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1、医疗器械工程导论,查阅文献,课程学习,本课程是一门新型的、发展中的学科查阅文献要求：每位同学查阅英文文献，报告10-15分钟全体同学讨论8-10分钟文献内容与本课程有关科学的生物学评价方法（文献、最近）细胞、动物实验、分子生物学下周给出给出报告日期安排第7周开始报告，每周2位同学报告,如何作报告,查阅“如何作报告”的论文、PPT或视频 自学结合本课程要求科技论文的组成题目、作者、单位、摘要、前言、材料和方法、结果+讨论、结论、致谢、参考文献报告题目、作者、单位+报告人 本人姓名 1 slide前言 相关研究存在的问题，本研究的目的材料和方法 流程图结果和讨论 图、表、文字描述结论 呼应目的 致
2、谢,如何作报告,黄金原则（KISS，Keep it simply simple）模板：简洁、深色背底浅色字或反之文本：最恰当、最简明的词语反映报告中最重要的特定内容的逻辑组合可不用完整的句子（尤其是英文）避免DOC中的大段文字中文20字，英文10单词；不超过6行/页避免应用不常见的缩略词（首次出现需全称）、字符、代号和公式等,如何作报告,Tips颜色、字体等强调初始设置不同颜色动画Tab键行距及版面布局适宜的动画PPT的menu,如何作报告,图表格文字图：直观、形象、生动 数量关系图（折线图、柱状图、圆形百分比图）、示意图、实物图、工程图、SEM或TEM照片、XRD、流程图等表：精确、鲜明地表
3、达数据，有助于分析对比项目完整、突出重点、表文对应、线条简洁、排列规则、单位符号规范、注释明确，一个表格一个中心内容按结构形式分类：有线表、无线表和系统表等；常使用三线表,如何作报告,1 slides per min,期末考试,考试形式：开卷考试时间：18周以后，待定；考试地点：待定,绪 论,生物材料 医疗器械生物相容性评价 生物学评价,绪论,?,生物相容性,生物材料在特定应用中伴随着适当的宿主反应发挥有效作用的能力。材料科学技术百科全书，材料科学技术大词典Biocompatibilitydo not elicit toxic,carcinogenic,or significant local
4、 inflammatory(that means“no harm”);Performance,functionHandbook of biomaterials evaluation,绪论,Definitions,BiocompatibilityAcceptance of an artificial implant by the surrounding tissues and by the body as a whole,BiofunctionalityBehaviour in specific biological environment,non toxicnon mutagenic/non
5、carcinogenicdo not irritate surrounding structuresdo not provoke an abnormal inflammatory responsedo not induce allergic or immunologic reactions,Locally appropriate behaviourAdequate mechanical properties Appropriate optical propertiesAppropriate densitySupport of the local biological functions.Ste
6、rilizabilityManufacturabilityLong-term storage.,生物相容性,生物材料与人体相互之间作用产生各种复杂的生物、物理、化学反应的一种概念生物医用材料，主编：俞耀庭，副主编：张兴栋其它文献中的定义体外细胞培养试验；动物试验；与血液的相互作用,绪论,An ideal bone filler should have the following characteristic,It should be biocompatible and biodegradable;It should have optimum porosity to facilitate the
7、 vasculature regeneration along with bone regrowthIt should have enough mechanical strength to bear the loadIt should be resorbed by natural process and assist in the bone formation by osteoblasts,绪论,生物相容性,失效！,生物环境,医疗器械,组织,自然环境,工程器具疲劳破坏,医疗器械,工程,失效！,宿主反应,绪论,材料反应,生物相容性 biocompatibility,生物相容性生物材料与人体之间相
