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生物医用材料翻译

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生物医用材料

 

生物医用材料(Biomedical Materials)是用来对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的材料。生物医用材料(Biomedical Materials)是用来对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的材料。它是研究人工器官和医疗器械的基础,已成为当代材料学科的重要分支,尤其是随着生物技术的蓬勃发展和重大突破,生物医用材料已成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。

人类利用生物医用材料的历史与人类历史一样漫长。自从有了人类,人们就不断地与各种疾病作斗争,生物医用材料是人类同疾病作斗争的有效工具之一。追溯生物医用材料的历史,公元前约3500年古埃及人就利用棉花纤维、马鬃作缝合线缝合伤口。而这些棉花纤维、马鬃则可称之为原始的生物医用材料。墨西哥的印第安人(阿兹台克人)使用木片修补手上的颅骨。公元前2500年前中国、埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻、假耳。人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿。文献记载,1588年人们就用黄金板修复颚骨。1775年,就有金属固定体内骨折的记载,1800年有大量有关应用金属板固定骨折的报道。1809年有人用黄金制成种植牙齿。1851年有人使用硫化天然橡胶制成的人工牙托和颚骨。20世纪初开发的高分子新材料促成了人工器官的系统研究的开始,人工器官的临床应用则始于1940年。由于人工器官的临床应用,拯救了成千上万患者的生命,减轻了病魔给患者及其家属带来的痛苦与折磨,引起了医学界的广泛重视,加快了人工器官研究步伐。目前可以说,从天灵盖到脚趾骨,从人体的内脏到皮肤,从血液到五官,除了脑以及大多数内分泌器官外,大豆有了代用的人工器官。依据生物材料的发展历史及材料本身的特点,可以将已有的材料分为三代,它们鸽子都有自己明显的特点和发展时期,代表了生物医用材料发展的不同水平。20世纪初第一次世界大战以前所使用的医用材料可归于第一代生物医用材料,代表材料有石膏、各种金属、橡胶以及棉花等物品,这一代的材料大都被现代医学所淘汰。第二代生物医用材料的发展是建立在医学、材料科学(尤其是高分子材料学)、生物化学、物理学及大型物理测试技术发簪的基础之上的。研究工作者也多由材料雪茄或主要由材料学家与医生合作来承担。代表材料有羟基磷灰石、磷酸三钙、据羟基乙酸、聚甲基丙烯酸羟乙基酯、胶原、多肽、纤维蛋白等。这类材料与第一代生物医用材料一样,研究的思路仍然是努力改善材料本身的力学、生化性能,以使其能够在生理环境下有长期的替代、模拟生物组织的功能。第三代生物医用材料是一类具有促进人体自修复和再生作用的生物医学复合材料,它以对生物体内各种细胞组织、生长因子、生长抑素及生长基质等结构和性能的了解为基础来简历生物医用材料的概念。它们一般是由具有生理“活性”的组元及控制载体的“非活性”组元所构成,具有比较理想的修复再生效果。其基本思想是通过材料之间的复合,材料与活细胞的融合,活体材料和人工材料的杂交等手段,赋予材料具有特异的靶向修复、治疗和促进作用,从而达到病变 组织主要甚至全部由健康的再生组织所取代。骨形态发生蛋白(BMP)材料是第三代生物医用材料中的代表材料。

在不同的历史时期,生物医用材料被赋予了不同的意义。其定义是随着生命科学和材料科学的不断发展而演变的。但是,他们都有一些共同的特征。即生物医用材料是一类人工或天然的材料,可以单独或与药物一起制成部件、器械用于组织或器官的治疗、增强或替代,并在有效试用期内不会对宿主引起急性或慢性危害。但由于生命现象是极其复杂的,是在几百万年的进化过程中适应生存需要的结果,生命具有一定得生长、再生和修复精确调控能力,这是目前所有人工器官和生物医用材料所无法比拟的。因此,目前的生物医用材料与人们的真正期望和要求相差甚远。

