第2章生物相容性及生物学评价课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第2章生物相容性及生物学评价,*,PPT,文档演模板,Office,PPT,第2章生物相容性及生物学评价,2024/11/13,第2章生物相容性及生物学评价,第2章生物相容性及生物学评价2023/10/9第2章生物相容,1,目录,人体生理环境,1,生物相容性,2,宿主反应 病理学反应,4,材料在生物体内的反应,3,生物材料的生物相容性评价,5,第2章生物相容性及生物学评价,目录人体生理环境1生物相容性2宿主反应 病理学反应4材料在生,2,2.1 人体生理环境,生物学环境：,处于生物系统中的生物医用材料周围的情况或条件，其中包括体液、有机大分子、酶、自由基、细胞等多种因素。,人体的内部环境,基本上是建立在全部或是部分的还原的有机材料（分子和组织）之上的。,第2章生物相容性及生物学评价,2.1 人体生理环境生物学环境：处于生物系统中的生物医用材料,3,人体的生理环境：,体温为37，由水、电解质、血糖、蛋白质等构成相对稳定的内环境。,细胞外液的4/5存在于血管外构成组织液，1/5在血管内，即血浆。,正常人血的相对密度为1.050-1.060，粘度为4-5（通常以水的粘度为1作为标准进行计算）。血浆的渗透压约为313mOsm/L，pH值为7.35-7.45。,模拟人体生理环境的溶液：,有机酸、蛋白质、酯、生物原分子、电解质、溶解氧、氮化合物以及可溶性碳酸盐的NaCl水溶液，浓度约为0.1mol/L，溶液的pH值约为5.5（0.2）的溶液。,第2章生物相容性及生物学评价,人体的生理环境：第2章生物相容性及生物学评价,4,2.2 生物相容性,1）定义,生物材料在宿主的特定环境和部位，与宿主直接或间接接触时所产生相互反应的能力,。,生物相容性是材料在生物体内处于动态变化过程中，能耐受宿主各系统作用而保持,相对稳定,，,不被排斥和破坏,的生物学特性，又称为生物适应性和生物可接受性,.材料与宿主产生相互作用所涉及,生物化学,、,生物力学,和,生物电学,三个反应系统。,(,宿主是能给,病原体,提供营养和场所的生物。包括人和动物),生物相容性是指材料与生物体之间相互作用后产生的各种生物、物理、化学等反应的一种概念。一般地讲，就是材料植入人体后与人体相容程度，也就是说是否会对人体组织造成毒害作用.,2）生物相容性分类,两类：组织相容性和血液相容性,第2章生物相容性及生物学评价,2.2 生物相容性1）定义第2章生物相容性及生物学评价,5,组织相容性,定义：,材料与组织器官接触时，不能被组织所侵蚀，材料与组织之间应有一种亲和能力,组织相容性的优劣，主要取决于材料结构的化学稳定性。,一般来说，相对分子质量大，分布窄或有交联结构的材料，组织相容性较好。,其顺序由好到差依次为：,硅橡胶、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯晴、聚酰胺、酚醛树脂、环氧树脂等,。,生物材料的组织相容性还与高聚物的形状和表面粗糙程度有关。,动物实验证明：高聚物呈海绵状、纤维状等形状时不易诱发恶性肿瘤的发生，而片状材料容易诱发恶性肿瘤。表面平整光滑的材料与组织接触一段时间，其材料的周围可形成一层与材料无明显结合的、由纤维细胞平行排列而成的包裹组织，易引起炎症，使得肿瘤发生的潜伏期缩短。若材料表面粗糙，可促使组织细胞与材料表面的黏附和结合，肿瘤发生的潜伏期延长,第2章生物相容性及生物学评价,组织相容性第2章生物相容性及生物学评价,6,血液相容性,1）定义,血液相容性是指材料与血液接触时，不引起凝血及血小板粘着凝聚，没有破坏血液中有形成分的溶血现象,2）表现,在材料的表面首先吸附血浆蛋白，包括白蛋白、球蛋白、纤维蛋白原等；,继而血小板在材料表面黏附、聚集、变形，同时血液内一系列凝血因子被激活，从而引起血栓的形成;,溶血、白细胞减少等细胞水平的反映；,免疫成分的改变、补体的激活以及血小板受体、二磷酸腺苷（ADP）和前列腺素的释放等分子水平的反映。