生物醫用材料

生物醫用材料(Biomedical Materials)是用來對生物體進行診斷、治療、修復或替換其病損組織、器官或增進其功能的材料。

基本介紹

• 中文名：生物醫用材料
• 外文名：Biomedical Materials

簡介

生物醫用材料(Biomedical Materials)是用來對生物體進行診斷、治療、修復或替換其病損組織、器官或增進其功能的材料。它是研究人工器官和醫療器械的基礎，已成為當代材料學科的重要分支，尤其是隨著生物技術的蓬勃發展和重大突破，生物醫用材料已成為各國科學家競相進行研究和開發的熱點。

人類利用生物醫用材料的歷史與人類歷史一樣漫長。自從有了人類，人們就不斷地與各種疾病作鬥爭，生物醫用材料是人類同疾病作鬥爭的有效工具之一。追溯生物醫用材料的歷史，公元前約3500年古埃及人就利用棉花纖維、馬鬃作縫合線縫合傷口。而這些棉花纖維、馬鬃則可稱之為原始的生物醫用材料。墨西哥的印第安人（阿茲台克人）使用木片修補手上的顱骨。公元前2500年前中國、埃及的墓葬中就發現有假牙、假鼻、假耳。人類很早就用黃金來修復缺損的牙齒。文獻記載，1588年人們就用黃金板修復顎骨。1775年，就有金屬固定體內骨折的記載，1800年有大量有關套用金屬板固定骨折的報導。1809年有人用黃金製成種植牙齒。1851年有人使用硫化天然橡膠製成的人工牙托和顎骨。20世紀初開發的高分子新材料促成了人工器官的系統研究的開始，人工器官的臨床套用則始於1940年。由於人工器官的臨床套用，拯救了成千上萬患者的生命，減輕了病魔給患者及其家屬帶來的痛苦與折磨，引起了醫學界的廣泛重視，加快了人工器官研究步伐。目前可以說，從天靈蓋到腳趾骨，從人體的內臟到皮膚，從血液到五官，除了腦以及大多數內分泌器官外，大豆有了代用的人工器官。依據生物材料的發展歷史及材料本身的特點，可以將已有的材料分為三代，它們鴿子都有自己明顯的特點和發展時期，代表了生物醫用材料發展的不同水平。20世紀初第一次世界大戰以前所使用的醫用材料可歸於第一代生物醫用材料，代表材料有石膏、各種金屬、橡膠以及棉花等物品，這一代的材料大都被現代醫學所淘汰。第二代生物醫用材料的發展是建立在醫學、材料科學（尤其是高分子材料學）、生物化學、物理學及大型物理測試技術髮簪的基礎之上的。研究工作者也多由材料雪茄或主要由材料學家與醫生合作來承擔。代表材料有羥基磷灰石、磷酸三鈣、據羥基乙酸、聚甲基丙烯酸羥乙基酯、膠原、多肽、纖維蛋白等。這類材料與第一代生物醫用材料一樣，研究的思路仍然是努力改善材料本身的力學、生化性能，以使其能夠在生理環境下有長期的替代、模擬生物組織的功能。第三代生物醫用材料是一類具有促進人體自修復和再生作用的生物醫學複合材料，它以對生物體內各種細胞組織、生長因子、生長抑素及生長基質等結構和性能的了解為基礎來簡歷生物醫用材料的概念。它們一般是由具有生理“活性”的組元及控制載體的“非活性”組元所構成，具有比較理想的修復再生效果。其基本思想是通過材料之間的複合，材料與活細胞的融合，活體材料和人工材料的雜交等手段，賦予材料具有特異的靶向修復、治療和促進作用，從而達到病變 組織主要甚至全部由健康的再生組織所取代。骨形態發生蛋白（BMP）材料是第三代生物醫用材料中的代表材料。

在不同的歷史時期，生物醫用材料被賦予了不同的意義。其定義是隨著生命科學和材料科學的不斷發展而演變的。但是，他們都有一些共同的特徵。即生物醫用材料是一類人工或天然的材料，可以單獨或與藥物一起製成部件、器械用於組織或器官的治療、增強或替代，並在有效試用期內不會對宿主引起急性或慢性危害。但由於生命現象是極其複雜的，是在幾百萬年的進化過程中適應生存需要的結果，生命具有一定得生長、再生和修復精確調控能力，這是目前所有人工器官和生物醫用材料所無法比擬的。因此，目前的生物醫用材料與人們的真正期望和要求相差甚遠。

