医用材料生物学基础－蔡伟第四章植入材料与细胞作用界面文档资料.ppt

,基本概念和内涵,种植界面:当生物医学材料植入到人体后，与机体组织形成的作用界面材料与细胞界面:材料与细胞间产生相互作用和交换与结合的界面关系,是种植界面的一种形式 多学科的形成：随着现代生命科学的崛起，其研究已从形态学深入到分子结构，使观察生命现象和探索生命过程的模拟研究达到了一个新的水平。对种植界面研究也不断深化，已逐渐形成了界面物理学、界面化学、界面生物学、界面组织学、界面形态学、界面微生物学、界面力学、界面细胞学等学科。,基本概念和内涵,界面细胞学：研究基础和核心，涉及的面非常广，几乎包括所有的界面关系，因此，材料与细胞作用的界面问题是国内外极为关注的中心议题主要内容：界面结合形式与结构，界面关系，界面反应，界面理论，界面检测与评价等,材料与细胞界面结合形式,1.暂时附着界面 这种界面是因采用了生物相容性差的材料，或是采用了还不具备作为体内植入的材料 当植入体内后，机体组织立即产生强烈的异物反应或毒性反应，只是暂时性附着而在短时间内就产生排异作用，是一种失败的界面结合形式。,材料与细胞界面结合形式,2.纤维结合界面 当采用生物相容性不佳或材料表面形态不适合植入部位所要求的条件，如一般的丙烯酸酯类聚合物、非贵合金等，植入体内后将在材料表面形成很厚的结缔组织包裹层，并随植入时间的加长，这种结缔组织包裹层不变薄不消失，而且逐渐变致密、钙化，阻碍了材料与机体组织间的物质代谢，最终因积液、炎症、坏死而被排异，是一种不良的界面结合形式。,材料与细胞界面结合形式,3.骨接触界面 当采用具有生物惰性的植入材料，如纯钛、钛合金、氧化铝陶瓷、碳素陶瓷等植入体内后，特别是植入骨内后，材料与骨组织形成的接触界面有薄层纤维组织存在或伴有不同程度的钙盐沉积 这种界面往往处于不稳定状态，随植入时间的加长，纤维层逐渐变得很薄或消失，而且还可能在界面上出现薄层骨，但仍缺乏明显的新生骨细胞生长，骨形成缓慢，是一种有效的界面结合形式。,材料与细胞界面结合形式,4.骨结合界面 当采用具有磷钙成分结构的材料，如生物医学玻璃、玻璃陶瓷、磷灰石陶瓷等，植入骨内后，因这些材料具有类似人体骨的无机成分和结构，亲骨性好，新生骨细胞活跃，骨生长明显，材料与骨组织间很快形成稳定的骨结合界面，是比较理想的界面结合形式。,材料与细胞界面结合形式,5.生物性结合界面 这种结合界面要求材料必须具有人体组织的多相结构和生理活性物质，能参加到生命过程中的分子、原子的运动变化规律之中，不断交换能量和物质或产生相互组合，进入正常的人体代谢，使材料与机体组织界面形成生物性的结合，纳入机体的一部分而长期发挥生理功能作用，这是理想的界面结合形式。,材料与细胞界面关系,1.一般细胞界面关系 当材料植入体内后，首先是与血液和组织液接触，在界面上将长期存在着细胞代谢关系，这种代谢主要来源于血液和组织液中的粘多糖、糖蛋白和各种蛋白质以及细胞外物质等，他们相互间将不断产生物理和化学反应。通过界面组织学观察、细胞学检测、生物化学和生物力学的测定等手段来了解界面的PH值、各价离子、各种细胞酶、蛋白质和其他细胞对界面结合的影响，特别是血清蛋白和细胞外物质对细胞吸附所起的作用。,材料与细胞界面关系,1.一般细胞界面关系 生物医学材料植入人体后，很快在材料表面上发生各种细胞的吸附，随之，吸附面也逐渐扩大。在此基础上，血清蛋白开始吸附，而且吸附力不断增加，接着是钙离子、镁离子等开始被吸附。