医用材料生物学基础－蔡伟第二章医用植入材料生物环境——四人体骨骼系统与骨组织生物力学五免疫系统与免疫细胞精选文档.ppt

第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,1,第二章 医用植入材料生物环境,一、生命体系结构、人体组织与器官二、细胞结构与功能三、人体血液与组织液系统四、人体骨骼系统与骨组织生物力学五、人体免疫系统与免疫细胞,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,2,四、人体骨骼系统与骨组织生物力学,骨的形态、结构与性质 骨的形态 骨的构造:骨膜/骨质/骨髓 骨的显微结构 骨的化学成分与物理性质 骨骼及其力学性质 骨折修复期关节的结构,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,3,骨的形态,成人全身骨约占体重的20，206块。形态多样，分为四类：长骨：主要分布于四肢，起支持和杠杆作用；长骨中间部为骨干，呈长管状，骨干 内空腔为骨髓腔，两端膨大，为骺。如肱骨。短骨：形似立方形，多分布于既能承受压力 又能活动的部位，如手的腕骨和足的 跗骨；,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,4,骨的形态,成人全身骨约占体重的20，206块。形态多样，分为四类：扁骨：呈板状，富有较大的弹性和坚固性，围成空腔对腔内器官起保护作用，如顶骨、枕骨等；不规则骨：形状不规则，如椎骨、蝶骨。,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,5,胸骨剑突,骶骨,髋骨,尾骨,股骨,腓骨,颅骨,颈椎,肩胛骨,胸骨,胸椎,肱骨,腰椎,腕骨,掌骨,指骨,尺骨,桡骨,髌骨,胫骨,跗骨,趾骨,骨,跟骨,腓骨,股骨,尾骨,肋骨,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,6,骨的构造:骨膜/骨质/骨髓,骨膜：紧贴在除关节面以外的骨表面的一层致密纤维结缔组织膜，很坚韧，分为内外两层。内层中有一些细胞可分化为成骨细胞和破骨细胞。骨膜内含有丰富的血管和神经，对骨起营养作用。,骨由骨膜、骨质和骨髓构成，有丰富的血管和神经。活体内的每一块骨都是一个活的器官。,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,7,骨的构造:骨膜/骨质/骨髓,骨膜：骨膜内的成骨细胞在生长发育期能形成新骨，使骨长粗。成年以后则处于相对静止状态，但在骨折时，成骨细胞可再增生活动，促进骨的愈合。骨膜内的破骨细胞能破坏骨质。成骨细胞与破骨细胞对骨的发生、生长改造、修复起着重要作用。,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,8,骨的构造:骨膜/骨质/骨髓,骨质：分骨密质和骨松质两类。,骨密质：在骨的表面，由层层紧密排列的骨板构成，结构致密坚硬，抗压、抗扭曲力强。,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,9,骨的构造:骨膜/骨质/骨髓,骨松质：骨松质在骨密质的内面，结构疏松，弹性较大，由许多片状的骨小梁交织排列而成。呈蜂窝状，骨小梁与压力的传递方向一致，能承受很大的压力。,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,10,骨的构造:骨膜/骨质/骨髓,骨密质和骨松质的分布：长骨骨干：有很厚的骨密质，骨干 中央为骨髓腔。长骨骨骺及短骨：表面有一层薄的骨密 质，中央为骨松质。扁骨：内外表面都是骨密质形 成的骨板，中央为骨松质,Macroscopic structure,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,11,骨的构造:骨膜/骨质/骨髓,在胎儿和幼儿时期全部都是红骨髓，具有造血功能。随着年龄的增长(约57岁)，骨髓腔中的红骨髓逐渐被脂肪组织所代替，颜色变黄称为黄骨髓，失去造血功能。但当大失血或严重贫血时，黄骨髓可再转变为红骨髓，恢复造血功能。在骨骺、短骨及扁骨的骨松质内的红骨髓终生保持造血功能。,骨髓：充填于骨髓腔和骨松质的网眼内。,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,12,的显微结构,作用：骨组织与软骨组织均属于具有支持和保护作用的结缔组织。,骨质、骨膜（血管、神经）、骨髓,骨组织,骨细胞：多突起，位于骨陷窝内，埋藏 在固体状态基质中基质：基质和纤维排列成紧密的骨板。具有一定的形状和强大的坚韧性 和弹性。,软骨组织骨组织,透明软骨、弹力软骨和纤维软骨,骨,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,13,Microscopic structure of bone,中央管,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,14,骨的化学成分与物理性质,无机物,碱性磷酸钙为主的无机盐类、碳酸钙等。作用：使骨挺硬坚实。,有机物,大量排列规则的骨胶原纤维束和粘多糖蛋白作用：作为骨支架，赋予骨弹性和韧性，使骨具有基本形态。,骨的可塑性：在生长、发育过程中，由于各 种条件的影响使得骨的形态有所改变。骨的粘弹性：在外力作用下，骨产生的形变 与时间相关。,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,15,Bone is a two-phase composite material with organic(flexible)and inorganic(rigid)components,Components of Bone,Components of bone(wt%),第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,16,骨骼及其力学性质,骨骼：是人体的支架，运动的支撑。