8、互作用产生各种复杂的生物、物理、化学反应总和；包括：宿主反应和材料反应（人体能够接受）;还具有一定的功能性。应用条件：在某种应用条件下是生物相容的，在另一种条件下不一定相容。医疗器械（生物材料）：具有行使指定功能所必须的物理、化学性质外，还必须满足生物学要求，即具有生物相容性。,绪论,宿主反应（Host Reaction）,组织或机体对材料的反应邻近材料植入（implant）部位对材料的局部反应远离材料的组织、器官及整个机体对材料的全身反应材料组成中的元素、分子或宏观降解产物（如颗粒、碎片）被释放入邻近组织或整个机体系统；材料对组织的机械的、电化学的及其它的物理化学因素的作用所引起的；导致组织
9、机体的毒副作用 和机体对材料的排斥作用。,绪论,宿主反应,生物学反应(主要),血液反应,免疫反应,组织反应,凝血系统激活,纤溶系统激活,血小板血栓（血小板粘附激活）,细胞增殖（异常分化）,蛋白粘附,细胞因子反应,白细胞反应,溶血反应,局部毒性,（纤维）细胞粘附,形成囊膜（假内膜）,细胞免疫反应,体液免疫反应（抗原抗体反应）,补体系统激活,细胞质的转变,绪论,全身反应,炎症反应,全身毒性,癌变,Blood Compatibility,Subendothelial matrix,Platelets,Blood clot,Fibrin,Endothelial cell,RBC,WBC,Cells a
10、nd proteins come in contact with foreign materials,绪论,血液反应,植入体表面,蛋白吸附,血栓形成,栓子流动,修复治疗,（形成伪内膜或内皮化）,植入物失败,低流速：纤维蛋白+血细胞、血小板高流速：纤维蛋白+血小板,绪论,与血液相互作用试验选择,与血液相互作用试验选择ISO 109934：1992医疗器械将对血液中的血小板、红细胞、白细胞及血液中的血浆蛋白等成分发生作用；血栓形成、溶血、血浆蛋白粘附、补体系统增加及血液中有型成分改变等；临床上广泛应用的与血液接触的医疗器械达60类以上五类试验：血栓形成、凝血、血小板和血小板机能、血液学、免疫学。,
11、绪论,宿主反应,生物学反应(主要),血液反应,免疫反应,组织反应,凝血系统激活,纤溶系统激活,血小板血栓（血小板粘附激活）,细胞增殖（异常分化）,蛋白粘附,细胞因子反应,白细胞反应,溶血反应,局部毒性,（纤维）细胞粘附,形成囊膜（假内膜）,细胞免疫反应,体液免疫反应（抗原抗体反应）,补体系统激活,细胞质的转变,绪论,全身反应,炎症反应,全身毒性,癌变,医疗器械形成的组织反应,有毒物质,细胞消化,生物惰性,生物活性,严重炎症,纤维包裹、营养不足、植入体松动、慢性炎症,组织/植入体界面减薄或消失，新生组织在植入体表面直接形成,植入体表面性能、机械运动等,绪论,浸出物、降解产物,轻微炎症,纤维被膜,
12、纤维长入,VS,VS,组织坏死、形成肉芽或肿瘤,组织反应,植入后局部反应试验GB/T 16886.6 idt ISO 109936 当医疗器械植入体内后，引起周围组织或远端组织的反应，主要表现在以下几个方面：炎症反应程度与延续时间；植入物周围组织纤维化囊形成过程及其延续时间；周围组织生物化学与组织化学等改变及其延续时间；植入物周围炎性细胞以外的异常细胞（如异物巨细胞等）的出现及其数量和延续时间等等。,绪论,宿主反应,生物学反应(主要),血液反应,免疫反应,组织反应,凝血系统激活,纤溶系统激活,血小板血栓（血小板粘附激活）,细胞增殖（异常分化）,蛋白粘附,细胞因子反应,白细胞反应,溶血反应,局部
13、毒性,（纤维）细胞粘附,形成囊膜（假内膜）,细胞免疫反应,体液免疫反应（抗原抗体反应）,补体系统激活,细胞质的转变,绪论,全身反应,炎症反应,全身毒性,癌变,免疫反应,免疫系统有主宰或执行机体免疫功能的器官、组织、细胞和分子所组成的一个系统；免疫反应机体对某些抗原物质的特异性免疫应答，表现为生理性防御效应。,绪论,Vaccination,Bacteria,绪论,免疫反应一,补体系统激活（GB/T 16886.4 idt ISO 109934）当因某种原因（植入体内的材料）激活补体时，补体各成分按一定顺序呈链锁的酶促反应；其中补体裂解产物将影响细胞的聚集、粘附或趋化、调理作用、释放细胞因子等患者
14、将出现过敏症状、或血氧下降或低血压现象、血栓形成、慢性并发症等易感染、恶性肿瘤发生率高、软组织钙化等,绪论,免疫反应二,（过敏性接触）致敏作用刺激与致敏试验 GB/T 16886.10 idt ISO 1099310 是一种变态反应；根据反应发生机理和临床特点，可分为四型，标准中两种致敏试验均为迟发型超敏性试验。,绪论,宿主反应,生物学反应(主要),血液反应,免疫反应,组织反应,凝血系统激活,纤溶系统激活,血小板血栓（血小板粘附激活）,细胞增殖（异常分化）,蛋白粘附,细胞因子反应,白细胞反应,溶血反应,局部毒性,（纤维）细胞粘附,形成囊膜（假内膜）,细胞免疫反应,体液免疫反应（抗原抗体反应）,
15、补体系统激活,细胞质的转变,绪论,全身反应,炎症反应,全身毒性,癌变,全身反应,血液、组织和免疫反应形成的局部毒性反应;进一步形成全身整体毒性反应;最后进入人体内的一些毒性物质也可诱发分子突变，引起遗传毒性、生殖毒性，甚至形成癌变等。,绪论,时间,位置,以上三种反应在临床上的并发症,渗出物反应：由于材料在合成及加工过程中有低分子物质渗入（降解或残留的单体、各种助剂如引发剂、催化剂、增塑剂等），造成对人体的危害。如：聚氯乙烯(PVC)的单体会引起四肢血管的收缩而产生疼痛，并引起痉挛；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的单体进入人体循环会引起肺功能障碍。,绪论,以上三种反应在临床上的并发症,感染感染的定
