概述
一、临床生物材料的定义
临床生物材料是用于生物系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体组织或器官，增进或恢复其功能的材料。临床生物材料有人工合成材料和天然材料；有单一材料、复合材料以及活体细胞或天然组织与无生命的材料结合而成的杂化材料。临床生物材料本身不是药物，其治疗途径是与生物机体直接结合和相互作用为基本特征。
临床生物材料是材料科学领域中正在发展的多种学科相互交叉渗透的领域，其研究内容涉及材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医学、药物学等学科，同时还涉及工程技术和管理科学的范畴。
二、临床生物材料的分类
临床生物材料及其制品种类繁多，是由于不同学科的科学家从各自的研究侧面，形成种类繁杂的现象，有多种分类方法。通常情况下，可根据材料属性、功能、来源、使用部位、使用要求分类。
（一）按材料属性分类
按材料的组成和性质分为临床医用金属材料、高分子材料、无机材料和复合材料。
1.医用金属材料
金属材料最早应用在医学领域中，主要包括不锈钢、钴基合金、钛基合金、钽基合金等。金属材料广泛应用于人工假体、人工关节、医疗器械、内固定材料等。
2.医用高分子材料
高分子材料是临床生物材料领域中最为活跃的领域。自20世纪40年代高分子学说建立以来，高分子材料得到迅速发展，并以其优良的物理化学性能，应用到医学的各个领域。按其来源分为天然高分子材料和合成高分子材料。天然的如多糖类、蛋白类，合成的如聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸系列等，用于人体器官、组织、关节、药物载体等。
3.医用无机材料
无机材料虽然发展历史久远，然而广泛应用在医学领域中，还是在近30年，主要为生物陶瓷，包括氧化物陶瓷、磷酸盐陶瓷、生物玻璃、碳等。根据在生物机体中引起的组织反应和材料反应，分为惰性生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷；表面生物活性陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷；可降解生物陶瓷，如β-磷酸三钙陶瓷等。
4.医用复合材料
复合材料从广义上讲是不同种材料的混合或结合，克服单一材料的缺点，可获得性能更优的材料。其分类按基材分为高分子基、陶瓷基、金属基等；按增强体形态和性质分为纤维增强、颗粒增强、生物活性物质充填等；按生物体内材料与组织反应分为基于生物惰性、生物活性和可吸收生物医用复合材料。
（二）按材料的功能分类
1.血液相容性材料
一切与血液接触的材料，应不致血栓形成和与血液不发生相互作用，主要包括聚氨酯/聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸羟乙酯、含聚氧乙烯链的聚合物、肝素化材料、尿酶固定化材料、骨胶原材料等，应用于人工血管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材料等。
2.软组织相容性材料
对于与生物机体组织非结合性的材料，如软性隐形眼镜片，要求材料对周围组织无刺激性和毒副作用；对于结合性的材料，如人工食道，要求材料与周围组织有一定黏结性，不产生毒副反应。此类材料包括聚硅氧烷、聚酯、聚氨基酸、聚甲基丙烯酸羟乙酯、改性甲壳素等，主要用于人工皮肤、人工气管、人工食管、人工输尿管、软组织修补材料等。
3.硬组织相容性材料
硬组织生物材料主要用于生物机体的关节、牙齿及其他骨组织，包括生物陶瓷、生物玻璃、钛基合金、钴铬合金、碳纤维、聚乙烯等。
4.生物降解材料
生物降解材料是一类在生物机体中，在体液及其酸、核酸作用下，材料不断降解被机体吸收，或排出体外，最终所植入的材料完全被新生组织取代的天然或合成的临床生物材料，包括多肽、聚氨基酸、聚酯、聚乳酸、甲壳素、骨胶原/明胶等高分子材料。β-磷酸三钙则属于生物陶瓷可降解材料，主要用于吸收型缝合线、药物载体、愈合材料、黏合剂以及组织缺损用修复材料。
5.高分子药物
高分子药物是一类本身具有药理活性的高分子化合物，可以从生物机体组织中提取，也可以通过人工合成、基因重组等技术，获得天然生物高分子的类似物，如多肽、多糖类免疫增强剂、胰岛素、人工合成疫苗等，用于治疗糖尿病、心血管病、癌症以及炎症等疾病。
（三）按材料来源分类