生物医用材料的分类

生物医用材料按用途可分为骨、牙、关节、肌腱等骨骼-肌肉系统修复材料,皮肤、乳房、食道、呼吸道、膀胱等软组织材料,人工心瓣膜、血管、心血管内插管等心血管系统材料,血液净化膜和分离膜、气体选择性透过膜、角膜接触镜等医用膜材料,组织粘合剂和缝线材料,药物释放载体材料,临床诊断及生物传感器材料,齿科材料等。

生物医用材料按按材料在生理环境中的生物化学反应水平分为惰性生物医用材料、活性生物医用材料、可降解和吸收的生物医用材料。

生物医用材料按材料的组成和性质可以分类如下:

生物医用金属材料

生物医用金属材料是用作生物医用材料的金属或合金,又称外科用金属材料或医用金属材料,是一类惰性材料。这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能,是临床应用最广泛的承力植入材料。该类材料的应用非常广泛,遍及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面。除了要求它具有良好的力学性能及相关的物理性质外,优良的抗生理腐蚀性和生物相容性也是其必须具备的条件。医用金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的退变,前者可能导致毒副作用,后者常常导致植入的失败。已经用于临床的医用金属材料主要有纯金属钛、钽、铌、锆等、不锈钢、钴基合金和钛基合金等。

生物医用无机非金属材料或称为生物陶瓷

包括陶瓷、玻璃、碳素等无机非金属材料。此类材料化学性能稳定,具有良好的生物相容性。一般来说,生物陶瓷主要包括惰性生物陶瓷、活性生物陶瓷和功能活性生物陶瓷三类。

生物医用高分子材料

医用高分子材料是生物医用材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料,也是一个正在迅速发展的领域。它有天然产物和人工合成两个来源。该材料除应满足一般的物理、化学性能要求外,还必须具有足够好的生物相容性。按性质医用高分子材料可分为非降解型和可生物降解型两类。对于前者,要求其在生物环境中能长期保持稳定,不发生降解、交联或物理磨损等,并具有良好的物理机械性能。并不要求它绝对稳定,但是要求其本身和少量的降解产物不对机体产生明显的毒副作用,同时材料不致发生灾难性破坏。该类材料主要用于人体软、硬组织修复体、人工器官、人造血管、接触镜、膜材、粘接剂和管腔制品等方面。这类材料主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅氧烷、聚甲醛等。而可降解型高分子主要包括胶原、线性脂肪族聚酯、甲壳素、纤维素、聚氨基酸、聚乙烯醇、聚己丙酯等。它们可在生物环境作用下发生结构破坏和性能蜕变,其降解产物能通过正常的新陈代谢或被机体吸收利用或被排出体外,主要用于药物释放和送达载体及非永久性植入装置。按使用的目的或用途,医用高分子材料还可分为心血管系统、软组织及硬组织等修复材料。用于心血管系统的医用高分子材料应当着重要求其抗凝血性好,不破坏红细胞、血小板,不改变血液中的蛋白并不干扰电解质等。

生物医用复合材料

生物医用复合材料又称为生物复合材料,它是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医用材料,并且与其所有单体的性能相比,复合材料的性能都有较大程度的提高的材料。制备该类材料的目的就是进一步提高或改善某一种生物材料的性能。该类材料主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。它除应具有预期的物理化学性质之外,还必须满足生物相容性的要求。这里不仅要求组分材料自身必须满足生物相容性要求,而且复合之后不允许出现有损材料生物学性能的性质。按基材分生物复合材料可分为高分子基、金属基和无机非金属三类。它们既可以作为生物复合材料的基材,又可作为增强体或填料,它们之间的相互搭配或组合形成了大量性质各异的生物医用复合材料。利用生物技术,一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子被引入了生物医用材料,大大改善了其生物学性能,并可使其具有药物治疗功能,已成为生物医用材料的一个十分重要的发展方向。根据材料植入体内后引起的组织反应类型和水平,它又可分为生物惰性的、生物活性的、可生物降解和吸收等几种类型。人和动物中绝大多数组织均可视为复合材料,生物医用复合材料的发展为获得真正仿生的生物材料开辟了广阔的途径。

