1、引起生物体反应的因素有：（1）材料中残留有毒性的低分子物质；（2）材料聚合过程残留有毒性、刺激性的单体；（3）材料及制品在灭菌过程中吸附了化学毒剂和高温引发的裂解；（4）材料和制品的形状、大小、表面光滑程度；（5）材料的酸碱度。生物相容性的分类生物医用材料的生物相容性分为两类：若材料用于心血管系统与血液直接接触，主要考察与血液的相互作用，称为血液相容性；若与心血管系统外的组织和器官接触，主要考察与组织的相互作用，称为组织相容性或一般生物相容性。第二节 组织相容性组织相容性要求医用材料植入体内后与组织、细胞接触无任何不良反应。在组织相容性中，人们最关心的两个问题是材料与炎症和材料与肿瘤。于是就可
2、能有下述三种情况：毒性反应：如果植入物的毒性大，使周围的细胞组织无法正常代谢，导致细胞死亡，产生“非细菌性脓肿”。其结果是，脓肿组织酸度高，腐蚀性大，将加速对金属表面的腐蚀，而更多的腐蚀产物又加速组织的坏死。包绕反应：如果植入物体积大，毒性适中，周围组织中的成纤维细胞大量沉积胶原纤维，从而形成一层致密的纤维包绕层，使植入物与组织隔开。其结果是，一方面金属不再与组织液过多接触，降低了腐蚀速度，另一方面周围组织降低了与金属表面的接触，从而使副作用降低到最低的限度。活性反应：如果材料体积大但毒性很小，周围组织受影响小，形成的包绕层疏松且薄，包绕层中有血管产生，有时候还可以观察到上皮细胞组织直接与植入
3、物接触。影响生物相容性的因素：1. 材料的化学成分；2. 表面的化学成分；3. 形状和表面的粗糙度：生物医用材料诱发肿瘤可能与下列因素有关：（1）动物试验证实，引起肿瘤的原因与植入材料的外形有明显的相关性。（2）与植入材料的埋植方法有关。连续放置的片状材料恶性肿瘤发生率明显高于打孔放置的片状材料。（3）与植入材料表面的租糙程度有关。若材料表面光滑，肿瘤发生潜伏期短；若材料表面粗糙，肿瘤发生潜伏期延长。（4）被致癌物污染的材料或生物老化时能释放致癌物的材料，植入动物体内能诱发恶性肿瘤。（5）与植入材料在体内形成的纤维包膜厚度有关。植入一年时，材料的外包膜厚度超过0.25mm-0.3mm就有可能诱
4、发恶性肿瘸。（6）材料中残留的有毒或刺激性的小分子物质使局部组织长期受毒或受刺激，可诱发恶性肿瘤。第三节 血液相容性生物材料对血液影响主要有以下几方面：a） 血小板激活、聚集、血栓形成；b） 凝血系统和纤溶系统激活、凝血机能增强、凝血系统加快、凝血时间缩短；c） 红细胞膜破坏、产生溶血；d） 白细胞减少及功能变化；e） 补体系统的激活或抑制；f） 对血浆蛋白和细胞因子的影响。影响血液相容性的因素：1. 材料表面光洁度：表面越粗糙，暴露在血液上的面积就越大，凝血的可能性就增大。2. 表面亲水性：亲水性材料比疏水性材料有更好的血液相容性。3. 表面带电性：表面带负电的材料具有更好的血液相容性。目前
5、使用较多的抗凝血的表面：1. 肝素表面。肝素是一种糖。2. 低温裂解碳。3. 二氧化钛表面，氧化钽表面。凝血大致过程是：材料与血液接触的数秒内，首先被材料吸附的是血浆蛋白（白蛋白、r-球蛋白、纤维蛋白原等），然后血小板在材料表面粘附、聚集、变形，向血小板血栓形成的方向发展，同时血液内一系列凝血因子相继被激活（凝血系统、纤溶系统被激活），参与到材料表面的血栓形成过程，最终形成红血栓。 生物医用材料与血小扳当血小板与进入血管内的材料接触时，血小板会被激活。由于血液分子细胞学的发展，已在分子水平上搞清了血小板激活、粘附、聚集、释放反应。生物医用材料与补体系统补体（complement）是血液中的一群