1.自体组织如人体听骨、血管等替代组织。
2.同种异体器官及组织用于器官移植。
3.异种器官及组织如动物骨、肾替换人体器官。
4.天然生物材料如动物骨胶原、甲壳素、纤维素、珊瑚等。
5.人工合成材料如各种人工合成的新型材料。
（四）按使用部位分类
1.硬组织材料包括骨、牙齿用材料。
2.软组织材料包括软骨、脏器用材料。
3.心血管材料包括心血管以及导管材料。
4.血液代用材料包括人工红细胞、血浆等。
5.分离、过滤、透析膜材料包括血液净化、肾透析以及人工肺气体透过材料等。
人体生物材料的力学性能
临床生物材料由于直接作用于人体组织，必须满足使用时的各种要求，具有不同于一般材料的物理、化学、生物学和力学性能。作为体内植入材料，在生理条件下具有长期稳定的力学和物理化学性质，才能保证植入材料的安全可靠性。
人体各组织以及器官间存在多种相互作用，植入生物体内的材料要满足力学性能要求。人体硬组织主要器官的力学性能简要介绍如下：
1.骨骼
人体中共有206块骨，按所在部位分为颅骨、躯干骨和四肢骨；按形状分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨。骨是最理想的等强度优化结构，不仅在某些不变的外力环境下显示出其承力的优越性，而且在外力环境发生变化时，能通过内部调整，以新结构形式适应新的外力环境。骨的力学性质主要表现在拉伸、压缩和剪切状态下的极限强度、极限应变及本身结构关系。骨的力学性能还与人的年龄、性别、职业、生活经历、生活方式、遗传情况和营养情况等因素有关。列出了一些动物和人的密质骨的力学性能。从表中看出：所有骨在压缩时的强度极限和极限应变都比拉伸时大，拉伸时的弹性模量比压缩时大。产生这些差异的原因在于骨结构的非均匀性。
2.软骨脊椎
动物在胚胎早期，绝大部分骨都是软骨的形式，以后逐渐由无机盐沉淀而变成骨。成年人的软骨主要存在于关节、胸肋、呼吸道、耳郭、椎间盘等部位。其功能主要为润滑、受力与减震。软骨由于所处的位置不同，其功能也不同。例如，椎间盘承受作用在脊柱上的载荷，具有弹性，使脊椎骨稳定；肋骨端头的软骨赋予肋骨的活动度；在长骨端头的软骨使关节表面润滑，其正常功能是当冲击载荷作用时，可吸收冲击和承受载荷。
软骨是一种多孔的黏弹性材料，组织间隙中充满液体，在受拉伸应力下间隙扩大，液体流入，压缩时液体被挤出。软骨的应力影响组织间的流体含量，而流体含量又影响软骨的力学性质。
3.颅骨
颅骨由23块不同形状的骨组成，分成面颅和脑颅两部分。面颅是面部各器官的支架，共有15块骨，包括鼻骨、泪骨、颧骨、胯骨、犁骨、上颌骨4.牙牙是人和动物体中最坚硬的器官，牙的功能不同，形状不同，受力的情况也不一样。牙可分为牙冠、牙颈和牙根三部分。牙的基本力学性质主要是指弹性模量（E）、泊松比（μ）、剪切模量（G）等，给出了牙组织材料的基本力学性能。
5.脊柱
脊柱是由脊椎骨、椎间盘和周围肌肉、韧带共同组成的综合受力系统。
临床生物材料的生物相容性
临床生物材料的生物相容性是指材料在生理环境中，生物体对植入的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。
临床生物材料的生物相容性取决于材料及生物系统两个方面。在材料方面，影响生物相容性的因素有材料的类型、制品的形态及表面、材料的组成、物理化学性质以及力学性质、使用环境等。在生物系统方面，影响因素有生物机体种类、植入部位、生理环境、材料存留时间、材料对生物机体免疫系统的作用等。
生物相容性是临床生物材料极其重要的性能，是区别于其他材料的标志，是临床生物材料能否安全使用的关键性能。
临床生物材料的生物相容性具体包括血液相容性、组织相容性和力学相容性。血液相容性是指材料用于心血管系统与血液直接接触，考察材料与血液的相互作用。组织相容性是指材料与心血管系统以外的组织或器官接触，考察材料与组织的相互作用。力学相容性是对于植入体内承受负荷，以及要求其弹性形变和植入部位的组织的弹性形变相协调的生物材料的力学性能。
生物相容性尽管受诸多因素的影响，主要表现为宿主反应和材料反应。
一、宿主反应
宿主反应是生物机体对植入材料的反应。宿主反应的发生是由于生理环境的作用，导致构成材料的组分原子、分子以及颗粒、碎片等代谢产物进入机体组织。生物材料进入机体后，可产生以下宿主反应。
1.局部组织反应是组织对手术创伤的急性或慢性反应。
2.全身毒性反应是由于材料在合成加工及消毒过程中吸收或形成的低相对分子质量产物造成的，有急性和慢性反应。
