生物醫用材料
生物醫用材料
導論
一、生物醫用材料定義
廣義的生物材料：一是指用于生物體內的材料，達到治療康復的目的，例如隱形眼鏡、人工髖關節；二是指來源于生物體，可能用于或不再用于生物體內（這種不是本課程研究對象），例如動物皮革用于服裝。
我們給生物醫用材料明確的定義：對生物系統的疾病進行診斷、治療、外科修復、理療康復、替換生物體組織或器官（人工器官），增進或恢復其功能，而對人體組織不會產生不良影響的材料。生物醫用材料本身并不必須是藥物，而是通過與生物機體直接結合和相互作用來進行治療。生物醫用材料是一種植入軀體活系統內或與活系統相接觸而設計的人工材料。
二、生物醫用材料學科的研究內容
1.各種器官的作用；
2.生物醫用材料的性能；
3.組織器官與材料之間的相互作用。
專題一、生物醫用材料的生物相容性及其生物學評價
第一節、生物相容性概念和原理
生物相容性，是生物醫用材料與人體之間相互作用產生各種復雜的生物、物理、化學反應的一種概念。生物醫用材料必須對人體無毒、無致敏、無刺激、無遺傳毒性、無致癌性，對人體組織、血液、免疫等系統不產生不良反應。因此，材料的生物相容性優劣是生物醫用材料研究設計中首先考慮的重要問題。
生物醫用材料與組織、細胞、血液接觸時，會產生各種反應，（包括宿主反應（即機體生物學反應）和材料反應）。
材料與機體之間存在反應，會使各自的功能和性質受到影響，不僅使生物材料變形變性，
還會對機體將造成各種危害。下圖列出相互影響產生的后果。
多數醫用材料很難保持植入時的形狀、物理化學性能。引起生物醫用材料變化的因素有：
(1)生理活動中骨路、關節、肌肉的力學性動態運動；
(2)細胞生物電、磁場和電解、氧化作用；
(3)新陳代謝過程中生物化學和酶催化反應；
(4)細胞粘附吞噬作用；
(5)體液中各種酶、細胞因子、蛋白質、氨基酸、多肽、自由基對材料的生物降解作用。
生物醫用材料及裝置植入人體后，引起三種生物學反應：組織反應、血液反應和免疫反應。引起生物體反應的因素有：
(1)材料中殘留有毒性的低分子物質；
(2)材料聚合過程殘留有毒性、刺激性的單體；
(3)材料及制品在滅菌過程中吸附了化學毒劑和高溫引發的裂解；
(4)材料和制品的形狀、大小、表面光滑程度；
(5)材料的酸堿度。
生物相容性的分類
生物醫用材料的生物相容性分為兩類：
若材料用于心血管系統與血液直接接觸，主要考察與血液的相互作用，稱為血液相容性；若與心血管系統外的組織和器官接觸，主要考察與組織的相互作用，稱為組織相容性或一般生物相容性。第二節組織相容性
組織相容性要求醫用材料植入體內后與組織、細胞接觸無任何不良反應。在組織相容性中，人們最關心的兩個問題是材料與炎癥和材料與腫瘤。
于是就可能有下述三種情況：
毒性反應：如果植入物的毒性大，使周圍的細胞組織無法正常代謝，導致細胞死亡，產生“非細菌性膿腫”。其結果是，膿腫組織酸度高，腐蝕性大，將加速對金屬表面的腐蝕，而更多的腐蝕產物又加速組織的壞死。
包繞反應：如果植入物體積大，毒性適中，周圍組織中的成纖維細胞大量沉積膠原纖維，從而形成一層致密的纖維包繞層，使植入物與組織隔開。其結果是，一方面金屬不再與組織液過多接觸，降低了腐蝕速度，另一方面周圍組織降低了與金屬表面的接觸，從而使副作用降低到最低的限度。
活性反應：如果材料體積大但毒性很小，周圍組織受影響小，形成的包繞層疏松且薄，包繞層中有血管產生，有時候還可以觀察到上皮細胞組織直接與植入物接觸。
影響生物相容性的因素：1. 材料的化學成分；2. 表面的化學成分；3. 形狀和表面的粗糙度：生物醫用材料誘發腫瘤可能與下列因素有關：
(1)動物試驗證實，引起腫瘤的原因與植入材料的外形有明顯的相關性。
(2)與植入材料的埋植方法有關。連續放置的片狀材料惡性腫瘤發生率明顯高于打孔放置的
片狀材料。
(3)與植入材料表面的租糙程度有關。若材料表面光滑，腫瘤發生潛伏期短；若材料表面粗糙，腫瘤發生潛伏期延長。
(4)被致癌物污染的材料或生物老化時能釋放致癌物的材料，植入動物體內能誘發惡性腫瘤。
