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:
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。
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
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
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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