3.过敏反应是由材料降解所产生的毒物造成的。
4.致癌、致畸、致突变反应是由材料中或降解产物中产生的有害物质造成的。
5.适应性反应是慢性的、长期的，包括机械力对组织和材料相互作用的影响。
二、材料反应
材料反应是材料对生物机体作用产生的反应，材料反应的结果可导致材料结构破坏和性质改变，主要包括：
1.生理腐蚀
生理环境对材料的化学侵蚀作用，致使材料产生离解、氧化等，导致过敏反应。
2.吸收材料
在生理环境中，可以通过吸收过程使其功能改变，也可导致材料物理机械性能改变。
3.降解及失效
在生理环境作用下，材料可能被解体降解，导致材料失效。磨损可以使修复体部件之间结合受损，造成修复体失效。机械力作用也可能引起材料失效。
一种理想的临床生物材料既要求所引起的宿主反应能够保持机体可接受，又不使材料发生破坏，即保持良好的生物相容性。
三、生物相容性评价实验
生物相容性评价实验包括体外实验和动物体内实验，属于非功能性实验。
1.体外实验
体外实验包括材料溶出物测定、溶血实验、细胞毒性实验等。
材料溶出物测定一般是使材料在模拟体液中溶解，测定材料主要组分的浓度或溶出的量，最好采取动态测定。
溶血实验是将测试材料与血液细胞直接接触，通过测定红细胞释放出的血红蛋白的量，检测材料的溶血作用。
细胞毒性实验是将细胞和材料直接接触，或将实验材料浸液加到单层培养的细胞上，观察材料对细胞生长的抑制和细胞形态的改变。
体外实验的结果用于分析、研究材料性能以便筛选。
2.动物体内实验
体内实验包括急性全身毒性实验、刺激实验、致突变实验、肌肉埋植实验、致敏实验、长期体内实验等。
急性全身毒性实验又称急性安全实验，是将一定量的材料浸提液注射到小白鼠体内，在规定时间内观察小白鼠致残情况。
刺激实验是将材料与有关组织接触，或将材料的浸提液注入有关组织内，观察组织是否出现红肿、出血、变性、坏死等症状。
致突变实验是Ames突变实验，检测基因突变。
肌肉埋植实验，是进一步了解材料的组织反应。
临床生物材料研究的内容
临床生物材料由于具有特殊的生理功能，其研究内容涉及仿生学、材料学、化学、物理学、医学等多种学科，研究内容主要包括材料合成、加工制备、宏观与微观结构表征、理化性能测试、材料与机体的相互作用，材料在生物体内的代谢等，最后用于临床。
一、材料制备
（一）传统材料制备方法
在临床生物材料的应用中，传统材料如金属材料、高分子材料、陶瓷材料等仍是目前广泛应用的材料。有关制备方法在临床生物材料制备中使用。仅以陶瓷和高分子材料为例，简述常用制备方法。
1.陶瓷
（1）粉体制备机械粉碎法：以单纯的机械力粉碎物料而制取所需粉体。粉体分为粗粉（20目）、细粉（小于200目的占90%）、微粉（小于325目的占90%）、超微粉（不超过0.1μm）。
气相沉积法：通过等离子体和激光，给予气体原料以不同能量，使其产生非挥发性反应物从而获得陶瓷粉体。按其原理分为物理蒸发冷凝法和化学气相沉积法。优点是可在低于材料熔点下合成，易于调整成分，可控制材料形状、晶体结构，粒度小。
溶胶—凝胶法（sol—gel）：通过溶胶或凝胶过程制备陶瓷粉体。主要工艺步骤：原料→水解→溶胶→凝胶→粉料。具有化学均匀性好、纯度高、颗粒尺寸小、比表面积大，易制备多组分材料等优点。
化学共沉淀法：用一种或多种金属盐溶液，通过化学反应形成沉淀物，经脱除溶剂和加热分解制得陶瓷粉体，该方法适用范围广。
水热反应法：利用高温高压下水、水溶液或蒸汽中所进行的化学反应，制取超细陶瓷粉体。利用该方法制取的粉体粒度可达几纳米，纯度高、分散性好、形状和晶型可控、成本低、不污染环境。
固相反应法：通过固相间反应制取陶瓷粉体的方法。在固相反应中，固体的分布状态不均匀、质点扩散距离远、反应迟钝、速度缓慢。为了加快固相反应速度，使原粉粒度尽量细化，应适当加压、搅拌、合理提高反应温度等。
激光合成法：是使气体反应物在某一波长激光作用下进行分解合成反应而获得粉体的方法。其本质是一个高温化学反应过程。其特点可通过有规律调节工艺参数，如功率、反应气配比、流速、反应区压力等控制粉体成分、粒度、形状和结构。
等离子气相合成法：是在等离子体高温反应器中，通过物理蒸发冷凝或化学气相反应过程，制取粒径小于100nm超细粉体的气相沉积制粉法。其特点是反应温度高、气氛可任意选择和控制、产品纯度高、粒度可控、过程连续。特别适用于较难用化学液相法制取的难熔金属碳化物、氮化物、硼化物等超细粉。
（2）陶瓷成型
陶瓷干压成型：通过施加压力将陶瓷粉料制成具有一定形状的坯体的成型方法。
