生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用培訓(xùn)課件

1、生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用生物醫(yī)學(xué)材料植入體內(nèi)對宿主人體的影響是一個相當(dāng)復(fù)雜的病理過程。其中感染、鈣化和腫瘤這些現(xiàn)象的臨床意義極其重要。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用2生物醫(yī)學(xué)材料植入體內(nèi)對宿主人體的影響是一個相當(dāng)復(fù)雜的病理（一）感染生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用3（一）感染生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用3感染是植入材料在臨床上最常見的 主要并發(fā)癥之一，植入患者的大約 發(fā)生感染。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用4感染是植入材料在臨床上最常見的 在美國，每年因使用高分子材料引起的感染已超過萬例。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用5在美國，每年因使用高分子

2、材料引起的感染已超過萬例。生物醫(yī)對植入感染機理還缺乏了解，因此預(yù)防和處理由植入引起的膿毒敗血癥還依然只能靠臨床經(jīng)驗。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用6對植入感染機理還缺乏了解，因此預(yù)防和處理由植入引起的膿毒敗血表- 一些植入術(shù)后感染率的臨床統(tǒng)計 植入高分子替代物手術(shù)名稱 感染率（）使用含抗菌素骨水泥固定的全關(guān)節(jié)置換手術(shù) 心臟瓣膜置換術(shù) 人工血管置換術(shù) 心臟起搏器植入術(shù) 生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用7表- 一些植入術(shù)后感染率的臨床統(tǒng)計 材料植入體內(nèi)或與人體組織血液接觸可通過以下途徑引起感染。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用8材料植入體內(nèi)或與人體組織血液接觸可通過以下途徑引起感染。生物植入手術(shù)

3、過程中，對上皮和粘膜屏障的損傷，給微生物提供了進入血液循環(huán)和深部組織的途徑。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用9植入手術(shù)過程中，對上皮和粘膜屏障的損傷，給微生物提供了進入在生產(chǎn)或植入過程中，由于污染了無菌材料，從而使微生物不可避免地進入患者體內(nèi)。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用10在生產(chǎn)或植入過程中，由于污染了無菌材料，從而使微生物不可避免植入物本身具有很強的加重組織感染的易感性。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用11植入物本身具有很強的加重組織感染的易感性。生物醫(yī)學(xué)材料和生物細菌或其它微生物進入體內(nèi)組織的正常反應(yīng)包括有巨噬細胞自由遷移到感染部位和炎癥細胞相繼發(fā)生作用。植入的材料通過限制巨噬細遷移

4、到感染組織，從而阻斷抗感染生理過程，也有可能是從植入物中釋放可溶性成份或表面介質(zhì)間相互作用，干擾巨噬細胞的殺菌機制。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用12細菌或其它微生物進入體內(nèi)組織的正常反應(yīng)包括有巨噬細胞自由遷重要的是植入物周圍高密度纖維組織包膜形成后可起機械性屏障作用，阻止巨噬細胞遷移到界面，使得細菌在植入物附近存活下來。通過消除宿主的防御機制,植入物部位的壞死組織將使感染浸入和擴散。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用13重要的是植入物周圍高密度纖維組織包膜形成后可起機械性屏障作用有可能由于植入物對不同微生物的吸附和炎癥反應(yīng)有差異，使得引起感染的能力隨植入材料化學(xué)性能不同而有很大差別。生物醫(yī)學(xué)

5、材料和生物體間的相互作用14有可能由于植入物對不同微生物的吸附和炎癥反應(yīng)有差異，使得引起形態(tài)也與感染有關(guān)，單纖維材料似乎比有孔或復(fù)合纖維材料具有更強的抗感染能力。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用15形態(tài)也與感染有關(guān)，單纖維材料似乎比有孔或復(fù)合纖維材料具有更強在植入物引起感染的過程中，補體與材料的相互作用是否起作用或起多大作用還不在清楚。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用16在植入物引起感染的過程中，補體與材料的相互作用是否起作用或起有可能起抑制作用，也有可能起加重作用。例如，當(dāng)激活作用增強時，產(chǎn)生更多的和a，這些產(chǎn)物能增加多核細胞在植入物部位的濃度，起到抑制局部的炎癥反應(yīng)。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間

