生物材料体内生物特性评估

确定生物材料的体内生物特性

佩里察·J·瓦西列维奇、耶莱娜·日夫科维奇、玛丽亚·武凯利奇‐ 尼科利奇和斯特沃·纳伊曼

摘要

生物相容性、生物惰性和生物功能性是某些材料可用于植入的前提条件。生物材料的体内研究涉及对新合成的生物材料整体生物相容性的评估。当与机体接触时，生物材料被视为异物，机体可能以各种可预期和不可预期的方式作出反应。针对生物材料的反应中，常见的超敏反应有两种类型：I型和IV型。牙科常规使用的材料可能在致敏患者及牙科团队成员中引发超敏反应。对血管内假体的超敏反应属于罕见且不可预测的反应，可能导致局部或全身并发症。植入后，生物材料会引发宿主反应，该反应始于血液‐生物材料相互作用和临时基质形成，随后发展为急/慢性炎症、肉芽组织形成、异物反应、纤维囊发育以及可能发生的纤维化。巨噬细胞是在多个层面上调控机体对植入生物材料宿主反应的关键细胞。对植入物效应的评估包括大量生物学参数，例如纤维囊的厚度和血管化程度、炎性细胞的数量和大小、植入物内的细胞浸润、周围组织的变性和坏死性改变、细胞凋亡、增殖和分化、内皮化、生物降解、血栓形成以及钙化。生物材料在植入部位的作用取决于其尺寸、形状、表面和理化特性。理想的植入结果是在损伤愈合后实现正常组织结构和功能的完全恢复。

1 引言

新型生物材料的开发是一个漫长的过程，包括结构分析、优化、生物相容性测试以及最终的临床试验。在不同情况下发生的组织损伤（创伤、骨折、感染、肿瘤等）。机体细胞的平衡活动可自行修复受损最严重的部分。然而，当出现重大损伤时，需要支持生物修复潜力，例如在骨组织大量缺失的情况下。再生医学中通过移植和植入物来修复此类损伤。仅在美国，每年就进行超过一百万例骨组织的修复与重建手术（Olivier et al. 2004）。

自体移植尽管存在诸多缺点，但仍是修复损伤的金标准。自体移植最大的缺点通常在于体内可用于获取自体移植材料的部位数量有限，且获取量较少。替代方法包括同种异体移植和异种移植。由于组织相容性和免疫耐受性的限制，同种异体移植和异种移植的应用受到一定限制。一些天然[例如，用于再生骨组织的羟基磷灰石的天然来源为杯形珊瑚属（Yaszemski 等人，1996）]或人工材料可作为缺失组织的替代物。目前这些材料仅在不到10%的病例中得到应用以实现修复（Olivier 等人，2004）。

由于自体移植和同种异体移植存在诸多局限性，骨组织工程（BTE）技术如今正成为骨缺损修复的重要替代方案（Li 等人 2014）。在骨组织工程中，可生物降解多孔支架因其能够模拟天然骨的三维结构而被视为一种良好的功能解决方案。这些支架的特点是可作为缺失骨骨架的机械支撑。此外，其孔隙率有利于细胞生长、细胞功能及组织再生所需的行为，以及新骨形成的重要条件——血管化。由于具有生物降解能力，支架会形成空间，该空间将被新骨填充，从而使骨组织工程构建体被天然组织所替代（Hutmacher 2000）。除了上述特性外，目前还正在测试那些通过几何结构模仿天然骨细胞外基质（ECM），即骨细胞生长与活动微环境的支架（Hutmacher 等人 2007；Douglas 等人 2009）。

植入是指将材料整合到体内。用于此目的的材料各不相同，例如金属（钛及其合金、钴铬钼合金）、陶瓷（石膏、羟基磷灰石、氧化铝、磷酸三钙、碳）、玻璃、聚合物（聚四氟乙烯、硅胶、伊瓦隆）。生物相容性、生物惰性和生物功能性是某些材料可用于植入的前提条件。

如果材料与其所植入的组织直接连接并有助于局部组织修复，则该材料具有生物相容性。材料的生物惰性意味着其对机体无毒性，且不会引起基因毒性以及正常细胞向癌细胞的转化。生物功能性表现为织物保持植入材料的正常功能（Ignjatović 等，2001；Najman 等，2003，2004；Vasiljevic 等，2009，2013；Jokanović等，2001；Najman 等 2003，2004；Vasiljevic 等 2009，2013；Jokanović等 2016a）。