陶瓷浇注成型：是将陶瓷颗粒悬浮于液体中成泥浆，再注入多孔质的模具内，排出液体而在模内留下陶瓷形体的成型方法。
陶瓷浸渍成型：将纸带、泡沫塑料等浸入陶瓷泥浆中制备陶瓷薄带或泡沫陶瓷的成型方法。
陶瓷热压铸成型：以高温熔融石蜡为黏合剂，使陶瓷粉料在一定压力下铸模成型的方法。
陶瓷流延成型：用于制造厚度为几十微米至1mm左右的陶瓷薄片的成型方法，又称刮刀法。
陶瓷等静压成型：也称冷等静压成型，是在各个方向上都对陶瓷粉末施加相等压力的成型方法。
（3）陶瓷烧结
热压烧结：在高温下对陶瓷粉体或素坯施加压力，使之成为具有一定性能的陶瓷烧结体。
无压烧结：在高温和常压下，使具有一定形状的疏松陶瓷坯体经过一系列物理化学过程变为致密、坚硬、具有一定性能的烧结体。
反应烧结：指气相、液相和固相的单组分或多组分材料，在高温下通过物理、化学反应形成陶瓷。
气氛加压烧结：在加压的氮气或其他惰性气氛下完成陶瓷坯体的烧结，以制取致密、复杂形状的陶瓷制品。
重烧结：以反应烧结的陶瓷粉体为前驱材料，在高温下制备致密、形状复杂的烧结体，此方法又称为反应烧法重烧结。
高温等静压烧结：陶瓷粉体或素坯在加热过程中经受各向均衡的气体压力，使其在高温和高压共同作用下完成烧结。
微波烧结：利用陶瓷及其复合材料在微波电磁场中的介电损耗，使其整体加热至烧结温度，实现致密化快速烧结。其本质是微波电磁场与材料的相互作用，仅限于容易吸收微波的陶瓷材料。
自蔓延合成和烧结：经外加能源使点火剂或反应物料自身反应产生高温并自发进行高速反应的过程称自蔓延合成，在合成的同时加压获得致密陶瓷材料。
爆炸烧结：利用炸药爆炸产生的高压冲击波，通过包套壁直接作用于待烧结的陶瓷粉末，使之烧结，又称高压烧结。该方法温度高、压力大、速度快，全部烧结过程只需几十微秒，可避免晶粒长大。
2.高分子材料
高分子材料成型加工方法包括：
注塑成型：将熔化的材料在压力下注入模具型腔成型。注塑成型机由注射部分和合模部分组成，注射装置有螺杆型和塞柱型，合模部分由模具与锁模系统组成。
挤塑成型：在连续挤出过程中，材料被熔化、混合、成型，获得连续型材，如管、板、棒、丝等。
压延成型：将已经塑化的、接近黏流温度的热塑性聚合物通过两个以上异向旋转的辊筒间隙，经挤压和延展作用，使之成为具有一定厚度、宽度且表面符合要求的连续片状或薄膜材料。
模压成型：是将粉状、粒状、碎块或纤维状的聚合物放入加热的阴模中，合阳模加热使其熔化，并在压力下充满型腔，然后加热固化、脱模，得到制品。
层压成型：把浸渍或涂有聚合物的材料叠在一起，加热加压制成近于均匀的板、管、棒或其他简单形状的制品。
浇注成型：类似于金属的浇注，分为静态浇注、灌封、离心浇注、流延成膜等成型方法。
冷压成型：热塑性聚合物片或预成型坯在模具中受压发生塑性变形而得到所要求形状的制品的过程。
烧结成型：主要用于高熔化温度、高黏度的热塑性聚合物的成型。首先将混合料在室温下冷压预成型，然后将型坯放入烧结炉中，直到整体烧结均匀后，再把炉温降到室温。
旋转成型：将混合料加入模具中使其熔化，旋转模具，使聚合物均匀地布满模具型腔的整个表面，经冷却固化后脱模制得中空制品。
吹塑成型：把聚合物熔体预先挤压成中空型坯，而后吹胀充模，冷却固化得到如瓶、桶、箱及其他中空容器制品。
（二）杂化材料
杂化材料是指由活体材料和非活体材料所组成的复合体，是应用组织工程学和生命科学的原理生长活的组织替代物，用于修复、维持、改善人体组织的功能。
方法是将体外培养的高浓度的、功能相关的活细胞种植于天然的或人工合成的细胞外基质中，然后将它们移植到生物机体内，达到形成新的有功能的组织，并参与生物机体的新陈代谢。
（三）聚合物/无机纳米复合材料
生物医用复合材料由于综合了高分子材料、无机材料的优良性能而获得广泛应用。简要介绍如下几种制备方法。
1.聚合填充法
在高分子化合物聚合阶段引入填加料以制取复合材料。该方法首先将填充无机微粒与有机单体混合，再将有机单体聚合成复合材料。
2.混合填充法
是将聚合物与无机物按一定比例混合，在一定温度下，将混合料在滚筒炼塑机上均匀混合，然后模压成型。
3.嵌入纳米复合材料
介绍如下四种方法。
（1）选材选取天然的或合成的层状材料，将有机单体嵌入到无机物夹层中，然后在外加作用如氧化剂、光、热、引发剂或电子作用下使其聚合。
（2）混合将具有强氧化性的层状无机物与某些单体混合，由于两者之间的氧化还原作用，单体很容易被嵌入到无机夹层中，由于氧化作用使单体在夹层间原位聚合。
（3）嵌入对于大分子聚合物，可以在溶液中将其嵌入到层状无机物中。
