《生物医用材料》第三章生物相容性及生物学评价
生物医用材料生物相容性及其评价方法
生物医用材料生物相容性及其评价方法生物医用材料的生物相容性是指材料与生物体相互作用后产生的生物学反应以及对生物体组织的影响。
评价生物医用材料的生物相容性是确保其在体内使用时安全有效的关键。
本文将介绍生物医用材料的生物相容性及其评价方法。
生物相容性可以从物理性能、化学性质和生物学反应三个方面来评价。
1.物理性能：生物医用材料应具有与生物体组织相似的力学性能，如弹性模量、抗张强度、硬度等。
此外，材料的表面形态、孔隙率、渗透性等也会影响生物体对材料的相容性。
2.化学性质：生物医用材料的化学成分和表面活性会直接影响其对生物体的相容性。
例如，金属材料的腐蚀性、骨水泥的溶解性以及聚合物材料的降解速率等都是需要考虑的因素。
3.生物学反应：生物医用材料的生物学反应主要包括炎症反应、细胞黏附、细胞增殖和骨组织生长等。
炎症反应是生物体对外来材料的主要生理反应，细胞黏附和增殖则是体内细胞在材料表面定植和生长的表现，最终导致材料与组织逐渐融合。
1.体外评价是通过在实验室环境下进行细胞和生物体外液体接触实验，模拟材料与体液、细胞等相互作用的过程。
常用的体外评价方法有表面接触角测定、材料溶解性测定、细胞生长实验、细胞黏附实验等。
通过这些方法可以初步评价材料对细胞的生物相容性。
2.体内评价是通过在动物体内进行材料植入实验，观察其对生物体组织的影响。
常用的体内评价方法有植入模型实验、切片观察和生物学指标测定等。
通过这些方法可以进一步评价材料的生物相容性和生物学效应。
生物医用材料的生物相容性评价方法需要综合考虑多个因素，且不同材料对不同组织的相容性也有差异。
因此，评价生物医用材料的生物相容性是一个复杂而繁琐的过程。
然而，只有通过科学准确的评价方法，才能确保生物医用材料在体内使用时能够安全有效，为患者带来更好的治疗效果。
生物医学材料的生物相容性评估
生物医学材料的生物相容性评估作为一种应用于生物医学领域的材料，生物医学材料必须具有良好的生物相容性，才能确保其安全可靠地应用于人类身体内部。
因此，对于生物医学材料的生物相容性评估是非常重要的一个环节，它可以为医学界提供关于这类材料的有价值的信息和参考。
本文将系统地介绍生物医学材料的生物相容性评估的相关知识。
1.生物医学材料的生物相容性定义生物相容性是指材料与生物体接触后，不产生明显的毒性、过敏反应、血栓形成等不良反应，保持与周围组织良好接触状态，不影响器官、组织或细胞的正常结构和功能，从而达到可耐受、安全和可持续的目的。
生物医学材料的生物相容性是生物医学材料能否安全且有效地用于人体内的重要标志之一。
2.生物医学材料的生物相容性评估方法生物医学材料的生物相容性评估是使用一套复杂但必要的技术和方法，以检查它们是否与生物体良好地相互作用。
以下是目前常用的生物相容性评估方法。
2.1体内评估方法体内评估方法是通过将生物医学材料放入动物的体内，观察其对动物机体的影响来评估生物医学材料的生物相容性。
这种方法比较直接和客观，能够模拟真实的生物环境，但是也存在方法标准不一、试验结果分析复杂等缺点。
2.2体外评估方法体外评估方法是在实验室中，使用细胞和组织等相关生物体系，通过培养、浸泡、注入等方式，观察生物医学材料和生物体系的相互作用情况，进而评估生物医学材料的生物相容性。
相对于体内评估方法而言，体外评估方法操作简便，重复性好，但是对于某些细节评估，如血管内膜生长、血小板活化等，体外模型难以完全模拟体内环境。
2.3生物材料表面处理和功能化通过修改材料表面化学或生物学特性来改变材料的生物相容性是目前被广泛运用的相容性调控方法之一。
