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1 生物材料基础 (1) 为什么金属表面结构区域一般大于氧化物? 材料在抛光过程中发生哪些变化? 对生物材料产生哪些有利和不利作用? (2) 金属材料与氧化物材料表面成份与体内有何区别? 其原因是什么? 对生物材料的性能有何影响? (3) 纳米颗粒具有极高的反应活性, 其原因是什么? 对生物材料的性能有何影响? (4) 讲义上图 1-3(p2) 中反映了 NaCl 表面弛豫过程, 即 Na 和 Cl 离子产生位移后形成表面的晶格常数与体内保持相同 请说明为什么离子发生移动后, 表面晶格常数仍能保持不变? NaCl 的理想结构与弛豫结构 (a) 理想表面结构 (b) 表面弛豫结构 二维 NaCl 晶体结构 该题目是针对 静态 时情景分析, 即对表面原子排列变化的分析 原子相对位置变化 ( 垂直于平面移动 ) 格点位置变化 ( 格点是由什么组成 ) 晶胞尺寸变化 ( 晶胞对应置在哪里 ) 原子间距 ~ 晶格 ( 点阵 ) 常数原子或离子 ~ 格点 1

2 问题 : 在下图中表面原子也发生上下方向上的变化, 为什么称重构呢? PTFE,PS, Ti,Ta,Si,SiO2,SiON PTFE 铺展不好,SiON 有方向性 Live-Dead,PTFE 细胞量比较少 毒性不大 细胞呈球状 (PTFE,Ti,Ta) 晶格 ( 点阵 ) 常数发生了变化 重构 第四章 : 生物材料植入体与急性炎症 一 Implantation & Acute Inflammation Inflammation: 有血管系统的活体组织对致炎因子损伤所发生的防御反应血管反应是炎症的主要特征和防御中心环节 损伤与抗损伤贯穿炎症反应全过程 致炎因子 : 引起组织损伤, 诱发炎症反应的因素 物理性因子 (Physical agents ) 化学性因子 (Chemical injuries ) 生物性因子 (Biological pathogens) 坏死组织 (Necrotic tissue) 变态反应 (Immunological reaction) 或异常免疫反应 2

3 二 炎症的基本病理变化 1 变质 (Alteration): 炎症局部组织或细胞发生变性和坏死 2 渗出 (Exudation) 炎症灶血管内的液体和细胞成分通过血管壁进入组织间隙 体腔 体表和粘膜表面的过程 3 增生 (Proliferation) 炎症局部组织内的细胞增生或再生, 使细胞数目增多 ( 巨噬细胞 成纤维细胞 淋巴细胞 血管内皮细胞, 上皮细胞 ) 某一种炎症性疾病的局部病变往往以其中一种病变为主 一般而言, 病变早期 ( 急性炎症 ) 往往以变质 渗出为主, 病变后期 ( 慢性炎症 ) 多以增生为主 变质是一种损伤过程, 渗出 增生是抗损伤过程 3

4 三 炎症的局部表现和全身反应 局部表现 : 红 肿 热 痛和功能障碍 全身反应 : 发热 外周血白细胞数量增多 炎症性 ( 感染性 ) 疾病的重要临床指征 发热机制 : 外源性致热原 内源性致热原 IL-1 TNF 下丘脑体温调节中枢 局部细胞 PGE 发热 外周血 WBC 改变 : IL-1 TNF WBC 释放加速, 不成熟杆状核 N ( 核左移 )/ 促进 CSF 产生 骨髓造血前体细胞增值 WBC 急性炎症 增高 类白血病样反应 核左移 严重感染 抵抗力低下 不明显 不同病原菌感染引起不同类型的 WBC 增加 四 生物材料的植入与炎症 生物材料的植入被视为对机体内环境稳定的一种侵袭 (Assault of Homeostasis) 非特异性 / 固有性免疫 (Nonspecific/Innate Immunity) 特异性 / 获得性免疫 (Specific/Acquired Immune Response) 外来物质对固有性免疫及获得性免疫均产生抗性, 发生感染 (Infection) 固有性免疫在非感染状态下会发生 两者相互交错, 高度依赖白细胞 (Leukocytes) 固有性免疫 解剖学屏障 ( 皮肤 黏膜等 ) 生理学屏障 ( 体温 胃酸等 ) 吞噬细胞 ( 粒细胞 ) 炎症 几种固有性免疫常常同时发生 4