6、蛋白质。是存在于正常人和动物血清与组织液中的一组经活化后具有酶活性的蛋白质。一般认为补体在机体抵御感染中起重要作用。人体补体系统是由20余种理化性状和免疫特性不同的血清蛋白组成，通常以非活化状态的前体分子形式存在血清中，约占血浆球蛋白总量的15。当因某种原因（植入体内的材料）激话补体时、补体各成分便按一定顺序呈链锁的酶促反应，即补体活化。补体激活对机体产生下面的影响：（1）可引起患者过敏症状。患者首次透析时出现头痛、恶心、呕吐等症状。（2）在透析时观察到患者有血氧下降或低血压现象。这是由于大量嗜中性白细胞聚集于肺毛细血管中，影响肺泡的换氧功能，出现缺氧现象。（3）C3b将引起白细胞在材料表面粘
7、附，促进血小板聚集，参与血栓的形成。（4）出现慢性并发症，如易感染、恶性肿瘤发生率增加、软组织钙化，特别是肺泡细胞纤维化、钙化及动脉硬化。（5）植入物的表面拈附大量的白细胞，是由于C3b结合在材料表面，起到白细胞在材料表面粘附的调理作用。第四节、生物医用材料的生物相容性评价1、生物学评价项目的选择：不同用途的生物医用材料和医疗器械的生物学评价项目的内容和水平都不相同。项目选择主要依据医疗器械和材料的用途、接触人体的部位和接触时间。具体有如下几点：（1）接触部位有体表和体内组织、骨骼、牙齿、血液；（2）接触方式有直接接触和间接接触；（3）接触时间是：暂时接触小于24小时，中短期接触长于24小时至
8、30日，长期接触长于30日；（4）用途：一般的功能、生殖与胚胎发育及生物降解。第五节 骨组织反应用于骨修补和骨替代的材料除了用软组织反应的宿主反应来评价其生物相容性外，还应具备一些特殊的生物学性能：骨生物活性、骨诱导性（osteo-inductive）、骨传导性（osteo-conductive）：1、骨生物活性：大部分材料植入骨组织后，在材料与骨组织的界面上存在一层结蒂组织，由胶原纤维组成。通常，材料生物相容性高，软组织层薄；生物相容性低，软组织层厚。这类生物材料，被认为为无生物活性，材料与骨的界面结合力较低。2、骨诱导性：具有骨诱导性的材料，当其被植入在软组织中时，也能在其表面生长出骨组织
9、。基本原理是材料释放某些元素，诱导软组织中的间充质细胞分化成成骨细胞，再由成骨细胞沉积骨组织。3、骨传导性：只能在骨组织中，促进骨细胞在材料表面生长并沉积羟基磷灰石的材料，通常被认为具有骨传导性。就这一点看，骨传导性与生物活性可以等同。骨传导性不是骨诱导性。4、影响骨相容性的因素：材料化学性质，尤其是表面的化学性质；材料的表面粗糙度。5、评价骨相容性的参数：宏观上用材料-骨界面拉脱应力表示，正应力或剪切应力；微观上用材料-骨界面发生直接结合的比例表示。专题二、生物医用材料表面改性生物材料长期（或临时）与人体接触时，必须充分满足与生物体环境的相容性。一、表面形貌与生物相容性生物材料的生物相容性除
10、了与材料表面化学状态有关外，还与材料的表面形貌密切相关。表面平整光洁的材料与组织接触后，周围形成的是一层较厚的与材料无结合的包裹组织。控制材料表面的粗糙化主要合以下方法：（1）用精密的机械加工方法在材料表面加工出约500m尺寸的螺线、台阶和孔；（2）用微机械和微刻蚀技术获得3m-10m深度且距离和形状均可精确控制的粗糙表面；（3）用等离子体喷徐复型方法及离子束轰击方法获得精确的表面显微形貌。二、生物医用材料的表面修饰材料表面修饰是材料改性的最直接方法。进行表面修饰有以下几种方法：1）种植内皮细胞正常血管的血管壁表面内皮细胞层。是维持血管表面不发生凝血的重要组织。2）涂布白蛋白涂层材料与血液接触
