第四章蛋白质吸附与生物相容性课件.ppt

第四章 蛋白质吸附与生物相容性,随着再生医学和组织工程技术的发展，对生物材料提出了更高的要求。生物材料的生物相容性（biocompatibility）受到了前所未有的重视。生物相容性在生物材料中是如此重要而且是生物材料中共性问题，而蛋白质黏附又直接影响到生物相容性。,4.1 生物相容性概念与定义 4.1.1 血液相容性 4.1.2 组织相容性4.2 蛋白质吸附 4.2.1 蛋白质吸附的重要性 4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学 4.2.3 蛋白质吸附的研究方法 4.2.4 蛋白质吸附的Vorman效应 4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性4.3 宿主-生物材料的相互作用 4.3.1 材料反应 4.3.2 宿主反应 4.3.3 结构相容性问题4.4 免疫细胞与组织修复 4.4.1 炎症细胞在组织修复中的作用 4.4.2 生长因子在组织修复中的作用,4.1 生物相容性（biocompatibility）,作为细胞、组织或者器官再生的支架与模板，生物材料在组织工程研究中起到不可或缺的重要作用，支架与模板材料为细胞增殖提供了赖以生存的物质基础，同时，支持和促进细胞与组织的生长，调控和诱导细胞与组织的分化等，而且可以控制组织工程或器官在宏观上按要求的形状再生。鉴于组织工程的生物材料直接与细胞、组织和宿主的生理系统相接处，因此对生物材料的要求除了需要具备物理机械性能、化学稳定性、无毒性和易加工成型性意外，还必须具有生物相容性。,生物相容性（biocompatibility） 生物材料在宿主的特定环境和部位，与宿主直接或间接接触时所产生相互反应的能力。 生物相容性是材料在生物体内处于动态变化过程中，能耐受宿主各系统作用而保持相对稳定，不被排斥和破坏的生物学特性，又称为生物适应性和生物可接受性。,生物相容性在材料应用的不同场合具有不同的要求和内涵：血液相容性（haemocompatibility）；组织相容性（ tissue compatibility ），细胞相容性（ cytocompatibility ）.,4.1.1 血液相容性,生物材料与血液循环之间的一种特殊联系生物材料的血液相容性问题，是一直以来广受重视的课题之一。多数体内植入材料和体内应用的材料都要与血液接触。血液在血管中的流动，在正常情况下是畅通无阻的。血液异常：当血管受到损伤，血液离开血管进入组织时，会自动凝血；当血液与异物表面接触时，可能发生溶血或凝血，从而形成血栓。,当血液与生物材料表面接触时，各种血浆蛋白质会随着材料表面性质的不同，不同程度地迅速吸附在异物的表面，随后引起血小板的黏附。可以说血浆蛋白质的选择吸附，反映了生物材料的血液相容性。因此，为保证血小板不被黏附或活化，而在血管中正常运行，要求植入的生物材料具有良好的血液相容性。,4.1.2 组织相容性,材料与组织器官接触时，不能被组织所侵蚀，材料与组织之间应有一种亲和能力。作为生物材料，必须满足：高纯，无毒，无刺激，不引发癌症，无诱导病变，无抗原性，不引起溶血、凝血等，能与组织相容，尽可能的不引起病变。降解产物为水溶性小分子，最好是自然产生的代谢物，这样的降解产物就能溶解在细胞外液中，通过肾脏和肺排出来。更普通的是通过吞噬作用来实现，通常是靠巨噬细胞，偶尔也靠嗜中性粒细胞。,生物材料引起宿主的反应主要是通过宿主细胞对材料表面的识别引起的；生物材料的本体性能则对生物相容性基本没有影响。因此，如何调控生物材料的表面性能以期达到最佳的宿主反应或细胞-材料相互作用，降低不利的宿主反应是生物材料研究的一个关键问题。,4.1 生物相容性概念与定义 4.1.1 血液相容性 4.1.2 组织相容性4.2 蛋白质吸附 4.2.1 蛋白质吸附的重要性 4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学 4.2.3 蛋白质吸附的研究方法 4.2.4 蛋白质吸附的Vroman效应 4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性4.3 宿主-生物材料的相互作用 4.3.1 材料反应 4.3.2 宿主反应 4.3.3 结构相容性问题4.4 免疫细胞与组织修复 4.4.1 炎症细胞在组织修复中的作用 4.4.2 生长因子在组织修复中的作用,4.2 蛋白质吸附,绝大多说情况下，细胞与生物材料表面之间的相互作用并不是直接进行的。当生物材料与生理环境接触时，首先到达生物材料表面的是水分子和无机盐离子，其次是体液、血液或培养基中的蛋白质分子，最后才是细胞到达材料表面。