鉴于骨的无机成分主要由羟基磷灰石组成，陶瓷生物材料、磷酸三钙（TCP）和羟基磷灰石（HAP）已引起研究人员的广泛关注。（加纳提等人，2013年；约卡诺维奇等人，2006年，2016a，b）。因此，与其他生物材料相比，它们在生物相容性方面具有显著优势。另一方面，由于其本身脆性较高，导致其生物功能性弱于其他生物材料。正因如此，当骨的连续性中断时，陶瓷生物材料无法用于修复骨组织（伊格纳托维奇等人 2001；纳伊曼等人 2003, 2004；瓦西列维奇等人，2009年）。目前已有许多尝试旨在克服脆化这一陶瓷生物材料应用中的主要问题。陶瓷的缺点可以通过使用聚‐L‐乳酸、聚乳酸‐共‐乙醇酸等聚合物得到至少部分改善（杜鲁坎和布朗，2000年；伊格纳托维奇等人 2001；纳伊曼等人 2003, 2004；瓦西列维奇等人 2009, 2013；米蒂ć等人 2014）。研究表明，由磷酸钙和聚（乳酸‐共‐乙醇酸）（PLGA）构建的复合支架比不含PLGA的支架具有更好的机械性能，例如抗压强度（杜鲁坎和布朗，2000年；康等人，2011年）。许多研究已表明，PLGA聚合物可有利地影响对骨组织形成和维持至关重要的细胞活性（李等人，2006年；博斯等人，2012年）。

聚合物组分可改善复合材料的机械特性，并有助于在骨生长过程中表达特定细胞特性的生物学特性fi。基于这些原理，已开发出由钙羟基磷灰石（CHA）和PLGA组成的羟基磷灰石复合支架，其中PLGA以薄层形式存在于CHA支架表面。CHA常用于骨组织工程，因其具有良好的机械性能，可获得高纯度材料，具备优良的加工性能和可调节的降解速率，这些特性对于匹配受损骨的愈合速率至关重要（Agrawal 和 Ray 2001；Ngiam 等 2009）。

PLGA层的作用是多方面的，因其可改善支架的机械性能，并形成对细胞黏附、迁移、代谢物释放等各类细胞活动至关重要的疏水性生物表面（Thomas 等 2014）。在体内研究中，覆盖PLGA的多孔钙羟基磷灰石支架在生物功能性方面已显示出相较于标准骨替代材料Geistlich Bio‐oss®的显著生物学优势（Jokanović等 2016a）。因此，钙羟基磷灰石与PLGA的复合生物材料可满足优良骨替代材料所需的各种要求，包括良好的机械特性、孔隙率、生物降解性、拓扑特征，并最终实现成骨传导性和成骨诱导性（Jokanović等 2016b）。

在潜在生物材料的开发中，新技术考虑到细胞分化所需的微环境，因为已有尝试将活性分子、生长因子和药物整合到组织基质中（Ripamonti 1993; Ignjatović et al. 2001; Najman et al. 2003, 2004;Vasiljevic et al.2009, 2013;Mitić et al. 2014）。

生物相容性的检测包括评估生理环境对材料的影响以及材料对环境的影响。生物材料的生物相容性评估可通过两个方面进行。第一个方面是通过体内研究来评估新合成的生物材料的整体生物相容性。这些研究主要考虑生物材料的物理和化学特性、潜在毒性、生物降解性、组织与生物材料之间的反应、生物材料的降解产物的毒性、基因毒性和致突变性等。这些测试主要指明了用于医学的新材料合成可能的发展方向。生物相容性的另一个方面包括对最终产品即临床使用的生物材料进行测试。

核心问题是这种新型生物材料在治疗组织缺损时的表现如何，其生物相容性和整合性如何，是否支持正常细胞的发育（Ohgushi等1989；Ripamonti 1993；Najman等 2003, 2004；Vasiljevic等 2009, 2013）。

如今，为实现这一目的，采用了体内和体外实验方法，其中包括一系列标准化实验技术（欧洲理事会 1999；ISO 10993；美国国家卫生研究院 1977）。

2 生物材料的超敏反应

生物材料与机体接触时被视为异物，机体在它们存在的情况下会以各种可取和不可取的方式与其发生反应。对某种抗原存在的过度且不适当的免疫反应称为超敏反应或超敏反应。根据产生的效应分子及其作用机制，迄今已明确界定四种类型的超敏反应，而第五种类型仍处于推测阶段（Rajan2003）。

Classification of 超敏反应 according to Gell and Coombs(Gell and Coombs 1963):

• I型—IgE介导的超敏反应
• II型—细胞毒性—IgG/IgM介导
• III型—免疫复合物介导—IgG/IgM免疫复合物
• IV型—迟发型超敏反应 或细胞介导的超敏反应

宿主是否、以何种方式以及在多大程度上对生物材料的存在作出反应，取决于所用生物材料的组成，以及应用部位，但主要取决于宿主生物的生理特征。作为对生物材料的反应，常见的仅两种超敏反应，即I型和IV型。

2.1 I型超敏反应

这种过敏反应在过敏原与体内已产生的、存在于肥大细胞和嗜碱性白细胞表面的IgE抗体接触后立即发生（数分钟内）。抗体与抗原的反应导致血管活性胺（包括组胺和腺苷）的释放，从而引起I型过敏反应的症状和体征。患者所表现出的症状可能因过敏原的进入途径（注射、吸入或口服）以及过敏原剂量的不同而有很大差异（Janeway等 2001）。速发型超敏反应具有多种临床和病理特征，均归因于肥大细胞在不同组织中以不同数量产生的介质。