11、时，首先在材料表面吸附血浆蛋白。3）聚氧化乙烯表面接枝材料表面具有一端悬挂的长键结构，是材料表面具有良好血液相容性的一个条件。4）磷脂基团表面将2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱（MPc）接枝到疏水性高分子材料（如聚甲基丙烯酸正丁酯）表面，材料的血液相容性大幅度提高；当在纤维素表面接枝的MPc的摩尔分数达到0.3时，甚至在不加抗凝剂的全血中，血细胞几乎不粘附到树料表面。三、等离子体表面改性等离子体是一种全部或部分电离的气态物质，含有亚稳态和激发态的原子、分子、离子，并且电子、正离子、负离子的含量大致相等。1）等离子体表面聚合等离子体表面聚合是对有机气态单体等离子体化，使它产生各类基团，这些活性基团之
12、间以及活性基团与单体之间进行加成反应，形成聚合膜。2）等离子体表面处理等离子体表面处理主要是用非聚合性的无机气体（如Ar、N2、H2、02）产生的等离子体对高分子材料进行处理，在表面导入各种官能团（如-OH、-OOH等），使材料表面的润湿性和表面张力显著变化，使蛋白质及细胞在材料表面的粘附行为发生变化，进而对材料的血液相容性和组织相容性产生影响。3）等离子体表面接枝等离子体接枝聚合的过程是：首先将高分子材料进行等离子体表面处理，使表面产生活性基团，形成活性中心，然后与单体接触，引发单体与基体表面进行接枝聚合反应。四、离子注入表面改性由离子源产生离子，通过质量分析器的磁偏转作用对离子进行选择，只
13、选择一种质量的离子通过，离子经强电场或多级电场加速后由静电透镜聚焦，利用静电扫描器扫描，轰击样品的表面，实现离子注入。1）生物陶瓷涂层羟基磷灰石Ca5（PO4）3OH可以看成是磷酸钙和氢氧化钙组成的碱式复盐。自然骨中存在Ca、P元素组成的陶瓷，羟基磷灰石（HA）占骨成分的60，因而可以用HA作为涂层材料进行等离子体喷涂。2）低温液相沉积等离子体喷涂生物活性陶瓷（如羟基磷灰石）的技术虽已得到应用，但受等离子体喷涂过程的视线角度限制，一些形状复杂的植入物表面涂层的成本较高。此外人们发现天然骨中的羟基磷灰石与喷涂形成的羟基磷灰石有一定差别。3）气相沉积气相沉积是在真空条件下引入气态物质，参与气相反应
14、后沉积在材料表面，主要分为化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、物理气相沉积。4）离子束薄膜合成向材料表面沉积薄膜（蒸发或溅射沉积）的同时，用离子束轰击材料表面，这个方法称为离子束辅助沉积。借助于离子束轰击，可使已沉积在表面的原子获得能量进入材料表层（反冲注入），并使薄膜致密，在较低温度下（甚至室温）获得高结合力的薄膜。5）溶胶凝胶方法溶胶凝胶方法的原理是：在乙醇等挥发性溶液中，在酸催化剂作用下，金属的烃基氧化物水解，形成含有金属氧化物的薄膜，随后经过加热处理形成所需要的晶态薄膜材料。六、自组装单分子层自组装单分子层是十分新颖的材料表面生物化技术。在硅、玻璃、金、硅橡胶等衬底材料上可以形成高
15、度有序排列的硫烷、三氯硅烷等单分子层。这些分子一端吸附在衬底材料上，另一端（单分子层的表面）为可改变的功能基团X，专题三 生物玻璃生物玻璃是由SiO2, Na2O, CaO, P2O5等氧化物组成的玻璃系列，改变比例，可以得到活性程度不同的生物玻璃。生物玻璃与骨组织结合的原理生物玻璃与骨组织化学结合的本质是在体液中的化学反应，在生物玻璃表面发生的反应导致生成羟基磷灰石层，羟基磷灰石层则可直接与骨发生结合。表面反应的过程目前一致认为分以下5步进行：Stage I：玻璃表面溶出K+，Na+，Ca2+离子，这些离子在玻璃中没有形成网络，因此它们的溶出速度快、而且对性能没有影响。溶出的直接结果是玻璃表