生物醫用材料的分類

生物醫用材料按用途可分為骨、牙、關節、肌腱等骨骼-肌肉系統修復材料，皮膚、乳房、食道、呼吸道、膀胱等軟組織材料，人工心瓣膜、血管、心血管內插管等心血管系統材料，血液淨化膜和分離膜、氣體選擇性透過膜、角膜接觸鏡等醫用膜材料，組織粘合劑和縫線材料，藥物釋放載體材料，臨床診斷及生物感測器材料，齒科材料等。

生物醫用材料按按材料在生理環境中的生物化學反應水平分為惰性生物醫用材料、活性生物醫用材料、可降解和吸收的生物醫用材料。

生物醫用材料按材料的組成和性質可以分類如下：

生物醫用金屬材料

生物醫用金屬材料是用作生物醫用材料的金屬或合金，又稱外科用金屬材料或醫用金屬材料，是一類惰性材料。這類材料具有高的機械強度和抗疲勞性能，是臨床套用最廣泛的承力植入材料。該類材料的套用非常廣泛，遍及硬組織、軟組織、人工器官和外科輔助器材等各個方面。除了要求它具有良好的力學性能及相關的物理性質外，優良的抗生理腐蝕性和生物相容性也是其必須具備的條件。醫用金屬材料套用中的主要問題是由於生理環境的腐蝕而造成的金屬離子向周圍組織擴散及植入材料自身性質的退變，前者可能導致毒副作用，後者常常導致植入的失敗。已經用於臨床的醫用金屬材料主要有純金屬鈦、鉭、鈮、鋯等、不鏽鋼、鈷基合金和鈦基合金等。

生物醫用無機非金屬材料或稱為生物陶瓷

包括陶瓷、玻璃、碳素等無機非金屬材料。此類材料化學性能穩定，具有良好的生物相容性。一般來說，生物陶瓷主要包括惰性生物陶瓷、活性生物陶瓷和功能活性生物陶瓷三類。

生物醫用高分子材料

醫用高分子材料是生物醫用材料中發展最早、套用最廣泛、用量最大的材料，也是一個正在迅速發展的領域。它有天然產物和人工合成兩個來源。該材料除應滿足一般的物理、化學性能要求外，還必須具有足夠好的生物相容性。按性質醫用高分子材料可分為非降解型和可生物降解型兩類。對於前者，要求其在生物環境中能長期保持穩定，不發生降解、交聯或物理磨損等，並具有良好的物理機械性能。並不要求它絕對穩定，但是要求其本身和少量的降解產物不對機體產生明顯的毒副作用，同時材料不致發生災難性破壞。該類材料主要用於人體軟、硬組織修復體、人工器官、人造血管、接觸鏡、膜材、粘接劑和管腔製品等方面。這類材料主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚矽氧烷、聚甲醛等。而可降解型高分子主要包括膠原、線性脂肪族聚酯、甲殼素、纖維素、聚胺基酸、聚乙烯醇、聚己丙酯等。它們可在生物環境作用下發生結構破壞和性能蛻變，其降解產物能通過正常的新陳代謝或被機體吸收利用或被排出體外，主要用於藥物釋放和送達載體及非永久性植入裝置。按使用的目的或用途，醫用高分子材料還可分為心血管系統、軟組織及硬組織等修復材料。用於心血管系統的醫用高分子材料應當著重要求其抗凝血性好，不破壞紅細胞、血小板，不改變血液中的蛋白並不干擾電解質等。