一些常见速发型超敏反应的表现包括：过敏性鼻炎、鼻窦炎（黏液分泌增加；上呼吸道和鼻窦的炎症）、食物过敏（由于肠肌收缩导致蠕动增强）、支气管哮喘（由平滑肌收缩引起的支气管高反应性；迟发相反应导致的炎症和组织损伤）以及最严重的过敏性休克（由血管扩张引起的血压下降和喉头水肿导致的气道阻塞）。速发型超敏反应还可表现为其他多种方式，例如出现荨麻疹和湿疹等皮肤病变（Abbas和Lichtman 2010）。

有关生物材料引发IgE反应的报道很少，尽管已知在其他应用中接触到的某些生物材料成分（如职业性呼吸道接触中的镍和铬盐）会引起IgE反应，而对硅胶的反应则存在争议（Ratner等，1997）。

I型超敏反应诊断试验

如果怀疑I型过敏，可通过皮肤点刺试验（SPT）进行诊断。SPT涉及将过敏原皮内接种，可提供针对特定抗原致敏的证据。fic抗原。该试验结果有助于确认疑似I型过敏的诊断。与体外检测特异性IgE抗体相比，SPT的主要优势在于试剂施用于皮肤后15–20分钟内即可解读结果。在阳性测试条件下，皮肤可能出现红斑、丘疹和/或水疱样反应。该方法创伤小、成本低、结果即时可得，且由经过培训的医疗专业人员操作时具有良好的可重复性。体外检测特异性IgE抗体（Pumhirun等 fic IgE antibody）是诊断I型过敏的重要补充工具，尤其适用于无法接受SPT检查的受试者。例如，SPT在患有广泛性湿疹、皮肤划痕症、荨麻疹或正在服用抗组胺药或其他可能干扰检测结果正确解读的药物的患者中–不推荐使用。

不推荐在患有广泛性湿疹、皮肤划痕症、荨麻疹或正在服用抗组胺药或其他可能干扰检测结果正确解读的药物的患者中使用。体外检测方法的敏感性（Hill等 2004；Chung等 2010）和/或特异性（Ten等 ficity）可能低于SPT，具体取决于所采用的方法和使用的过敏原。此外，在总血清IgE抗体水平极高的个体中，常可检测到临床相关性不确定的低水平特异性IgE抗体。此外，SPT可立即获得信息，而体外检测结果可能需要数天甚至数周才能获得。因此，SPT更具灵活性，通常成本也更低（Heinzerling等 1995；Van der Zee等 1988）。fic IgE antibody。此外，SPT可立即获得信息，而体外检测结果可能需要数天甚至数周才能获得。因此，SPT更具 flexibility，通常也更便宜（Heinzerling等 2013）。

2.2 IV型超敏反应

IV型超敏反应被称为迟发型超敏反应，因为与特定抗原接触后，反应通常需要12小时或更长时间才会出现（Brostoff等，1991）。在先前已致敏的个体中，当大量T辅助细胞（主要是TH1亚型）受到抗原激活后，会募集其他细胞到暴露部位，从而引发反应。致敏仅在某些人接触某些特定抗原后发生，这些抗原可通过食物、水、皮肤、呼吸道或不同的预防、诊断和治疗措施进入体内。

在IV型超敏反应的发展过程中，描述了几个阶段：对抗原的识别与致敏、T辅助细胞活化以及效应阶段。迟发型超敏反应的效应阶段由已致敏的T细胞与抗原接触而启动。在此阶段，被抗原激活的T细胞表现为迟发型超敏T细胞（TDTH细胞），并与活化的抗原呈递细胞（APCs）共同作用，分泌多种细胞因子，招募并激活巨噬细胞、单核细胞、中性粒细胞及其他炎症2001）。IV型超敏反应的主要特征是，在对个体已致敏的抗原暴露后经过一段潜伏期，出现局部炎症反应。在炎症部位，占主导地位的细胞是数量最多的巨噬细胞。

IV型超敏反应通常在皮肤上以不同的临床表现出现。

近年来，一些出版物为这些导致IV型超敏反应（特别是药物、镍和其他半抗原引起的超敏反应）的复杂机制提供了新的见解，并且还能解释相应患者的临床表现差异。IV型超敏反应中的皮肤症状是由特异性T细胞CD4+和CD8+活化所触发的。对反应性T细胞进行免疫组织化学和功能分析表明，迟发型超敏反应依赖于分泌的细胞因子。为了更好地理解这些炎症级联反应，IV型超敏反应已被重新分类为四个主要亚型（Czarnobilska 等，2007）。

临床延迟性超敏反应皮疹通常是细胞因子通路的重叠，其中一种优势反应主导了最终表现。IVa型和IVc型参与接触性皮炎的发病机制，而IVb型见于慢性哮喘、慢性过敏性鼻炎及伴有嗜酸性粒细胞增多的斑丘疹样皮疹，IVc型见于大疱性反应（如斯蒂文斯‐约翰逊综合征或中毒性表皮坏死松解症），IVd型则见于脓疱性皮疹反应（例如AGEP—急性泛发性脓疱性皮疹、白塞病）。上述机制可以解释包括对镍及其他半抗原的药物过敏以及慢性哮喘和过敏性鼻炎等不同临床表现的过敏性疾病（Czarnobilska 等，2007）。