,第2章生物相容性及生物学评价,血液相容性1）定义第2章生物相容性及生物学评价,7,第2章生物相容性及生物学评价,第2章生物相容性及生物学评价,8,3）生物材料的表面与血液成分的相互作用,生物材料与血液接触，可以激活凝血因子，启动凝血系统形成血栓，经内源性凝血系统实现。,内源性凝血一般是从凝血因子XII激活为XIIa开始，随后相继激活其他凝血因子，形成凝血。,当材料与血液接触时，血浆蛋白首先吸附于高聚物表面。,一般来说，容易吸附蛋白质的材料表面不利于血小板的吸附，材料的抗凝血性能较好；容易吸附-球蛋白和纤维蛋白原的材料表面，则能加速凝血过程的形成。,血小板的黏附和凝集,，不仅仅与,血管带电情况,有关，可能还与材料表面,吸附蛋白质的种类,有关。,血液成分与材料表面接触并相互作用，是否会,造成红细胞受损而引起溶血,，主要与材料,表面积、化学结构、材料表面的粘附性、血液参数、凝血变化等因素,有关。,第2章生物相容性及生物学评价,3）生物材料的表面与血液成分的相互作用生物材料与血液接触，可,9,4）生物材料表面特性对血液相容性的影响,生物体与生物材料表面的接触，它们之间的初级反应必然依赖于生物材料表面的性能，如,材料表面的物理性能、表面电荷、亲水性、表面自由能,等，所以生物材料的表面性质在生物学反应中起着至关重要的作用。,生物材料表面的粗糙度,是影响血液相容性的一个重要因素。因为,越粗糙的表面暴露在血液中的面积越大,。,表面的润湿性,，即材料亲水性或疏水性是一个重要的因素。,亲水性的材料,表面比疏水性的材料表面更,有利于细胞生长,。,亲水性的表面吸附作用较弱，并且是可逆的，这有利于调整材料的结构以适合细胞的生长；,疏水性的表面吸附作用强，又不可逆，不易形成材料结构的重建。,第2章生物相容性及生物学评价,4）生物材料表面特性对血液相容性的影响生物体与生物材料表面的,10,人们利用血液相容性与材料表面亲水性之间的这种关系，研制和开发了许多水凝胶高聚物材料。,水凝胶：,一种亲水性的材料，具有良好的血液相容性，但机械性能较差,可通过化学或物理的方法将其接枝到机械性能较好的材料表面，这样既保持了原有的机械性能，又在材料表面形成了具有凝血作用的表面层，从而提高了材料的血液相容性。,与血液接触的材料表面化学性质与材料表面电学性质紧密相关。,高分子官能团的种类决定了表面电荷的种类和多少。,材料表面带有负电荷，会引起某种蛋白质的吸附形成钝化层，材料对血液的毒性减小，从而使材料具有更好的血液相容性。,第2章生物相容性及生物学评价,人们利用血液相容性与材料表面亲水性之间的这种关系，研制和开发,11,2.4 材料在生物体内的反应,医疗器械的复杂性主要取决于,植入体对于宿主的影响,以及,宿主对于植入体的影响,这两方面的因素。大部分的变化对生物体都有,不利,的影响。,图,2-1,几种植入材料表面在生物材料环境下常见的变化,第2章生物相容性及生物学评价,2.4 材料在生物体内的反应 医疗器械的复杂,12,宿主反应和材料反应,宿主反应是,生物机体对植入材料的反应,。宿主反应的发生是由于生理环境的作用，导致,构成材料的组分原子、分子以及颗粒、碎片等代谢产物进入机体组织,。生物材料进入机体后，可产生以下宿主反应：,（1）宿主反应,局部组织反应，是组织对手术创伤的,急性或炎性反应,；,全身毒性反应，是由于材料降解在合成加工及消毒过程中,吸收或形成的低相对分子质量产物造成的，有急性和慢性反应；,第2章生物相容性及生物学评价,宿主反应和材料反应 宿主反应是生物机体对植入材,13,过敏反应，是由于材料降解所产生的,毒物,造成的；,致癌、致畸、致突变反应，是由于材料中或降解产物中产生的有害物质造成的；,适应性反应，是慢性的、长期的，包括机械力对组织和材料相互作用的影响。