生物醫用複合材料

生物醫用複合材料又稱為生物複合材料，它是由兩種或兩種以上不同材料複合而成的生物醫用材料，並且與其所有單體的性能相比，複合材料的性能都有較大程度的提高的材料。製備該類材料的目的就是進一步提高或改善某一種生物材料的性能。該類材料主要用於修復或替換人體組織、器官或增進其功能以及人工器官的製造。它除應具有預期的物理化學性質之外，還必須滿足生物相容性的要求。這裡不僅要求組分材料自身必須滿足生物相容性要求，而且複合之後不允許出現有損材料生物學性能的性質。按基材分生物複合材料可分為高分子基、金屬基和無機非金屬三類。它們既可以作為生物複合材料的基材，又可作為增強體或填料，它們之間的相互搭配或組合形成了大量性質各異的生物醫用複合材料。利用生物技術,一些活體組織、細胞和誘導組織再生的生長因子被引入了生物醫用材料，大大改善了其生物學性能，並可使其具有藥物治療功能，已成為生物醫用材料的一個十分重要的發展方向。根據材料植入體內後引起的組織反應類型和水平，它又可分為生物惰性的、生物活性的、可生物降解和吸收等幾種類型。人和動物中絕大多數組織均可視為複合材料，生物醫用複合材料的發展為獲得真正仿生的生物材料開闢了廣闊的途徑。

生物衍生材料

生物衍生材料是由經過特殊處理的天然生物組織形成的生物醫用材料。也稱為生物再生材料。生物組織可取自同種或異種動物體的組織.特殊處理包括維持組織原有構型而進行的固定、滅菌和消除抗原性的輕微處理，以及拆散原有構型、重建新的物理形態的強烈處理。由於經過處理的生物組織已失去生命力，生物衍生材料是無生命力的材料。但是,由於生物衍生材料或是具有類似於自然組織的構型和功能，或是其組成類似於自然組織，在維持人體動態過程的修復和替換中具有重要作用。主要用於人工心瓣膜、血管修復體、皮膚掩膜、纖維蛋白製品、骨修復體、鞏膜修復體、鼻種植體、血液唧筒、血漿增強劑和血液透析膜等。

套用與發展前景

迄今為止 ,被詳細研究過的生物材料已有一千多種，醫學臨床上廣泛使用的也有幾十種，涉及到材料學的各個領域。生物醫用材料得以迅猛發展的主要動力來自人口老齡化、中青年創傷的增多、疑難疾病患者的增加和高新技術的發展。人口老齡化進程的加速和人類對健康與長壽的追求，激發了對生物醫用材料的需求。目前生物醫用材料研究的重點是在保證安全性的前提下尋找組織相容性更好、可降解、耐腐蝕、持久、多用途的生物醫用材料。

當代生物材料的發展不僅強調材料自身理化性能和生物安全性、可靠性的改善，而且更強調賦予其生物結構和生物功能，以使其在體內調動並發揮機體自我修復和完善的能力，重建或康復受損的人體組織或器官。結合南開大學俞耀庭教授的觀點和2004年中國新材料發展報告，可以將目前國際上生物醫用材料學科的最新進展和發展趨勢概括如下：

組織工程材料面臨重大突破

組織工程是指套用生命科學與工程的原理和方法，構建一個生物裝置，來維護、增進人體細胞和組織的生長，以恢復受損組織或器官的功能。它的主要任務是實現受損組織或器官的修復和再建，延長壽命和提高健康水乎。其方法是，將特定組織細胞"種植"於一種生物相容性良好、可被人體逐步降解吸收的生物醫用材料（組織工程材料）上，形成細胞－生物醫用材料複合物；生物醫用材料為細胞的增長繁殖提供三維空間和營養代謝環境；隨著材料的降解和細胞的繁殖，形成新的具有與自身功能和形態相應的組織或器官；這種具有生命力的活體組織或器官能對病損組織或器宮進行結構、形態和功能的重建，並達到永久替代。近10 年來，組織工程學發展成為集生物工程、細胞生物學、分子生物學、生物醫用材料、生物技術、生物化學、生物力學以及臨床醫學於一體的一門交叉學科。

生物醫用材料在組織工程中占據非常重要的地位，同時組織工程也為生物醫用材料提出問題和指明發展方向。由於傳統的人工器官（如人工腎、肝）不具備生物功能（代謝、合成），只能作為輔助治療裝置使用，研究具有生物功能的組織工程人工器官已在全世界引起廣泛重視。構建組織工程人工器官需要三個要素，即"種子"細胞、支架材料、細胞生長因子。最近，由於幹細胞具有分化能力強的特點，將其用作"種子"細胞進行構建人工器官成為熱點。組織工程學已經在人工皮膚、人工軟骨、人工神經、人工肝等方面取得了一些突破性成果，展現出美好的套用前景。