IV型超敏反应诊断试验

For verification of IV型超敏反应，有两种常用方法：(1) 皮肤斑贴试验；和 (2) 淋巴细胞转化试验 (Primeau 和 Adkinson2001)。

皮肤斑贴试验被认为是体内评估迟发型超敏反应的金标准（Schalock 等，2012）。该方法常用于已怀疑对所用生物材料产生超敏反应的患者的诊断目的，也可作为预防措施或用于确定对不同类型生物材料的超敏反应易感性。该操作并不复杂，但会给患者带来一定不适。此外，尽管风险极小，但仍存在该操作本身可能导致患者对试验中使用的抗原致敏的可能性。斑贴试验始终使用某些已定义的抗原组合进行。该检测的操作过程包括将抗原引入如凡士林类载体中，并通过固定绷带使皮肤暴露于抗原48–96小时。

暴露一段时间后，反应按1级（轻度或无反应）到4级（严重皮疹伴小水疱，可能结痂并渗液）进行分级（Hallab等，2001）。皮肤斑贴试验的实际优势包括操作简便、结果快速、评估范围广以及广泛可用（Granchi等，2006；Thyssen等，2011）。这些fi发现可视为支持术前斑贴试验可能预防显著发病率的论点（Schalock等，2012）。对于有金属过敏史的患者应强烈考虑术前使用，而对于出现疑似金属超敏反应或在无感染情况下发生植入物失效的患者，应考虑术后使用（Schalock等，2012；Granchi等，2012）。

淋巴细胞转化试验（LTT）可作为确定患者金属敏感性的替代方法，在斑贴试验结果可疑时建议使用。该体外试验通过检测患者外周血淋巴细胞在存在和不存在潜在过敏原情况下的增殖情况来评估’反应2012；Granchi等，2012）。

一种增强版的淋巴细胞转化试验，称为记忆淋巴细胞免疫刺激试验（MELISA®），可供医疗保健从业者使用，并有助于检测IV型超敏反应。

先前已有描述（Valentine‐Thon 等 2006；Stejskal 等 1996）。简而言之，从全血样本中分离出标准数量的淋巴细胞，并排除单核细胞，用于细胞培养。

淋巴细胞培养5天后，转移至含有已知抗原的新培养板中，随后加入甲基‐3H 胸苷脉冲4小时，以定量细胞增殖。同时使用同一患者的淋巴细胞作为阴性对照，不添加抗原。培养后，将淋巴细胞收集到 滤纸上并干燥。使用液体闪烁计数器测量滤纸上的放射性。通过将检测孔中的每分钟计数（cpm）除以阴性对照孔中的平均cpm来计算刺激指数（SI）（Valentine‐Thon 等 2007；Valentine‐Thon 和 Schiwara 2003；Stejskal 等1996）。阳性反应，提示IV型超敏反应，定义为SI大于3；可疑反应为SI在2到3之间。SI小于2视为阴性。临床上，MELISA®已被证实是测定对各种金属敏感性的有效工具（Valentine‐Thon 和 Schiwara 2003）。

体外白细胞迁移抑制试验涉及混合群体白细胞迁移活性的测定。培养中的白细胞以随机方式主动迁移，但可被趋化因子优先吸引，例如由葡萄球菌和其他细菌释放的趋化因子。然而，在存在致敏抗原的情况下，它们的迁移速度减慢，失去识别趋化因子的能力，被称为迁移受抑制。现代迁移检测技术通过琼脂糖层、琼脂糖滴、毛细管壁、膜滤器和胶原凝胶等介质，对淋巴细胞群体在体外的迁移进行量化（Hallab等，2000）。长期来看，仅依靠迁移检测（以及任何单一检测）可能是迟发型超敏反应的不充分的检测方法（Repo等，1980）。

2.3 骨科材料的超敏反应

骨科植入物可由多种金属、塑料和/或陶瓷元件制成。膝关节假体的金属部件最常见的是不锈钢，其次是钴铬钼（CoCrMo）合金、镍、钛、铍、钒和钽（Basko‐Plluska 等 2011；Hallab 和 Jacobs 2009）。人体可通过多种途径暴露于金属离子。日常金属暴露通常通过与珠宝、手机、衣物扣件和皮革的皮肤接触，以及职业暴露、牙科fi填充物和医疗植入物发生（Thyssen 和 Menné 2010）。此外，个体还可能通过吸烟以及化妆品、食物和饮用水中的痕量金属暴露（Ashraf2012；Teow 等 2011；Borchers 等 2010）。

已知金属致敏的发生与暴露机制无关（Basko‐Plluska 等 2011）。如前所述，金属离子暴露会引发适应性免疫反应，其中巨噬细胞活化导致迟发型超敏反应的发展（Cadosch 等 20092008；Thomas 等 2000）。金属超敏反应发展的病理生理机制尚未完全阐明。据信，与体液接触的金属会发生腐蚀并释放出金属离子，这些离子被免疫系统处理。这些离子本身并非致敏剂，但会与天然蛋白质形成复合物，并作为过敏原引发超敏反应。植入装置上方的皮肤反应主要是T细胞介导的IV型迟发型反应。在金属植入部位报道的反应包括IV型反应，但其性质可能较为复杂。植入物周围反应似乎呈Th1优势型（Schalock 等 2012）。已知的致敏剂（抗原中的半抗原部分）包括铍、镍、钴和铬；此外，也有对钽、钛和钒产生偶发反应的报道（Hallab 2001）。

