第二讲
生物材料的生物相容性
生物相容性
生物材料 材料科学与工程学院
生物相容性是在生理环境中，生物体对植入生物 材料的反应和产生有效作用的能力，用以表征材 料在特定应用中与生物机体相互作用的生物学行 为。
生物材料的生物相容性取决于材料和生物系统两 个方面。
2020/9/21
2
一、人体生理环境
生物材料 材料科学与工程学院
• 人体是一个由多种组织和器官构成的非常 复杂的生命系统。
• 细胞与体液
2020/9/21
3
人体生理环境
生物材料 材料科学与工程学院
• 组织是一种具有生物活性的复合材料。
2020/9/21
4
人体生理环境
生物材料 材料科学与工程学院
2020/9/21
5
人体生理环境
生物材料 材料科学与工程学院
• 人体是由物质组成的 • 新陈代谢：同化作用、异化作用。
2020/9/21
13
人体生理环境
生物材料 材料科学与工程学院
• 植入一种生物材料制成的人工器官，周围 组织和与其联系的其它器官乃至全身的各 分泌系统都会产生相应的调节，以适应或 排斥人工器官的植入。
2020/9/21
14
人体生理环境
生物材料 材料科学与工程学院
• 人体的调节机制有三种形式
1．神经调节 2．体液调节 3．器官、组织细胞的自身调节
生物材料 材料科学与工程学院
生物分子与材料表面的反应
A、材料表面分子发生变性 B、有机金属化合物的形成 C、界面发生分子粘附 D、带电界面上的化学键合
2020/9/21
23
2、宿主反应
生物材料 材料科学与工程学院
宿主反应是由于植入材料的化学组分释放进入组织以 及材料对生物组织的机械、电化学等刺激引起的。它 可能是消极的如机体中毒或排异，也可能是积极的如 有利于组织再生与重建。
2020/9/21
12
人体生理环境
生物材料 材料科学与工程学院
• 生物材料的特征是与生物系统直接接触， 植入体内的材料，不仅与生物组织相接触， 而且总会与体液接触。
• 生物材料植入人体后，对人体产生一定的 刺激作用，人体机能活动也要进行相应的 调节，以适应环境的变化。
• 人体对抗外在环境异物入侵自然产生反应
2020/9/21
6
人体生理环境
• 人与自然的关系
生物材料 材料科学与工程学院
2020/9/21
7
生物材料 材料科学与工程学院
人体生理组织的差异性
2020/9/21
8
生物材料 材料科学与工程学院
人体生理环境的平衡
• 正常情况下，人体生理环境处于平衡状态
2020/9/21
9
生物材料 材料科学与工程学院
炎症、毒性、溶血、刺激性、致敏、致癌、致诱变、 致畸、免疫反应等
包括局部和全身反应，其结果导致对机体的毒副作 用和机体对材料的排斥。
2020/9/21
24
主要的人体反应
生物材料 材料科学与工程学院
1、局部组织反应，是组织对手术创伤的急性感染 或炎性反应。
2、全身毒性反应，材料本身或在合成加工、消毒 处理等过程中，材料表面的化学基团，或溶出物对 宿主体的作用。
均匀腐蚀 电蚀 缝隙腐蚀 点蚀
晶间腐蚀
腐
蚀
浸析腐蚀
的
类
冲蚀
型
应力和疲劳腐蚀
2020/9/21
21
材料反应的类型
生物材料 材料科学与工程学院
影响腐蚀的因素
►植入物的组成成分 ►制造因素 ►运送和植入过程中的操作 ►解剖学位置 ►植入区的化学变化 ►磨损条件的改变
2020/9/21
22
材料反应的类型
二、材料与生物体的相互作用
材料与生物体间的相互作用
宿主反应
材料反应
2020/9/21
17
1、材料反应
生物材料 材料科学与工程学院
主要来自生物环境对材料的腐蚀和降解，可 能使材料性质腐蚀变化，甚至破坏。
➢ 材料反应通常都是有害的。它会改变应力分布、 使材料变形、降低材料强度及弹性模量，最终导 致材料开裂。
• 人不断的新陈代谢和这些调节作用，使材料植入 后处于一个变化的环境中。
• 在人体这样一个相当复杂的环境中，植入体内的 材料长期处于物理、化学、生物、电等因素的复 杂影响之下，材料不仅受到各种器官的组织不停 运动的动态作用，也处于代谢、呼吸、酶催化反 应的作用之中。
2020/9/21
16
生物材料 材料科学与工程学院
➢ 但有时材料反应是有利的，甚至可以被利用，如 利用浸析进行有计划的药物释放，利用腐蚀产物 的局部反应加快愈合过程等。
2020/9/21
18
材料反应的类型
生物材料 材料科学与工程学院
1.膨胀浸析 2.腐蚀和溶解 3.生物分子与材料表面的反应
2020/9/21
19
材料反应的类型
生物材料 材料科学与工程学院
总之，这三种调节方式，神经调节的特点是作用迅速而精确； 体液调节则作用较慢，但持续较长久，它的作用部位较广 泛；器官自身调节的范围和程度是有限的。这三种调节方 式互相补充，互相影响，并以神经调节为主导。
2020/9/21
15
人体生理环境
生物材料 材料科学与工程学院
• 材料植入后，人体的新陈代谢不会停止，人体自 身的调节作用要发生相应的变化。
3、过敏反应，材料的降解产物、磨损的杂质以及 渗出物与细胞的相互作用。过敏是人体受外界刺激 后表现出的过度免疫学反应，是人体免疫学系统为 抵抗异物对宿主体的伤害而产生的响应。
2020/9/21
25
主要的人体反应
生物材料 材料科学与工程学院
4、致癌、致畸、致突变反应，是由于材料中或材 料的降解产物中产生的有害物质造成的。有关材料 在人体内是否致癌的结论还不充分，但该方面一直 是生物材料研究的重要课题。
人体生理环境的平衡
2020/9/21
10
生物材料 材料科学与工程学院
人体生理环境的平衡
• 平衡医学理论
2020/9/21
11
人体生理环境
生物材料 材料科学与工程学院
• 当外界环境发生变化时，人体机能亦会随 之适应。
• 二个特点： ➢ 一是人体机能活动的变化总是与环境 变化相适应；
➢ 二是人体机能活动的调节总是以人体 作为一个整体来加以调节。
膨胀浸析
►膨胀：物质从生物组织进入材料，使完全 致密的材料体积增大的过程。
►浸析：液体进入材料内部或材料的某些成 分溶解在生物组织液相中，使材料产生孔 隙的过程。
2020/9/21
20
材料反应的类型
腐蚀和溶解
生物材料 材料科学与工程学院
这是生物金属材料在机体内的最重要的材料反应，尤其 对多元件植入物，腐蚀引起的破坏较为普遍。腐蚀实质 上是一种电子迁移、电化学反应。