生物衍生材料

生物衍生材料是由经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医用材料。也称为生物再生材料。生物组织可取自同种或异种动物体的组织.特殊处理包括维持组织原有构型而进行的固定、灭菌和消除抗原性的轻微处理,以及拆散原有构型、重建新的物理形态的强烈处理。由于经过处理的生物组织已失去生命力,生物衍生材料是无生命力的材料。但是,由于生物衍生材料或是具有类似于自然组织的构型和功能,或是其组成类似于自然组织,在维持人体动态过程的修复和替换中具有重要作用。主要用于人工心瓣膜、血管修复体、皮肤掩膜、纤维蛋白制品、骨修复体、巩膜修复体、鼻种植体、血液唧筒、血浆增强剂和血液透析膜等。

应用与发展前景

迄今为止 ,被详细研究过的生物材料已有一千多种,医学临床上广泛使用的也有几十种,涉及到材料学的各个领域。生物医用材料得以迅猛发展的主要动力来自人口老龄化、中青年创伤的增多、疑难疾病患者的增加和高新技术的发展。人口老龄化进程的加速和人类对健康与长寿的追求,激发了对生物医用材料的需求。目前生物医用材料研究的重点是在保证安全性的前提下寻找组织相容性更好、可降解、耐腐蚀、持久、多用途的生物医用材料。

当代生物材料的发展不仅强调材料自身理化性能和生物安全性、可靠性的改善,而且更强调赋予其生物结构和生物功能,以使其在体内调动并发挥机体自我修复和完善的能力,重建或康复受损的人体组织或器官。结合南开大学俞耀庭教授的观点和2004年中国新材料发展报告,可以将目前国际上生物医用材料学科的最新进展和发展趋势概括如下:

组织工程材料面临重大突破

组织工程是指应用生命科学与工程的原理和方法,构建一个生物装置,来维护、增进人体细胞和组织的生长,以恢复受损组织或器官的功能。它的主要任务是实现受损组织或器官的修复和再建,延长寿命和提高健康水乎。其方法是,将特定组织细胞"种植"于一种生物相容性良好、可被人体逐步降解吸收的生物医用材料(组织工程材料)上,形成细胞-生物医用材料复合物;生物医用材料为细胞的增长繁殖提供三维空间和营养代谢环境;随着材料的降解和细胞的繁殖,形成新的具有与自身功能和形态相应的组织或器官;这种具有生命力的活体组织或器官能对病损组织或器宫进行结构、形态和功能的重建,并达到永久替代。近10 年来,组织工程学发展成为集生物工程、细胞生物学、分子生物学、生物医用材料、生物技术、生物化学、生物力学以及临床医学于一体的一门交叉学科。

生物医用材料在组织工程中占据非常重要的地位,同时组织工程也为生物医用材料提出问题和指明发展方向。由于传统的人工器官(如人工肾、肝)不具备生物功能(代谢、合成),只能作为辅助治疗装置使用,研究具有生物功能的组织工程人工器官已在全世界引起广泛重视。构建组织工程人工器官需要三个要素,即"种子"细胞、支架材料、细胞生长因子。最近,由于干细胞具有分化能力强的特点,将其用作"种子"细胞进行构建人工器官成为热点。组织工程学已经在人工皮肤、人工软骨、人工神经、人工肝等方面取得了一些突破性成果,展现出美好的应用前景。

当前软组织工程材料的研究和发展主要集中在研究新型可降解生物医用材料,用物理、化学和生物方法以及基因工程手段改造和修饰原有材料,材料与细胞之间的反应和信号传导机制以及促进细胞再生的规律和原理,细胞机制的作用和原理等,以及研制具有选择通透性和表面改性的膜材,发展对细胞和组织具有诱导作用的智能高分子材料等方面。