镍、钴和铬是三种最常见的引发慢性内源性暴露下皮肤和皮肤外过敏反应的金属，但几乎所有存在于生物材料中的金属都可能诱发超敏反应。

对金属关节植入物的超敏反应可能表现为多种形式，可能导致局部或系统性过敏性皮炎，有时伴有疼痛，有时在假体周围区域出现渗出性病变、关节功能丧失、植入物失效和患者不满（Thyssen 和 Menné2010）。

对于含有金属植入物的患者，当报告出现皮肤过敏症状时，临床医生应考虑金属超敏反应。此外，对于有关节植入物的患者，当出现关节痛、假体周围透亮线或观察到无菌性植入物松动时，也应考虑金属超敏反应（Willert et al. 2005）。

除了植入物的金属成分超敏反应外，文献中还描述了对植入物的聚合物成分的超敏反应。Gil‐Albarova等（1992）的研究表明，在骨水泥型全髋关节假体发生无菌性松动的患者中，淋巴细胞介导的免疫反应被激活。最显著的变化是通过LTT测得的PMMA单体诱导的高免疫反应性，以及总T淋巴细胞（CD2簇）的增加，尤其是表达白细胞介素‐2受体（CD25）的细胞，后者是淋巴细胞活化的早期标志。尽管他们未对骨水泥‐骨界面膜进行免疫学研究，但总T淋巴细胞特别是表达白细胞介素‐2受体的细胞增加，提示在该部位发生了IV型免疫性超敏反应（细胞介导反应或接触性敏感）。P MMA引起的高水平淋巴母细胞转化表明，仅此物质而非骨水泥稳定剂充当了过敏原。

2.4 牙科材料的超敏反应

牙科常规使用的材料可能在致敏患者和牙科团队成员中引起超敏反应。牙医学中使用的材料包括防腐剂、金属、合金、陶瓷、印模材料、局部麻醉剂、粘固剂、乳胶手套、橡皮障、丙烯酸酯、粘合剂、漱口水及其他材料（Gawkrodger 2005；Khamaysi等 2006；Lygre2002；Mallo‐Pérez和 Díaz-Donado 2003）Kanerva等（1995）鉴定出超过130种可能来源于牙科用途材料的过敏原。Khamaysi等（2006）的一项针对接受过牙科治疗并有口腔症状的患者的研究中，检测到的常见过敏原包括硫代硫酸金钠（14.0%）、硫酸镍（13.2%）、汞（9.9%）、氯化钯（7.4%）、氯化钴（5.0%）和2‐羟乙基甲基丙烯酸酯（5.8%）。Goon等（2006）的另一项研究显示，该组中最常见的过敏原是（甲基）丙烯酸酯单体和元素汞。人工牙与天然牙、金属牙科植入物以及口腔内的修复材料持续与生理液体相互作用。它们所经历的温度和pH变化比身体其他大多数部位更大。腐蚀——即材料因电化学侵蚀而发生的逐步降解——尤其令人担忧，因为当牙科植入物置于人体口腔提供的恶劣电解环境中时可能发生腐蚀。由植入物腐蚀产生的离子可能导致过敏反应。典型的过敏症状和诊断包括掌跖脓疱病、扁平苔藓、口腔炎和接触性皮炎，这意味着对这些材料的反应不仅出现在口腔黏膜，也出现在全身皮肤上（Gawkrodger2005；Hamano等 1998；Yanagi等。2005）。

2.5 血管内装置

随着血管内装置冠状动脉支架、穿孔卵圆孔封堵器、起搏器和植入式心律转复除复器的频繁使用。用于血管内假体的生物材料引起的超敏反应属于罕见且不可预测的反应，可能导致心血管治疗干预后出现局部或全身性并发症（Honari 等人，2008）。已有报道显示一系列反应，从良性反应到过度炎症和全身性过敏反应，应根据其应用背景予以考虑（Nebeker 等人，2006；Fukahara 等人，2003；Dasika 等人，2003）。

3 生物材料对植入的影响

通过植入来评估生物材料对组织结构和功能的影响。对植入物效应的评估主要为显微评估。显微评估包括监测大量生物学参数，例如纤维囊的厚度和血管化程度、炎性细胞的数量和大小、植入物内的细胞浸润、周围组织的变性和坏死性改变、凋亡、细胞增殖与分化、内皮化、生物降解、血栓形成以及钙化（Ignjatović 等人，2001；Najman 等人，2003，2004；Vasiljevic 等人，2009，2013；Ignjatović 等人，2013）。用于植入的实验模型包括小鼠、大鼠、兔子、豚鼠、狗、绵羊、山羊、猪或其他动物。植入部位包括皮下组织、肌肉、骨或腹腔内。结果评估可在短期（2、4、6、8、12周）或长期（数月）进行。