改变材料表面极性、形貌、电荷量等特性以促进材料的附着、成骨等特定细胞反应是表面改性的原理。
3.生物医学材料的生物相容性评估指标3.1组织兼容性生物医学材料应能对周围组织产生一定的刺激，并保持稳定与周边组织的结合。
第三章生物相容性及生物学评价(1)全解复习过程
第三阶段: 在此阶段，材料表面 与血液均要 发生变化。材料表面的变化，同样分为良 性 与恶性两种。假内膜表面的上皮化即属 良性变化。恶性 变化指形成肉芽或发生钙 化。
2.2 材料诱发血栓形成的可能机制 ✓材料表面与血液接触后，首先是蛋白质层和 脂质吸附在材料表面上，这些分子发生构象上 的变化，导致血液中各成分发生相互作用；
几种提高血液相容性的表面改性技术:
1）增加表面亲水性，降低表面与血液成分 的相互作用。
表面的亲水性及自由能对血液成分的吸附，变性等有 密切联系。提高材料表面的亲水性，使表面自由能降 低到接近血管内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）侧链： PEG与水的低界面自由能，独特的溶液性质和分子构
• 生物材料的组织相容性还与材料的形状和表面粗糙程 度有关。
血液相容性
定义：
生物材料与血液接触所产生相互反应的能力 。具有良好血液相容性的材料或器械是在与血液 接触行使其功能时不会引起有害反应
1.3 材料在生物体内的反应
材料在生物体内的反应包括两个方面：宿主反应和材料反应。 宿主反应：宿主对植入体材料作出的生理反应，主要包括血液反应
✓一方面触发以凝血因子活化为起点的内源性 凝固反应；
✓另一方面使血小板、红血球等细胞成分附着 于蛋白质表面，被黏附的血小板发生变形，这 些变化使血小板放出能促进凝血系统活化的因 子，产生凝血反应。
• 对于一种抗凝血生物材料来说，其表面既 能抑制凝血因子的活化，又能防止血小板 的粘附、释放和聚集，缺一不可。
吸附血浆蛋白，包括白蛋白、球蛋白、纤 维蛋白原等）； ➢溶血、白细胞减少等细胞水平的反映； ➢凝血系统、纤溶系统激活等血浆蛋白水平 反映； ➢免疫成分的改变、补体的激活以及血小板 受体的释放等分子水平的反映。
生物医用材料的生物相容性评价
2、临床评价：通过临床试验观察生物医用材料在人体内的实际应用效果， 直接评估材料的生物相容性和安全性。
3、患者评价：在长期临床观察中收集患者对生物医用材料的反馈意见，了 解材料的实际应用效果和患者满意度。
不同生物医用材料的生物相容性 评价
根据不同生物医用材料的特性，其生物相容性评价也有所不同。以下是一些 常见生物医用材料的生物相容性评价：
1、高分子材料：高分子材料在生物医用领域中应用广泛，如聚乙烯醇、聚 乳酸等。这些材料的生物相容性通常需要通过细胞毒性、免疫毒性等实验进行评 价。一些高分子材料在与人体组织长期接触过程中可能会产生慢性炎症反应，因 此需要材料的生物相容性和安全性。
2、金属材料：金属材料在骨科、牙科等领域有着广泛的应用，如不锈钢、 钛合金等。这些材料的生物相容性一般较好，但仍需要一些潜在的问题，如金属 离子释放导致的毒性效应、免疫反应等。因此，金属材料的生物相容性评价通常 包括细胞毒性、溶血率、炎症反应等指标。
生物医用材料的生物相容性评价
01 引言
目录
02
生物相容标
04 评价方法
05
不同生物医用材料的 生物相容性评价
06 结论
引言