因此在材料表面与细胞之间通常存在吸附的蛋白质层，细胞通过蛋白质层的介导而附着、黏附进而铺展到材料表面。如图4-1,4.2.1 蛋白质黏附的重要性,由此可见，材料表面对细胞的影响或引起的宿主反应实际上是通过影响蛋白质在材料表面的吸附行为来实现的。生物材料表面所吸附的蛋白质的种类、吸附速度、吸附量以及空间构象等都直接影响材料的细胞相容性。,4.1 生物相容性概念与定义 4.1.1 血液相容性 4.1.2 组织相容性4.2 蛋白质吸附 4.2.1 蛋白质吸附的重要性 4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学 4.2.3 蛋白质吸附的研究方法 4.2.4 蛋白质吸附的Vorman效应 4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性4.3 宿主-生物材料的相互作用 4.3.1 材料反应 4.3.2 宿主反应 4.3.3 结构相容性问题4.4 免疫细胞与组织修复 4.4.1 炎症细胞在组织修复中的作用 4.4.2 生长因子在组织修复中的作用,4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学,蛋白质的结构及其多样性极大的影响蛋白质吸附热力学和机理、吸附的可逆性及多组分吸附的动力学。蛋白质分子是由多种氨基酸按一定的序列通过酰胺键（肽键）相互缩聚组成的具有三维结构的复杂分子。蛋白质是氨基酸以肽键相互连接的线性序列。在蛋白质中，多肽链折叠形成特殊的形状（构象）。在结构中，这种构象是原子的三维排列，由氨基酸序列决定。蛋白质有四种不同的结构层次：初级结构（primary），次级结构（secondary），三级结构（tertiary）和四级结构（quaternary）（不总是有）。,蛋白质的初级结构就是蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序，即氨基酸的线性序列。次级结构由主链上酰胺键间的氢键偶联形成的，如-螺旋（-helix）和-折叠结构（-pleated sheet）。,三级结构由分子链内的相互作用形成，包括氢键、离子键和疏水力、盐桥和二硫键。四级机构由链段间的结合形成。其中，四级结构决定了蛋白质与材料表面和细胞的作用。,多数的血液蛋白 包含极性、非极性和带电的侧链。在极性的溶液体系（如PBS或血浆）中，为降低体系界面的自由能，亲水的侧链间会相互聚集并趋向存在于与水接触的界面，而疏水侧链则聚集在蛋白质分子的内部。因此，在蛋白质分子中产生了截然不同的微区结构，这些微区决定了蛋白质的高级结构，如图4-2。,决定蛋白质在材料表面吸附和脱附行为的物理化学因素通常有8种，如图4-3.,在靠近过程中，蛋白质分子的运输性质和蛋白质与材料表面的本征相互作用共同决定蛋白质靠近表面的程度（1），它们也同时受溶剂分子运动和其本身分子运动性质的影响（2）;在黏附过程中，以下三个因素构成稳定黏附在材料表面的驱动力：蛋白质和材料界面间的短程相互作用（3）；由于在蛋白质与表面之间释放结合水以及相反电荷离子而引起的熵增（4）；材料表面使蛋白质变性引起的熵值增加（5） ；在蛋白质从材料表面的脱附过程中，有三个因素使黏附表面去稳定化并引起脱附：溶剂热扰动（6） ；剪切流动（7） ；其他能够更稳定地吸附于表面的物质和蛋白质竞争吸附所做的功（8）。,从蛋白质靠近材料表面，到在生物材料表面黏附，到从材料表面脱附的每一个过程中都有其独自的特征。在靠近过程中，蛋白质分子的输运性质和蛋白质与材料表面的本征相互作用共同决定蛋白质靠近表面的程度，它们也同时受溶剂分子运动和其本身分子运动性质的影响。,当单一、静态的蛋白质溶液与基底材料接触时，黏附速率取决于蛋白质从本体溶液向基底材料的传输速率。Andrade 和Hlady认为有四种传输机制：扩散，热运动，流动和偶联运动-扩散。在等温下，平行的层状流动或静态体系中蛋白质的传输只能靠扩散来完成；而在扰动或搅拌体系中，四种传输方式都可发生。,4.2.3 蛋白质吸附研究方法,材料表面吸附的蛋白质数量、组成和构象可用多种分析与测量方法来表征，如圆二色谱法、差示扫描量热法、酶联免疫分析、傅里叶变换红外光谱及衰减全反射光谱、放免分析、全内反射荧光、椭圆偏振、扫描力显微术和石英微天平等等。