤维骨痂的形成：、纤维骨痂的形成：肉芽组织肉芽组织骨内膜骨内膜成骨细胞成骨细胞骨髓内骨髓内软骨质软骨质骨小梁骨小梁骨外膜内层骨细胞骨外膜内层骨细胞成软骨细胞成软骨细胞骨外膜软骨骨外膜软骨3、骨痂改建期：、骨痂改建期：成骨细胞成骨细胞破骨细胞破骨细胞骨移除和骨代替骨移除和骨代替第二章 生物环境27四、骨骼与骨组织生物力学关节的基本结构：关节面、关节囊、关节腔关节的基本结构：关节面、关节囊、关节腔胫骨胫骨半月板半月板关节软骨关节软骨大腿骨大腿骨第二章 生物环境28四、骨骼与骨组织
13、生物力学关节的基本结构：关节面、关节囊、关节腔关节的基本结构：关节面、关节囊、关节腔第二章 生物环境29四、骨骼与骨组织生物力学关节的基本结构关节的基本结构articularcartilage:关节关节软骨软骨减少减少骨面间的摩擦并缓冲撞击，增加关节的灵活性。骨面间的摩擦并缓冲撞击，增加关节的灵活性。Meniscus：半月板半月板增加关节的弹性，减少骨面的冲击和振荡，使两骨增加关节的弹性，减少骨面的冲击和振荡，使两骨关节面互相适应，有利于关节运动。关节面互相适应，有利于关节运动。关节囊：纤维层：与骨膜相续，增厚则形成韧带。关节囊：纤维层：与骨膜相续，增厚则形成韧带。滑膜层滑膜层：薄而光滑，衬于
14、纤维层内面，附着于薄而光滑，衬于纤维层内面，附着于关节软骨的边缘，含有丰富的血管和关节软骨的边缘，含有丰富的血管和淋巴管，分泌少量滑液，淋巴管，分泌少量滑液，润滑润滑关节面关节面和关节软骨，同时具有和关节软骨，同时具有吸收作用吸收作用。第二章 生物环境30四、骨骼与骨组织生物力学第二章第二章医用植入材料生物环境医用植入材料生物环境一、生命体系结构、一、生命体系结构、人体组织与器官人体组织与器官二、二、细胞结构与功能细胞结构与功能三、三、人体血液与组织液系统人体血液与组织液系统四、四、人体骨骼系统与骨组织生物力学人体骨骼系统与骨组织生物力学五五、人体免疫系统与免疫细胞、人体免疫系统与免疫细胞第二
15、章 生物环境31四、骨骼与骨组织生物力学五五、人体免疫系统与免疫细胞、人体免疫系统与免疫细胞n免疫免疫n人体免疫系统人体免疫系统n淋巴细胞淋巴细胞n吞噬细胞吞噬细胞第二章 生物环境32四、骨骼与骨组织生物力学人体免疫系统人体免疫系统免疫免疫immunity：免疫一词免疫一词来源于拉丁文来源于拉丁文，原意指古代罗马元，原意指古代罗马元老院的元老们在职期间可以老院的元老们在职期间可以免除免除各种公民的义务各种公民的义务和法律起诉。和法律起诉。历史上免疫是指机体历史上免疫是指机体不得疾病不得疾病，尤其是不得，尤其是不得传染性疾病。传染性疾病。实际上，针对传染性疾病的实际上，针对传染性疾病的防御机制防
16、御机制也参与也参与机体对机体对非感染性外源物质非感染性外源物质的应答，即对外源性物的应答，即对外源性物质的反应。这些质的反应。这些防御机制防御机制保护机体不受传染，清保护机体不受传染，清除引起组织损伤和疾病的外源性物质。除引起组织损伤和疾病的外源性物质。免疫：免疫：机体对机体对入侵异物入侵异物的识别、排除和消灭的过程。的识别、排除和消灭的过程。第二章 生物环境33四、骨骼与骨组织生物力学人体免疫系统人体免疫系统1、非特异性免疫、非特异性免疫（先天免疫）：（先天免疫）：对对许许多多病病原原微微生生物物具具有有防防御御作作用用，不不需需要依赖任何一种特殊微生物刺激的影响。要依赖任何一种特殊微生物刺