3.1 损伤

植入生物材料本身即是一种损伤，因为它会导致组织损伤。在宿主对组织损伤的反应初期，主要是血液和血管系统参与（Anderson 2008）。来自血液的细胞、生长因子、细胞因子和趋化因子影响炎症反应的启动，其方向和强度对于损伤的正常修复极为重要（Shapiro 2008）。植入部位的出血和凝血是愈合级联的起始事件，随后依次进行炎症—修复—重塑过程。宿主组织对损伤的反应方式取决于其程度，并与血液‐生物材料相互作用、临时基质形成以及炎症反应密切相关。此外，肉芽组织形成的程度、异物反应以及纤维化/纤维囊形成在植入物中的发展取决于上述因素。所有这些过程在生物相容性生物材料的情况下，通常在植入后2–3周内结束（Anderson 1988, 1993）。

3.2 血液‐生物材料相互作用

植入后，生物材料会接触血液并导致其凝固（Yu et al. 2014；Shiu et al. 2014）。血浆中含有约三百种不同的蛋白质，其中许多直接参与伤口愈合过程（Powanda and Moyer 1981；Anderson and Anderson 2002）。植入后立即发生血液和组织间液中的蛋白质在生物材料表面的吸附（Franz et al. 2011）。我们的研究结果也证实了这一点：将生物材料在模拟体液中孵育一周后（Kokubo 1996），可在其表面观察到微溶性沉淀（Vukelić et al. 2011, 2012）。由于吸附蛋白层会影响凝血、补体系统、血小板以及最终的免疫细胞，因此血液‐生物材料表面的相互作用对植入生物材料后的宿主炎症反应具有重大影响（Anderson 2008；Franz et al. 2011；Yu et al. 2014）。血液是多种细胞因子和生长因子的丰富来源，其中许多具有促血管生成特性。这一事实对于损伤修复非常重要，因为血管化和血管新生是维持组织结构和修复过程的关键事件（Najdanović et al. 2015）。很可能血液中的促血管生成因子会影响参与血管化和血管新生的各种细胞类型。因此，在皮下植入8周后，由纳米材料NP‐CP/DLPLG与全血和骨髓细胞混合制成的植入物比仅与血液混合的纳米材料植入物具有更好的血管化（Janićijević et al. 2008）。根据我们先前的研究发现，血浆与生物材料的结合在组织再生领域也非常有用（Ajduković et al. 2005）。我们最近的皮下植入实验结果显示，将生物材料与血浆及脂肪来源干细胞混合的概念可能适用于增强血管化（Najdanović et al. 2015）。

与光滑表面相比，有纹理的生物材料表面通过干扰血液‐生物材料界面上的血液流动而促进凝血。已知蛋白质在疏水表面的吸附比在亲水表面更显著（Wilson 等人，2005）。吸附蛋白的化学组成并非保持不变，随着时间推移发生的吸附蛋白相继替换现象称为沃曼效应。该效应主要发生在带负电荷的亲水表面（Turbill 等人，1996）。血液蛋白在生物材料表面的沉积标志着临时基质形成的引言（Anderson，2008）。

3.3 临时基质形成

临时基质主要由纤维蛋白和纤连蛋白构成，是在生物材料植入过程中因血管化组织损伤而形成的。它起到细胞黏附的基质，还能刺激细胞增殖、分化并合成新的细胞外基质成分（Anderson和Patel 2013）。纤维蛋白构成临时基质的基础，但除了纤维蛋白外，补体系统、活化血小板、炎症细胞和内皮细胞的分泌产物也参与了临时基质结构的形成。此外，生物材料表面会自发吸附作为纤维蛋白前体的纤维蛋白原（Hu等人 2001）。作为临时基质的一个组成部分，纤维蛋白网络启动炎症细胞和成纤维细胞的募集。除纤维蛋白原/纤维蛋白外，纤连蛋白和玻璃粘连蛋白也被证实可附着于生物材料表面（阿什和波达克 1990；加瓦兹等人 1997；李等人 2006）。吞噬细胞被吸附的纤维蛋白原/纤维蛋白吸引，引发炎症反应，这种反应在血凝块形成后生理上是常见的（延内温等人 2011）。此外，纤连蛋白和玻璃粘连蛋白通过促进巨噬细胞在生物材料表面融合为异物巨细胞，调节对生物材料的炎症反应。由形成的血凝块中活化的血小板释放血小板因子4（PF4）、血小板源性生长因子（PDGF）和转化生长因子‐β（TGF‐β），吸引成纤维细胞（赖克斯 1988；瓦尔等人 1989）。

来自血凝块的凝血酶也可作为趋化因子，作用于受损组织的再生过程，吸引中性粒细胞、单核细胞和淋巴细胞（巴尔‐沙维特 等人 1983；比齐奥斯 等人 1986）。因此，总体而言，临时基质由黏附性蛋白质以及释放的血小板颗粒成分组成，除上述因子外，还包括血栓素、转化生长因子‐α（TGF‐α）和血小板源性内皮细胞生长因子（PD‐ECGF）。通过这种方式，纤维蛋白网络为细胞黏附和迁移提供了有利的底物。根据植入部位生物材料环境的不同，黏附的蛋白质可能促进慢性炎症或伤口愈合过程（安德森2008；Franz等人 2011）。