16、义？细菌性感染非细菌性感染是植入器械临床最常见的主要并发症之一，植入患者的约1%-10%会发生感染。在美国每年因植入物引起的感染而导致死亡的已超过800例。中国目前的院内感染中，由于医疗器械引起所占的比例较大。,绪论,以上三种反应在临床上的并发症,钙化由于营养不良性钙化，在植入器械表面会形成钙化而使材料丧失功能，造成植入器械的失败。如：由于钙化而使生物瓣缩短其使用寿命,绪论,以上三种反应在临床上的并发症,血栓在血液系统使用的医疗器械都要求具有血液相容性，不产生血栓。机械瓣由于易发生血栓栓塞，而要求患者终生服抗凝剂。目前小直径（6mm）的人工血管一直未能在临床大量使用，就是解决不了长期不形成血栓
17、的问题。,绪论,以上三种反应在临床上的并发症,肿瘤医疗器械致癌性一直是一个引人注目的问题；由于人工合成的医疗器械是一个异物，在其植入的周围组织会发生肉芽肿；75%以上的肿瘤的发生是在植入15年后出现，有很长的潜伏期。,绪论,Artificial Hip Joints,Wear particles and loosening Wear particles Adverse biological reactions1、刺激巨噬细胞等分泌细胞因子 破骨细胞分化和活跃2、破坏RANKLRANKOPG系统 Osteolysis/bone resorption/lysisAseptic Loosening,
18、材料反应,组织对材料的作用或材料对活体系统的反应生物材料的物理化学性能的持续稳定是保证其持续可靠性的基本保障；生物环境对材料的腐蚀和降解，可能使材料性质发生退化甚至破坏。材料反应是生物学评价的一个重要环节；,绪论,生物降解？,生物力学相容性,生物材料和所处部位的生物组织的力学性能相匹配？负荷的情况下，材料与其接触的组织所发生的形变是否彼此协调；植入体成功；影响骨组织的成骨方式或重建等。,绪论,生物力学相容性,生物相容性,生物相容性,宿主反应,无毒,材料降解,材料的反应,血液反应,功能性,组织反应,全身反应,生物力学相容,表现,内涵,绪论,免疫反应,生物相容性,反映了材料和生命系统间的相互作用；
19、涉及多学科交叉；要求生物材料对机体无毒副作用要求植入材料和机体的永久协调要求植入材料能够促进甚至诱导病变或损伤的组织生长或修复新材料的设计、研究；材料的表面改性；组织工程：在材料中构建活体细胞和生长因子,绪论,Testing What For?,Conformity with(external)StandardsGB,ANSI/ADA41-1979,ASTM,ISO,EN,DINQuality assuranceConformity with ISO 13485 ISO13488医疗器械生产质量管理规范“Fulfill the specifications”Gain of knowledgeN
20、o standardsbut requirements of statistics,绪论,Consequences for Testing,The difference between“Biomaterials”and“Materials”is“Bio”All testing procedures of“Materials Research”RoughnessSurface free energyHardnessCorrosion/degradation susceptibility,degradation productsGeneration of reactive oxygen speci
21、esComputer simulation,Finite Element CalculationsBiocompatibility testingtoxicity,mutagenicity,sensibilizationBiofunctionality testingSet-up intelligent models of the implant site and ask the right questionsIn vitro(cell culture)modelsIn vivo(animal)experimentsClinical long term studies,绪论,决定生物相容性的因
22、素,材料的类型；材料的表面和体组成以及材料的性质；材料中残留有毒性的低分子物质；材料聚合过程残留有毒性、刺激性的单体；材料及制品在灭菌过程中吸附了化学毒剂和高温引发的裂解产物；材料及制品的形状、大小、表面光滑程度；材料的酸碱度；实验动物的种系；材料所处的解剖学位置、使用时间的长短以及实验操作过程等;.,绪论,医疗器械造成的生物学危害,毒性体外：细胞毒性体内：全身毒性：全身急性毒性（经口、皮肤、经呼吸道、经静脉、腹膜内）、亚急性毒性（经口、皮肤、经呼吸道、经静脉、腹膜内）、慢性毒性（致癌性）、热原遗传毒性、致癌性、生殖毒性与血液的相互反应刺激与致敏植入后局部反应免疫毒性其它：降解产物、灭菌残留物,思考题,1、理解以下定义细胞、蛋白、组织、器官、细胞因子、免疫反应、补体系统（补体反应）、免疫应答、炎症（定义和分类）、感染、纤维化囊、（软组织）钙化、（恶性）肿瘤等2、血液的成分及功能3、理解生物相容性的定义（自己查阅中英文资料）4、收集资料，整理那些材料学的因素将对生物材料的生物相容性产生影响？,