当前硬组织工程材料的研究和应用发展主要集中在碳纤维/高分子材料、无机材料(生物陶瓷、生物活性玻璃)、高分子材料的复合研究。

生物医用纳米材料初见端倪

纳米生物材料,在医学上主要用作药物控释材料和药物载体。从物质性质上可以将纳米生物材料分为金属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒和生物降解性高分子纳米颗粒;从形态上可以将纳米生物材料分为纳米脂质体、固体脂质纳米粒、纳米囊(纳米球)和聚合物胶束。

纳米技术在90 年代获得了突破性进展,在生物医学领域的应用研究也不断得到扩展。目前的研究热点主要是药物控释材料及基因治疗载体材料。药物控释是指药物通过生物材料以恒定速度、靶向定位或智能释放的过程。具有上述性能的生物材料是实现药物控释的关键,可以提高药物的治疗效果和减少其用量和毒副作用。由于人类基因组计划的完成及基因诊断与治疗不断取得进展,科学家对使用基因疗法治疗肿瘤充满信心。基因治疗是导人正常基因于特定的细胞(癌细胞)中,对缺损的或致病的基因进行修复;或者导人能够表达出具有治疗癌症功能的蛋白质基因,或导人能阻止体内致病基因合成蛋白质的基因片断来阻止致病基因发生作用,从而达到治疗的目的。这是治疗学的一个巨大进步。基因疗法的关键是导人基因的载体,只有借助于载体,正常基因才能进人细胞核内。目前,高分子纳米材料和脂质体是基因治疗的理想载体,它具有承载容量大,安全性高的特点。近来新合成的一种树枝状高分子材料作为基因导人的载体值得关注。

此外,生物医用纳米材料在分析与检测技术、纳米复合医用材料、与生物大分子进行组装、用于输送抗原或疫苗等方面也有良好的应用前景。纳米碳材料可显著提高人工器官及组织的强度、韧度等多方面性能;纳米高分子材料粒子可以用于某些疑难病的介入诊断和治疗;人工合成的纳米级类骨磷灰石晶体已成为制备纳米类骨生物复合活性材料的基础。该领域未来的发展趋势是,纳米生物医用材料“部件”与纳米医用无机材料及晶体结构“部件”的结合发展,如由纳米微电子控制的纳米机器人、药物的器官靶向化;通过纳米技术使介入性诊断和治疗向微型、微量、微创或无创、快速、功能性和智能性的方向发展;模拟人体组织成分、结构与力学性能的纳米生物活性仿生医用复合材料等。

活性生物医用材料还待发展

活性生物医用材料是一类能在材料界面上引发特殊生物反应的材料。这种反应导致组织和材料之间形成化学键合。该概念是在1969 年美国人L.Hench 在研究生物玻璃时发现并提出,进而在生物陶瓷领域引入了生物活性概念,开创了新的研究领域。经过30多年来的发展,生物活性的概念在生物医用材料领域已建立了牢固的基础,如-磷酸三钙可吸收生物陶瓷等,在体内可被降解吸收并为新生组织代替,具有诱出特殊生物反应的作用;羟基磷灰石由于是自然骨的主要无机成分,故植入体内不仅能传导成骨,而且能与新骨形成骨键合,在肌肉、韧带或皮下种植时,能与组织密合,无炎症或刺激反应。生物活性材料具有的这些特殊的生物学性质,有利于人体组织的修复,是生物医用材料研究和发展的一个重要方向。

生物医用金属材料的开发势在必行

金属生物材料发展相对比较缓慢,但由于金属材料具有其他材料不能比拟的高机械强度和优良的疲劳性能,目前仍是临床上应用最广泛的承力植入物。目前的研究热点在镍钛合金和新型生物医用钛合金两个方向。发展方向在于用生物适应性优良的Zr、Nb、Ta、Pd、Sn 合金化元素取代钛合金中有毒性的Al、V 等。另外,可体液腐蚀吸收的生物医用镁合金的研究刚刚起步。

