您知道醫(yī)用材料和生物體的相互作用嗎？

人體某一組織、器官發(fā)生缺損或出現(xiàn)功能障礙時(shí)，最理想的治療手段就是自體移植，可以減輕免疫排斥反應(yīng)。但對(duì)于需求量大的組織或器官，目前臨床上主要的治療措施還是使用生物材料（金屬、陶瓷、高分子、復(fù)合材料）制造的人工替代或修復(fù)性醫(yī)療器械。生物材料作為植入性醫(yī)療器械（人工心臟、關(guān)節(jié)、骨等）或外科醫(yī)用品（皮膚用創(chuàng)面敷料、醫(yī)用耗材等）時(shí)，必須是無毒無害的，除非它是為了某種特殊需求而定制的。

圖1. 生物材料與機(jī)體相互作用示意圖

生物學(xué)環(huán)境是指處于生物系統(tǒng)中的生物醫(yī)用材料周圍的情況或條件，其中包括體液、有機(jī)大分子、酶、自由基、細(xì)胞等都多種因素。生物材料在與人體接觸、發(fā)揮作用的過程中，會(huì)處在生物學(xué)環(huán)境中，在多種因素干預(yù)下，與機(jī)體彼此相互作用，產(chǎn)生的病理學(xué)反應(yīng)主要包括兩個(gè)方面，即材料反應(yīng)和宿主反應(yīng)。為了科普植入物相關(guān)病理學(xué)知識(shí)，本篇文章總結(jié)整理了醫(yī)用材料植入生物體后的病理學(xué)反應(yīng)，供大家學(xué)習(xí)交流。

醫(yī)用材料在生物體內(nèi)的反應(yīng)

理想醫(yī)用材料應(yīng)在缺損部位根據(jù)生物體需求及時(shí)調(diào)整其形狀、力學(xué)性能和生物功能等，直至缺損部位恢復(fù)正常，達(dá)到修復(fù)或替換目的。然而，由于所處生物學(xué)環(huán)境的復(fù)雜性，醫(yī)用材料往往會(huì)與被植入部位的組織環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致材料出現(xiàn)膨脹、腐蝕、降解、吸收、磨損、失效等變化。有些變化如降解、吸收等對(duì)生物體有利，能促進(jìn)機(jī)體的修復(fù)和重建；但大多數(shù)變化是不利的，會(huì)使醫(yī)用材料短時(shí)間內(nèi)失去功效，不能有效達(dá)到使用目的。

1.膨脹與浸析

膨脹與浸析都是化學(xué)勢(shì)差（濃度）作用下擴(kuò)散的結(jié)果。物質(zhì)從組織滲入材料中，致密的生物材料就會(huì)因體積增加而膨脹。膨脹會(huì)降低材料的彈性極限，而且會(huì)導(dǎo)致一種靜態(tài)疲勞或“裂紋”的失效形式，這一點(diǎn)對(duì)金屬、陶瓷基等醫(yī)用材料危害極大。

圖2. 生物材料在生物學(xué)環(huán)境中膨脹示意圖

浸析現(xiàn)象最簡單的原因就是在生物學(xué)環(huán)境中，材料中的物質(zhì)以恒定擴(kuò)散速率離開材料表面。浸析現(xiàn)象對(duì)生物材料的性能一般影響不大，主要危害是浸析產(chǎn)物可能造成局部或機(jī)體整體的生物反應(yīng)。

圖3. 生物材料在生物學(xué)環(huán)境中浸析示意圖

2.腐蝕

腐蝕是指被植入部位體液環(huán)境對(duì)醫(yī)用材料表面的化學(xué)侵蝕作用。腐蝕現(xiàn)象對(duì)金屬材料十分常見，導(dǎo)致金屬植入物釋放陽離子。部分具有預(yù)期生物功能的離子對(duì)機(jī)體修復(fù)產(chǎn)生積極影響。然而腐蝕會(huì)破壞植入物的結(jié)構(gòu)和功能完整性，嚴(yán)重時(shí)致使材料失效。

3.降解

降解通常對(duì)高分子和陶瓷材料影響較大，會(huì)使材料的物理化學(xué)性質(zhì)變化，最終可能導(dǎo)致解體而失效。對(duì)于組織修復(fù)材料來講，適當(dāng)?shù)慕到馑俾适潜仨毜模ㄅc機(jī)體恢復(fù)速率相匹配），這樣可避免二次手術(shù)的弊端。但對(duì)于功能替代性醫(yī)療器具，要盡量避免材料的降解，否則會(huì)使其過早失效，影響臨床預(yù)期效果。

生物體在材料植入后的響應(yīng)

生物體在材料植入后的響應(yīng)即宿主反應(yīng)，指醫(yī)用材料植入生物體后所引發(fā)的機(jī)體系統(tǒng)對(duì)材料的反應(yīng)。包括植入部位附近組織對(duì)材料表現(xiàn)出的局部反應(yīng)，以及遠(yuǎn)端乃至整個(gè)生物體的響應(yīng)。生物材料的理想狀態(tài)是：植入機(jī)體后在“服役”期間只起積極作用，促進(jìn)組織生長、再生重建，或替代損壞器官行使正常功能。但實(shí)際臨床應(yīng)用中，生物材料或多或少的會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生消極影響，如免疫反應(yīng)，致畸反應(yīng)、毒性作用、致癌反應(yīng)等。在此，介紹生物體在材料植入后的部分消極響應(yīng)。

1.局部反應(yīng)

生物材料植入所需部位后會(huì)形成傷口，任何傷口最直接的反應(yīng)就是發(fā)炎，在發(fā)炎過程中，如果有細(xì)菌、病毒等微生物的侵襲，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的感染。在3-5天內(nèi)如果傷口處嚴(yán)重的炎癥沒有被治愈，將導(dǎo)致慢性炎癥。在慢性發(fā)炎過程中，如果體外的蛋白質(zhì)沒有被身體的保護(hù)系統(tǒng)處理，免疫源細(xì)胞將會(huì)被激活，繼而引發(fā)機(jī)體免疫反應(yīng)。

2.毒性反應(yīng)

生物體的全身毒性反應(yīng)是隨著生物材料植入機(jī)體后，生物體對(duì)材料降解或磨損造成的結(jié)果。生物體系統(tǒng)的毒性由免疫反應(yīng)引起，當(dāng)植入物在生物學(xué)環(huán)境中降解或磨損釋放小分子有害物質(zhì)時(shí)，免疫系統(tǒng)將其視為異物，產(chǎn)生強(qiáng)烈響應(yīng)來保護(hù)機(jī)體。一般由于免疫反應(yīng)或是材料降解和磨損引起的系統(tǒng)毒性是難以預(yù)測(cè)的，這跟機(jī)體特異性、材料劑量和植入物的位置等密切相關(guān)。

3.致癌反應(yīng)

醫(yī)用材料植入人體或與皮膚接觸后，在使用過程中出現(xiàn)降解、磨損現(xiàn)象，會(huì)衍生出產(chǎn)物粒子（如鎳、鈷、鈦離子和部分有機(jī)小分子），粒子的大小和形態(tài)有引發(fā)腫瘤產(chǎn)生的可能。試驗(yàn)研究表明，生物醫(yī)用植入材料的物理性質(zhì)、幾何形狀和化學(xué)特性等都可能成為誘導(dǎo)正常細(xì)胞癌變的不利因素，具體植入物與腫瘤形成機(jī)制之間的相互聯(lián)系，還有待進(jìn)一步考證研究。

來源：EFL