生物医用材料是一种用于诊断、治疗和修复人体损伤的新型材料。在过去的 几十年里，这些材料得到了广泛的研究和发展，为人类的健康和医疗保健提供了 许多新的机会。然而，生物相容性是生物医用材料发展中至关重要的一个方面。 本次演示将探讨生物相容性评价的重要性、评价指标、评价方法以及不同生物医 用材料的生物相容性评价，展望未来的发展趋势和应用前景。
生物相容性评价的重要性
生物相容性是指生物医用材料在人体内的适应性，以及与人体组织、血液等 相互作用的性能。生物相容性评价对于生物医用材料的研发和应用具有重要意义。 首先，良好的生物相容性可以降低人体对材料的免疫排斥反应，减少术后并发症 的发生。其次，生物相容性评价有助于拓展生物医用材料的应用领域，特别是在 外科手术、组织工程、药物载体等领域。
生物相容性及生物学评价
生物相容性及生物学评价随着医疗科技的不断发展，越来越多的人开始依赖药品和医疗器械来维护身体健康。
然而，这些药品和医疗器械的合理性和有效性不仅关系到病人的健康和生命安全，同时也和生物相容性有关。
那么，生物相容性与生物学评价是什么？它们之间有何关系？生物相容性，是指医疗器械与生物体接触时其表现出的对组织和器官无毒、无副作用、无排异反应的性质。
具体而言，它包含了各种生物材料（如生物替代材料、缝合线、药品等）与生物体发生的相互作用方面。
可以说，生物相容性是生物材料安全和有效性的重要基础之一。
生物学评价则是指对医疗器械和生物材料的生物学特性、生物相容性和毒理学进行研究和评估，以便为如何正确使用和选择材料提供有力的科学依据。
生物学评价通常包括以下几个方面：一、体外试验体外试验是通过形态学、化学、物理性质、成分等方面的测试，来初步评估生物兼容性。
比如，对新生产的石英制品、不锈钢制品进行进行表面光洁度、硬度、耐腐蚀性等测试，以便确定其是否可以适用于人体组织。
二、体内试验体内试验是通过动物实验、细胞培养试验等方式评估植入材料对人体兼容性的影响。
事实上，对于一些需要植入人体的医疗器械和生物材料，体内试验是至关重要的。
三、毒理学和安全性研究毒理学和安全性研究是对医疗器械和生物材料的急性、亚急性、慢性毒性进行评估，以证明病人的安全使用。
需要指出的是，毒性并不仅仅包括了毒素对人体的直接影响，也包括了其对环境带来的影响等。
总体而言，正确理解生物相容性和进行生物学评价，对于保护病人健康和安全、提高医疗技术水平有着十分重要的意义。
未来，需要进一步加强生物相关领域的教育、科研与规范，为医疗领域的快速发展和病人用药提供更为可靠的支撑。
生物医用材料生物相容性及其评价方法
荧光染色法
将细胞与乙酰乙酸荧光素(FDA) 和溴化乙锭(EB)一起培养, FDA 能够进入细胞内部并转化为荧光 素, 荧光素, 在适当的激发波长 下发出绿色荧光。EB不能穿过完 整的细胞膜, 但如果细胞膜已经 被破坏, EB就能够进入细胞并且 与核酸尤其是细胞核内的DNA 紧 密结合, 这时看到的是橘红或红 色的荧光。
其他功能
细胞粘附
细胞散布 细胞生物合成功能
对细胞功能影响的分子生物学评价
细胞粘附分子(CAM)
细胞因子和生长因子 DNA转录翻译与信号传导
细胞粘附分子(CAM)
细胞粘附分子(CAM)家族，它是一类 表达在细胞表面的分子，能够控制和 促进细胞与其他细胞(比如基质中的 细胞)的相互作用。
生物医用材料与炎症
非感染性炎症： 由于植入物中微量小分子物质渗出， 刺激组织所引起的炎症反应； 感染性炎症： 生物医用材料和医用装置植入人体内 后，由于植入物灭菌不彻底或植入被 污染的无菌材料而引起的并发症。
造成细菌性感染的原因有以下几点：
植入手术过程中对皮肤或组织造成损伤， 给微生物提供侵入体内组织的机会； 植入生产过程中已被细菌污染的材料和制 品或无菌材料已被污染； 植入材料能抑制体内的抗炎防御系统的反 应性，增加了局部组织易感染性； 植入材料能抑制和吸附补体C3a、C5a，增 加了多核白细胞在植入局部组织中的数量， 使抑制局部炎症反应的能力减弱。