材料表面改性的新方法和新技术还应探索表面改性研究

以大幅度改善生物医用材料与生物体的相容性为目标。生物相容性包括血液相容性和组织相容性,是生物医用材料应用的基本要求。除了设计、制各性能优异的新材料外,通过对传统医用材料进行表面化学处理(表面接枝大分子或基团)、表面物理改性(等离子体、离子注人或离子束)和生物改性是有效途径。材料表面改性的新方法和新技术是生物材料研究的永久性课题。目前流行的一些方法包括等离子体表面改性、离子注入表面改性、表面涂层与薄膜合成、自组装单分子层、材料的表面修饰等。这个领域已成为生物材料学科最活跃、最引人注目和发展迅速的领域之一。

介入治疗材料研究异军突起

介入治疗是指在医学影像技术(如X线透视、CT、超声波、核磁共振)引导下,用穿刺针、导丝、导管等精密器械进入病变部位进行治疗。介入治疗能以微小的创伤获得与外科手术相同或更好的治疗效果。介入治疗材料包括支架材料、导管材料及栓塞材料等。置入血管内支架是治疗心血管疾病的重要方法,当前冠脉支架多为医用不锈钢通过雕刻或激光蚀刻制备,在体内以自膨胀、球囊扩张式或扩张固定在血管内壁上。虽然经皮冠状动脉介入性治疗取得较好的成果,但经皮冠状动脉成形术后6 个月后再狭窄发生率较高(约30%),是介入性治疗面临的重要问题。近年的研究方向有药物涂层支架、放射活性支架、包被支架、可降解支架等。管腔支架大多采用镍钛形状记忆合金制备,有自膨胀和球囊扩张式两类。主要用于晚期恶性肿瘤引起的胆道狭窄;晚期气管、支气管或纵隔肿瘤引起的呼吸困难的治疗,支气管良性狭窄等;不能手术切除的恶性肿瘤引起的食管瘘及恶性难治性食管狭窄等。制作导管的材料有聚乙烯、聚氨脂、聚氯乙烯、聚四氟乙烯等。导管外层材料多为能够提供硬度和记忆的聚脂、聚乙烯等,内层为光滑的聚四氟乙烯。栓塞材料按照材料性质可分为对机体无活性、自体材料和放射性颗粒三种。理想的栓塞材料应符合无毒、无抗原性,具有良好相容性,能迅速闭塞血管,能按需要闭塞不同口径、不同流量的血管,易经导管运送,易得、易消毒等要求。更高的要求是能控制闭塞血管时间的长短,一旦需要可经皮回收或使血管再通。常用栓塞材料包括自体血块、明胶海马、微胶原纤维、胶原绒聚物等。

血液净化材料

血液净化材料重在应用采用滤过沉淀或吸附的原理,将体内内源性或外源性毒物(致病物质)专一性或高选择性地去除,从而达到治病的目的,是治疗各种疑难病症的有效疗法。尿毒症、各种药物中毒、免疫性疾病(系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎)、高脂血症等,都可采用血液净化疗法治疗,其核心是滤膜、吸附剂等生物医用材料。血液净化材料的研究和临床应用,在日本和欧洲成为了生物医用材料发展的热点。

复合生物医用材料仍是开发重点

作为硬组织修复材料的主体,复合生物医用材料受到广泛重视。它具有强度高、韧性好的特点,目前己广泛应用于临床。通过具有不同性能材料的复合,可以达到"取长补短"的效果。可以有效解决材料的强度、韧性及生物相容性问题。是生物医用材料新品种开发的有效手段。提高复合材料界面之间结合程度(相容性)是复合生物医用材料研究的主要课题。根据使用方式的不同研究较多的是:合金、碳纤维/高分子材料、无机材料(生物陶瓷、生物活性玻璃)/高分子材料的复合研究。

口腔材料口腔材料仍在发展

口腔材料学是口腔医学与材料学之间的界面学科,其品种及分类方法很多,可以分为口腔有机高分子材料、口腔无机非金属材料、口腔金属材料、口腔辅助材料,也可分为烤瓷材料、种植材料、充填材料、粘结材料、印模材料、耐火包埋材料。近年来组织工程技术在口腔临床开始应用,主要是膜引导组织再生技术和牙周外科治疗和即刻植入修复中的应用。口腔材料中的生物化仿生材料尚待今后研究和探讨。陶瓷材料脆弱的挠曲强度一直困扰着牙科医生和患者。而牙科修复学中颜色的再现问题是影响牙齿及修复体客观的一个重要因素。因此牙科陶瓷技术是沿着克服材料的脆性,精确测定牙的颜色并提供组成、性能稳定的陶瓷材料的方向发展的。