6、的相互作用17有可能起抑制作用，也有可能起加重作用。例如，當(dāng)激活作用增強時（二）鈣化生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用18（二）鈣化生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用18生物醫(yī)學(xué)材料表面形成鈣化常使材料喪失功能，使植入失敗。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用19生物醫(yī)學(xué)材料表面形成鈣化常使材料喪失功能，使植入失敗。生物醫(yī)生物體內(nèi)產(chǎn)生的病理鈣化有兩種，一種為轉(zhuǎn)移性鈣化，另一種為營養(yǎng)不良性鈣化。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用20生物體內(nèi)產(chǎn)生的病理鈣化有兩種，一種為轉(zhuǎn)移性鈣化，另一種為營養(yǎng)轉(zhuǎn)移性鈣化是由于組織中鈣含量都是正常的，也就是說不會有轉(zhuǎn)移性鈣化產(chǎn)生，所以在血泵上形成的鈣化屬于營養(yǎng)不良性鈣化。生物

7、醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用21轉(zhuǎn)移性鈣化是由于組織中鈣含量都是正常的，也就是說不會有轉(zhuǎn)移性鈣化現(xiàn)象尤其是在植入者（宿主）較年輕時易發(fā)生，在兒童中發(fā)生率更高。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用22鈣化現(xiàn)象尤其是在植入者（宿主）較年輕時易發(fā)生，在兒童中發(fā)生率營養(yǎng)不良性鈣化無論在兒童還是在成人皆可產(chǎn)生。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用23營養(yǎng)不良性鈣化無論在兒童還是在成人皆可產(chǎn)生。生物醫(yī)學(xué)材料和生按鈣化的形成因素可將鈣化分成兩種：一種是內(nèi)源性鈣化，第二種是外源性鈣化。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用24按鈣化的形成因素可將鈣化分成兩種：一種是內(nèi)源性鈣化，第二種是所謂內(nèi)源性鈣化是指材料本身的因素所引起

8、的鈣化。外源性鈣化則是指材料以外的因素如血細胞等所引起的鈣化。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用25所謂內(nèi)源性鈣化是指材料本身的因素所引起的鈣化。外源性鈣化則是材料與血液接觸后，其表面會有多種細胞的沉積，這些細胞在這些區(qū)域沉積很長一段時間后，細胞就會死亡，局部的pH值就會改變，從而吸附鈣質(zhì)，首先形成無定形磷酸鈣鹽，隨后轉(zhuǎn)變成結(jié)晶型磷酸鈣，最后形成羥基磷灰石。這就是鈣化產(chǎn)生的一個基本過程。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用26材料與血液接觸后，其表面會有多種細胞的沉積，這些細胞在這些區(qū)在這一過程中存在有許多影響因素，例如機械運動。機械運動不是原發(fā)性因素而只是個繼發(fā)性因素，只是加速了材料表面鈣化的過程

9、，亦即在有應(yīng)力存在處先發(fā)生鈣化。再如材料表面潛在的一些缺陷也會加速鈣化的發(fā)生，如折疊也對鈣化產(chǎn)生影響，凝血也可加速鈣化的產(chǎn)生。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用27在這一過程中存在有許多影響因素，例如機械運動。機械運動不是原對于人工血管來說，因纖維編織表面易吸附細胞更易形成鈣化。如果材料易吸附細胞且吸附得較厚，則由于底層細胞供氧不足而先壞死，繼而產(chǎn)生鈣化。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用28對于人工血管來說，因纖維編織表面易吸附細胞更易形成鈣化。如果以上所討論的這些因素都是加速鈣化的因素，而非真正導(dǎo)致鈣化的原因。體液方面的因素如鈣、磷含量、成骨素、脂質(zhì)和脂蛋白的水平也是加速鈣化的原因。生物醫(yī)學(xué)材