（4）沉淀干燥利用溶胶—凝胶法在聚合物溶液中形成层状无机物，其沉淀干燥后得到嵌入纳米复合材料。
（四）基因工程和细胞工程
1.基因工程
基因工程是指在分子水平上，在生物体外，用人工方法将两种生物体的遗传物质（DNA或RNA）重新组成一体，称为DNA重组。
基因工程的主要程序都是在分子水平上进行，分为如下四步：
（1）制备所需要的基因某些DNA分子片段。
（2）体外重组DNA将选择好的基因运载体DNA与目的基因的DNA片段结合，形成杂合分子。
（3）进行基因转移将重组的DNA杂合分子，向选定的生物受体细胞中转移，让重组的DNA杂合分子在受体细胞中复制、转录、翻译得以表达。
（4）筛选是引入受体细胞的外源DNA分子，把转化的和没转化的细胞分开。在转化的受体细胞中，外源DNA所携带的遗传信息得到了表达，受体细胞有了新的遗传性，则达到了基因工程的预期目的，即改变了生物的遗传特性，创造了新的生命类型。
2.细胞工程
细胞工程是指在细胞和亚细胞水平上的遗传操作（即细胞融合、核质移植、染色体或基因移植），以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的技术。
利用基因工程和细胞工程等现代生物技术用于开发人体各种组织器官、生命的基本物质——蛋白质。例如利用基因工程生产出了骨形成发生蛋白（BMP）、胰岛素等。
二、临床生物材料的检测设备及检测项目
临床生物材料的检测设备及检测项目研究的目的是为了保证材料的结构与性能达到使用要求，下面介绍一部分可供测试分析用的仪器设备及检测项目。
1.扫描电子显微镜
主要用于试样表面的形貌观察及分析。
2.电子探针
X射线显微分析仪主要用于试样表面形貌、晶体结构及微米级区域的化学元素的定性定量及分布分析。
3.分析电子显微镜
用于对材料的显微形貌、结构及化学成分进行实时分析。
4.图像分析仪
用于粉体颗粒粒径及其分布，颗粒形态参数的定量测定，针状颗粒的长径比，微孔大小、分布和形状测量。
5.大型偏光（金相）显微镜
用于鉴定样品的物相组成，观察显微组织结构，测定样品的晶粒大小、折射率、显微硬度，以及样品在加热过程中的形态及物相变化。
6.X射线衍射
仪用于物相定性定量分析，精确测定点阵常数，晶粒大小和晶格畸变的测定，研究物质的高低温相变，以及晶体缺陷和晶格失配等。
7.四圆单晶X射线衍射仪
用于物相鉴定、精化已知物相的粗结构、精测未知物相的结构等。
8.电液伺服材料试验机
用于测试固体力学性能，包括静态力学性能、动态力学性能、断裂力学性能以及高温力学性能。
9.热分析仪用于研究
在加热或冷却过程中，因物理化学变化而产生吸热放热效应（表现为失水、氧化、还原、分解、晶格结构的破坏与重建、晶型转变），聚合物物理状态转变等。
10.旋转黏度计
用于测定流体物质的黏度和流动特性。
11.多功能电子能谱仪
用于元素定性、定量分析，元素化合状态（如价态）分析，元素及其同位素的定性、化学状态、线分布、面分布和深度分布分析，有机官能团化学式、相对分子质量和分子结构分析等。
12.激光拉曼光谱仪
利用该仪器可有效地记录各种物质分子的拉曼光谱，从而测定物质的分子结构和组成，适用于固体、液体、气体等不同状态和大小的物质。
13.气相色谱仪
用于分析气体和在一定温度下能气化的蒸气样品，可进行高分子单体和添加剂纯度的测定，某些聚合反应动力学过程研究。
14.紫外-可见分光光度仪根据吸收光的波长、强度、消光系数对化合物或化合物分子中的发色基因进行定性和定量分析，适用于金属元素、部分非金属元素以及有机物。
15.傅里叶变换红外光谱仪
根据吸收光的波长和强度对化合物及官能团进行定性和定量分析。
16.感耦等离子体原子发射光谱仪
根据原子特征光谱的波长、强度进行元素定性及定量分析，用于测定除H、F、Cl、惰性元素外的70多种元素，适于对难熔样品的分析。
17.原子吸收光谱仪
通过分光和检测装置测量某特征谱线被吸收的程度，求得试样中待测元素的含量。
18.X射线荧光光谱仪
用于元素的定性、定量分析，测量薄膜厚度，分析配位数等。
19.液相色谱流动
相为液体的色谱称为液相色谱，根据分离机制的不同，分为吸附色谱法、离子交换色谱法、凝胶色谱法等。
吸附色谱：适用于能溶解在有机溶剂中而又不发生电离的物质，尤其适用于异构体的分离，分析用来分离的添加剂、石油组成等。
离子交换色谱：广泛用于氨基酸、蛋白质的分析，以及某些无机物的分离和分析。
凝胶色谱：用于聚合物和生物物质的分析，适用于测定聚合物的相对分子质量分布。