16、面pH值升高到7.4以上；Stage II：形成网络的-Si-O-Si-O-Si-键断裂，硅以Si（OH）4的形式被溶出。 Si（OH）4的溶出速度取决于玻璃中SiO2的含量，含量越高，网络越完全，溶出速度越慢。-Si-O-Si- + H2O - -Si-OH + HO-Si-Stage III： 溶出的Si（OH）4在表面聚合，形成水合的SiO2凝胶层；Stage IV： 生理液中的二价钙离子Ca2+, 磷酸根离子PO43- 迁移至SiO2凝胶表面，形成非晶的CaO- P2O5 层；Stage V：非晶的CaO-P2O5层进一步吸收Ca2+, PO43-, OH-等离子，并发生晶化，最终形成
17、晶态的羟基磷灰石层。专题四、生物医用复合材料的研究进展及趋势一、概述定义：生物医用复合材料是由两种或两种以上的不同材料复合而成的生物医用材料，它主要用于人体组织的修复、替换和人工器官的制造。生物医用复合材料根据应用需求进行设计：基体材料+增强材料或功能材料。常用的基体材料有医用高分子、医用碳素材料、生物玻璃、玻璃陶瓷、磷酸钙基或其他生物陶瓷、医用不锈钢、钴基合金等医用金属材料。增强体材料有碳纤维、不锈钢和钛基合金纤维、生物玻璃陶瓷纤维、陶瓷纤维等纤维增强体，另外还有氧化锆、磷酸钙基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等颗粒增强体。植入体内的材料在人体复杂的生理环境中，长期受物理、化学、生物电等因素的影响，同
18、时各组织以及器官间普遍存在着许多动态的相互作用。因此，生物医用组分材料必须满足下面几项要求：（1）具有良好的生物相容性和物理相容性，保证材料复合后不出现有损生物学性能的现象；（2）具有良好的生物稳定性，材料的结构不因体液作用而有变化，同时材料组成不引起生物体的生物反应；（3）具有足够的强度和韧性，能够承受人体的机械作用力，所用材料与组织的弹性模量、硬度、耐磨性能相适应，增强体材料还必须具有高的刚度、弹性模量和抗冲击性能；（4）具有良好的灭菌性能，保证生物材料在临床上的顺利应用。（5）生物材料要有良好的成型、加工性能，不因成型加工困难而使其应用受到限制。二、生物医用复合材料的种类 1、陶瓷基生物
19、医用复合材料陶瓷基复合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基体，通过引入颗粒、晶片、晶须、纤维等增强体材料或者生物活性材料而获得的一类复合材料。2、高分子基生物医用复合材料 生物陶瓷增强聚合物复合材料于1981年由Bonfield提出，目前的研究对象主要有：用HA、AW玻璃陶瓷（磷灰石-硅灰石生物活性玻璃陶瓷，成分参见生物医用材料导论p235）、生物玻璃等增强高密度聚乙烯（HDPE）、聚乳酸等高分子化合物。HA增强HDPE复合材料的最佳抗拉强度可达2226MPa、断裂韧性达2.90.3MPa m1/2。由于该复合材料的弹性模量处于骨杨氏模量范围之内，具有极好的力学相容性，并且具有引导新骨形成的功能。3