10、料和生物體間的相互作用29以上所討論的這些因素都是加速鈣化的因素，而非真正導(dǎo)致鈣化的原抗血小板聚集的藥物可防止血小板在材料或血泵表面的聚集。從這一點看，這類藥物肯定在防鈣化方面有一定的作用。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用30抗血小板聚集的藥物可防止血小板在材料或血泵表面的聚集。從這一在人工心瓣上常用表面活性劑處理，效果較好。這可能是表面活性劑防止了細胞在材料表面的粘附。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用31在人工心瓣上常用表面活性劑處理，效果較好。這可能是表面活性近年有人認為，在局部使用鈣通道阻滯劑可防止鈣化。但一般說來這可能對防止內(nèi)源性鈣化有用，而對防止外源性鈣化不起作用。生物醫(yī)學(xué)材料和生物

11、體間的相互作用32近年有人認為，在局部使用鈣通道阻滯劑可防止鈣化。但一般說來這最后有一點值得注意，雖然心血管系統(tǒng)和軟組織植入材料的礦物化是不需要的，但植入物刺激的鈣化對某些牙科、矯形、上頜面和耳鼻喉的應(yīng)用是有益的。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用33最后有一點值得注意，雖然心血管系統(tǒng)和軟組織植入材料的礦物化是（三）腫瘤生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用34（三）腫瘤生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用34生物醫(yī)學(xué)材料的致癌性是一個在應(yīng)用上引人注目的問題。盡管多年的臨床試驗以及一些用之有效的人工器官的使用過程中很少發(fā)生腫瘤，但是一些動物實驗?zāi)[瘤的發(fā)生瘺見不鮮。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用35生物醫(yī)

12、學(xué)材料的致癌性是一個在應(yīng)用上引人注目的問題。盡管多年的最近報道的病例有金屬矯形植入物和合成纖維人工血管周圍發(fā)生肉瘤性損傷。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用36最近報道的病例有金屬矯形植入物和合成纖維人工血管周圍發(fā)生肉瘤還有一些病例報道，年前植入胸膜外壓迫結(jié)核肺腔的聚甲基丙烯酸酯球引起骨外軟組織部位的軟骨肉瘤，在肌肉間注入鐵的部位發(fā)生腫瘤，以及人工指關(guān)節(jié)中硅擴散到腋窩淋巴結(jié)而誘發(fā)的惡性淋巴瘤。僅從腫瘤和植入物部位的關(guān)系還不能證明其發(fā)病的相關(guān)性。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用37還有一些病例報道，年前植入胸膜外壓迫結(jié)核肺腔的聚甲基丙烯植入物引起的癌變通常發(fā)生較晚，以上是在植入年后發(fā)生，而且在人體

13、內(nèi)的腫瘤絕大多數(shù)具有較長的潛伏期。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用38植入物引起的癌變通常發(fā)生較晚，以上是在植入年后發(fā)生分析大量臨床和動物實驗結(jié)果初步弄清了一些問題：生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用39分析大量臨床和動物實驗結(jié)果初步弄清了一些問題：生物醫(yī)學(xué)材料.動物實驗的結(jié)果表明引起惡性腫瘤的原因與埋入材料的外形有關(guān)。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用40.動物實驗的結(jié)果表明引起惡性腫瘤的原因與埋入材料的外形有關(guān)粉末狀或海綿狀的材料幾乎不會發(fā)生惡性腫瘤，纖維狀的材料也很少發(fā)生，只有片狀材料才容易發(fā)生。且片狀材料，還與埋植的方法有關(guān)，連續(xù)放置的片要比打孔放置的片，惡性腫瘤的發(fā)生率要高得多，而且和孔