此时，由于细胞外蛋白质和糖蛋白的存在，更加强了材料与细胞的吸附力，从而产生紧密的界面结合。,材料与细胞界面关系,1.一般细胞界面关系 在吸附的整个过程中，同时还伴随着细胞的新生和吸收，这是一种非常复杂的生命代谢现象。这种代谢现象还可以从体外细胞培养试验得到证实。比如目前一般采用人宫颈癌传代细胞(Hela cell)、人羊膜上皮细胞(FLcell)以及小鼠肺成纤维细胞(L929cell)等离体细胞，通过琼脂覆盖法、细胞增殖度法和细胞总体培增法等，对各种材料进行细胞培养试验，借以了解材料与细胞的界面关系。,材料与细胞界面关系,1.一般细胞界面关系 研究证实，亲水性高、而化学稳定性好的材料与细胞的结合性能均高于亲水性高而化学稳定性不佳的材料，更明显高于疏水性的材料。至于疏水性而化学稳定性差的材料，其细胞结合性能最差，这种材料在植入初期即使存在细胞的吸附，也很快会产生分解、变性、坏死和脱落。,材料与细胞界面关系,1.一般细胞界面关系 目前广泛采用的生物医学材料中，以生物医学玻璃、玻璃陶瓷、磷灰石陶瓷等的细胞结合性能为佳。它们在植入体内后，不仅能迅速产生细胞吸附作用，而且吸附层结合的非常紧密。一般认为，这类陶瓷的表面存在有一层结合水的结构，这层结构即便在10-7的真空中，加热到500以上也都很难去除。,1.一般细胞界面关系 上述陶瓷的表面极性很强，具有很高的亲水性，在植入体内后，能迅速地被细胞所润湿而产生很强的结合力。不仅如此，这类陶瓷吸附细胞后，对细胞的形态不产生任何影响，对细胞膜没有任何破坏作用，而且在界面上很快形成细胞群而产生良好的结合。,材料与细胞界面关系,2.血液细胞界面关系 无论生物医学材料植入到体内任何部位，都首先要与血液相接触而形成材料血液界面。材料与血液的血浆蛋白、免疫因子、细胞成分、凝血因子和血小板等产生相互影响。不同的材料，其性质有所差异，所引起的补体激活程度也不相同，有的还将产生副作用。,材料与细胞界面关系,2.血液细胞界面关系 近年来，虽然提出了很多关于材料血液界面的研究方法，但仍然是非常有限的，所以这方面的研究还处于发展阶段。因此，至今除依靠直接植入体内进行观察外，还没有一种体外实验能准确说明材料在体内如血液的反应过程和结果。,材料与细胞界面关系,2.血液细胞界面关系 目前有两个问题已被公认：一是，材料与血液接触后，机体防御系统的一系列反应都不是孤立存在的，而是相互作用、相互影响的。当材料接触到血液时，血液细胞中的多核白细胞、淋巴细胞、巨噬细胞、血小板等将立即作出反应，纤维蛋白开始溶解，补体系统也逐渐发生变化，而且这些反应都是相互联系的。二是，材料与血液发生的相互作用，不仅是一种局部反应还涉及全身的影响，同时还存在反应的时间顺序和规律问题。,材料与细胞界面关系,3.骨细胞界面关系 在研究生物医学材料与细胞界面的相互关系中，除一般细胞关系、血液细胞关系外，与骨细胞的关系的研究占有更重要的位置。材料与骨细胞的作用界面，包含骨接触界面关系和骨结合界面关系两种含义和内容。,材料与细胞界面关系,（1）骨接触界面的细胞关系 骨接触界面作为界面结合的一种形式，世界各国的研究基本集中在材料与骨的无机盐结构相对应的参数与匹配方面，对细胞界面的研究报道还不多。关于骨接触界面的细胞关系，由于形成这种界面是因材料缺乏亲骨性能，界面常处于不稳定状态，一般没有骨细胞活跃和新骨形成，仅有类骨质或软骨样细胞或薄层纤维膜存在，表现为一种程度不同的异物反应，这种界面往往妨碍了新骨形成。不仅如此，还可能成为骨的破坏因素。