17、激的影响。皮肤、粘膜皮肤、粘膜阻止病原微生物入侵的屏障作用；阻止病原微生物入侵的屏障作用；表面分泌物表面分泌物的杀菌作用的杀菌作用；吞噬细胞吞噬细胞的吞噬作用等的吞噬作用等。免疫免疫immunity：第二章 生物环境34四、骨骼与骨组织生物力学人体免疫系统人体免疫系统2、特异性免疫、特异性免疫（适应性免疫、获得性免疫）（适应性免疫、获得性免疫）免疫免疫immunity机机体体通通过过隐隐性性感感染染、传传染染病病或或预预防防接接种种等等方方式式，使使病病原原微微生生物物与与免免疫疫细细胞胞接接触触后后，所所获获得得的的防防御御机机能能，仅仅针针对对某某一一特特定定的的病病原原微微生生物物（特特
18、异异抗抗原原）发发挥挥作用。作用。种牛痘、打预防针。种牛痘、打预防针。第二章 生物环境35四、骨骼与骨组织生物力学人体免疫系统人体免疫系统免疫系统免疫系统由由淋巴器官淋巴器官和和淋巴组织淋巴组织组成，在功组成，在功能上，能上，由各种由各种免疫细胞免疫细胞协同作用完成。协同作用完成。淋巴器官淋巴器官中枢淋巴器官：中枢淋巴器官：脊髓、胸腺脊髓、胸腺外周淋巴器官：外周淋巴器官：淋巴结、脾、扁桃体淋巴结、脾、扁桃体第二章 生物环境36四、骨骼与骨组织生物力学中枢淋巴器官中枢淋巴器官：脊髓（脊髓（B细胞）、胸腺（细胞）、胸腺（T细胞）细胞）执行执行生成免疫细胞生成免疫细胞的功能，多功能造血干细的功能，多
19、功能造血干细胞在此发育成为胞在此发育成为B和和T淋巴细胞。淋巴细胞。外周淋巴器官外周淋巴器官：淋巴结、脾、扁桃体淋巴结、脾、扁桃体等等成熟免疫细胞在此成熟免疫细胞在此执行应答功能执行应答功能，随血流转，随血流转移到此的淋巴细胞与某种抗原接触后，分化、增移到此的淋巴细胞与某种抗原接触后，分化、增殖成为具有免疫功能的细胞。殖成为具有免疫功能的细胞。第二章 生物环境37四、骨骼与骨组织生物力学返回返回淋淋巴巴器器官官第二章 生物环境38四、骨骼与骨组织生物力学淋巴细胞淋巴细胞胸腺依赖淋巴细胞：胸腺依赖淋巴细胞：T细胞（细胞（记忆、效应记忆、效应T细胞细胞）脊脊髓依赖淋巴细胞：髓依赖淋巴细胞：B细胞细
20、胞杀伤性淋巴细胞：杀伤性淋巴细胞：K细胞细胞存存在在于于血血液液和和脾脾中中，数数量量很很少少，约约占占血血中中淋淋巴巴细细胞胞的的57，通通过过抗抗体体的的特特异异性性有有目目的的地地杀杀死靶细胞。死靶细胞。自然杀伤性淋巴细胞：自然杀伤性淋巴细胞：NK细胞细胞存存在在于于血血液液和和脾脾中中，数数量量很很少少，约约占占血血中中淋淋巴巴细细胞胞的的23，能能杀杀伤伤被被病病毒毒感感染染的的细细胞胞及及肿肿瘤细胞。瘤细胞。第二章 生物环境39四、骨骼与骨组织生物力学吞噬细胞吞噬细胞单核巨噬细胞单核巨噬细胞：胞胞内内富富含含溶溶酶酶体体及及线线粒粒体体，能能主主动动吞吞噬噬和和清清除除颗颗粒粒性性外外来来抗抗原原或或直直接接杀杀伤伤病病原原微微生生物物，也也能能吞吞噬噬、清清除除体体内内凋凋亡亡的的细细胞胞及异物。及异物。中性粒细胞：中性粒细胞：胞胞内内富富含含溶溶酶酶体体及及过过氧氧化化物物酶酶及及杀杀菌菌物物质质，对对化化脓脓菌菌有有很很强强的的吞吞噬噬及及杀杀灭灭清清除除作用。作用。第二章 生物环境40四、骨骼与骨组织生物力学结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！41
