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知识课件

医用材料生物学基础第四章植入材料与细胞作用界面4.1基本概念和内涵4.2材料与细胞界面结合形式4.3材料与细胞界面关系4.4材料与细胞界面基本理论4.5材料与细胞界面检测与评价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(Helacell)、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：①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。②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③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1~2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。④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⑤在承受负荷的情况下，界面保持稳定，或可能仅仅出现约1~2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