,材料与细胞界面关系-骨细胞界面关系,（1）骨接触界面的细胞关系 特别是当纤维膜包裹材料表面愈厚、减薄和消失过程愈慢，其界面结合效果愈差。这是因为材料被厚厚的纤维膜包裹后，材料与骨组织之间的代谢受阻，新生的血管无法长入，新生骨细胞不能形成，更难以进行物质和能量交换，而且材料与纤维膜之间容易形成死腔造成积液。其结果一方面纤维膜逐渐趋于疤痕化而变硬，像一个屏障使材料与骨组织隔开，在材料周围的细胞产生坏死，界面关系受到破坏，临床表现为，材料植入初期比较稳固，但逐渐出现松动脱落而失败。,材料与细胞界面关系-骨细胞界面关系,（1）骨接触界面的细胞关系 这种骨接触界面与植入材料的性质、结构、表面形态有非常密切的关系，比如纯钛或钛合金（Ti6Al4V）、单晶或多晶氧化铝陶瓷、热解碳或玻璃碳陶瓷以及聚砜等植入材料，虽然这些植入材料的亲骨性质不佳，但因程度不同，其结果存在差异。,材料与细胞界面关系-骨细胞界面关系,（1）骨接触界面的细胞关系 在同种条件下植入骨内后，在纯钛或钛合金与骨组织界面往往有各种细胞的吸附，并伴有纤维膜形成，纤维的方向往往与材料的长轴平行，纤维膜在材料表附着非常紧密，随着植入时间的推移，纤维膜将出现逐渐变薄的趋势，同时可能出现0.2-1微米的薄层新生骨，并伴随钙盐沉积，而且为细胞外扩化提供了条件，材料与骨组织的结合比较稳固，在骨接触界面中的细胞反应相应是比较好的。,材料与细胞界面关系-骨细胞界面关系,（1）骨接触界面的细胞关系 多晶氧化铝陶瓷与骨组织界面同样出现纤维膜，但纤维膜很薄而且消失很快，表面钙化出现比较早，材料周围的骨组织有轻度活跃，可见部分新生骨形成，材料与骨组织界面的结合比较稳固，同属细胞反应较好的一种界面状态。,材料与细胞界面关系-骨细胞界面关系,（1）骨接触界面的细胞关系 单晶氧化铝陶瓷和热解碳或玻璃碳陶瓷与骨组织界面常常出现一层厚而致密的、排列整齐、方向与材料长轴完全平行的纤维膜，随植入时间的推移、纤维膜仅稍变薄，但长期均不消失，新生骨组织很少见，开始吸附的细胞逐渐解析和吸收，界面受到一定破坏。临床表现为，材料植入初期较稳固，以后逐渐出现不同程度的松动，最后导致失败。,材料与细胞界面关系-骨细胞界面关系,（1）骨接触界面的细胞关系 聚砜与骨组织界面很快形成厚而致密的纤维膜，材料周围死骨细胞存在，也无新骨形成，在短期内就出现明显的异物反应造成植入材料早期脱落。而含磷钙成分的聚砜复合材料，一般细胞界面作用可得到改善。,材料与细胞界面关系-骨细胞界面关系,（1）骨接触界面的细胞关系 从以上几种材料的界面效应可以看出，有的材料最终也只能形成骨接触界面，无骨细胞核新骨的形成，界面受到破坏，导致材料松动脱落；有的材料可随植入时间的推移，在形成骨接触的基础上，纤维薄膜变薄或消失，逐渐朝着骨结合界面的方向发展。,材料与细胞界面关系-骨细胞界面关系,（2）骨结合界面的细胞关系 骨结合界面的细胞关系与骨接触界面的细胞关系存在质的差异，这种界面的特征是：由结缔组织细胞向细胞外分泌出糖蛋白，逐渐形成骨的主要基质胶原蛋白及血液和体液中的钙、磷离子在材料与骨组织界面大量吸附积聚。界面的PH值处于偏碱性，碱性磷酸酶活性增高，有利于新骨形成。,材料与细胞界面关系-骨细胞界面关系,（2）骨结合界面的细胞关系 当材料植入骨内后，材料表面出现轻微溶解，加速对各种细胞的吸附沉积，胶原纤维和粘多糖表面与柔软的厚度为12微米的无定型凝胶层相结合，其离子及含量均与骨相似，对骨母细胞的生长具有促进作用，在新骨形成和矿化后，凝胶层将被骨中的羟基磷灰石所代替，与周围骨产生紧密结合。