,4.1 生物相容性概念与定义 4.1.1 血液相容性 4.1.2 组织相容性4.2 蛋白质吸附 4.2.1 蛋白质吸附的重要性 4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学 4.2.3 蛋白质吸附的研究方法 4.2.4 蛋白质吸附的Vroman效应 4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性4.3 宿主-生物材料的相互作用 4.3.1 材料反应 4.3.2 宿主反应 4.3.3 结构相容性问题4.4 免疫细胞与组织修复 4.4.1 炎症细胞在组织修复中的作用 4.4.2 生长因子在组织修复中的作用,差示扫描量热技术可通过测量蛋白质在溶液中或在材料表面的热变性时的热焓，通过转变热的差值推导出蛋白质的构象变化。,红外光谱及衰减全反射光谱可用来研究蛋白质在表面吸附前后的构象变化。,放射免疫分析是测定表面蛋白质数量最直接的工具,石英微天平也可测定微量吸附的蛋白质。,表面蛋白质层的厚度可通过椭圆偏振技术得到。,高度专一性的单克隆和多克隆抗体技术可特异性地检验到吸附蛋白的构象及组成。因此，不仅对细胞与吸附蛋白的数量关系进行研究，同时可对细胞与蛋白质的组成及构象进行比较。,4.1 生物相容性概念与定义 4.1.1 血液相容性 4.1.2 组织相容性4.2 蛋白质吸附 4.2.1 蛋白质吸附的重要性 4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学 4.2.3 蛋白质吸附的研究方法 4.2.4 蛋白质吸附的Vroman效应 4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性4.3 宿主-生物材料的相互作用 4.3.1 材料反应 4.3.2 宿主反应 4.3.3 结构相容性问题4.4 免疫细胞与组织修复 4.4.1 炎症细胞在组织修复中的作用 4.4.2 生长因子在组织修复中的作用,4.2.4 蛋白质吸附的Vroman效应,蛋白质在材料表面的吸附是继水和无机盐粒子吸附后在几秒钟内发生的。血小板和血液中的其他有形成分直到1分钟后才开始黏附，此时蛋白质层的厚度约20nm。因此，在固-液界面上，黏附的蛋白质必将影响到后续过程的发生，因此细胞必须和该层蛋白质发生作用。所以，黏附蛋白如纤维粘连蛋白、玻璃粘连蛋白和胶原蛋白等能够调控材料和细胞的作用。,实验：蛋白质在玻璃表面的吸附呈先后次序。在玻璃与血浆接触2s时，可检测到纤维蛋白原，而在25s后而检测不到。椭圆偏振测量表明蛋白质层的厚度并没有变化纤维蛋白原被亲和性更强的其他蛋白所取代，即发生吸附蛋白置换的结果。在吸附过程初期，纤维蛋白由于浓度较高而优先占据材料的表面。随着时间的推移，吸附的纤维蛋白原被浓度较低但亲和性能更强的高分子量激肽原所取代，因而纤维蛋白原含量降低，但蛋白质层的厚度则保持不变。,Vroman效应如果溶液中蛋白质分子浓度高和/或蛋白质的尺寸小(扩散系数大)，则蛋白质将迅速到达表面，这些与表面亲和力较小的蛋白质可能优先吸附。随着时间变化，那些与表面有较大亲和力的蛋白质将缓慢到达表面，并与己经吸附的蛋白质发生交换。直到与表面有强的相互作用的蛋白质全部吸附在材料表面，蛋白质交换的过程才结束。这个逐级碰撞、吸附、交换的过程称为Vroman效应,Vroman效应仅是蛋白沉积和置换结果的一部分。蛋白质按照尺寸与浓度的先后次序吸附于材料表面，然后被浓度较低但和基底材料有更高亲和性的蛋白质所取代。体外研究表明，在血浆和全血中观察到Vroman效应，说明血细胞的存在并不影响纤维蛋白原从血浆中的吸附。进而可以推断Vroman效应在体内同样能够发生。因为几乎所有的哺乳动物与材料的作用都是通过吸附的蛋白质层的调节来完成的，因此蛋白质沉积的动力学也是非常重要的。,4.1 生物相容性概念与定义 4.1.1 血液相容性 4.1.2 组织相容性4.2 蛋白质吸附 4.2.1 蛋白质吸附的重要性 4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学 4.2.3 蛋白质吸附的研究方法 4.2.4 蛋白质吸附的Vroman效应 4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性4.3 宿主-生物材料的相互作用 4.3.1 材料反应 4.3.2 宿主反应 4.3.3 结构相容性问题4.4 免疫细胞与组织修复 4.4.1 炎症细胞在组织修复中的作用 4.4.2 生长因子在组织修复中的作用,材料的生物相容性受许多因素的影响，如表面的亲/疏水性、电荷性质、表面能、化学官能团与生长因子或黏附因子等。事实上，上述材料性能对生物相容性的影响在微观的本质上都与表面黏附蛋白的构象密切相关。