引起生物医用材料变化的因素
生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动态 运动； 细胞生物电、磁场和电解、氧化作用； 新陈代谢过程中生物化学和酶催化反应； 细胞黏附吞噬作用； 体液中各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基酸、 多肽、自由基对材料的生物降解作用。
生物医用材料
2．生物医用材料与肿瘤
生物医用材料的致癌问题一直是人们关心的课题。尽管临床 上在使用生物材料和人工器官过程中很少发生肿瘤。在周期两年 的动物试验中，被诱发的肿瘤常是纤维肉瘤、骨肉瘤、软骨肉瘤 和血管肉瘤等。临床上诱发肿瘤的时间较长，有75％以上在植入 体内15年后才发生肿瘤。医用聚氨酯和硅氧烷共聚物临床应用30 年后才有发生肿瘤的报道，说明植入物在人体内诱发肿瘤具有较 长的潜伏期。
生物相容性
抗血小板血栓形成 抗凝血性 抗溶血性 血液相容性 抗白细胞减少性 抗补体系统亢进性 抗血浆蛋白吸附性 抗细胞因子吸附性
细胞粘附性 无抑制细胞生长性 细胞激活性 抗细胞原生质转化性 组织相容性 抗炎症性 无抗原性 无诱变性 无致癌性 无致畸性
图2—3 生物相容性分类和要求
组织相容性涉及的各种反应在医学上都是比较经典的，反应 机理和试验方法也比较成熟；而血液相容性涉及的各种反应比较 复杂，很多反应的机理尚不明确，需要研究阐明，试验方法除溶 血试验外，多数尚不成熟，特别是涉及凝血机理中细胞因子和补 体系统方面分子水平的试验方法还有待研究建立。
生物医用材料植入体内诱发肿瘤可能与下列因素有关。
1) 与植入材料的外形有明显的相关性。将不同外形的材料 埋入大鼠皮下组织内，肿瘤发生率明显不同。粉末和海绵状材料 几乎不诱发恶性肿瘤，纤维状材料也很少发生恶性肿瘤，只有片 状材料容易诱发恶性肿瘤。
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。
图2－1生物相容性反应
材料与机体之间的相互作用使各自的功能和性质受到影响。
这种影响不仅能使生物材料变形，更重要的是对机体将造成各种
危害（见图2－2）。
物理性质变化
机械相互作用
生物医用材料生物学评价标准和试验方法
生物医用材料生物学评价标准和试验方法1. 概述生物医用材料的研究和应用在医学领域具有重要意义。
为了确保生物医用材料的质量和安全性，需要进行全面的生物学评价。
本文将就生物医用材料生物学评价标准和试验方法展开探讨。
2. 生物学评价标准的概念和意义生物学评价标准是指针对生物医用材料的生物学性能制定的一系列指标和要求。
这些评价标准可以帮助评估生物医用材料在生物体内的相容性、生物相互作用以及潜在的毒性影响，从而保证其在临床应用中的安全性和有效性。
3. 生物学评价标准的内容生物学评价标准主要包括细胞相容性、生物相互作用、生物降解性和毒理学评价等方面的内容。
其中，细胞相容性评价主要关注材料与生物体细胞的相互作用情况，生物相互作用评价则关注材料在生物体内的行为和反应，生物降解性评价主要考察材料在生物体内的降解情况，毒理学评价则关注材料对生物体产生的毒性影响。
4. 试验方法的选择和应用针对生物学评价标准，科研人员需要选择合适的试验方法进行评价。
常用的试验方法包括细胞毒性实验、组织相容性实验、动物实验等。