5 炎症是最重要的保护性反应 炎症反应对机体有不同程度的危害 超急性炎症 : 器官移植超急性排斥反应 急性炎症 : 生物材料植入引起的初期炎症 慢性炎症 : 生物材料引起的急性炎症转化 植入体植入后反应顺序 白细胞类型 粒细胞 (Granulocyte) 中性粒细胞 (Neutrophil) 嗜酸粒细胞 (Eosinophil) 嗜碱粒细胞 (Basophil) 呈颗粒状, 核中有多个叶角 单核细胞 (Monocyte) 无具有叶角的细胞核 淋巴细胞 (Lymphocyte/Plasma Cell) T 细胞和 B 细胞 巨核细胞 (Megakarycocyte) 只存在于骨髓, 可分裂形成血小板 单核细胞 (Monocyte) B 型淋巴细胞 B Lymphocyte T 型淋巴细胞 T Lymphocyte 5

6 白细胞的迁移及外渗 Rolling, Activation, Adhesion, Transendothelial migration 白细胞的迁移及外渗 粒细胞作用 : 吞噬作用 (Phagocytosis) 呼吸暴发 (Respiratory Burst) 促时活性氧及氮的形成 分泌化学调节因子 (Secretion of Factors) 巨噬细胞作用 : 由单核细胞扩增形成 吞噬作用 (Phagocytosis), 与中性粒细胞相比, 能吞噬更多的细菌及细胞 分泌化学调节因子 (Secretion of Factors) 作为抗原呈递细胞 (Antigen-presenting) 6

7 吞噬作用与生物材料 材料颗粒被吞噬 Silicosis 无效吞噬 (Frustrated Phagocytosis) 释放酶和其他产物到外源材料邻近环境 与材料表面特性息息相关 不降解 (Non-biodegradable) 金属 : 腐蚀 陶瓷 : 稳定性好于金属 高分子材料 : 溶胀 / 溶解, 链断裂 可控降解 (Biodegradable or Resorbable) 植入材料无需手术取出 ( 植入体, 药物缓释载体 ) 特定的几种陶瓷材料和高分子材料, 近年也有金属材料 金属材料 生物体内的腐蚀性环境 含盐的溶液是极好的电解质, 促进了电化学腐蚀和水解 组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分能力的多种分子和细胞 环境将对生物金属材料产生腐蚀 多为局部腐蚀, 具体包括应力腐蚀开裂 点腐蚀 晶间腐蚀 腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等, 导致材料整体破坏 在生物体内保持惰性状态, 但仍然可能会有物质溶入生物组织中, 并对生物体组织产生毒性反应, 造成组织的损害 如不锈钢中溶出的 Cr 6+ 生物组织的毒性 陶瓷材料与金属材料情况类似 7

8 聚合物 聚合物在长期使用过程中, 由于受到氧 热 紫外线 机械 水蒸气 酸碱及微生物等因素作用, 逐渐失去弹性, 出现裂纹, 变硬 变脆或变软 发粘 变色等, 从而使它的物理机械性能越来越差的现象 聚合物老化易形成的碎片 颗粒 小分子量单体物质, 因此使用它时必须谨慎, 对耐久性器件, 必须保持一定强度和其它机械性能, 老化产物不能对周围组织有毒害作用 磨损 人工髋关节 : 金属或陶瓷的股骨头与超高分子聚乙烯的髋臼杯组合成 寿命也不超过 25 年 失败的主因是颗粒被巨噬细胞吞噬后, 释放细胞趋化因子 生长因子 以及炎症介质等, 最终促进破骨细胞的活动, 导致骨吸收 可吸收 / 可降解生物材料 降解产物可能引起炎症 生物吸收陶瓷 : 离子 颗粒 聚合物 : 医用缝合线降解时会产生酸性物质, 如果量少, 很容易被人体中的化学物质中和, 如果老化产物较大, 则会对周围组织产生损害 可降解金属 : 镁合金 锌合金 铁合金, 较高浓度的各种离子 急性炎症的终止 急性炎症的作用 恢复组织动态平衡 防止外来生物入侵 产生受体拮抗剂, 抑制靶细胞的活性 产生限制炎症反应的物质 8

9 急性炎症的体外检测 FACS 表面受体检测 细胞炎症因子检测 1. 对于固有性免疫的不同组分中, 哪种组分最有可能对植入生物材料产生效应? 2. 在评价组织对材料的反应的实验中, 对照组常常涉及所有的手术过程但不植入生物材料 对于对照组而言, 什么是合理的夹杂物? 组织会发生什么反应? 3. 材料植入后会发生什么吞噬并发症? 9

第一章 图 1 1 传染病的特征 9 T h1 T h2 细胞调节机制简图 正调节 负调节 细胞因子与细菌的相互作用机制目前尚未完全明了 有实验表明 细胞因子与细菌之间 存在有互利和互抑双重效应 例如 T N Fα 和 IFNγ 可抑制放线菌的生长而 IL 6 的作用则 反之 IL 1 2 和 GM CSF 可促进某些致病性大肠杆菌生长而 IL 1ra 可抑制之 研究表 明 某些致病性大肠杆菌有与

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