生物相容性评价标准在不断改进和发展

新的生物相容性内容的研究对材料的生物学评价提出新的要求,除了目前的ISO10993 标准外,新的评价方法将从以下几个方面展开:①生物医用材料对人体免疫系统的影响;②生物医用材料对各种细胞因子的影响;③生物医用材料对细胞生长、凋亡的影响;④降解控释材料对人体代谢过程的影响;⑤智能材料对人体信息传递和功能调控的影响;⑥药物控释材料、净化功能材料、组织工程材料的生物相容性评价。

生物医用材料对人体的生物学反应

理想的生物医用材料应该是对人体无毒性、无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和无致癌性等不良反应。因此,了解生物医用材料对人体的生物学反应就显得至关重要。这些反应主要包括组织反应、血液反应及免疫反应。

生物医用材料的组织反应

组织反应是指局部组织对生物医用材料所发生的反应。组织反应是机体对异物入侵产生的防御性反应,可以减轻异物对组织的损伤,促进组织的修复和再生。然而,组织反应本身也可能对机体造成危害。根据病理变化不同,可以分成以下两种反应:

1、以渗出为主的组织反应

多见于植入初期和植入材料的性质稳定等情况。以中性粒细胞、浆液、纤维蛋白原渗出为主。如植入物周围组织出现中性粒细胞聚集;长期植入的、稳定的材料周围,可由于纤维蛋白原的渗出而出现纤维囊。

2、以增生为主的组织反应

多见于植入物长期存在并损伤机体的情况。以巨噬细胞为主,也可见淋巴细胞、浆细胞和嗜酸性粒细胞,并伴有明显的组织增生,可逐渐发展为肉芽肿或肿瘤。

在使用生物医用材料的过程中,由组织反应引起的两种严重的并发症是炎症和肿瘤。炎症包括感染性炎症和无菌性炎症。感染性炎症可能是由于材料植入的过程中损伤组织,使病原体趁虚而入;也可能是由于植入物本身未经严格的消毒灭菌处理,成为了病原体的载体。无菌性炎症不是由于病原体侵入引起,而是由于影响机体内的炎症和抗炎系统的调节而引发的炎症反应。生物材料植入引起肿瘤是一个缓慢的过程,可能是由于材料本身释放毒性物质,也可能是由于材料的外形和表面性能所致。因此,在应用长期植入物之前,进行植入物的慢性毒性、致突变和致癌的生物学试验是十分必要的。

生物医用材料的血液反应

生物医用材料血液相容性包含不引起血液凝聚和不破坏血液成分两个方面。在一定限度内即使在材料表面张力的剪切作用下,对血液中的红细胞等有一定的破坏(即发生溶血),由于血液具有很强的再生能力,随时间的推移其不利影响并不显著;而如果在材料表面有血栓形成,由于有累计效应,随着时间的推移,凝血程度越来越高,对人体造成严重的影响。因此,材料在血液中最受关注的是其抗凝血性能。材料与血液接触导致凝血及血栓形成的途径如图1所示。正常人体心血管系统内的血液保持液体状态,环流不息,并不发生凝固。当医用材料与血液接触时会引起血液一系列变化。首先是血浆蛋白在材料表面的吸附,依材料表面结构性能不同,在1分钟甚至几秒钟,在材料表面就会产生白蛋白和球蛋白以及各种蛋白质的竞争吸附,在生物材料表面形成复杂的蛋白质吸附层。当材料表面吸附球蛋白、纤维蛋白原时易于使血小板粘附表面,进而导致血小板变形聚集,引发凝血。蛋白表面也可引起红细胞的粘附。虽然红细胞在凝血中的作用仍然不十分清楚,但是如若红细胞发生细胞膜破裂,即出现溶血,红细胞释放的血红蛋白和二磷酸腺苷简称ADP(促血小板聚集物质)。它们可以引起血小板的粘附、变形和聚集,进而导致凝血。