,亲/疏水性,电荷性质,化学官能团,生长因子等,4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性,亲水性材料比疏水性材料具有更好的生物相容性。,亲水性材料比疏水性材料具有更好的生物相容性,一、细胞与生物材料的粘附,二、蛋白质空间构象影响生物材料生物相容性,三、蛋白质分子在生物材料表面的吸附直接受水分子在材料表面的聚集态结构所影响。,1、水在生物材料表面的结构特点,2、从热力学上解释,3、从动力学上解释,4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性,一、细胞与生物材料的粘附,细胞在材料表面粘附过程的示意图,细胞膜表面的受体（receptor）能够特异性地识别细胞外基质中的配体，进而实现细胞与外界的信号传导。细胞在材料表面的黏附也是通过上述“生物识别”来实现的。细胞的表面存在一类叫做整合素(Integrin)的跨膜受体。黏着因子除整合素外，细胞膜表面还有其他与细胞黏附有关的受体。,在动物体内，细胞外基质中的胶原蛋白、纤维粘连蛋白、玻璃粘连蛋白和层粘蛋白等都是整合素的配体，统称为黏附蛋白。现在已经证明，细胞膜表面受体可以特异性识别这些黏附蛋白中的某些肽段，进而影响到细胞的黏附、增殖、迁移、取向、分化与活性等功能。,在材料-组织的相互作用过程中，材料表面最初阶段出现的是中性粒细胞和巨噬细胞，它们的受体和吸附的蛋白质相互作用，释放出细胞素、酶和化学信号，进而引导其他细胞的生长。,材料-界面蛋白质-细胞-生物系统相互间的信息传递决定了材料的生物相容性，初步的研究结果表明，吸附于生物材料表面的蛋白质能否维持其天然的空间构象是决定生物材料是否具有良好生物相容性的重要因素。,二、蛋白质空间构象影响生物材料生物相容性,当吸附于材料表面的蛋白质能够维持其天然构象或未产生可以引发不良级连反应的构象时，细胞在该材料表面表现出良好的相容性能；反之，当吸附的蛋白质发生变性或产生可以引发不良级连反应的构象时，则细胞在该材料表面表现出差的相容性能。,1、水在生物材料表面的结构特点在纯水中，水分子相互之间可通过氢键自发形成氢键网络结构，这种行为称为水分子的自组合。疏水性的材料表面无法与水分子形成氢键，这使水分子只能通过自组合而形成一种较为有序的、疏松的排列结构，这种结构使得疏水性材料表面水的密度要比水本体的密度低一些。而亲水性的表面可以和水分子形成稳定的氢键，从而与水分子自身的氢键相互竞争，因而破坏了水分子的自组合，造成了氢键网络结构的坍塌，结果是水分子在亲水性材料表面采取一种无序的、致密的排列结构，使得亲水性材料表面的水的密度比其本体的密度高。,三、蛋白质分子在生物材料表面的吸附直接受水分子在材料表面的聚集态结构所影响。,已经发现，两种疏水性材料表面之间存在着长程的相互吸引力，又称为疏水作用力；两个亲水性的表面之间却存在着相互排斥的作用力。即两个较为疏松有序的水分子聚集结构之间存在着吸引力；而两个无序致密的水分子聚集结构（水化层）之间存在着排斥力。,蛋白质分子链中既有疏水的氨基酸残基，又有亲水的氨基酸残基。血浆中多数蛋白质如纤维粘连蛋白都属于糖蛋白，其分子链中都含有亲水的寡聚糖链。在水溶液中，蛋白质分子采取疏水部分向内、亲水部分向外的天然构象，因此，在蛋白质分子的周围也存在着较为致密的水化层。这种水化层与亲水性表面的排斥力将不利于蛋白质在亲水性表面的吸附。疏水性的表面比亲水性的表面更容易吸附蛋白质分子。,2、从热力学上解释当溶液中蛋白质分子吸附于疏水性材料表面时，其分子链的构象进行调整，使得分子链中的疏水部分与疏水性的材料表面相互接触，而分子链中的亲水性部分则与水分子相互作用。蛋白质的这种吸附行为破坏了水分子在疏水材料表面的疏松有序排列，增大了体系的熵值，降低了水与材料表面之间的自由能，在热力学上是有利的。反之，随材料表面亲水性的提高，蛋白质在材料表面的吸附将逐渐转变为热力学上不利的行为。,3、从动力学上解释疏水材料表面与蛋白质分子中疏水部分之间的疏水吸引力有利于蛋白质分子在材料表面的吸附，而亲水材料表面的水化层和蛋白质分子周围的水化层之间的排斥作用不利于蛋白质的吸附。,因此：亲水性材料比疏水性材料具有更好的生物相容性。,疏水表面蛋白质黏附的较为牢固，不易脱落，且易导致蛋白质的构象变化；而亲水表面对蛋白质的黏附强度较低，有利于蛋白质的构象调整。这样，当细胞作用于蛋白质层时，细胞与蛋白质分子的相互作用可以使黏附蛋白采取更为有利的空间结构。,亲水性材料比疏水性材料具有更好的生物相容性,一、细胞与生物材料的粘附,二、蛋白质空间构象生物材料生物相容性影响,三、蛋白质分子在生物材料表面的吸附直接受水分子在材料表面的聚集态结构所影响。