14、的大小及數(shù)量有關(guān)。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用41粉末狀或海綿狀的材料幾乎不會發(fā)生惡性腫瘤，纖維狀的材料也很少當(dāng)植入材料表面變粗糙或變軟時，腫瘤的潛伏期延長，但發(fā)病率并不降低。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用42當(dāng)植入材料表面變粗糙或變軟時，腫瘤的潛伏期延長，但發(fā)病率并不因此初步認為植入物表面的連續(xù)性是誘發(fā)腫瘤的先決條件，而且材料表面的也影響誘變率。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用43因此初步認為植入物表面的連續(xù)性是誘發(fā)腫瘤的先決條件，而且材料實驗觀察明確了腫瘤發(fā)生率和組織反應(yīng)后形成的纖維組織包膜的厚度及成熟度有直接關(guān)系。而與激活的細胞炎癥反應(yīng)程度呈反比關(guān)系。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作

15、用44實驗觀察明確了腫瘤發(fā)生率和組織反應(yīng)后形成的纖維組織包膜被致癌物質(zhì)污染或在生物老化過程中釋放致癌物質(zhì)的高分子材料，埋植在動物內(nèi)會引起惡性腫瘤。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用45被致癌物質(zhì)污染或在生物老化過程中釋放致癌物質(zhì)的高分子材料現(xiàn)有的數(shù)據(jù)表明植入物引起腫瘤的基本發(fā)展過程為：（）在植入物的急性反應(yīng)過程中發(fā)生細胞增生和組織浸潤。（）在植入物周圍形成一個界線分明的纖維組織包膜。（）組織反應(yīng)靜止期，即與植入物接觸的巨噬細胞處于潛伏狀態(tài)和吞噬功能失活期，腫瘤前體細胞與植入物表面直接接觸。（）腫瘤前體細胞最終成熟為癌變細胞。（）肉瘤性增生。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用46現(xiàn)有的數(shù)據(jù)表明植入物

16、引起腫瘤的基本發(fā)展過程為：（）在這個過程表明，腫瘤潛在性的最初獲得和決定腫瘤特征并不取決于敏感細胞和植入物之間的直接物理或化學(xué)作用，而與植入物包膜中營養(yǎng)血管減少，同材料接近部分的組織細胞的新陳代謝受阻，與體液直接代謝的營養(yǎng)和氧都不夠充分，以及持續(xù)經(jīng)受異物刺激，引起細胞異常性分化，造成突變有關(guān)。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用47這個過程表明，腫瘤潛在性的最初獲得和決定腫瘤特征并不取決于不要采用連續(xù)相鄰的片狀材料埋植法，避免材料外包膜的增厚，不使材料與生物體組織因有間隙而發(fā)生相對運動，材料的存在要使周圍組織的生態(tài)盡量不受影響，材料不溶解出有刺激性的，乃至有毒的物質(zhì)來。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互

17、作用48不要采用連續(xù)相鄰的片狀材料埋植法，避免材料外包膜的增厚，不五、生物醫(yī)學(xué)材料對人體補體系統(tǒng)的激活生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用49五、生物醫(yī)學(xué)材料對人體補體系統(tǒng)的激活生物醫(yī)學(xué)材料和生物體生物醫(yī)學(xué)材料導(dǎo)致產(chǎn)生一系列的全身免疫反應(yīng)，包括體液反應(yīng)和細胞反應(yīng)。其中，體液反應(yīng)包括凝血系統(tǒng)的激活、補體系統(tǒng)的激活、激肽系統(tǒng)的激活、溶纖系統(tǒng)的激活等。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用50生物醫(yī)學(xué)材料導(dǎo)致產(chǎn)生一系列的全身免疫反應(yīng)，包括體液反應(yīng)和細胞（一）人體補體系統(tǒng)簡介生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用51（一）人體補體系統(tǒng)簡介生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間人體補體系統(tǒng)是由多種血漿蛋白組成的。如果以來表示補體，則可