在选择试验方法时，需要考虑材料的特性、应用环境以及临床需求，以确保评价结果的科学性和可靠性。
5. 个人观点和理解生物医用材料的生物学评价是确保其安全性和有效性的重要环节。
在进行生物学评价时，需要全面考虑材料的生物学性能，并选择合适的试验方法进行评价。
应加强对生物学评价标准的研究和制定，不断完善评价体系，为生物医用材料的研发和临床应用提供可靠的支持。
6. 总结与展望通过本文的讨论，相信读者对生物医用材料的生物学评价标准和试验方法有了一定的了解。
未来，随着生物医用材料领域的不断发展，生物学评价标准和试验方法也将得到进一步完善，为生物医用材料的研发和临床应用提供更加全面和可靠的支持。
至此，我们对生物医用材料生物学评价标准和试验方法进行了深入的探讨，希望本文能为您对该主题的深入理解提供帮助。
生物医用材料是指可用于医学和生物学领域，包括治疗、修复、替换或增强组织或器官的材料。
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2.3 材料或器械影响血液相容性的可能 因素
影响血液凝固（血栓形成）有三大要素： 血液化学、血液接触的表面、血液流 动形式。
因此材料或器械影响血液相容性的可能 因素有：
1) 材料的性质: 材料的本体和 表面特性 2)材料或器械的外形与尺寸
1）材料性能的影响
➢ 本体性能的影响： Ni引起癌变，碳素材料抗血栓性能好，聚氨酯抗凝
吸附血浆蛋白，包括白蛋白、球蛋白、纤 维蛋白原等）； ➢溶血、白细胞减少等细胞水平的反映； ➢凝血系统、纤溶系统激活等血浆蛋白水平 反映； ➢免疫成分的改变、补体的激活以及血小板 受体的释放等分子水平的反映。
• 适宜的血液相容性材料应不损伤血液成分 和功能。
2）材料与血液的相互作用过程:
材料与血液接触后的相互作用可分为3个阶段:
B．材料反应
1. 物理机制的反应 a. 摩擦磨损 b．疲劳损伤 c．应力腐蚀引起断裂 d．腐蚀 e．降解及分解
2. 生理反应 a．吸收组织物质 b．酶的降解 c. 钙化
金属植入物表面分子水平的反应
第二节 材料的血液相容性 bloodcompatibility
2.1 材料与血液的相互作用： 1）生物材料可能引起的血液的变化： ➢生物材料的界面现象（在材料的表面首先
血性较好。
➢ 表面性能的影响： 表面形貌：表面粗糙度、表面织构、多孔性。
材料表面越粗糙，暴露在血液上的面积越大，凝血 的可能性也就越大，但如果在0,1~2 UM的范围内 存在不均匀结构，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
无机惰性薄膜提高支架的抗血栓性能 贵 金 属 涂 层 碳 化 物 涂 层 类金刚石薄膜
Uncoated
Coated
类金刚石薄膜血小板粘附与活化
2) 材料的外形与尺寸的影响
材料设计与制备 多学科：涉及材料、力学、有限元 分析、机械、激光加工等
2.4 提高材料血液相容性的技术—表面改性
利用各种物理和化学的方法对材料的表面进行处理 可以提高材料的抗血栓性能（血液相容性）
可以从以下几个方向来考虑： • 促进伪内膜形成； • 抑制血小板体系的活化； • 抑制凝固体系的活化； • 促进血栓溶解。
✓一方面触发以凝血因子活化为起点的内源性 凝固反应；
✓另一方面使血小板、红血球等细胞成分附着 于蛋白质表面，被黏附的血小板发生变形，这 些变化使血小板放出能促进凝血系统活化的因 子，产生凝血反应。
• 对于一种抗凝血生物材料来说，其表面既 能抑制凝血因子的活化，又能防止血小板 的粘附、释放和聚集，缺一不可。
第三章生物相容性及生物学评价