當前軟組織工程材料的研究和發展主要集中在研究新型可降解生物醫用材料，用物理、化學和生物方法以及基因工程手段改造和修飾原有材料，材料與細胞之間的反應和信號傳導機制以及促進細胞再生的規律和原理，細胞機制的作用和原理等，以及研製具有選擇通透性和表面改性的膜材，發展對細胞和組織具有誘導作用的智慧型高分子材料等方面。

當前硬組織工程材料的研究和套用發展主要集中在碳纖維/高分子材料、無機材料（生物陶瓷、生物活性玻璃）、高分子材料的複合研究。

生物醫用納米材料初見端倪

納米生物材料，在醫學上主要用作藥物控釋材料和藥物載體。從物質性質上可以將納米生物材料分為金屬納米顆粒、無機非金屬納米顆粒和生物降解性高分子納米顆粒；從形態上可以將納米生物材料分為納米脂質體、固體脂質納米粒、納米囊（納米球）和聚合物膠束。

納米技術在90 年代獲得了突破性進展，在生物醫學領域的套用研究也不斷得到擴展。目前的研究熱點主要是藥物控釋材料及基因治療載體材料。藥物控釋是指藥物通過生物材料以恆定速度、靶向定位或智慧型釋放的過程。具有上述性能的生物材料是實現藥物控釋的關鍵，可以提高藥物的治療效果和減少其用量和毒副作用。由於人類基因組計畫的完成及基因診斷與治療不斷取得進展，科學家對使用基因療法治療腫瘤充滿信心。基因治療是導人正常基因於特定的細胞（癌細胞）中，對缺損的或致病的基因進行修復；或者導人能夠表達出具有治療癌症功能的蛋白質基因，或導人能阻止體內致病基因合成蛋白質的基因片斷來阻止致病基因發生作用，從而達到治療的目的。這是治療學的一個巨大進步。基因療法的關鍵是導人基因的載體，只有藉助於載體，正常基因才能進人細胞核內。目前，高分子納米材料和脂質體是基因治療的理想載體，它具有承載容量大，安全性高的特點。近來新合成的一種樹枝狀高分子材料作為基因導人的載體值得關注。

此外，生物醫用納米材料在分析與檢測技術、納米複合醫用材料、與生物大分子進行組裝、用於輸送抗原或疫苗等方面也有良好的套用前景。納米碳材料可顯著提高人工器官及組織的強度、韌度等多方面性能；納米高分子材料粒子可以用於某些疑難病的介入診斷和治療；人工合成的納米級類骨磷灰石晶體已成為製備納米類骨生物複合活性材料的基礎。該領域未來的發展趨勢是，納米生物醫用材料“部件”與納米醫用無機材料及晶體結構“部件”的結合發展，如由納米微電子控制的納米機器人、藥物的器官靶向化；通過納米技術使介入性診斷和治療向微型、微量、微創或無創、快速、功能性和智慧型性的方向發展；模擬人體組織成分、結構與力學性能的納米生物活性仿生醫用複合材料等。

活性生物醫用材料還待發展

活性生物醫用材料是一類能在材料界面上引發特殊生物反應的材料。這種反應導致組織和材料之間形成化學鍵合。該概念是在1969 年美國人L.Hench 在研究生物玻璃時發現並提出，進而在生物陶瓷領域引入了生物活性概念，開創了新的研究領域。經過30多年來的發展，生物活性的概念在生物醫用材料領域已建立了牢固的基礎，如-磷酸三鈣可吸收生物陶瓷等，在體內可被降解吸收並為新生組織代替，具有誘出特殊生物反應的作用；羥基磷灰石由於是自然骨的主要無機成分，故植入體內不僅能傳導成骨，而且能與新骨形成骨鍵合，在肌肉、韌帶或皮下種植時，能與組織密合，無炎症或刺激反應。生物活性材料具有的這些特殊的生物學性質，有利於人體組織的修復，是生物醫用材料研究和發展的一個重要方向。

生物醫用金屬材料的開發勢在必行

金屬生物材料發展相對比較緩慢，但由於金屬材料具有其他材料不能比擬的高機械強度和優良的疲勞性能，目前仍是臨床上套用最廣泛的承力植入物。目前的研究熱點在鎳鈦合金和新型生物醫用鈦合金兩個方向。發展方向在於用生物適應性優良的Zr、Nb、Ta、Pd、Sn 合金化元素取代鈦合金中有毒性的Al、V 等。另外，可體液腐蝕吸收的生物醫用鎂合金的研究剛剛起步。