被吸引的吞噬细胞会随着时间推移降解fibrin网络，该过程起初促进炎症反应（Szaba和Smiley 2002），随后fibrin网络逐渐被未成熟结缔组织取代，这种未成熟结缔组织含有未成熟的成纤维细胞（这类细胞常被称为间充质干细胞），具有分化为多种细胞类型的能力（Alberts等，2002）。在植入部位存在未成熟结缔组织对于修复和再生过程总体上具有重要意义。

3.4 炎症

炎症过程涉及一系列相互关联的事件，参与植入部位的组织愈合和组织重建。其强度和持续时间在很大程度上取决于生物材料的尺寸、形状和理化特性。炎症过程还受到植入手术期间损伤程度和受损组织类型的影响。在宿主炎症反应初期，中性粒细胞、随后是单核细胞和巨噬细胞是主要的参与者。

最常见的细胞类型（Anderson 2001）。由植入性生物材料fl引起的炎症反应可能是急性和慢性的。

急性炎症反应的典型特征是持续数分钟至数天，表现为中性粒细胞和嗜酸性粒细胞向植入部位迁移、肥大细胞脱颗粒并释放组胺，以及纤维蛋白原吸附到生物材料表面（Tang et al. fibrinogen to bioma-terial surface(Tang et al. 1998;Zdolsek et al. 2007）。中性粒细胞以及随后的巨噬细胞主要作用是吞噬微生物和外来物质，而降解程度取决于生物材料本身的性质（Anderson 2001）。例如，生物材料的硬度可能导致吞噬细胞长期吸收（Najman et al. 2004）。肥大细胞释放的组胺对吞噬细胞向植入性生物材料募集
至关重要（Tang et al. 1998）。吸附并部分变性的蛋白质，主要是纤维蛋白/fibrin/fi纤维蛋白原则被认为是决定急性炎症反应进程的关键因素（Tang and Eaton 1993;Anderson 2001）。这些蛋白质可诱导并调节白细胞迁移和炎症反应（Jennewein et al. 2011）。

慢性炎症也始于中性粒细胞的募集，但与急性炎症不同的是，它在组织学上具有异质性，并可能导致植入物失效。其主要特征是巨噬细胞、单核细胞、淋巴细胞和成纤维细胞的存在，这些细胞在损伤后1–2周内数量增多，并在6周时减少。血管增生和结缔组织的形成也是急性炎症反应的特征。外科损伤本身足以吸引中性粒细胞，而生物材料的存在会增加巨噬细胞向植入部位的迁移（Robitaille et al. 2005）。巨噬细胞是慢性炎症中最重要的细胞类型。这些细胞产生大量生物活性因子，可影响损伤后组织修复和再生的所有方面（Anderson 2001）。人们认为，巨噬细胞及其产物是控制伤口愈合和纤维化的关键因素（Anderson and McNally 2011）。长期的慢性炎症常常导致植入的生物材料周围伤口愈合受损（Dee et al. 2003），强烈的炎症反应通常会导致植入物失效。然而，炎症反应是一系列导致正常组织愈合反应中的第一步，近年来越来越多的证据表明，受控的炎症可能对修复和再生过程产生有益影响。我们的研究及其他研究结果表明，在由矿物骨替代材料构成的植入物结构中加入巯基乙酸盐诱导的腹腔巨噬细胞可能支持成骨过程（Živković et al. 2015）。

3.5 肉芽组织

关于具有良好生物相容性的生物材料，炎症反应通常不超过2周。急性与慢性炎症反应消退后，随之发生的是由增殖引起的肉芽组织形成。

的纤维细胞和血管内皮细胞，并通过巨噬细胞、浸润的纤维细胞和血管的存在来识别。这种组织因其颗粒状外观和大量毛细血管的存在而被称为“肉芽组织”（Nowak 和 Olejek 2004）。在炎症反应后形成肉芽组织是组织愈合的标志性特征。

由于丰富的血管，不同的细胞、细胞因子、趋化因子和生长因子到达生物材料植入部位。来自肉芽组织的成纤维细胞增殖并合成胶原蛋白、弹性蛋白、蛋白聚糖、糖胺聚糖以及其他非胶原蛋白（Lin 等，1997；Olczyk 等，2014）。在损伤后约 7–10 天，肉芽组织开始被重塑。该过程最终形成成熟结缔组织（Häkkinen 等，2012）。

应区分肉芽组织和肉芽肿这两个术语，肉芽肿是称为上皮样细胞的巨噬细胞聚集而成。肉芽肿是慢性炎症的结果，而肉芽组织是组织愈合过程中的正常现象。通常有几层细胞将肉芽组织与植入的生物材料分隔开来（Anderson 和 Patel 2013）。肉芽组织所含的成纤维细胞可实现收缩和伤口闭合。

如前所述，肉芽组织形成伴随正常的组织愈合过程。然而，在大面积组织损伤的情况下，会形成大量肉芽组织以试图fi填补缺损，常常导致fi纤维化或瘢痕形成（Lin 等，1997；Anderson 2001）。