在材料与骨组织界面还存在着一定物质和能量交换及重组，界面代谢处于相对平衡和新的不平衡。,材料与细胞界面关系-骨细胞界面关系,（2）骨结合界面的细胞关系 在承受负荷的情况下，界面保持稳定，或可能仅仅出现约12微米的间隙，并能随时间加长而形成良好的骨结合界面。以上特征的出现均与材料含生理活性物质和亲骨性能有着密切的关系。,材料与细胞界面关系-骨细胞界面关系,（2）骨结合界面的细胞关系 获得骨结合界面的形式分为两种：即骨传导性生长和骨诱导性生长形成骨结合界面，这两种形式也有着不同的概念。,材料与细胞界面关系-骨细胞界面关系,（2）骨结合界面的细胞关系 一般认为，骨传导性生长形式是指材料植入骨内后，以接触传导作用产生骨结合，若材料与骨的距离大，不接触，这种骨结合界面形成很慢，甚至难以形成，只有材料与骨相接触或存在微小间隙时，材料通过血液、组织液的细胞作用，获得初步的细胞结合界面，再与骨之间产生骨细胞吸附、生长和结合，最后形成良好的骨结合界面。,材料与细胞界面关系-骨细胞界面关系,（2）骨结合界面的细胞关系 这种生长形式的出现，多系植入材料具有大量的磷钙成分和结构，如生物医学玻璃、玻璃陶瓷、磷灰石陶瓷以及磷酸钙等，由于这些成分和结构，与骨的无机成分和结构相类似，亲骨性能好，骨细胞的形成和吸附快，骨结合界面稳定、牢固。,材料与细胞界面关系-骨细胞界面关系,（2）骨结合界面的细胞关系 骨诱导生长形式是指材料种植入骨内后，无论材料与骨的间隙大小，都能诱发骨的活性，并加速新骨形成，更重要的是，即使这种材料植入到肌肉组织内也能使周围的肌肉组织诱导成骨。发生这种特殊现象的原因，往往是因为生物医学材料中含有骨诱导因子(又称骨诱导蛋白，bone morphogenetic protein简称BMP)。,材料与细胞界面关系-骨细胞界面关系,（2）骨结合界面的细胞关系 在1965年美国加利弗利亚大学MRUrixt等人首次报道了采用特殊处理的脱钙骨植入骨内后，能加速新骨形成，当植入到肌肉内后，同样发现材料的周围仍然也能形成新骨。到1968年对这一现象又有了新的认识，从脱钙骨中分离出了BMP，而且还证实了BMP是一种低分子量的多肽物质。,材料与细胞界面关系-骨细胞界面关系,（2）骨结合界面的细胞关系 最近，宾夕法利亚大学的研究人员还发现，BMP1因子位于第八对染色体上，BMP2因子位于第二十对染色体上，BMP3因子位于第四对染色体上。BMP既能与骨基质中的胶原和羟基磷灰石相结合，又能刺激脱氧核糖核酸(DNA)的合成和细胞复制，并通过未分化的间质细胞膜或细胞浆内受体的作用，诱使纤维细胞分化为软骨细胞和骨细胞，最后形成新生骨，而新生骨形成量与材料中所含的BMP量成正比。,材料与细胞界面关系-骨细胞界面关系,（2）骨结合界面的细胞关系 如果将这种材料植入骨内后，既存在骨传导生长，又存在骨诱导生长作用。通过实验也证明了，凡含有骨诱导物质的材料植入骨内都可能发挥同种效果。因此，研究材料与骨细胞界面的关系中，存在骨接触与骨结合两种界面关系，在骨结合界面的形成方式上又存在骨传导生长与骨诱导生长两个概念，弄清这些概念，对今后的界面研究具有非常重要的指导意义。,材料与细胞界面关系-骨细胞界面关系,4.软组织细胞界面关系 在研究生物医学材料与细胞界面的关系中，与软组织细胞的关系，主要是指作为人工牙根的生物医学材料植入颌骨内后，材料与牙龈组织的相互关系问题。由于目前的人工牙根植入后，还不能达到像天然牙与牙龈组织的结合关系，这已成为世界各国讨论的中心议题。