材料表面改性的新方法和新技術還應探索表面改性研究

以大幅度改善生物醫用材料與生物體的相容性為目標。生物相容性包括血液相容性和組織相容性，是生物醫用材料套用的基本要求。除了設計、制各性能優異的新材料外，通過對傳統醫用材料進行表面化學處理（表面接枝大分子或基團）、表面物理改性（電漿、離子注人或離子束）和生物改性是有效途徑。材料表面改性的新方法和新技術是生物材料研究的永久性課題。目前流行的一些方法包括電漿表面改性、離子注入表面改性、表面塗層與薄膜合成、自組裝單分子層、材料的表面修飾等。這個領域已成為生物材料學科最活躍、最引人注目和發展迅速的領域之一。

介入治療材料研究異軍突起

介入治療是指在醫學影像技術（如X線透視、CT、超音波、核磁共振）引導下，用穿刺針、導絲、導管等精密器械進入病變部位進行治療。介入治療能以微小的創傷獲得與外科手術相同或更好的治療效果。介入治療材料包括支架材料、導管材料及栓塞材料等。置入血管內支架是治療心血管疾病的重要方法，當前冠脈支架多為醫用不鏽鋼通過雕刻或雷射蝕刻製備，在體內以自膨脹、球囊擴張式或擴張固定在血管內壁上。雖然經皮冠狀動脈介入性治療取得較好的成果，但經皮冠狀動脈成形術後6 個月後再狹窄發生率較高（約30%），是介入性治療面臨的重要問題。近年的研究方向有藥物塗層支架、放射活性支架、包被支架、可降解支架等。管腔支架大多採用鎳鈦形狀記憶合金製備，有自膨脹和球囊擴張式兩類。主要用於晚期惡性腫瘤引起的膽道狹窄；晚期氣管、支氣管或縱隔腫瘤引起的呼吸困難的治療，支氣管良性狹窄等；不能手術切除的惡性腫瘤引起的食管瘺及惡性難治性食管狹窄等。製作導管的材料有聚乙烯、聚氨脂、聚氯乙烯、聚四氟乙烯等。導管外層材料多為能夠提供硬度和記憶的聚脂、聚乙烯等，內層為光滑的聚四氟乙烯。栓塞材料按照材料性質可分為對機體無活性、自體材料和放射性顆粒三種。理想的栓塞材料應符合無毒、無抗原性，具有良好相容性，能迅速閉塞血管，能按需要閉塞不同口徑、不同流量的血管，易經導管運送，易得、易消毒等要求。更高的要求是能控制閉塞血管時間的長短，一旦需要可經皮回收或使血管再通。常用栓塞材料包括自體血塊、明膠海馬、微膠原纖維、膠原絨聚物等。

血液淨化材料

血液淨化材料重在套用採用濾過沉澱或吸附的原理，將體內內源性或外源性毒物（致病物質）專一性或高選擇性地去除，從而達到治病的目的，是治療各種疑難病症的有效療法。尿毒症、各種藥物中毒、免疫性疾病（系統性紅斑狼瘡、類風濕性關節炎）、高脂血症等，都可採用血液淨化療法治療，其核心是濾膜、吸附劑等生物醫用材料。血液淨化材料的研究和臨床套用，在日本和歐洲成為了生物醫用材料發展的熱點。

複合生物醫用材料仍是開發重點

作為硬組織修復材料的主體，複合生物醫用材料受到廣泛重視。它具有強度高、韌性好的特點，目前己廣泛套用於臨床。通過具有不同性能材料的複合，可以達到"取長補短"的效果。可以有效解決材料的強度、韌性及生物相容性問題。是生物醫用材料新品種開發的有效手段。提高複合材料界面之間結合程度（相容性）是複合生物醫用材料研究的主要課題。根據使用方式的不同研究較多的是：合金、碳纖維/高分子材料、無機材料（生物陶瓷、生物活性玻璃）/高分子材料的複合研究。