第一节：生物相容性的基本概念 第二节：材料的血液相容性 第三节：材料的组织相容性 第四节：生物学评价
➢组织相容性 ➢定义：材料与组织器官接触时所产生相互反应的
能力。生物材料要求不能被组织所侵蚀，材料与 组织之间应有一种亲和能力。
• 对于骨植入材料具体表现为生物材料和生物体结缔组 织中的胶原结合成为一体，并能保持长时间稳定牢固 的结合。
1.3 材料在生物体内的反应
材料在生物体内的反应包括两个方面：宿主反应和材料反应。 宿主反应：宿主对植入体材料作出的生理反应，主要包括血液反应
、组织反应。 材料反应：植入体材料在生物环境中发生的各种物理和化学反应。
图2-1 几种植入材料表面在生物材料环境下常见的变化
A．宿主反应
1.局部 a.血液-材料的反应 b.蛋白质的吸收 c.凝结 d.纤维蛋白溶解 e.血小板的粘着，活化，释放 f. 补体系统活化 h. 溶血现象 i.毒性 j.改变了正常的愈合 k.包成囊状 l.外来体的反应 m.感染 o.形成肿瘤 2..全身反应与补体系统 a．形成血栓 b．植入体元素在血液中数量增加 c．高度过敏症 d．淋巴颗粒的传输
第一阶段: 血液与材料相互作用的初期，材 料表面 和血液都发生了变化。一方面，在 材料表面粘附蛋白 质、细胞及其他血液成 分，同时由于材料与水接触以及 蛋白质在
材料表面的粘附引起材料表面的链段发生 重 排，形成新的表面;另一方面，材料与血 液接触引起血 液内凝血、溶纤、补体等系 统的激活以及血细胞功能的 改变。此时的 血液已不同于没有接触材料时的血液。第 一阶段一般为2小时。
象，亲水性、表面流动性以及PEG的空间稳定效应 使其具有较好的血液相容性。
2）材料表面带负电荷：
正常人体血管壁内皮细胞的ε电位值为负值，血 液中的红细胞，白细胞及血小板等均带负电荷， 因此不易发生粘附。高分子材料表面电荷的正负 由其功能团类型决定，利用这一点，可以进行特 定的设计使材料表面带上负电荷，从而减少血栓 的形成。
第二阶段:
材料与血液的相互作用取决于新形 成的材料 表面与接触材料后的血液。在此期间，材 料表 面继续发生明显的变化。这一变化可 以是良性的变化， 也可能是恶性的变化。 良性变化指材料表面形成惰性表 面，恶性 变化指材料表面形成血栓等。第二阶段血 液也 发生许多变化，还可引起体液及细胞 成分的变化。这一 时期一般为两周。
• 某些材料长期植入机体仍然会对组织细胞产生影响， 甚至诱发肿瘤的发生，只是不同的生物材料制成的人 工器官植入体内诱发肿瘤的潜伏期有所不同而已。
• 生物材料的组织相容性还与材料的形状和表面粗糙程 度有关。
血液相容性
定义：
生物材料与血液接触所产生相互反应的能力 。具有良好血液相容性的材料或器械是在与血液 接触行使其功能时不会引起有害反应
第三阶段: 在此阶段，材料表面 与血液均要 发生变化。材料表面的变化，同样分为良 性 与恶性两种。假内膜表面的上皮化即属 良性变化。恶性 变化指形成肉芽或发生钙 化。
2.2 材料诱发血栓形成的可能机制 ✓材料表面与血液接触后，首先是蛋白质层和 脂质吸附在材料表面上，这些分子发生构象上 的变化，导致血液中各成分发生相互作用；
பைடு நூலகம்
几种提高血液相容性的表面改性技术:
1）增加表面亲水性，降低表面与血液成分 的相互作用。
表面的亲水性及自由能对血液成分的吸附，变性等有 密切联系。提高材料表面的亲水性，使表面自由能降 低到接近血管内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）侧链： PEG与水的低界面自由能，独特的溶液性质和分子构