,1、水在生物材料表面的结构特点,2、从热力学上解释,3、从动力学上解释,4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性,当蛋白质分子吸附于疏水性材料表面时，为了使分子链中的疏水残基与疏水性的材料表面相互接触，其构象需进行调整，这有可能使蛋白质分子失去生理活性。在高度疏水性的生物材料表面，蛋白质分子高度变性，吸附过程变为不可逆过程，蛋白质分子不能解吸附。高度疏水性的表面可用于制备具有良好抗凝血性能的血液相容性材料。这是因为1）吸附在材料表面的血浆蛋白由于变性而无法引发凝血过程。2）高度的疏水性促成了大量的白蛋白在材料表面的不可逆吸附，而白蛋白不具有促进血小板粘附和引发凝血过程的功能。,高度亲水性的表面（如固定了聚乙二醇的表面）也被成功地用来制备优良的抗凝血材料这是因为高度亲水性的表面可阻止血浆蛋白的吸附和血小板的黏附，使凝血过程无法发生。两种在亲/疏水性方面走向极端的材料都具有良好的抗凝血性能，然而它们并不能有效促进细胞的生长，即不具有良好的细胞相容性。,从蛋白质吸附解释亲水性材料比疏水性材料具有更好的生物相容性,亲水性材料比疏水性材料具有更好的生物相容性,一、细胞与生物材料的粘附,二、蛋白质空间构象生物材料生物相容性影响,三、蛋白质分子在生物材料表面的吸附直接受水分子在材料表面的聚集态结构所影响。,1、水在生物材料表面的结构特点,2、从热力学上解释,3、从动力学上解释,4.1 生物相容性概念与定义 4.1.1 血液相容性 4.1.2 组织相容性4.2 蛋白质吸附 4.2.1 蛋白质吸附的重要性 4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学 4.2.3 蛋白质吸附的研究方法 4.2.4 蛋白质吸附的Vroman效应 4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性4.3 宿主-生物材料的相互作用 4.3.1 材料反应 4.3.2 宿主反应 4.3.3 结构相容性问题4.4 免疫细胞与组织修复 4.4.1 炎症细胞在组织修复中的作用 4.4.2 生长因子在组织修复中的作用,材料在生物体内的反应,医疗器械的复杂性主要取决于植入体对于宿主的影响以及宿主对于植入体的影响这两方面的因素。大部分的变化对生物体都有不利的影响。,几种植入材料表面在生物材料环境下常见的变化,4.1 生物相容性概念与定义 4.1.1 血液相容性 4.1.2 组织相容性4.2 蛋白质吸附 4.2.1 蛋白质吸附的重要性 4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学 4.2.3 蛋白质吸附的研究方法 4.2.4 蛋白质吸附的Vroman效应 4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性4.3 宿主-生物材料的相互作用 4.3.1 材料反应 4.3.2 宿主反应 4.3.3 结构相容性问题4.4 免疫细胞与组织修复 4.4.1 炎症细胞在组织修复中的作用 4.4.2 生长因子在组织修复中的作用,4.3 宿主生物材料的相互作用,聚合物材料与生物组织相接触时，同时发生多种相互作用。这些作用可分为两个方面，即材料反应和宿主反应,机械作用磨损，冲击，反复扩张与压缩等,物理化学作用溶解，吸附，渗透等,化学作用分解，改性等,急性全身反应变态反应，急性毒性反应等,慢性全身反应慢性毒性反应，变性等,急性局部反应凝血，急性炎症等,慢性局部反应肿瘤，钙化等,生物体,聚合物材料,物理性能变化形状，尺寸，强度，弹性，蠕变，硬度，透明，软化点，耐磨性，导热与导电性等,化学性能变化亲/疏水性，酸/碱性，吸附，渗透，溶解，耐辐射与耐化学腐蚀性能等,4.3.1 材料反应(biomaterials response),材料反应是材料对生物机体作用产生的反应，材料反应的结果可导致材料结构破坏和性质改变。高分子医用材料在使用过程中，常需与生物机体、体液、血液等接触。生物系统中包含有各种无机离子、小分子无机物和大分子有机物。在这些物质的作用下，高分子材料的物理化学性质都会发生一定程度的变化。高分子材料的材料反应：通过机械的、物理化学的和化学的相互作用，聚合物材料在生物环境中可以被腐蚀、吸收、降解、磨损和失效，主要表现以下形式：,体液、自由基或生物酶引起聚合物的降解、交联和相变化，使材料的理化性质退变，甚至引起解体而失效；在体液作用下，聚合物中的小分子添加剂渗出，导致力学性质变化；体液引起材料的化学腐蚀生物体的吸引引起材料的功能特性改变，如使材料的弹性模量降低、屈服应力升高；血液、体液中的类脂质、类固醇及脂肪等物质渗入或覆盖高分子材料，使材料增塑或钙化，导致性能下降。