,材料与细胞界面关系,4.软组织细胞界面关系 首先，天然牙与龈组织之间存在着紧密的结合上皮，龈纤维形成环状封闭状态，既能保证这种结合不受外来的机械性损伤，又能完全隔绝与口腔的感染通道，从而获得安静稳定的环境条件。同时天然牙颈部表面能与上皮内层细胞形成连续性结构，在牙釉质与牙本质的交界处，构成了完整的龈沟底，其间还存在100厚度的多糖类和蛋白质的复合基底层，而形成了一种生理性营养界面，使这种结合保持着生理性状态。,材料与细胞界面关系,4.软组织细胞界面关系 而植入体颈部除了需要以上的纤维性附着和上皮结合外，还需与植入体体部形成相连接的骨性结合，这样就出现了三种形式的结合，其界面的关系更加复杂、更加难以解决。研究表明，虽然植入体颈部的结合上皮以及渗出液的成分与天然牙结合界面相似，但其细胞间间隙比较大，细胞间的结合机构比较少，所形成的结合界面不佳。,材料与细胞界面关系,4.软组织细胞界面关系 另外，植入体颈部与牙龈组织基底层之间所在的上皮细胞的细胞膜，虽然也存在桥粒和半桥粒的结合形式，但是连接层很薄而不完全，再加上植入体周围上皮组织的胶原纤维的方向，不像天然牙周纤维那样的排列，而且也没有天然牙周组织的龈纤维和夏伯氏纤维那种结合。所以，不仅是植入体颈部的纤维性附着和上皮结合非常弱，而且还可能因上皮向植入体体部移行，影响体部与骨组织的结合。这就是植入体颈部与牙龈组织难以结合的原因。,材料与细胞界面关系,4.软组织细胞界面关系 为了解决这个问题，最重要的是需要获得产生这种结合界面的良好条件。目前有的人主张，植入体颈部必须是非常致密而光滑的表面，并具有良好的润湿状态，这样既可减少对牙龈组织的物理机械刺激，又有利于上皮细胞的吸附和结合，而且因表面的润湿性好，可以与细胞和蛋白质产生强烈的吸附作用，使上皮组织紧密附着于材料表面。,材料与细胞界面关系,4.软组织细胞界面关系 也有人主张植入体颈部应造成粗糙或微孔表面，被吸附的细胞可伸入到材料的表层中，为材料与软组织界面提供细胞结合的条件，在此基础上达到早期稳定的目的。总之，必须建立良好的环境条件，避免不利的影响，对材料的组成、性能、表面性态、牙周组织的生理结构等综合性进行设计，才能促进材料与软组织的结合。,材料与细胞界面关系,4.软组织细胞界面关系 另外，除了对材料与软组织的性能要求外，还必须考虑所谓植入间隙的问题。因为从临床应用中发现，一般在材料植入初期的效果都比较好，而随着时间的加长，都要出现骨缘吸收、龈缘退缩、结合上皮向植入体体部移行的问题。即使采用两次手术植入法，也难以避免这种现象的发生。因为在材料植入后，往往与牙龈组织之间留下30微米以上的间隙，而葡萄球菌或分支杆菌的大小仅为0.81.0微米，在口腔内又存在上百种细菌。,材料与细胞界面关系,4.软组织细胞界面关系 虽然在正常情况下一般不致病，但因手术所留下的这种间隙，又与口腔直接相通，给细菌提供了侵入的条件，而且细菌繁殖所产生的毒素影响界面细胞的结合，即使已被吸附和结合的细胞将会产生解吸和吸收，细胞结合界面将受到破坏。,材料与细胞界面关系,4.软组织细胞界面关系 但是对于植入体来说，这又是必须存在的所谓植入间隙，它是缓冲和避免植入体直接对周围组织产生机械性损伤和提供软组织结合的场所，这种必须存在和不允许存在的矛盾给解决材料与龈组织结合增添了困难。因此，在材料与细胞界面的研究中，与组织细胞界面关系的研究是更为复杂的问题。,材料与细胞界面关系,5.全身与细胞界面关系 生物医学材料与机体组织细胞界面关系，看来是局部的问题，但这种界面的形成和转归却与全身所处的状态有着密切的关系。