18、用（，個亞單位）、c、來表示個主要的補體組分。補體組分在血液中通常是以非活化的分子形式存在的。當(dāng)血液與適當(dāng)?shù)耐鈦泶碳の锵嘟佑|后，這些非活性的分子就會被酶裂解成為具有生物活性的蛋白及多肽。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用52人體補體系統(tǒng)是由多種血漿蛋白組成的。如果以來表示補體，補體系統(tǒng)的激活有兩條途徑，分別稱為經(jīng)典激活途徑及旁路激活途徑。經(jīng)激活開始，按上述順序活化的途徑稱經(jīng)典激活途徑。這一典型的激活途徑始于免疫復(fù)合物與的結(jié)合。隨后，經(jīng)經(jīng)典途徑成份，和進行裝配組合和被酶裂解。旁路途徑激活則是繞過、而從開始的故稱為旁路。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用53補體系統(tǒng)的激活有兩條途徑，分別稱為經(jīng)典激活途

19、徑及（二）生物醫(yī)學(xué)材料對補體的激活生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用54（二）生物醫(yī)學(xué)材料對補體的激活生物醫(yī)學(xué)材料和生物人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在進行體外循環(huán)如心肺旁路、血液透析以及膜式血漿分離時，都會引起補體的激活，釋放出炎癥介質(zhì)如、。血液與透析膜或其它高分子材料接觸時會引起補體系統(tǒng)的旁路激活。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用55人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在進行體外循環(huán)如心肺旁路、血液透析這一激活過程的關(guān)鍵一步是與材料表面發(fā)生共價鍵合。由于分子上帶有含碘酸酯基團的活性位，磺酸酯基團可與材料表面的親核基團發(fā)生反應(yīng)。因此，材料表面帶在羥基或胺基的基團可促使在材料表面的沉積而激活補體。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用56

20、這一激活過程的關(guān)鍵一步是與材料表面發(fā)生共價鍵合。補體被激活，分子被酶分解成低分子量的多肽片斷和本體片斷。與活性表面結(jié)合而則進入體液中。隨后，被活化，活化后產(chǎn)生的糖多肽進入體液中，而b則結(jié)合在材料表面的c上。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用57補體被激活，分子被酶分解成低分子量的多生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用培訓(xùn)課件表面帶有胺基、羧基、氰基或酚基的聚合物，其表面可吸附免疫球蛋白，通過表面吸附的免疫球蛋白而引起經(jīng)典途徑的補體激活。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用59表面帶有胺基、羧基、氰基或酚基的聚合物，其表面可吸附許多酸性聚合物如聚肌苷酸、硫酸葡聚糖及硫酸纖維素等可直接通過經(jīng)典途徑激活補體而

21、不需免疫球蛋白的參與。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用60許多酸性聚合物如聚肌苷酸、硫酸葡聚糖及硫酸纖維素等可（三）補體激活對人體的影響生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用61（三）補體激活對人體的影響生物醫(yī)學(xué)材料和生物體補體激活會對機體產(chǎn)生何種影響呢？ 第一個就是過敏反應(yīng)。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用62補體激活會對機體產(chǎn)生何種影響呢？ 在透析時還觀察到血氧下降，這由于大量的嗜中性白細胞聚集于肺毛細血管中，影響到肺泡的換氣功能，因而出現(xiàn)缺氧現(xiàn)象。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用63在透析時還觀察到血氧下降，這由于大量的嗜中性白細胞短暫的低血壓，這可能是由白細胞在肺中的聚集而增加了肺循環(huán)的壓力，使得肺血流減少，因此回到左心房的血液減少，體循環(huán)的血壓就降低，經(jīng)過一段時間后，白細胞回復(fù)正常，肺血流增加，血壓即升高。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用64短暫的低血壓，這可能是由白細胞在肺中的聚集而增加了肺循環(huán)的壓慢性并發(fā)癥，如易感染，高的惡性腫瘤發(fā)生率，軟組織鈣化，特別是肺細胞的纖維化、鈣化及動脈硬化。與反復(fù)使用透析膜而對機體免疫系統(tǒng)機能產(chǎn)生的影響有關(guān)。生物醫(yī)學(xué)材料和生物體間的相互作用65慢性并發(fā)癥，如易感染，高的惡性腫瘤發(fā)生率，軟組織鈣植入物表面吸附的大量的白細胞也是由于補體激活的緣故，當(dāng)補體系統(tǒng)被材料激活后，產(chǎn)生的結(jié)合在材