20、、金属基生物医用复合材料 作为生物医用材料，金属材料占有极其重要的地位，它具有较好的综合力学性能和优良的加工性能，是国内外较早作为人体硬组织修复和植入的一类材料，但金属材料与机体的亲和性、生物相容性较差，在体液中存在材料腐蚀、渗出离子等问题。因此，除进一步优化材料的整体性能外，必须通过表面涂层、离子注入等技术进行表面处理。随着涂层技术的不断发展，电化学沉积法、浸渍-热解法、水热处理法不断出现。我国采用两步烧结法，用膨胀系数与表面涂层和基体相匹配的材料作为中间层，将中间层材料、表面涂层处理烧结在基体表面形成复合涂层，有效地解决了涂层与基体之间的界面结合性能。三、生物医用复合材料的研究趋势与展望
21、1、整体材料性能按梯度变化对生物材料来说，生物相容性、力学适应性、抗血栓性，都是不可缺少的条件。单一结构的生物材料由于其本身的结构所决定，很难满足人体环境的要求。而单纯的几种材料复合，虽然比单一生物材料在使用性能上有所提高，但其界面仍然是一个薄弱环节，一系列性能在此发生突变而导致失效。2、生物医用复合材料研究与生物材料的生理活化研究相结合 材料生理活化研究是生物医用复合材料发展的一个重要方向，利用生物工程技术，将生物活性组元引入生物材料，加速材料与机体组织的结合，并参与正常的生命活动，最终成为机体的一部分。3、生物医用复合材料研究与仿生材料研究相结合 最为理想的生物材料就是机体自身的组织，天然
22、生物材料经过亿万年的演变进化，形成具有结构复杂精巧、效能奇妙多彩的功能原理和作用机制。因此，参照自然规律，从材料的观点对其进行观察、测试、归纳、抽象，找出有用的规律来指导复合材料的设计与研究，制备成分、结构与天然骨组织相接近的复合替代材料，获得生物相容性好、具有良好生理效应和力学性能的人工骨替代材料。4、生物医用复合材料研究与组织工程材料研究相结合生物材料的研究目前已从植入材料与生物组织的界面相容性、植入材料的力学相容性研究转移到组织工程材料研究。通过建立组织再生环境，调动生物组织的主动修复能力，诱导组织再生。组织工程材料的研究为利用细胞培养制造生物材料和人造器官开辟了光明前景。专题五、人工心
23、瓣膜瓣膜相当于单向阀门，人的心脏中有四个心瓣膜，保证血液向一个方向流动。在这四个心瓣膜中，左心室的两个瓣膜容易失效，其中又以主动脉瓣最易失效。目前，临床上使用机械型和生物型两种人工心瓣，各有特点和适应症。机械式瓣膜的特点：1）使用寿命长，适合年轻的患者使用；2）尽管瓣膜涂层有较好的血液相容性，但是瓣膜的抗凝血能力仍然低，患者需要长期服用抗凝血药物以抵抗表面凝血。生物瓣膜的特点和适应症：（1） 生物瓣膜使用寿命较短，血液回流比机械瓣大；（2） 相对来讲，生物瓣膜抗凝血性能优于机械瓣，因此适合于年老的患者，或不能长期服用抗凝血药物的患者。专题六 组织工程材料与人工器官-软组织修复与重建组织工程是指
24、用生命科学与工程的原理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。为了降低排异性，必须服用药物，这样又会破坏人体的免疫平衡，可能导致肿瘤等。一、组织工程的基本原理和方法 将体外培养的组织细胞吸附扩增于一种生物相容性良好并可被人体逐步降解吸收的生物材料上，形成细胞生物材料复合物。该生物材料为细胞提供一个生存的三维空间，有利于细胞获得足够的营养物质，进行营养交换，并且能排除废物，使细胞在预先设计的三维支架上生长，然后将此细胞生物材料复合体植入病损部位。二、组织工程材料软组织修复与重建1、组织工程材料应具备的条件（1）材料能够促进组织的生长，使细胞之间能够沟通，并最