当宿主患有心脏病、糖尿病、肾病、血液病以及骨质疏松症等，不仅影响细胞界面的形成和稳定，而且对界面结合的成败也起着重要作用。,材料与细胞界面关系,5.全身与细胞界面关系 要获得良好的细胞界面就必须考虑全身因素对局部的影响，即使在正常情况下，也应了解材料植入体内后的一切反应是受机体大脑神经的支配和控制，同时也受机体各系统的相互促进和制约的，不能孤立地研究材料与细胞的界面关系。特别是对无生命的材料与有生命的机体，同时处于动态变化的生长和发育这样极为复杂的环境中予以高度重视。,材料与细胞界面关系,材料与细胞界面基本理论,在种植界面的研究中，由于生物医学材料和机体组织细胞本身的复杂性和多变性，给此领域的研究带来了很多困难，至今仍没有形成系统的理论。世界各国的研究者在具有实际指导意义方面己提出的基础理论有：润湿理论、吸附理论、化学键合理论、分子结合理论、酸碱作用理论、机械结合理论以及应力传导理论等，力图通过这些理论来指导应用科学的发展。,材料与细胞界面基本理论,1.界面润湿理论 当生物材料植入人体以后首先是与血液、组织液相接触，再与机体组织细胞相接触。若要获得良好的材料与细胞界面关系，要求生物医学材料表面具有极好的润湿性。润湿性愈好，亲水性愈高分子接触机会愈多，血液和体液细胞在材料表面的附着愈紧密愈均匀，其界面结合性能愈佳。这种理论即是将固体表面能、液体表面能和界面能的概念及测定方法引入医学种植学，对这一领域的发展起到了一定的推动作用。,材料与细胞界面基本理论,1.界面润湿理论由于界面能的测定是很困难的，所以目前国内外一般都从固体表面的润湿临界张力及液体在固体表面的接触角测定来研究各种界面能，如图2-1所示。图2-1 液体在固体表面的接触角1-固体表面张力，2-液体表面张力3-固体-液体界面张力；4-液滴；5-固体,材料与细胞界面基本理论,2.界面吸附理论 吸附理论是借助于物理和化学吸附原理，对生物医学材料与细胞界面进行分析研究并对材料表面提出改性的一种方法。一般是从这种界面的分子、原子和离子之间的相互吸引作用来分析界面结合水结构层的形成和作用，以及对各种细胞、氨基酸、蛋白质、多种离子的吸附进行综合评价。,材料与细胞界面基本理论,2.界面吸附理论 近年来，已逐渐形成了特定的界面吸附理论用以解释材料与细胞结合界面的形成机理，特别是对吸附过程中各种细胞的吸附顺序、吸附力变化的条件、分子间距离的影响，以及生物医学材料的成分、结构、性能与细胞吸附的各种规律提出依据。,材料与细胞界面基本理论,3.界面化学键合理论 当生物医学材料植入人体后，材料与机体组织细胞同处于人体复杂的化学环境中，同样存在以共价键、离子键或金属键形式的化学键合反应的可能性，特别是具有组织细胞相容性很好的材料，无论材料的基体或表面性态有何差异，在这种人体内环境中都将产生相应的化学变化。,材料与细胞界面基本理论,3.界面化学键合理论 最理想的是在界面形成键合关系，但获得真正的化学键合是非常困难的，所以世界各国对这种理论的研究寄予高度的希望。近年来从有机一无机复合材料的研究中取得了实质性的进展，逐渐成为种植界面研究的重要理论。,材料与细胞界面基本理论,4.界面分子结合理论 由于生物医学材料的性质不同，表面极性、活性基团、表面电荷以及材料的各项性能的差异等，对机体组织细胞的作用也不同。例如材料表面带有氢键时，它与机体的胶原蛋白及细胞将产生氢键结合，这已被实验所证实。目前对界面各种分子间的结合关系的研究正在深入进行，将成为界面研究和进行表面改性的理论基础。