《生物醫(yī)用材料》第三章生物相容性及生物學(xué)評(píng)價(jià)

第三章生物相容性及生物學(xué)評(píng)價(jià)第一節(jié)：生物相容性的基本概念第二節(jié)：材料的血液相容性第三節(jié)：材料的組織相容性第四節(jié)：生物學(xué)評(píng)價(jià)組織相容性定義：材料與組織器官接觸時(shí)所產(chǎn)生相互反應(yīng)的能力。生物材料要求不能被組織所侵蝕，材料與組織之間應(yīng)有一種親和能力。對(duì)于骨植入材料具體表現(xiàn)為生物材料和生物體結(jié)締組織中的膠原結(jié)合成為一體，并能保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定牢固的結(jié)合。某些材料長(zhǎng)期植入機(jī)體仍然會(huì)對(duì)組織細(xì)胞產(chǎn)生影響，甚至誘發(fā)腫瘤的發(fā)生，只是不同的生物材料制成的人工器官植入體內(nèi)誘發(fā)腫瘤的潛伏期有所不同而已。生物材料的組織相容性還與材料的形狀和表面粗糙程度有關(guān)。

血液相容性定義：

生物材料與血液接觸所產(chǎn)生相互反應(yīng)的能力。具有良好血液相容性的材料或器械是在與血液接觸行使其功能時(shí)不會(huì)引起有害反應(yīng)1.3

材料在生物體內(nèi)的反應(yīng)材料在生物體內(nèi)的反應(yīng)包括兩個(gè)方面：宿主反應(yīng)和材料反應(yīng)。宿主反應(yīng)：宿主對(duì)植入體材料作出的生理反應(yīng)，主要包括血液反應(yīng)、組織反應(yīng)。材料反應(yīng)：植入體材料在生物環(huán)境中發(fā)生的各種物理和化學(xué)反應(yīng)。圖2-1幾種植入材料表面在生物材料環(huán)境下常見的變化A．宿主反應(yīng)B．材料反應(yīng)1.局部a.血液-材料的反應(yīng)b.蛋白質(zhì)的吸收c.凝結(jié)d.纖維蛋白溶解e.血小板的粘著，活化，釋放f.補(bǔ)體系統(tǒng)活化h.溶血現(xiàn)象i.毒性j.改變了正常的愈合k.包成囊狀l.外來體的反應(yīng)m.感染o.形成腫瘤2..全身反應(yīng)與補(bǔ)體系統(tǒng)a．形成血栓b．植入體元素在血液中數(shù)量增加c．高度過敏癥d．淋巴顆粒的傳輸1.物理機(jī)制的反應(yīng)a.摩擦磨損b．疲勞損傷c．應(yīng)力腐蝕引起斷裂d．腐蝕e．降解及分解2.生理反應(yīng)a．吸收組織物質(zhì)b．酶的降解c.鈣化金屬植入物表面分子水平的反應(yīng)第二節(jié)材料的血液相容性

bloodcompatibility

2.1材料與血液的相互作用：1）生物材料可能引起的血液的變化：生物材料的界面現(xiàn)象（在材料的表面首先吸附血漿蛋白，包括白蛋白、球蛋白、纖維蛋白原等）；溶血、白細(xì)胞減少等細(xì)胞水平的反映；凝血系統(tǒng)、纖溶系統(tǒng)激活等血漿蛋白水平反映；免疫成分的改變、補(bǔ)體的激活以及血小板受體的釋放等分子水平的反映。適宜的血液相容性材料應(yīng)不損傷血液成分和功能。2）材料與血液的相互作用過程:材料與血液接觸后的相互作用可分為3個(gè)階段:

第一階段:血液與材料相互作用的初期，材料表面和血液都發(fā)生了變化。一方面，在材料表面粘附蛋白質(zhì)、細(xì)胞及其他血液成分，同時(shí)由于材料與水接觸以及蛋白質(zhì)在材料表面的粘附引起材料表面的鏈段發(fā)生重排，形成新的表面;另一方面，材料與血液接觸引起血液內(nèi)凝血、溶纖、補(bǔ)體等系統(tǒng)的激活以及血細(xì)胞功能的改變。此時(shí)的血液已不同于沒有接觸材料時(shí)的血液。第一階段一般為2小時(shí)。第二階段:材料與血液的相互作用取決于新形成的材料表面與接觸材料后的血液。在此期間，材料表面繼續(xù)發(fā)生明顯的變化。這一變化可以是良性的變化，也可能是惡性的變化。良性變化指材料表面形成惰性表面，惡性變化指材料表面形成血栓等。第二階段血液也發(fā)生許多變化，還可引起體液及細(xì)胞成分的變化。這一時(shí)期一般為兩周。第三階段:在此階段，材料表面與血液均要發(fā)生變化。材料表面的變化，同樣分為良性與惡性兩種。假內(nèi)膜表面的上皮化即屬良性變化。惡性變化指形成肉芽或發(fā)生鈣化。2.2材料誘發(fā)血栓形成的可能機(jī)制材料表面與血液接觸后，首先是蛋白質(zhì)層和脂質(zhì)吸附在材料表面上，這些分子發(fā)生構(gòu)象上的變化，導(dǎo)致血液中各成分發(fā)生相互作用；一方面觸發(fā)以凝血因子活化為起點(diǎn)的內(nèi)源性凝固反應(yīng)；另一方面使血小板、紅血球等細(xì)胞成分附著于蛋白質(zhì)表面，被黏附的血小板發(fā)生變形，這些變化使血小板放出能促進(jìn)凝血系統(tǒng)活化的因子，產(chǎn)生凝血反應(yīng)。對(duì)于一種抗凝血生物材料來說，其表面既能抑制凝血因子的活化，又能防止血小板的粘附、釋放和聚集，缺一不可。2.3材料或器械影響血液相容性的可能因素影響血液凝固（血栓形成）有三大要素：血液化學(xué)、血液接觸的表面、血液流動(dòng)形式。因此材料或器械影響血液相容性的可能因素有：1)材料的性質(zhì):材料的本體和表面特性2)材料或器械的外形與尺寸1）材料性能的影響本體性能的影響：Ni引起癌變，碳素材料抗血栓性能好，聚氨酯抗凝血性較好。表面性能的影響：表面形貌：表面粗糙度、表面織構(gòu)、多孔性。材料表面越粗糙，暴露在血液上的面積越大，凝血的可能性也就越大，但如果在0,1~2UM的范圍內(nèi)存在不均勻結(jié)構(gòu)，可提高材料的抗凝血性能表面成分：例如表面涂覆碳素材料可抗血栓血管支架表面改性薄膜無機(jī)惰性薄膜提高支架的抗血栓性能貴金屬涂層碳化物涂層類金剛石薄膜類金剛石薄膜血小板粘附與活化CoatedUncoated材料設(shè)計(jì)與制備多學(xué)科：涉及材料、力學(xué)、有限元分析、機(jī)械、激光加工等2)材料的外形與尺寸的影響

2.4提高材料血液相容性的技術(shù)—表面改性利用各種物理和化學(xué)的方法對(duì)材料的表面進(jìn)行處理可以提高材料的抗血栓性能（血液相容性）可以從以下幾個(gè)方向來考慮：促進(jìn)偽內(nèi)膜形成；抑制血小板體系的活化；抑制凝固體系的活化；促進(jìn)血栓溶解。幾種提高血液相容性的表面改性技術(shù):1）增加表面親水性，降低表面與血液成分的相互作用。表面的親水性及自由能對(duì)血液成分的吸附，變性等有密切聯(lián)系。提高材料表面的親水性，使表面自由能降低到接近血管內(nèi)膜的表面自由能值可取得抗血栓性能。例如在表面接枝聚乙二醇（PEG）側(cè)鏈：PEG與水的低界面自由能，獨(dú)特的溶液性質(zhì)和分子構(gòu)象，親水性、表面流動(dòng)性以及PEG的空間穩(wěn)定效應(yīng)使其具有較好的血液相容性。2）材料表面帶負(fù)電荷：正常人體血管壁內(nèi)皮細(xì)胞的ε電位值為負(fù)值，血液中的紅細(xì)胞，白細(xì)胞及血小板等均帶負(fù)電荷，因此不易發(fā)生粘附。高分子材料表面電荷的正負(fù)由其功能團(tuán)類型決定，利用這一點(diǎn)，可以進(jìn)行特定的設(shè)計(jì)使材料表面帶上負(fù)電荷，從而減少血栓的形成。3）對(duì)表面進(jìn)行偽修飾，使其不被血液視為異物，例如材料的血管內(nèi)皮化、血蛋白鈍化及磷脂樣表面等；血管內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)于抗凝血起了很重要的作用，可以認(rèn)為是一種完美的血液相容性的表面。因此研究者在人工血管表面覆蓋內(nèi)皮細(xì)胞來改善其血液的相容性。由于材料對(duì)白蛋白吸附后不易粘附血小板，則可在表現(xiàn)覆蓋一層白蛋白來對(duì)材料進(jìn)行偽飾，稱為白蛋白鈍化。在表面引入磷脂酰膽堿為極性頭端來模擬紅細(xì)胞膜的血液相容性。磷脂酰膽堿4）材料表面引入生物活性物質(zhì)

在外源性材料表面固化某些干擾血液與表面相互作用的物質(zhì)可改善其血液相容性。常用的抗凝血?jiǎng)┯懈嗡?、白蛋白和檸檬酸鹽。血液相容性評(píng)價(jià)及實(shí)驗(yàn)方法血液相容性評(píng)價(jià)目前以凝血與溶血作為主要內(nèi)容。包括1）材料表面理化特性，2）血漿蛋白的競(jìng)爭(zhēng)吸附，3）血小板的粘附與激活，4）紅細(xì)胞、白細(xì)胞的粘附、變形與激活，5）內(nèi)源性凝固系統(tǒng)的接觸活化，6）溶纖系統(tǒng)激活。7）酶激活8）補(bǔ)體系統(tǒng)激活建立了4類評(píng)價(jià)及實(shí)驗(yàn)方法：1）材料表面特征表征法2）體外試驗(yàn)法3