20.倒置生物显微镜
用于微生物、细胞、细菌、组织培养、悬浮体、沉淀物等观察，可连续观察细胞、细菌等在培养液中繁殖分裂的过程，并可将此过程中的任一形态拍摄下来。在细胞学、肿瘤学、免疫学、遗传工程学、植物学等领域中应用广泛。
三、材料与生物体的相互作用
无生命的材料对生命体组织可能发生的生物反应，主要包括血液反应、组织反应和免疫反应。关于前两者，本书已有详细论述，在此重点介绍免疫反应。医学上应用正常的细胞、组织或器官置换有病的或功能缺损的细胞、组织或器官，重建机体的生理功能，称为细胞移植、组织移植或器官移植。如果供、受者的遗传背景有差异，移植物即可刺激受者的免疫系统，诱发免疫反应，由此引起的免疫反应称为移植排斥反应。临床生物材料作为一种异物植入生物体中，也存在发生移植排斥反应的问题。
（一）移植排斥反应的类型及其发生机制
1.移植排斥反应的类型
移植排斥反应包括宿主抗移植物反应和移植物抗宿主反应。
宿主体内致敏的免疫效应细胞和抗体对移植物进行攻击，导致移植物被排斥。
一般根据组织病理学和临床症状可分为四种类型，即超急性排斥反应、急性排斥反应、慢性排斥反应和加速排斥反应。
2.移植物抗宿主反应（GVHR）
是由移植物中抗原特异性淋巴细胞，即“过路”淋巴细胞识别宿主移植抗原而发生的一种排斥反应，这种反应不仅导致移植失败，而且还给受者造成严重后果。
3.排斥反应的特殊情况
身体的某些部位易于接受同种乃至异种组织器官、细胞的移植，这些部位称为免疫赦免区，如角膜、眼前房、软骨、脑、内分泌腺等。其原因可能为：①这些部位缺少血管和淋巴管；②特殊屏障（如血-脑屏障、血-生精小管屏障）的存在；③某些组织如软骨的免疫原性较弱，故软骨组织或软骨细胞移植一般不引起免疫排斥反应。
4.移植排斥反应发生的机制
移植排斥反应与一般免疫应答一样，包括感应、增殖、分化和效应阶段。排斥反应发生与否及其反应的强弱，取决于供、受者间组织相容性抗原的差异程度、受者的免疫功能状态、移植物种类以及排斥反应预防措施是否得当等因素。
（1）细胞免疫反应的损伤
作用在同种异体移植所致的排斥反应中，尤其在急性排斥反应的早期，病变组织中常见以单个核细胞（其中主要是T细胞）为主的细胞浸润，表明T细胞介导的细胞免疫在此反应中起主要作用。主要和次要组织相容性抗原均为TD抗原，这些抗原经巨噬细胞处理和呈递给T细胞，激活的T细胞和巨噬细胞分泌多种细胞因子，如TNF、IFN、IL-1、IL-2等，它们共同参与移植排斥反应。在此反应中T细胞是关键细胞，它有感受信息、发现“异己”、攻击入侵者的能力。当异体细胞、器官植入后，由于供、受者间的组织相容性抗原不同，受者循环中的T细胞受移植物抗原刺激而致敏，即进入附近淋巴结中，一部分转化为淋巴母细胞，并迅速增殖分化为致敏淋巴细胞，其中致敏的CTL（CD+8）可直接杀死移植物；激活的TD细胞（CD+8）可释放多种细胞因子直接或间接地损伤靶细胞。在CD+8T细胞中也有可能具有杀伤作用的亚群。除上述新异性细胞免疫反应外，非特异性的NK细胞也可参入排斥反应。NK细胞受IL-2、IFN等细胞因子激活后，成为活化NK细胞，其杀伤力增强，参与对移植物的排斥。
（2）体液免疫反应的损伤
作用在移植排斥反应中体液免疫与细胞免疫协同发挥作用，尤其在超急性排斥反应中受者体内预存的抗体起重要作用。B细胞受移植抗原刺激，在T细胞辅助下，被激活分化成浆细胞，分泌特异性抗体。抗体可通过调理黏附、免疫黏附、ADCC和CDC作用等机制破坏移植物，引起排斥反应；另一方面与移植物释放的大量可溶性抗原结合，形成免疫复合物，可封闭移植物抗原，阻止受者免疫效应细胞对该抗原的识别和对移植物的攻击，从而使免疫排斥反应减弱或不发生。此即所谓免疫增强作用，它可能防止或延缓排斥反应的发生。
（二）移植排斥反应的防治措施
移植排斥反应的防治是器官、细胞移植成败的关键。目前防治移植排斥反应的方法主要是正确合理地进行组织配型，严格选择供体，抑制受体的免疫反应以及加强移植后的免疫监测等。
1.移植物的处理
（1）分离和纯化移植细胞分离出足够数量和适当纯度的细胞，以清除移植物中过路细胞，可以使移植物存活期延长。在体内用抗T细胞抗体加补体处理骨髓细胞以清除其中的T细胞，可防止异基因骨髓移植（allo-BMT）时GVHD的发生。分离的肝细胞经适量的紫外线照射可消除其中的“过路白细胞”，植入受体后可以不引起排斥反应。