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图1 凝血机制

抗凝系统包括抗凝和纤溶作用。抗凝作用主要是通过一些抗凝因子(如抗凝血酶Ⅲ、肝素)来实现。纤溶过程包括纤溶酶原转化为纤溶酶,纤溶酶降解纤维蛋白。血栓形成是常见的生物医用材料植入引发的局部血液循环障碍。内皮细胞的损伤、血流动力学的改变和血液的高凝状态,其中任何一个因素都可以导致血栓形成。完整的内皮细胞可以通过表达肝素样分子与抗凝血酶Ⅲ结合使IIa、Xa、IXa 失活,合成 PGI2、NO 、ADP 酶抑制血小板聚集及合成tPA 使纤维蛋白降解等作用抑制血栓形成。血流动力学的改变可以诱发血栓形成。正常血流是分层流动的,当血流减慢或层流被破坏时,血小板与内膜接触并激活,凝血因子也可以在局部聚集。当处于创伤、手术等情况时,血液的凝血系统亢进和(或)抗凝系统减弱也可导致血栓形成。

生物医用材料的免疫反应

免疫系统是人体的“军队”和“警察”,它可以识别自己和非己。免疫系统的主要功能包括针对病原微异原分子免疫防御功能、针对自体衰老和病变细胞的免疫自稳功能和针对肿瘤细胞的免疫监视功能。免疫系统由天然免疫系统和获得性免疫系统组成。天然免疫系统包括肥大细胞、巨噬细胞、自然杀伤细胞、中性粒细胞和补体等。天然免疫系统可以早期识别、清除病原体,然而它对于病原体的识别不具有特异性。在受到病原体刺激后,再次接触病原体时能够针对性地做出反应的免疫系统成为获得性的免疫系统。获得性免疫系统又可分为由B 细胞介导的体液免疫和由T 细胞介导的细胞免疫。由于生物医用材料造成免疫系统的功能(包括免疫识别和反应程度)紊乱,可以发生以下免疫反应:

1、免疫抑制

由于有些生物医用材料造成免疫防御功能不足,使得机体抵抗病原微生物的能力降

低。

2、变态反应

由于有些生物医用材料造成免疫防御功能亢进,免疫反应过于强烈损伤人体。如残留乳胶、双酚A、丙烯酸添加剂等低分子量有机分子或单体。

3、自身免疫

由于有些生物医用材料造成免疫自稳功能亢进,免疫系统不能和识别自己和非己,对自体正常组织产生免疫反应。如聚四氟乙烯、聚酯等。

生物医用材料与人体组织作用的界面

界面是一个有一定厚度(通常小于0.1μm)的区域,物质的能量可以通过这个区域从一个相连续地变化到另一个相。根据植入材料的不同,与生物体组织作用的界面可分为:惰性材料与生物体组织作用的界面和活性材料与生物体组织作用的界面。

1、惰性生物医用材料与生物体组织作用的界面惰性生物医用材料的特点是在生物体内保持稳定,几乎不参加生物体的化学反应。长期植入惰性材料,植入物与机体发生渗出性组织反应,其中以纤维蛋白原渗出为主,形成纤维包囊。如果材料无毒性物质渗出,包囊将逐渐变薄,淋巴细胞消失,钙盐沉积。这一类的材料有氧化铝、碳纤维、钛合金等。如果材料持续释放金属离子或有机单体等毒性离子,会促使局部组织反应迁延不愈,转变为慢性炎症。纤维薄膜逐渐变厚,淋巴细胞增多,钙盐沉积,可发展为肉芽肿,甚至肿瘤。

2、活性生物医用材料与生物体组织作用的界面活性生物医用材料可以与机体发生化学反应,与组织之间形成化学键。这里我们主要介绍表面活性生物医用材料与生物体组织作用的界面、可降解生物陶瓷与生物体组织作用的界面和杂化生物医用材料与生物体组织作用的界面。