口腔材料口腔材料仍在發展

口腔材料學是口腔醫學與材料學之間的界面學科，其品種及分類方法很多，可以分為口腔有機高分子材料、口腔無機非金屬材料、口腔金屬材料、口腔輔助材料，也可分為烤瓷材料、種植材料、充填材料、粘結材料、印模材料、耐火包埋材料。近年來組織工程技術在口腔臨床開始套用，主要是膜引導組織再生技術和牙周外科治療和即刻植入修復中的套用。口腔材料中的生物化仿生材料尚待今後研究和探討。陶瓷材料脆弱的撓曲強度一直困擾著牙科醫生和患者。而牙科修復學中顏色的再現問題是影響牙齒及修復體客觀的一個重要因素。因此牙科陶瓷技術是沿著克服材料的脆性，精確測定牙的顏色並提供組成、性能穩定的陶瓷材料的方向發展的。

生物相容性評價標準在不斷改進和發展

新的生物相容性內容的研究對材料的生物學評價提出新的要求，除了目前的ISO10993 標準外，新的評價方法將從以下幾個方面展開：①生物醫用材料對人體免疫系統的影響；②生物醫用材料對各種細胞因子的影響；③生物醫用材料對細胞生長、凋亡的影響；④降解控釋材料對人體代謝過程的影響；⑤智慧型材料對人體信息傳遞和功能調控的影響；⑥藥物控釋材料、淨化功能材料、組織工程材料的生物相容性評價。

生物醫用材料對人體的生物學反應

理想的生物醫用材料應該是對人體無毒性、無致敏性、無刺激性、無遺傳毒性和無致癌性等不良反應。因此，了解生物醫用材料對人體的生物學反應就顯得至關重要。這些反應主要包括組織反應、血液反應及免疫反應。

生物醫用材料的組織反應

組織反應是指局部組織對生物醫用材料所發生的反應。組織反應是機體對異物入侵產生的防禦性反應，可以減輕異物對組織的損傷，促進組織的修復和再生。然而，組織反應本身也可能對機體造成危害。根據病理變化不同，可以分成以下兩種反應：

1、以滲出為主的組織反應

多見於植入初期和植入材料的性質穩定等情況。以中性粒細胞、漿液、纖維蛋白原滲出為主。如植入物周圍組織出現中性粒細胞聚集；長期植入的、穩定的材料周圍，可由於纖維蛋白原的滲出而出現纖維囊。

2、以增生為主的組織反應

多見於植入物長期存在並損傷機體的情況。以巨噬細胞為主，也可見淋巴細胞、漿細胞和嗜酸性粒細胞，並伴有明顯的組織增生，可逐漸發展為肉芽腫或腫瘤。

在使用生物醫用材料的過程中，由組織反應引起的兩種嚴重的併發症是炎症和腫瘤。炎症包括感染性炎症和無菌性炎症。感染性炎症可能是由於材料植入的過程中損傷組織，使病原體趁虛而入；也可能是由於植入物本身未經嚴格的消毒滅菌處理，成為了病原體的載體。無菌性炎症不是由於病原體侵入引起，而是由於影響機體內的炎症和抗炎系統的調節而引發的炎症反應。生物材料植入引起腫瘤是一個緩慢的過程，可能是由於材料本身釋放毒性物質，也可能是由於材料的外形和表面性能所致。因此，在套用長期植入物之前，進行植入物的慢性毒性、致突變和致癌的生物學試驗是十分必要的。

生物醫用材料的血液反應

生物醫用材料血液相容性包含不引起血液凝聚和不破壞血液成分兩個方面。在一定限度內即使在材料表面張力的剪下作用下，對血液中的紅細胞等有一定的破壞(即發生溶血)，由於血液具有很強的再生能力，隨時間的推移其不利影響並不顯著；而如果在材料表面有血栓形成，由於有累計效應，隨著時間的推移，凝血程度越來越高，對人體造成嚴重的影響。因此，材料在血液中最受關注的是其抗凝血性能。材料與血液接觸導致凝血及血栓形成的途徑如圖1所示。正常人體心血管系統內的血液保持液體狀態，環流不息，並不發生凝固。當醫用材料與血液接觸時會引起血液一系列變化。首先是血漿蛋白在材料表面的吸附，依材料表面結構性能不同，在1分鐘甚至幾秒鐘，在材料表面就會產生白蛋白和球蛋白以及各種蛋白質的競爭吸附，在生物材料表面形成複雜的蛋白質吸附層。當材料表面吸附球蛋白、纖維蛋白原時易於使血小板粘附表面，進而導致血小板變形聚集，引發凝血。蛋白表面也可引起紅細胞的粘附。雖然紅細胞在凝血中的作用仍然不十分清楚，但是如若紅細胞發生細胞膜破裂，即出現溶血，紅細胞釋放的血紅蛋白和二磷酸腺苷簡稱ADP(促血小板聚集物質)。它們可以引起血小板的粘附、變形和聚集，進而導致凝血。