由于大多数组织都有间质树突状细胞（DC，抗原提呈细胞），它们能很强地表达 Ⅱ类MUC抗原，在同种异体细胞移植的免疫应答中起着极为重要的作用。因此，移植前纯化移植细胞或将其中的间质树突状细胞全部清除，可能导致移植后细胞的免疫原性大大下降。最好的例子是在胰岛移植的动物实验中，胰岛细胞分离培养后，清除DC或用抗DC细胞抗体对胰岛进行预处理，或将胰岛分离成单个细胞后收集纯化的B细胞，这些方法均可使移植的胰岛存活期延长。
（2）用微囊包裹移植细胞将移植细胞包裹于一种由生物膜制成的微囊中，使营养物和代谢产物可自由进出囊壁，但防止了同种异体细胞的识别和免疫效应器对细胞的破坏。已有报道，将包裹的胰岛细胞、肝细胞植入动物体内或将包裹的能产生多巴胺的肿瘤细胞株植入患偏侧震颤麻痹病灵长目动物脑中均获成功。实验中的主要问题是膜本身的炎症反应导致囊内细胞的死亡，及如何维持生物膜的完整性等。
2.抑制受者的免疫反应
（1）免疫抑制药物的应用
免疫抑制药物的种类很多，包括：①化学制剂如糖皮质激素、环胞霉素A（CsA）、环磷酰胺、硫唑嘌呤、FK506及其他新的免疫抑制剂等；②生物制剂，如抗淋巴细胞球蛋白，抗胸腺细胞球蛋白、抗CD3及抗CD4单抗、抗IL-2R单抗、抗TCR的单抗以及细胞因子与毒素组成的融合蛋白等；③中草药如雷公藤、冬虫夏草等。已证实转化生长因子β（TGF-β1）是一种强效免疫抑制因子，其功能比CsA还要强烈。TGF-β1广泛参与免疫系统淋巴细胞因子间的调节，影响淋巴细胞的增殖分化，干涉各种免疫球蛋白的产生和转换，抑制IL-1、IL-2、IL-3、IL-7、TNFa、IFNγ、NO、H2O2等的生物活性。据报道，在同种异体胰岛细胞或肝细胞移植中直接应用TGF-β1或用TGF-β1基因转染的胰岛或肝细胞移植，对抗免疫排斥反应，明显延长了移植物存活时间。
（2）清除预存抗体
在移植前可通过血浆置换，除去受者体内预存的特异性抗体，以防止超急性排斥反应的发生。
（3）输血疗法
输血后受者细胞免疫功能会降低，而且多次输血后，免疫抑制加深，移植物存活期延长，临床上观察到输全血细胞、混合血细胞或富含白细胞较单输红细胞的效果好，提示白细胞在其中起关键作用。
（4）建立免疫耐受性
诱导供者对受者的免疫耐受也是克服GVHD的途径之一，与其他实体脏器移植不同，在allo-BMT时即使短期的耐受即可阻止GVHD的发生。因为GVHD是由骨髓中成熟的淋巴细胞介导的，供者骨髓中新生的免疫活性细胞在发育中可获得对受者的耐受。
（5）免疫增强
作用是通过抗原或抗体诱导，使受者或供者产生对组织的封闭性抗体或抑制性细胞，以保护移植物免遭排斥。
四、材料与生物体组织作用的界面
所有临床生物材料植入生物体后，宿主对具有不同表面特性的材料作出不同的生理反应。这些反应包括材料与生物体的细胞、组织、血液、内分泌、免疫等生理系统的相互作用。反应的结果决定宿主对材料是亲和还是排斥。亲和是指材料与宿主组织产生了化学键结合和紧密的细胞黏附，界面上生物体组织的代谢功能正常，材料与生物体组织的结合状态处于热力学稳定状态。排斥（或称排异）是宿主对植入材料作出了一系列防御性反应，其反应程度由材料的组成、物理化学性质、生物学性质以及表面结构等决定。
（一）不同植入材料与生物体组织作用界面的特征
1.惰性材料
氧化铝、玻璃碳、钛合金等属于这类材料。由于化学性质稳定、耐腐蚀性强，生物体组织虽然对其表现出排异，形成纤维包裹层将其与生物组织隔离，但由于这些材料的溶出物极少，纤维包裹层不随植入时间的延长而增厚，而是逐渐减薄，并伴有钙盐沉积。
多数金属和有机高分子材料植入生物体后，在生理环境中，持续释放金属离子或有机单体，产生腐蚀粒子。由于腐蚀粒子本身不具有生物亲和性，也不能参与生物体组织的代谢，生物体立即产生排斥反应，在材料周围形成纤维包裹层。随着时间的延长，释放出的离子或单体逐渐增多，纤维包裹层增厚，并逐渐致密化、钙化，甚至导致纤维样瘤形成，并伴随积液、炎症、坏死等排异现象。
2.表面生物活性材料
羟基磷灰石、生物玻璃等生物活性材料，其成分与骨组织中的无机盐类似，能迅速生成类骨质磷酸钙表面矿化层。材料与骨组织亲和性好；界面新生骨细胞活跃，材料与骨组织能形成稳定的结合界面。
3.可降解生物陶瓷
以β-磷酸三钙陶瓷为主要研究对象。材料在体液中离解出的Ca2+、PO3-4离子，参与新骨的形成，加速骨组织生长，并逐渐被新骨所取代，即将无生命的材料转化为有生命组织的一部分。
4.杂化临床生物材料
是指由活体组织和非活体材料所组成的复合体，主要包括各种人工材料与生物高分子的杂化以及合成材料与细胞的杂化。杂化材料较好地解决了材料与宿主间的免疫排斥反应，大大改善了材料与生物组织的亲和性以及材料与生物体组织的结合。