,材料与细胞界面基本理论,5.界面酸碱结合理论 这个界面理论提出的主要根据是，由于生物医学材料的酸碱性不同，在种植界面周围的pH值也不相同，偏碱性的环境中可促进碱性磷酸酶的活性水平增高，使界面钙离子浓度和比例发生改变，对界面细胞的生长有利，可获得骨性结合。所以，可用这种理论，采用不同条件和方法造成偏碱性环境，从而获得良好的界面结合。,材料与细胞界面基本理论,6.界面机械结合理论 这种理论认为：目前的生物医学材料与机体的结合首先是，并且主要是机械结合。只有在材料表面进行粗化或微孔化处理或采用多孔体，机体组织细胞才能伸入其中，产生机械嵌合作用而增强细胞的附着。,材料与细胞界面基本理论,6.界面机械结合理论 因此提出了微孔的大小必须要满足纤维组织细胞和骨细胞均能长入的要求，而且微孔的比例必须在20%30%之间，才能达到微孔相互沟通，又能保持材料的足够强度，在基础研究和临床应用中均收到了良好效果。但是，这种细胞附着效果虽然不是界面结合的本质，但因临床有效被人们所接受。,材料与细胞界面基本理论,7.界面应力传导理论 生物医学材料制作的植入体植入体内后，均需承担功能作用，应力通过植入体传导到界面，再传导到机体。由于植入体的形态不同，应力传导的方向、大小也不同，其力学效应存在很大差异，加上材料的刚性、边缘作用和应力松弛效应等对界面细胞的吸附和生长、抑制和破坏均产生明显的影响。,材料与细胞界面基本理论,7.界面应力传导理论 根据这种理论，目前世界各国已设计出了形态繁多的植入体，力求获得最佳的应力传导效果，保证机体细胞在界面的生长和稳定，以避免因应力集中所造成对机体组织的破坏和吸收。,材料与细胞界面检测与评价,生物医学材料与机体组织细胞界面的检测方法很多，根据不同的目的又建立了各种特殊方法。由于对生物医学材料与生物体界面的研究还处于发展过程中，所以至今尚无一种公认的、系统而完善的方法。,材料与细胞界面检测与评价,物理检测法：即利用声、磁、热、电等物理手段，对材料与生物体界面进行测试，以了解界面所发生的物理变化来推测和估计细胞界面的状态。化学检测法；是利用化学分析的光谱、色谱、波谱等手段，对材料与界面化学结构、组成、活性基团进行测定分析，以了解材料与机体组织细胞间的反应变化。,材料与细胞界面检测与评价,机械检测法：利用机械性能的检测手段进行测试，了解在静态和动态下界面的变化关系，分析材料与机体组织细胞的结合程度 生物学检测法：通过体外细胞培养方法，以观察材料对特定的离体细胞的形态变化和增殖率，以及在生物体内埋植过程中的细胞界面的生物结合状态。,材料与细胞界面检测与评价,临床效应分析法：通过临床种植效果进行统计处理、利用临床的X射线片、骨密度测定等，对材料与机体组织细胞界面进行分析。,材料与细胞界面检测与评价,1.微量元素分析法 由于正常生物体组织细胞与生物医学材料所含的元素、微量元素以及它们的种类、性质、数量、比例等是不相同的，为了确定哪些元素可能是影响细胞结合的关键，可采用电子能谱、电子探针、质谱、核磁共振、x线衍射谱、原子发射光谱、原子吸收光谱等多种常规手段，对材料与组织细胞界面及周围的微量元素及其变化进行测定，从而对细胞生长发育状态以及界面结合的动态变化进行判定。,材料与细胞界面检测与评价,2.微观观察法 对生物医学材料与细胞界面关系的微观观察，一般采用透射电镜、扫描电镜、立体显微镜、图象分析仪以及各种立体成象技术等，对材料和细胞的形貌、结构变化、细胞生长速度、结合状态以及细胞的种类、数量、比例等变化进行观察分析，是目前最常用的方法，也是最有效的方法。