,材料反应是材料对生物机体作用产生的反应，材料反应的结果可导致材料,结构破坏和性质改变,，主要包括：,（2）材料反应,第2章生物相容性及生物学评价,过敏反应，是由于材料降解所产生的毒物造成的；,14,1）生理腐蚀 生理环境对材料的化学侵蚀作用，致使,材料产生离解、氧化等,2）吸收 材料在生理环境中，可以通过吸收过程使其功能改变，也可导致材料物理机械性能改变；,3）降解及失效 在生理环境作用下，材料可能,被机体降解,，导致材料失效。磨损可以使修复体部件之间结合受损，造成修复体失效。机械力作用也可能引起材料失效。,第2章生物相容性及生物学评价,1）生理腐蚀 生理环境对材料的化学侵蚀作用，致使材料,15,A植入体对宿主的反应,B宿主对植入体的反应,1.局部,a.血液,-,材料的反应,b.蛋白质的吸收,c.凝结,d.,纤维蛋白溶解,e.血小板的粘着，活化，释放,f.补充活化,g.白血球粘着，活化,h.溶血现象,i.毒性,j.改变了正常的愈合,k.包成囊状,l.外来体的反应,m.形成,血管翳,n.感染,o.形成肿瘤,2.全身反应与补体系统,a形成血栓,b植入体元素在血液中数量增加,c高度过敏症,d淋巴颗粒的传输,1.物理机制的反应,a.摩擦磨损,b疲劳损伤,c应力腐蚀引起断裂,d腐蚀,e降解及分解,2.生理反应,a吸收组织物质,b酶的降解,c.钙化,第2章生物相容性及生物学评价,A植入体对宿主的反应B宿主对植入体的反应1.局部1.物,16,2.4.1 膨胀与浸析,植入材料与生物环境间最简单的相互作用形式是：,在不发生反应的条件下，材料通过界面的转移。,膨胀：,物质从组织,进入,生物材料，致密的材料就会因为体积增加而发生膨胀。主要是指液体物质、周围的液相介质中的某些成分或溶质。,浸析：,当液体进入材料的内部，或是生物材料的某种成份,溶解,在组织的液体相中时，就将这种产生材料孔隙的过程。,膨胀和浸析都是扩散的结果。,造成膨胀最简单的情况：,从固定的浓度、完全均匀的混合液体到无限大介质的扩散。,吸收造成的影响可以总结为：颜色的变化、体积的变化、可能还有力学性能的变化。,一般情况下，作为吸收的次级效应，力学性能的变化包括：弹性模量的降低，内部粘度的增加，延展性的增加，如果植入材料与被吸收的物质发生反应，延展性也可能降低，摩擦系数的变化以及抗磨损性能的降低。,导致浸析的最简单的情况：,扩散物质以恒定的速率离开材料的表面。,第2章生物相容性及生物学评价,2.4.1 膨胀与浸析植入材料与生物环境间最简单的相互作用形,17,膨胀和浸析引起的材料变形有不少有害的效果。,膨胀的影响：,膨胀会降低材料的弹性极限，而且会导致一种静态疲劳或“裂纹”的失效形式。,浸析的影响：,作为膨胀的相反作用，浸析对性能的影响一般不会太显著。可能发生的问题是对浸析产物的局部和系统整体的生物反应。,过度浸析（例如金属晶间浸析）可以导致断裂强度的降低。浸析造成的缺陷可以聚合成空洞。对刚性材料来说，如果空洞所占的体积百分比大到一定值，就会造成弹性模量的降低，其降低的数量与空洞体积百分比的二次方成正比。,第2章生物相容性及生物学评价,膨胀和浸析引起的材料变形有不少有害的效果。第2章生物相容性及,18,2.4.2 腐蚀与溶解,生物医用,金属材料,在机体内重要反应之一是腐蚀和溶解。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。,金属在腐蚀时发生阳极溶解反应，阳极金属溶解越多，失去的电子数越多，则由阳极输出的电量也越大。,缝隙腐蚀和点蚀是两种最重要的腐蚀形式。,缝隙腐蚀常发生在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。,在板与螺栓之间也可能发生,电化学腐蚀,。电化学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。,第2章生物相容性及生物学评价,2.4.2 腐蚀与溶解生物医用金属材料在机体内重要反应之一是,19,2.4.3 生物分子与材料表面的反应,生物材料一旦植入体内用来连接、修复损伤的组织、器官等，人体的组织即将对植入体进行反应。这种反应通常只在材料与生物体接触的界面上进行的。,生物分子与材料表面的反应的方式取决于植入