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圖1 凝血機制

抗凝系統包括抗凝和纖溶作用。抗凝作用主要是通過一些抗凝因子（如抗凝血酶Ⅲ、肝素）來實現。纖溶過程包括纖溶酶原轉化為纖溶酶，纖溶酶降解纖維蛋白。血栓形成是常見的生物醫用材料植入引發的局部血液循環障礙。內皮細胞的損傷、血流動力學的改變和血液的高凝狀態，其中任何一個因素都可以導致血栓形成。完整的內皮細胞可以通過表達肝素樣分子與抗凝血酶Ⅲ結合使II_a、X_a、IX_a 失活，合成 PGI₂、NO 、ADP 酶抑制血小板聚集及合成tPA 使纖維蛋白降解等作用抑制血栓形成。血流動力學的改變可以誘發血栓形成。正常血流是分層流動的，當血流減慢或層流被破壞時，血小板與內膜接觸並激活，凝血因子也可以在局部聚集。當處於創傷、手術等情況時，血液的凝血系統亢進和（或）抗凝系統減弱也可導致血栓形成。

生物醫用材料的免疫反應

免疫系統是人體的“軍隊”和“警察”，它可以識別自己和非己。免疫系統的主要功能包括針對病原微異原分子免疫防禦功能、針對自體衰老和病變細胞的免疫自穩功能和針對腫瘤細胞的免疫監視功能。免疫系統由天然免疫系統和獲得性免疫系統組成。天然免疫系統包括肥大細胞、巨噬細胞、自然殺傷細胞、中性粒細胞和補體等。天然免疫系統可以早期識別、清除病原體，然而它對於病原體的識別不具有特異性。在受到病原體刺激後，再次接觸病原體時能夠針對性地做出反應的免疫系統成為獲得性的免疫系統。獲得性免疫系統又可分為由B 細胞介導的體液免疫和由T 細胞介導的細胞免疫。由於生物醫用材料造成免疫系統的功能（包括免疫識別和反應程度）紊亂，可以發生以下免疫反應：

1、免疫抑制

由於有些生物醫用材料造成免疫防禦功能不足，使得機體抵抗病原微生物的能力降

低。

2、變態反應

由於有些生物醫用材料造成免疫防禦功能亢進，免疫反應過於強烈損傷人體。如殘留乳膠、雙酚A、丙烯酸添加劑等低分子量有機分子或單體。

3、自身免疫

由於有些生物醫用材料造成免疫自穩功能亢進，免疫系統不能和識別自己和非己，對自體正常組織產生免疫反應。如聚四氟乙烯、聚酯等。

生物醫用材料與人體組織作用的界面

界面是一個有一定厚度（通常小於0.1μm）的區域，物質的能量可以通過這個區域從一個相連續地變化到另一個相。根據植入材料的不同，與生物體組織作用的界面可分為：惰性材料與生物體組織作用的界面和活性材料與生物體組織作用的界面。

1、惰性生物醫用材料與生物體組織作用的界面惰性生物醫用材料的特點是在生物體內保持穩定，幾乎不參加生物體的化學反應。長期植入惰性材料，植入物與機體發生滲出性組織反應，其中以纖維蛋白原滲出為主，形成纖維包囊。如果材料無毒性物質滲出，包囊將逐漸變薄，淋巴細胞消失，鈣鹽沉積。這一類的材料有氧化鋁、碳纖維、鈦合金等。如果材料持續釋放金屬離子或有機單體等毒性離子，會促使局部組織反應遷延不愈，轉變為慢性炎症。纖維薄膜逐漸變厚，淋巴細胞增多，鈣鹽沉積，可發展為肉芽腫，甚至腫瘤。