,力学性质：极限强度：抗张强度 抗压强度 弯曲强度 刚度：弹性模量：韧性：应力应变曲线：,在此施加压力,在此拉伸,体重的着力点,人 体 股 骨 的 应 力 分 布,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,17,Properties of Cortical vs.Cancellous Bone,STRESS,Stiffer,withstands greater stress,CORTICAL 皮质骨 骨松质CANCELLOUS,Greater Area:Absorbs more Energy,Physiological Region,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,18,骨骼及其力学性质,成人湿润密质骨试件的拉伸应力应变曲线（图）,=117Mpa,桡骨,腓骨,肱骨=117Mpa=1.5%,线弹性,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,19,骨骼及其力学性质（极限压缩强度和压缩率）,股骨,切向颅骨,径向颅骨,椎骨,骨试件压缩应力应变曲线（图）,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,20,骨骼及其力学性质,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,21,新鲜成人密质骨弯曲强度均值,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,22,Load-Deformation curves of several materials,LOAD,STEEP=STIFF,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,23,骨折愈合,骨组织再生能力强，可完全愈合。长骨单纯性骨折愈合分三期：血肿的形成与急性炎症期 修复期 重建期,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,24,骨折修复期,血肿的形成与急性炎症期：,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,25,骨折修复期,1、血肿的形成：,血肿,软组织损伤、血管破裂,骨折,巨噬细胞、血小板、血细胞,生化反应,毛细血管通透性,纤维蛋白原,不溶纤维蛋白素,凝血因子：凝血酶、血小板、钙,纤维网架,纤维细胞,胶原、骨基质,骨折处肉芽组织,入侵细胞、毛细血管增生使血块吸收，形成,收集入侵细胞,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,26,骨折修复期,2、纤维骨痂的形成：,肉芽组织,骨内膜成骨细胞骨髓内,软骨质,骨小梁,骨外膜内层骨细胞,成软骨细胞,骨外膜软骨,3、骨痂改建期：成骨细胞 破骨细胞 骨移除和骨代替,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,27,关节的基本结构：关节面、关节囊、关节腔,胫骨,半月板,关节软骨,大腿骨,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,28,关节的基本结构：关节面、关节囊、关节腔,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,29,关节的基本结构,articular cartilage:关节软骨减少骨面间的摩擦并缓冲撞击，增加关节的灵活性。,Meniscus：半月板增加关节的弹性，减少骨面的冲击和振荡，使两骨关节面互相适应，有利于关节运动。,关节囊：纤维层：与骨膜相续，增厚则形成韧带。滑膜层：薄而光滑，衬于纤维层内面，附着于 关节软骨的边缘，含有丰富的血管和 淋巴管，分泌少量滑液，润滑关节面 和关节软骨，同时具有吸收作用。,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,30,第二章 医用植入材料生物环境,一、生命体系结构、人体组织与器官二、细胞结构与功能三、人体血液与组织液系统四、人体骨骼系统与骨组织生物力学五、人体免疫系统与免疫细胞,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,31,五、人体免疫系统与免疫细胞,免疫人体免疫系统淋巴细胞 吞噬细胞,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,32,人体免疫系统免疫 immunity：,免疫一词来源于拉丁文，原意指古代罗马元老院的元老们在职期间可以免除各种公民的义务和法律起诉。历史上免疫是指机体不得疾病，尤其是不得传染性疾病。实际上，针对传染性疾病的防御机制也参与机体对非感染性外源物质的应答，即对外源性物质的反应。这些防御机制保护机体不受传染，清除引起组织损伤和疾病的外源性物质。,免疫：机体对入侵异物的识别、排除和消灭的过程。,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,33,人体免疫系统,1、非特异性免疫（先天免疫）：对许多病原微生物具有防御作用，不需要依赖任何一种特殊微生物刺激的影响。皮肤、粘膜阻止病原微生物入侵的屏障作用；表面分泌物的杀菌作用；吞噬细胞的吞噬作用等。,免疫 immunity：,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,34,人体免疫系统,2、特异性免疫（适应性免疫、获得性免疫）,免疫 immunity,机体通过隐性感染、传染病或预防接种等方式，使病原微生物与免疫细胞接触后，所获得的防御机能，仅针对某一特定的病原微生物（特异抗原）发挥作用。,种牛痘、打预防针。,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,35,人体免疫系统免疫系统,由淋巴器官和淋巴组织组成，在功能上，由各种免疫细胞协同作用完成。,淋巴器官,中枢淋巴器官：脊髓、胸腺,外周淋巴器官：淋巴结、脾、扁桃体,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,36,中枢淋巴器官：脊髓（B细胞）、胸腺（T细胞）执行生成免疫细胞的功能，多功能造血干细 胞在此发育成为B和T淋巴细胞。外周淋巴器官：淋巴结、脾、扁桃体等 成熟免疫细胞在此执行应答功能，随血流转 移到此的淋巴细胞与某种抗原接触后，分化、增 殖成为具有免疫功能的细胞。,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,37,返回,淋巴器官,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,38,淋巴细胞,胸腺依赖淋巴细胞：T细胞（记忆、效应T细胞）脊髓依赖淋巴细胞：B细胞杀伤性淋巴细胞：K细胞 存在于血液和脾中，数量很少，约占血中淋巴细胞的57，通过抗体的特异性有目的地杀死靶细胞。自然杀伤性淋巴细胞：NK细胞 存在于血液和脾中，数量很少，约占血中淋巴细胞的23，能杀伤被病毒感染的细胞及肿瘤细胞。,第二章 生物环境,四、骨骼与骨组织生物力学,39,吞噬细胞,单核巨噬细胞：胞内富含溶酶体及线粒体，能主动吞噬和清除颗粒性外来抗原或直接杀伤病原微生物，也能吞噬、清除体内凋亡的细胞及异物。中性粒细胞：胞内富含溶酶体及过氧化物酶及杀菌物质，对化脓菌有很强的吞噬及杀灭清除作用。,