例如，由于钙化而使生物瓣膜缩短其使用寿命。,聚合物材料在生物体中的稳定性取决于其结构，看其是否禁得住机械力、生理体液、自由基、酶等因素的影响而不发生磨损、降解或交联等变化。如：含有酯基、酰胺基和氨基甲酸酯的聚酯、尼龙、聚氨酯等聚合物易发生水解；聚乙烯则易发生自由基的氧化降解；而聚四氟乙烯稳定性则十分优良。生物降解材料制成的手术缝合线、组织胶黏剂等器件，应当具有一定的降解性和降解速度，在完成相应的效应之后，希望能够尽快的被组织分解、吸收或排除体外，生物材料的降解速度应当与细胞增殖以及组织的再生相匹配；降解所形成的小分子等降解产物应是对人体无害的，不能对机体产生不利的影响。,生物降解材料作为组织再生支架能提供暂时而必要的力学支撑。这要求材料初期强度高，在体内逐渐降解，同时将力学载荷转移到新生组织。对生物降解材料的降解速度实施调控，使支架的降解速率和新组织的生成速率相接近。为使组织修复用生物材料具有适宜的力学强度及降解速率，对皮肤替代物需控制数月降解；对有些组织替代物，如人工软骨，希望支架可梯度降解，使细胞能够长入。,聚乳酸的材料反应在最初阶段，聚乳酸的降解是不均匀水解。由于材料内部存在较强的自加速效应，内部的降解速度要比表面快。聚乳酸水解主要包括四个过程：吸水、酯键断裂、可溶性低聚物的扩散和碎片溶解。当把聚乳酸材料进入水性介质中或植入体内后，首先发生的是材料吸水。从扩散的观点看，渗入材料的水很快在材料表面和内部形成一个梯度，但是这种梯度会在几天内消失，因为水分子的扩散速度比酯键的断裂速度要快很多。因而，可以认为开始时酯键的水解是均匀的。,以下两种现象都很重要：首先降解能增加羧端基的数量，这些羧端基反过来会加速酯键的水解；其次，只有能溶于周围水性介质的低聚物才能从材料上脱离下来。随着时间延长，那些位于材料表面的可溶性低聚物可以在完全降解之前被分离出来，而那些在材料内部的低聚物仍然受到束缚，导致内部的酸性大于表层，从而导致羧基浓度的内外差异。,随着降解进行，材料内部会有越来越多的羧基加速内部材料的降解，并进一步增大内外差异。当内部材料完全转变为可溶性低聚物并溶解在水性介质中时，就会形成表面由完全降解的高聚物组成的中空结构，其表层厚度由很多因素决定，如扩散速度和酯键的断裂速度。研究发现，纯高分子量的聚乳酸膜的吸收过程很慢；随着低分子量低聚物含量的增加，降解速度加快。低分子量聚乳酸降解速度加快的原因是因为增加了可以加速主链酯键断裂的羧基含量,4.3.2 宿主反应,宿主反应是生物机体对植入材料的反应。宿主反应的发生是由于生理环境的作用，导致构成材料的组分原子、分子以及颗粒、碎片等代谢产物进入机体组织。宿主反应是由材料本身的化学作用和材料制品的机械作用所引起的，即构成材料的元素、分子或其他降解产物被释放入邻近组织甚至整个活体系统，材料制品对组织的机械、电化学或其他刺激作用所造成的。,生物材料植入体内以后首先细胞对植入材料进行自体/异体识别，如果被识别为异体材料，则发生炎症反应；其次植入材料被蛋白质包裹，在植入材料表面形成一层蛋白质膜。随后此蛋白膜和细胞表面受体相互作用，诱发病变部位的细胞增殖、分化形成相应组织。如果植入材料与细胞间的非特异性作用被完全抑制，同时具备细胞识别的相应位点，则可实现植入材料与细胞间的直接作用，诱发病变部位组织增生。,宿主反应可有急性和慢性反应；局部和全身反应；按反应类型可分为组织反应、血液反应和免疫反应。宿主反应可能是消极的，如全身毒性、细胞毒性、溶血、凝血、致敏、致癌和免疫反应等，导致组织和机体的毒副作用和机体对材料的排斥作用，即材料的生物不相容性；也可以是积极的，如新生血管内膜在人工血管表面生长、韧带假体对软组织的附着、组织长入多孔材料的孔隙以及硬组织依托植入体重建等，其结果有利于组织的生长和重建，即材料的生物相容性。典型的宿主反应包括组织反应、血液反应、免疫反应和全身反应。,4.3.2.1 组织反应,当生物医学材料与人体血管外组织接触时，局部的组织对异物产生一种机体防御性反应。例如植入物周围组织将出现和聚集白细胞、淋巴细胞和吞噬细胞，发生不同程度的急性炎症。当材料有毒性物质渗出时，局部炎症不断加剧，严重时出现组织坏死。长期存在植入物时，材料被淋巴细胞、成纤维细胞和胶原纤维包裹，形成纤维性包裹囊，使正常组织与材料隔离。如果材料稳定，没有毒性物质渗出，则在半年或更长时间内包膜囊变薄，囊壁中间淋巴细胞消失。这一薄包膜囊也变成释放体系的缓释层。如果材料中残留的小分子毒性物质不断渗出，就会刺激局部组织细胞形成慢性炎症，材料周围的包囊壁增厚，淋巴细胞浸润，逐渐出现肉芽肿或发生癌变。,在组织相容性中，最受关注的两个问题，炎症和肿瘤。