(1)表面活性生物医用材料与生物体组织作用的界面:表面活性生物医用材料其表面成分与组织成分相近,能与组织结合形成稳定的结合界面。这种材料与组织亲和性好。如表面含羟基磷灰石的生物材料。

(2)可降解生物陶瓷与生物体组织作用的界面:陶瓷可在组织内释放组织所需的成分,加速组织的生长,并逐渐为新生的组织所取代。如β-磷酸三钙陶瓷可在体液中释放Ca2+、PO4

3+离子,促进骨组织的生长,并逐渐为之取代。

(3)杂化生物医用材料与生物体组织作用的界面:杂化材料由活体组织和非活体组

织复合而成。由于活体组织的存在是使材料的免疫反应减轻,使材料具有很好的相容性。

这类材料有各种人工材料与生物高分子的复合物,合成材料与细胞的复合物等。

3、界面理论及其研究方法

(1)界面润湿理论;主要研究液体对固体表面的亲和状况。材料植入首先是与由血浆、组织液组成的液体环境接触,所以材料与机体组织亲和性与液体与材料表面的润湿作用密切相关。一般通过研究固体表面润湿临界张力和液体在固体上的润湿角测定界面能。

(2)界面吸附理论;通过研究界面对水分子、各种细胞、氨基酸、蛋白质和各种离子的吸附作用,为材料界面改性提供参考。可以运用生物流变学的原理和方法,了解材料的形态表面对细胞吸附作用的影响。

(3)界面化学键合理论;理论上讲,植入物与人体组织同处于人体的内环境中,存在形成各种化学键的可能性。主要采用电子探针、电子能谱、质谱、核磁共振、拉曼光谱等分析界面元素及化合态。

(4)界面分子结合理论 植入材料由于的表面极性、表面电荷及活性基团不同,对人体组织的作用也存在差异。通过测量生物压电材料所产生的微电流,评价其对于细胞界面形成的影响。

(5)界面酸碱理论;由于界面细胞的生长与界面局部的酸碱度直接相关,所以可以通过研究界面酸碱度,了解并改善生物医用材料与组织的亲和性。在离体实验中,通常采取常规的pH 值测定法和纳米级超微电极测定界面pH 值。

(6)界面物理结合理论;植入体与人体组织的结合首先是物理结合,组织细胞通过微孔长入植入体以增加其结合强度。微孔的大小关系着组织细胞能否长入植入体,微孔的比率决定着植入体的强度。主要采用各种传感技术及光弹应力分析法、有限元计算分析法等测定界面结合强度与应力。

另外,界面研究方法还包括界面的形态学研究。主要通过透射电镜、扫描电镜及各种立体成像技术观察界面处的形态。

生物医用材料才人体内的代谢产物和途径

一般来讲,生物医用材料在体内首先与体液接触,通过水解作用,某些材料可能由高分子物质转变为水溶性的小分子物质。这些小分子物质经由血液循环,运输到呼吸系统、消化、泌尿系统,经呼吸、粪、尿的方式排出体外。在代谢的过程中,可能有酶参与其中。生物医用材料经过一系列的反应,可能完全降解由体内排出,也可能会有部分材料或其降解产物长期存在于人体内。生物医用材料在体内代谢的中间产物和终产物可能对人体有利也可能有害,因此对于材料在生物体内的代谢产物和途径的研究具有十分重要的意义。材料在体内的代谢受很多方面因素的影响,如材料本身的因素、植入环境的因素等。目前,材料在体内代谢的研究方法主要分为体外试验和体内试验。体外降解试验主要是在体外模拟体内的环境条件,从外形、力学性能、质量等方面进行评价。这种试验主要用于研究固体生物医用材料。体内试验主要是在动物体内进行。体内试验是将生物医用材料植入动物体内观察材料的改变。具体可以通过解剖、X 线、放射性标记示踪等方法。这种试验方法的优点是可以获得更接近人体的试验结果。



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