3.6 异物反应

附着于异物生物材料上的巨噬细胞随着时间推移具有强烈的吞噬作用，并分泌促炎性细胞因子、活性氧（ROS）和降解酶。这些细胞能够吸收尺寸达5 μm的颗粒。对于较大尺寸的颗粒，巨噬细胞会融合形成异物巨细胞（Franz等，2011）。异物反应涉及巨噬细胞、异物巨细胞以及先前形成的肉芽组织的组分。当植入生物材料时，通常会出现正常的异物反应，但持续时间过长的反应可能会抑制愈合过程（Anderson，1988）。

异物巨细胞有两种形态不同的类型，分别称为朗格汉斯型和异物型。第一种细胞类型的形成由干扰素‐γ（IFN‐γ）刺激引起。这些细胞呈圆形，含有大约20个细胞核，细胞核位于细胞的周边区域并呈环状排列。第二种细胞类型的形成由白细胞介素‐4（IL‐4）或IL‐13刺激引起。这些细胞形状不规则，含有数量众多且随机排列的细胞核（超过20个）（Fais等，1994；DeFife 等，1997；Anderson，2000；Kaji等，2000）。

在异物反应过程中，先前形成的细胞外基质会发生重组。一类称为基质金属蛋白酶的酶家族

基质金属蛋白酶（MMPs）参与此过程，几乎降解所有细胞外基质成分（Luttikhuizen 等，2006）。MMPs 由巨噬细胞分泌，而新的细胞外基质成分则由成纤维细胞分泌。细胞外基质是多种细胞因子、趋化因子和生长因子的丰富环境，这些因子在重塑过程中被释放。植入生物材料部位的组织中细胞的后续命运及相关过程，在很大程度上取决于这些释放因子的特性。

异物反应在很大程度上取决于植入生物材料的形态和表面形貌。多孔材料、颗粒状材料或微球通常表现出显著的异物巨细胞反应，而光滑表面生物材料则相反（Anderson2013）。

3.7 纤维囊形成与纤维化

可降解生物材料将通过慢性异物反应被吸收。对于不可降解材料，异物反应的最终结果是在植入物周围形成纤维囊（Luttikhuizen 等人 2006）。

植入的理想结果是在损伤愈合后完全恢复正常的组织结构和功能。然而，纤维囊（通常厚度为50–200 μm）的形成通常是机体组织对生物材料反应的最后阶段（Morais 等人2010；Anderson 和 McNally 2011）。其原因是机体会将植入的生物材料识别为需要隔离的异物。最有效的方式是形成一层薄薄的纤维囊包裹在植入物周围，因为这可以防止植入生物材料与宿主组织持续相互作用（Konttinen 等人 2005；Nuss 和 Rechenberg 2008）。纤维囊主要由来自肉芽组织的成纤维细胞产生的III型胶原蛋白构成。植入物周围出现较厚的结缔组织囊可能表明存在强烈的炎症反应（El‐Warrak 等人 2004a,b）。纤维包裹和纤维化可能导致植入生物材料的排斥（Anderson 2008）。

尽管生物材料植入引起的炎症阶段通常伴随纤维化，但这两个事件并不一定成正比（Jones 2008）。可以说，纤维化的程度主要取决于植入部位存在的不同类型因素，这些因素影响炎症反应。其中，对炎症和纤维化程度具有显著影响的因素包括IL‐1、TNF‐α和TGF‐β。IL‐1β的过表达可能导致强烈的炎症反应，进而发展为持续性炎症，最终导致组织损伤和纤维化。

TNF‐α的过表达引发的炎症结果为轻度纤维化。与此不同的是，TGF‐β的过表达虽引起轻微的炎症反应，但却会导致严重且进展性的慢性纤维化（Jones 2008）。

巨噬细胞能够分泌所有上述细胞因子以及许多其他因子，因此常被称为纤维化的主要调节因子。得益于这些

分泌因子 巨噬细胞募集成纤维细胞、其他炎性细胞类型以及额外的巨噬细胞至植入手术引起的组织损伤部位。通常情况下，吞噬凋亡和死亡细胞会增加巨噬细胞TGF‐β 的分泌，在此情况下使其趋向促纤维化方式。另一方面，巨噬细胞还可通过清除成纤维细胞、其他类型的细胞和细胞碎片来促进纤维化的消退，从而消除促纤维化刺激（Wynn和Barron 2010）。

多年来，fi人们认为纤维化是一种进行性且不可逆的过程，但事实并非如此。在这方面，持续的炎症可通过巨噬细胞分泌的胶原酶降解细胞外基质，从而逆转纤维化。fl考虑到巨噬细胞具有促纤维化和抗纤维化双重作用，调控这些细胞的功能状态可能是控制纤维化的一种手段（Wynn 和 Barron fi2010）。

4 结论

生物材料的植入会引发一系列动态且相互关联的过程，这是由于机体局部反应所致，因为周围组织受到损伤并与异物接触。生物材料在植入部位的作用取决于其尺寸、形状、表面和理化特性。巨噬细胞是在多个层面上调控机体对植入生物材料宿主反应的细胞。因此，未来的研究应聚焦于这些细胞，以提高生物材料的可接受性，这在组织工程和再生医学中具有重要意义。