炎症 在体内使用的生物医学材料在临床上最常见的并发症是感染性炎症。引起感染的原因有：植入手术过程中，皮肤或组织造成损伤，给微生物的浸入提供机会；生物医学材料本身灭菌不彻底带来的污染；生物医学材料引起的无菌性炎症，如聚乳酸在体内降解时造成局部酸性增加，抑制体内抗炎防御体系的反应性，增加了局部的感染性。肿瘤 生物医学材料引起的肿瘤在体内时缓慢发生的，与材料本身含有毒性物质以及外形和表面性能 有关。最近有报道说明金属植入性生物医学材料和合成纤维人工血管周围会发生肉瘤性损伤。目前研究表明，75%以上肿瘤是植入15年后才发生，而且绝大多数有很长的潜伏期。因此，对长期在体内应用的生物医学材料要进行慢性病毒、致突变和致癌的生物学试验。,4.3.2.2 血液反应,近年来心血管系统用生物医学材料研究进展很快，例如各种介入导管、血管支架、血管栓塞剂、封堵管等。材料与血液直接接触时，血液和材料之间将产生一系列生物反应。这些反应表现为：材料表面血浆蛋白吸附，血小板粘附、聚集、变形，凝血系统被激活，有可能形成血栓。通常情况是：材料表面在与血浆接触时，首先吸附血浆蛋白，接着发生血小板黏附、聚集并被激活，同时也会激活血凝因子，随后血小板和凝血系统进一步相互作用，最后形成血栓。,目前，主要通过改变材料结构和表面性能来提高材料的血液相容性。例如采用亲水-疏水微相分离结构、表面肝素化，都有助于提高材料的血液相容性。血液相容性的体内外评价方法也很重要，特别是从分子水平上研究材料与血液的相互作用，阐明它们之间的关系和机制，包括血液中各种酶、细胞因子、补体的裂解产物在材料与血液相互作用中的影响，通过建立比较完善的血液相容性材料的设计理论和研究方法，可更好地开发出新的血液相容性生物医学材料。,4.3.2.3 免疫反应,人体的免疫系统是保护屏障，可防御侵害人体健康的物质和引起疾病的感染源以及其他环境因素和肿瘤。主要有两种机制：一是非特异性免疫反应，如单核巨噬细胞、粒细胞和异体巨噬细胞都属于非特异性防御的炎性细胞；二是针对诱导物的特异性和适应性机制，如淋巴细胞、巨噬细胞及其细胞因子产物都属于特异性防御的体系。免疫系统可对侵入的微生物和异物进行不同方式的应答，包括体液免疫应答以及T细胞、巨噬细胞和单核细胞介导的细胞免疫应答。,免疫毒性物质可对免疫体系产生有害的作用，改变免疫系统微妙的平衡，导致下列有害反应：由于免疫系统中一种或多种损伤或功能削弱，而产生免疫抑制反应，结果造成免疫功能抑制或机体的政策防御功能被损害。由于特殊免疫应答中的化学物质或蛋白质引起的刺激，结果引起超敏和变态反应性疾病。由于直接或间接刺激自体应答或自体免疫，引起自身免疫性疾病。目前，临床已证实有些生物医学材料会产生免疫毒性。例如：某些医用材料植入物会造成异体型慢性炎症反应，因此，必须高度重视生物医用材料可能引起的免疫毒性反应。,4.3.2.4 全身反应,以上三种反应会形成局部的毒副作用，也会进一步发展形成全身毒性反应，同时进入体内的一些毒性物质也可诱发分子突变，甚至形成癌变。这些生物学反应在临床上表现为以下并发症：渗入物反应 由于材料在合成及加工过程中含有低分子量物质如引发剂、催化剂等，所以当这些材料植入人体后，在生理环境中往往会将这些低分子量物质渗出，造成对人体的危害。例如，聚氯乙烯的单体会引起四肢血管的收缩而产生疼痛，并会引起痉挛；聚甲基丙烯酸甲酯的单体进入人体循环系统会引起肺功能障碍。感染 这是植入性生物材料在治疗上最常见的并发症之一，约1%-10%的植入患者会发生感染。,4.3.3 结构相容性问题,作为与生理系统直接接触的生物医用材料，至少需满足的组织相容性：化学上惰性，不会因与体液接触而发生反应；不引起人体组织炎症和异物反应；不致癌；非降解植入物，长期植入体内不减小机械强度；能承受必要的清洁灭菌而不变性。上述内容核心问题是不引起组织的不良反应，达到与组织的融洽相处。此外，还应能够有效促进细胞的黏附、增殖和分化，最终得到组织工程化的组织或器官。,高分子本身的化学结构和表面性能对炎性细胞的反应也有不同程度的影响。材料本身的化学结构，如降解性对巨噬细胞的聚集与活化有很大影响。,实验：将四种不同材料聚酰胺，聚二噁烷酮、聚乙酸乳酸聚酯、羊绒线纤维植入硅橡胶导管内，引导神经的再生，四周后发现，聚乙酸乳酸聚酯和羊绒线纤维表面存在厚的ED1单克隆抗体阳性细胞层（ED1是侵入性巨噬细胞的标志）而聚酰胺，聚二噁烷酮表面较薄,材料的生物相容性不仅和材料的本征结构有关，还与材料表面拓扑结构密切相关。,原因认为，大体积薄片是植入物周围的细胞代谢受到干扰和障碍，营养和氧的供应不足，以及长期受到异物刺激而使细胞异常分化。