2、活性生物醫用材料與生物體組織作用的界面活性生物醫用材料可以與機體發生化學反應，與組織之間形成化學鍵。這裡我們主要介紹表面活性生物醫用材料與生物體組織作用的界面、可降解生物陶瓷與生物體組織作用的界面和雜化生物醫用材料與生物體組織作用的界面。

(1)表面活性生物醫用材料與生物體組織作用的界面：表面活性生物醫用材料其表面成分與組織成分相近，能與組織結合形成穩定的結合界面。這種材料與組織親和性好。如表面含羥基磷灰石的生物材料。

(2)可降解生物陶瓷與生物體組織作用的界面：陶瓷可在組織內釋放組織所需的成分，加速組織的生長，並逐漸為新生的組織所取代。如β-磷酸三鈣陶瓷可在體液中釋放Ca2+、PO4

3+離子，促進骨組織的生長，並逐漸為之取代。

(3)雜化生物醫用材料與生物體組織作用的界面：雜化材料由活體組織和非活體組

織複合而成。由於活體組織的存在是使材料的免疫反應減輕，使材料具有很好的相容性。

這類材料有各種人工材料與生物高分子的複合物，合成材料與細胞的複合物等。

3、界面理論及其研究方法

(1)界面潤濕理論；主要研究液體對固體表面的親和狀況。材料植入首先是與由血漿、組織液組成的液體環境接觸，所以材料與機體組織親和性與液體與材料表面的潤濕作用密切相關。一般通過研究固體表面潤濕臨界張力和液體在固體上的潤濕角測定界面能。

(2)界面吸附理論；通過研究界面對水分子、各種細胞、胺基酸、蛋白質和各種離子的吸附作用，為材料界面改性提供參考。可以運用生物流變學的原理和方法，了解材料的形態表面對細胞吸附作用的影響。

(3)界面化學鍵合理論；理論上講，植入物與人體組織同處於人體的內環境中，存在形成各種化學鍵的可能性。主要採用電子探針、電子能譜、質譜、核磁共振、拉曼光譜等分析界面元素及化合態。

(4)界面分子結合理論 植入材料由於的表面極性、表面電荷及活性基團不同，對人體組織的作用也存在差異。通過測量生物壓電材料所產生的微電流，評價其對於細胞界面形成的影響。

(5)界面酸鹼理論；由於界面細胞的生長與界面局部的酸鹼度直接相關，所以可以通過研究界面酸鹼度，了解並改善生物醫用材料與組織的親和性。在離體實驗中，通常採取常規的pH 值測定法和納米級超微電極測定界面pH 值。

(6)界面物理結合理論；植入體與人體組織的結合首先是物理結合，組織細胞通過微孔長入植入體以增加其結合強度。微孔的大小關係著組織細胞能否長入植入體，微孔的比率決定著植入體的強度。主要採用各種感測技術及光彈應力分析法、有限元計算分析法等測定界面結合強度與應力。

另外，界面研究方法還包括界面的形態學研究。主要通過透射電鏡、掃描電鏡及各種立體成像技術觀察界面處的形態。

生物醫用材料才人體內的代謝產物和途徑

一般來講，生物醫用材料在體內首先與體液接觸，通過水解作用，某些材料可能由高分子物質轉變為水溶性的小分子物質。這些小分子物質經由血液循環，運輸到呼吸系統、消化、泌尿系統，經呼吸、糞、尿的方式排出體外。在代謝的過程中，可能有酶參與其中。生物醫用材料經過一系列的反應，可能完全降解由體內排出，也可能會有部分材料或其降解產物長期存在於人體內。生物醫用材料在體內代謝的中間產物和終產物可能對人體有利也可能有害，因此對於材料在生物體內的代謝產物和途徑的研究具有十分重要的意義。材料在體內的代謝受很多方面因素的影響，如材料本身的因素、植入環境的因素等。目前，材料在體內代謝的研究方法主要分為體外試驗和體內試驗。體外降解試驗主要是在體外模擬體內的環境條件，從外形、力學性能、質量等方面進行評價。這種試驗主要用於研究固體生物醫用材料。體內試驗主要是在動物體內進行。體內試驗是將生物醫用材料植入動物體內觀察材料的改變。具體可以通過解剖、X 線、放射性標記示蹤等方法。這種試驗方法的優點是可以獲得更接近人體的試驗結果。

擴展閱讀

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