(5)與植入材料在體內形成的纖維包膜厚度有關。植入一年時，材料的外包膜厚度超過0.25mm---0.3mm就有可能誘發惡性腫瘸。
(6)材料中殘留的有毒或刺激性的小分子物質使局部組織長期受毒或受刺激，可誘發惡性腫瘤。
第三節血液相容性
生物材料對血液影響主要有以下幾方面：
a) 血小板激活、聚集、血栓形成；
b) 凝血系統和纖溶系統激活、凝血機能增強、凝血系統加快、凝血時間縮短；
c) 紅細胞膜破壞、產生溶血；
d) 白細胞減少及功能變化；
e) 補體系統的激活或抑制；
f) 對血漿蛋白和細胞因子的影響。
影響血液相容性的因素：
1. 材料表面光潔度：表面越粗糙，暴露在血液上的面積就越大，凝血的可能性就增大。
2. 表面親水性：親水性材料比疏水性材料有更好的血液相容性。
3. 表面帶電性：表面帶負電的材料具有更好的血液相容性。
目前使用較多的抗凝血的表面：
1. 肝素表面。肝素是一種糖。
2. 低溫裂解碳。
3. 二氧化鈦表面，氧化鉭表面。
凝血大致過程是：材料與血液接觸的數秒內，首先被材料吸附的是血漿蛋白（白蛋白、r-球蛋白、纖維蛋白原等），然后血小板在材料表面粘附、聚集、變形，向血小板血栓形成的方向發展，同時血液內一系列凝血因子相繼被激活（凝血系統、纖溶系統被激活），參與到材料表面的血栓形成過程，最終形成紅血栓。
生物醫用材料與血小扳
當血小板與進入血管內的材料接觸時，血小板會被激活。由于血液分子細胞學的發展，已在分子水平上搞清了血小板激活、粘附、聚集、釋放反應。
生物醫用材料與補體系統
補體(complement)是血液中的一群蛋白質。是存在于正常人和動物血清與組織液中的一組經活化后具有酶活性的蛋白質。一般認為補體在機體抵御感染中起重要作用。
人體補體系統是由20余種理化性狀和免疫特性不同的血清蛋白組成，通常以非活化狀態的前體分子形式存在血清中，約占血漿球蛋白總量的15％。當因某種原因(植入體內的材料)激話補體時、補體各成分便按一定順序呈鏈鎖的酶促反應，即補體活化。
補體激活對機體產生下面的影響：
(1)可引起患者過敏癥狀。患者首次透析時出現頭痛、惡心、嘔吐等癥狀。
(2)在透析時觀察到患者有血氧下降或低血壓現象。這是由于大量嗜中性白細胞聚集于肺毛細血管中，影響肺泡的換氧功能，出現缺氧現象。
(3)C3b將引起白細胞在材料表面粘附，促進血小板聚集，參與血栓的形成。
(4)出現慢性并發癥，如易感染、惡性腫瘤發生率增加、軟組織鈣化，特別是肺泡細胞纖維化、鈣化及動脈硬化。
(5)植入物的表面拈附大量的白細胞，是由于C3b結合在材料表面，起到白細胞在材料表面粘附的調理作用。
第四節、生物醫用材料的生物相容性評價
1、生物學評價項目的選擇：
不同用途的生物醫用材料和醫療器械的生物學評價項目的內容和水平都不相同。項目選擇主要依據醫療器械和材料的用途、接觸人體的部位和接觸時間。具體有如下幾點：
(1)接觸部位有體表和體內組織、骨骼、牙齒、血液；
(2)接觸方式有直接接觸和間接接觸；
(3)接觸時間是：暫時接觸小于24小時，中短期接觸長于24小時至30日，長期接觸長于30日；
(4)用途：一般的功能、生殖與胚胎發育及生物降解。
第五節骨組織反應
用于骨修補和骨替代的材料除了用軟組織反應的宿主反應來評價其生物相容性外，還應具
備一些特殊的生物學性能：骨生物活性、骨誘導性(osteo-inductive)、骨傳導性(osteo-conductive)：1、骨生物活性：
大部分材料植入骨組織后，在材料與骨組織的界面上存在一層結蒂組織，由膠原纖維組成。通常，材料生物相容性高，軟組織層薄；生物相容性低，軟組織層厚。這類生物材料，被認為為無生物活性，材料與骨的界面結合力較低。
2、骨誘導性：
具有骨誘導性的材料，當其被植入在軟組織中時，也能在其表面生長出骨組織。基本原理是材料釋放某些元素，誘導軟組織中的間充質細胞分化成成骨細胞，再由成骨細胞沉積骨組織。
3、骨傳導性：
只能在骨組織中，促進骨細胞在材料表面生長并沉積羥基磷灰石的材料，通常被認為具有骨傳導性。就這一點看，骨傳導性與生物活性可以等同。骨傳導性不是骨誘導性。