,同一种化学结构的材料制备成三个表面结构不同的样品，毒性分析表明都没有可被萃取的物质，但在软组织植入中却表现出截然不同的诱发组织增生性。,将聚苯乙烯和聚（4-溴代乙烯）共混浇铸成膜，在表面形成岛状拓扑结构，这种结构对成纤维细胞响应强烈，细胞黏附后迅速产生丝状伪足，并形成细胞骨架。箭头：伪足,因此，材料的生物相容性除了包括材料固有的表面化学结构的相容性外，还应该考虑材料的表面拓扑结构的相容性，即结构相容性，后者在很多场合直接觉得了材料的生物相容性。,4.1 生物相容性概念与定义 4.1.1 血液相容性 4.1.2 组织相容性4.2 蛋白质吸附 4.2.1 蛋白质吸附的重要性 4.2.2 蛋白质吸附热力学与动力学 4.2.3 蛋白质吸附的研究方法 4.2.4 蛋白质吸附的Vorman效应 4.2.5 蛋白质吸附与生物相容性4.3 宿主-生物材料的相互作用 4.3.1 材料反应 4.3.2 宿主反应 4.3.3 结构相容性问题4.4 免疫细胞与组织修复 4.4.1 炎症细胞在组织修复中的作用 4.4.2 生长因子在组织修复中的作用,4.4 免疫细胞与组织修复,4.4.1 炎症细胞在组织修复中的作用,在体内，生物材料的植入或微生物的感染首先引起了宿主免疫系统的识别，即异物反应。如前所述，在与体液接触的短时间内，材料表面会吸附一层体液蛋白。在其后引发血小板粘附及活化的情况下，经外源、内源两条途径激活凝血过程，同时释放血管活性和化学趋化性物质，引起一系列血管和细胞的运动。,在激活与聚集的同时，血小板分泌释放多种活性物质，主要如生长因子，酶类等，在异物反应、感染或凝血过程发生的情况下，血管的通透性增高，血管内大分子漏出进入间质。在化学趋化作用下，炎症细胞透过血管壁向生物材料表面聚集。（图4-8）,炎症细胞的种类及其功能,1、中性粒细胞,（1）早期出现在材料表面的主要炎症细胞。中性粒细胞的尺寸较小，是最容易运动的细胞。它通过吞噬作用等清除坏死组织和异物，保护正常的组织，防止感染发生。（2）中性粒细胞也同时分泌释放多种介质和酶。前者有血小板活化因子、肝素等，后者主要是胶原酶和蛋白酶。这些介质有助于单核细胞、成纤维细胞、内皮细胞的趋化迁移和基质结构的降解。一般认为中性粒细胞不直接参与纤维增生和伤口愈合。,血液中的单核细胞在多种炎症介质的趋化下，继血小板、中性粒细胞之后，很快到达创伤局部、材料表面或感染源，并转化为巨噬细胞，随后数量逐渐增多。几天后，成为浸润在材料周围的主要炎症细胞。,2、巨噬细胞,（1）清除“废墟” 清楚损伤细胞、纤维蛋白、基质和病原体及材料微粒（2）通过释放各种生物活性物质对创伤进行调控 包括多肽生长因子、白介素、肿瘤坏死因子、血小板衍化生长因子、酶类等。这些物质对创伤愈合中的炎症反应、纤维形成、血管形成等有重要作用（3）促进血管生成.,因此，巨噬细胞是介导机体体液免疫与细胞免疫的关键环节。外来抗原进入机体后首先由巨噬细胞对其进行消化处理，以最有效的方式将抗原的免疫原提呈给T淋巴细胞，以启动机体的免疫反应。,如上所述，炎症细胞是在趋化因子的作用下，以逆趋化因子的浓度梯度的方向向异物、感染源或创伤部位进行趋化运动。炎症细胞对趋化因子的反应时通过细胞膜表面的特异性受体介导的，在与其特异性炎症配体结合后将信号通过G蛋白传递到胞内。,巨噬细胞的激活配体有如下几类：,1、补体受体,补体在诱导炎症反应，尤其是创面局部的炎症反应中具有重要作用。炎症作用，调理吞噬作用和溶解细胞作用。,促进吞噬细胞的吞噬（调理）作用,2、Fc受体通过免疫球蛋白与抗原或材料的结合，达到调理巨噬细胞对抗原或材料的吞噬作用,3、脂多糖4、细胞因子受体及其他受体除中性粒细胞和巨噬细胞外，淋巴细胞尤其是T细胞和肥大细胞在创伤愈合、纤维组织形式方面也起着重要的调理作用。,创伤愈合过程中，T淋巴细胞发挥着重要的免疫调节作用，既能通过直接杀伤微生物和激活单核巨噬细胞共同参与特异性宿主免疫反应，也能分泌淋巴因子影响其他免疫细胞的免疫活性，调控创面愈合过程。,3、淋巴细胞,4、肥大细胞作用：释放组胺临床：变态反应炎症,对创伤愈合过程中的免疫调节机制的分析，有助于人们加深对创伤愈合的理解；在分子水平上对中性粒细胞、巨噬细胞和淋巴细胞之间相互作用本质的了解，有助于人们主动调控免疫细胞的功能，加速创伤的愈合，提供新的路径。,4.4.2 生长因子在组织修复中的作用,成纤维细胞生长因子（FGF）在体内生物学效应广泛，它以两种密切相关的形式存在，即（1）碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）和（2）酸性成纤维细胞生长因子（aFGF）。它们的结构具有高度同源性，基因组成相似。 分子量和等电子点不同。bFGF是体内最有效的血管形成因子之一，