25、大限度地获取营养物、生长因子和活性药物分子；（2）在某些场合能防止细胞激活（如外科手术、防粘连的场合）；（3）指导和控制组织的反应（促进某一组织反应，抑制其他反应）（4）促进细胞粘附及激活细胞（皮肤修复中成纤维细胞的粘附和增殖）（5）抑制细胞的粘附和激活细胞（防止血小板粘附在血管上）：（6）防止某一生物反应的攻布（在器官移植中，阻止抗体攻击同种或异种细胞）。（7）易于加工成三维多孔支架：（8）支架要有一定力学强度以支持新生组织的生长，并待成熟后能自行降解；（9）低毒或无毒；（10）能够释放药物或活性物质如生长激素等。组织工程材料按件质和应用大致分为生物降解材料、组织引导材料、组织诱导材料和组织
26、隔离材料。下面分别介绍一些近年研究的组织工程材料。2、生物降解材料：生物降解材料通常分为天然生物降解材料与合成生物降解材料。3、合成生物降解材料天然降解材料虽然具有某些优良性能，但存在一些不足，如力学强度较差，性能随批次不同有差异。合成降解材料则具有强度高、来源充足、易于加工等优点，被广泛应用于组织工程领域。4、组织引导材料组织引导材料主要是引导组织的再生，例如皮肤创伤的修复和神经的再生。皮肤的修复有时伴随生成大量的疤痕细胞，有时还会产生组织收缩。人体皮肤的愈合是靠纤维蛋白支架。人工制作和研究这种支架是组织工程的任务。利用这种支架可以引导组织的生长，从而控制新生组织或皮肤的质量。5、组织诱导材
27、料很多细胞和组织的应答反应在体外很难重现，但是生物活性的生物医用材料可以对这些反应起诱导作用，方法是在材料表面连接活性配体，让材料释放生物活性信息分子；或者将细胞贴附在材料表面，并释放生物信息来达到目的。6、组织隔离材料组织隔离材料是组织工程材料的另一重要方而。组织的正常应答反应是免疫排斥，很多疾病（如糖尿病）的治疗都与植入细胞免疫隔离有关。当同种或异种细胞植入宿主时，首先遇到的是异体排斥，利用生物材料将细胞与宿主隔离，就可以顺利地解决这一难题。三、组织工程支架的研究与制备方法组织工程制成的器官常常需要制备一个临时的多孔支架。支架的功能是指导种植的细胞或者迁移到支架周围的细胞生长或增殖。因此支
28、架应该首先是能够使细胞粘附、分化、增殖、迁移的底物。通常选择生物降解材料。以下介绍组织工程支架的几种制备方法：1）纤维连结法利用聚合物的溶解或熔融，将聚乳酸二氯甲烷溶液灌注到聚乙交酯网状纤维上，经热处理后，制成聚乙交酯增强的网状支架。2）溶剂浇铸和孔隙制取法将细粉状氯化钠分散到聚乳酸氯仿溶液中，然后在玻璃板上浇铸，溶剂挥发后成膜，用水将氯化钠溶解提取出来，留下孔隙，得到多孔膜。膜的结晶度通过热处理调控。3）层压膜法软骨或骨的修复需要三维空间支架。用溶剂浇铸法制成多孔膜后，再将其层压成具有三绝空间的支架，然后按设计的几何形状切割，即按解剖学要求制成可降解的聚乳酸或其共聚物支架。4）熔融膜压法熔融
29、膜压法是将聚合物加热熔融后加压制成膜材。聚乙丙交酯共聚物用熔融膜压法制三维多孔性支架时所用的致孔剂为明胶微球或其他水溶性物质，用水提取致孔剂后可得到多孔性支架。此法可用于聚乙交酯或聚乳酸为原料的支架制备。5）纤维增强法设计骨再生支架，首先要设计三维多孔性、形状不规则的聚合物支架；其次要求其具有高强度，能承受受损骨应力，直到长出新骨。聚羟基酸酯用于骨的矫形，但制成的多孔性材料强度不够好。将羟基磷灰石的短纤维均匀混入聚合物中可提高强度。用溶剂浇铸法将羟基磷灰石与致孔剂和聚合物溶液混合均匀。然后将溶剂挥发，制成增强的多孔膜，再经层压形成三维多孔结构。用羟基磷灰石纤维增强的聚合物多孔支架与末增强的材料相比，其抗