,材料与细胞界面检测与评价,3.界面能测定法 生物医学材料与机体组织细胞界面能的测定，是为了了解不同的材料与机体组织细胞的反应规律和细胞界面性质。当材料植入体内后构成了材料血液、细胞组织的接触关系。首先是与血液细胞、体液细胞接触，再是组织细胞接触。而接触界面能的测定是非常困难的，一般都是从固体表面润湿临界张力及液体在固体上的接触角测定来研究各种界面能。由于界面能的存在，界面能愈低，润湿性愈好，对组织细胞的附着和结合就愈佳。利用这种方法来研究种植界面关系是一种简便可行的方法。,材料与细胞界面检测与评价,4.界面应力测定法 对生物医学材料与机体组织细胞界面的力学性能、应力传导方式和途径进行检测分析，可以了解组织细胞在材料表面的附着与结合的程度和应力作用下，细胞的增殖以及吸收和影响组织细胞导向、排列等力学相容性。目前一般采用光弹应力分析法、有限元计算法、等高线描绘法、激光全息以及各种传感技术进行测定，这些方法已成为常规的方法。,材料与细胞界面检测与评价,5.界面pH值测定法 生物医学材料植入体内后，由于材料周围的pH值不同，对组织细胞的结合将产生很大影响。在偏碱的环境中细胞酶的活性水平较高，细胞生长处于活跃状态、新生细胞增殖较快，细胞成熟期提前，细胞结合界面稳定、结合牢固。特别是在材料及其表面为偏碱性，其成骨效果非常好。因此，利用pH值测定法，了解材料在体内是否处于偏碱环境，对预测细胞界面的反应和作用有重要的意义。,材料与细胞界面检测与评价,6.微电流检测法 采用生物压电材料植入体内，在压力的作用下通过逆压电效应产生微电流，促进细胞的活跃和定向生长，增强材料表面对细胞的吸附，降低氧张力，改变局部pH值，刺激骨细胞活跃从而形成生物压电材料与细胞界面的良好结合。通过对生物压电材料所产生的微电流量进行检测，来评价微电流作用对细胞界面形成的影响作用。也可通过外给微电流的方法进行同种研究。,材料与细胞界面检测与评价,7.流变学测定法 利用生物流变学的原理和方法，对生物医学材料与细胞界面的流变特性进行分析，以确定材料的形态、表面性态对细胞吸附的作用和影响。以及探索细胞界面在形成过程中产生相互结合的因素，从而作出相应评价。,细胞界面的研究现状和评价,目前对生物医学材料与细胞作用界面的研究，还处于发展时期。对界面的物理、化学、生物学、力学和电学方面的相关关系和作用，以及对界面性质和反应过程的检测控制方法等，仍为再认识阶段。,细胞界面的研究现状和评价,在研究内容方面，多数集中在局部，单因素的研究，缺乏系统性和理论性。在临床应用方面，虽然近年来比较广泛，但观察时间还不长，对远期的临床效果，仍不能作出评价，同时也没有公认的标准，而仅处于探索过程。,细胞界面的研究现状和评价,但是人们在材料学基础、生物学基础和医学基础的实验中，都普遍认为：对生物医学材料的组成、结构和性能，在一定程度上是可以在理工学范围内，采用现代技术加以控制；对材料的生物安全性，可按国际标准和国内现有标准进行检测；植入体的形态与力学相容性，也可用工程学的方法得到解决；唯有材料与机体组织细胞界面的相互作用，界面反应的检测和控制方法，研究设备和手段等却成为非常棘手的问题。,细胞界面的研究现状和评价,因此，对非生命性材料与生物体界面的研究，特别是与机体细胞界面的研究，必须与生命科学和仿生学结合起来，建立多学科研究体系，从整体与局部、宏观与微观、结构与功能、基础与应用进行综合设计，才有可能取得成功。,