（二）界面研究基本理论
材料与生物体组织的界面，由于受生物体组织、细胞复杂性的影响，目前国内外研究仍没有系统的理论。研究者针对界面作用的实际，从不同的侧面，提出了相应的理论作为指导。
1.界面润湿理论
液体对固体表面的润湿作用是界面现象的一个重要方面，主要研究液体对固体表面的亲和状况。材料植入生物体后首先是与血液、组织液相接触。通过润湿现象的研究，可进一步了解和确定材料与生物体组织的亲和性。
2.界面吸附理论
吸附现象可以发生在各种不同的界面上，借助于物理化学的吸附原理，对材料与生物体组织界面进行研究分析，用以解释材料与细胞结合界面的形成机制。
3.界面化学键合理论
材料与机体组织间在生理环境中都将产生各种化学变化，同时存在发生化学键结合的可能。理论上认为，理想的材料与生物体的结合，应是以化学键形式结合。
4.界面分子结合理论
材料表面的极性、活性基因、表面电荷等，与生物体组织的组成之间作用的差别，将是研究界面作用的重要内容之一。
5.界面酸碱理论
临床生物材料在生理环境中，其表面具有不同的酸碱性，生物机体中的细胞具有释放各种酶的特性，导致界面pH值的变化。如巨噬细胞是一种具有趋化性的细胞，在种植体附近，巨噬细胞聚集，并向接触区释放溶酶体酶，导致局部pH减小。同时生理环境的酸碱性可影响酶的活性，改变界面结合状态。
6.界面物理结合理论
种植体与生物机体的早期结合属于物理结合方式。机体组织细胞长入材料表面的微孔或与材料粗糙的表面形成紧密结合，以保持界面有足够的结合强度。各种人工骨、关节材料表面粗化或多孔材料，有利于材料与组织结合。
（三）界面研究的检测方法
1.微观结构与形貌观察
采用透射电镜、扫描电镜、立体显微镜以及各种立体成像技术等。
2.界面元素及化合态分析采
用电子探针、电子能谱、质谱、核磁共振、拉曼光谱等。
3.界面结合强度与应力测定
对于“离体”界面，在模拟的实验环境下进行，“在体”界面则不易进行，采用的方法有利用各种传感技术以及光弹应力分析法、有限元计算分析法等。
4.界面pH值测定测定
“离体”界面的pH值，采用常规的pH值测定方法和纳米级超微电极测定pH值，后者用于测定细胞内外的酸碱性变化。
5.界面微电流检测
通过对生物压电材料所产生的微电流量进行检测，以评价微电流作用对细胞界面形成的影响。
6.界面流变特性分析
利用生物流变学的原理和方法，对界面的流变特性进行分析，确定材料的形态、表面对细胞吸附的作用和影响。
7.界面能测定
是从固体表面润湿临界张力及液体在固体上的润湿角测定研究界面能。界面能愈低，润湿性愈好，材料与组织细胞的结合性愈好。
五、材料在生物体内的代谢产物和途径
生物降解材料在生物机体中的代谢产物及其分布是材料的使用效果、安全性的标志。由于生物体内环境复杂，研究测试手段所限，给研究带来了困难。
通常情况下，材料植入生物体中，首先与体液发生物理、化学反应，材料发生溶解或部分溶解，继而在细胞作用下，发生降解或部分降解。降解产物部分透过血液循环，最后经由肝、肾，由粪便排出体外，部分则贮存在机体内。长期贮存于机体内的部分，有些是机体组织的组成部分，有些则对机体有害。因此对材料在生物体中的代谢过程及产物分布是材料研究的重要组成部分。
原子示踪技术已经用于材料在生物体内的代谢产物和途径的研究中。例如45Ca已经用于生物降解陶瓷在动物体内的降解和代谢途径研究。
原子示踪方法分为：
1.简单示踪法
将放射性元素附着在研究对象上，然后根据对射线的检测来判断研究对象的变化情况。
2.物理混合示踪法
将放射性示踪剂和研究对象均匀地混合，然后根据测试结果，了解研究对象的行为和性质。
3.标记化合物示踪法
方法是先合成与被研究化合物相同但含有放射性核素的化合物作为标记化合物。然后将标记化合物加到体系中与被研究化合物均匀混合，由于放射性原子与普通原子化学性质相同，因此利用测定放射性的方法，从标记化合物的变化即可得到被研究化合物的变化情况。
元素周期表中的绝大多数化学元素都有适宜作示踪剂的放射性同位素。目前在生物体应用的有14C、60Co、45Ca、32P、131I等放射性示踪剂。
在实际应用中，除选择适宜的示踪剂外，还应注意放射性示踪剂的半衰期、辐射类型和能量、放射性比活度、放射性核素的纯度及放射性核素的毒性。
六、动物实验
临床生物材料最终用于人体，动物实验是检验材料效果的最直接方法，主要包括以下几种。
1.材料与生物体相互作用
（1）生物反应包括血液反应、组织反应、免疫反应等。
（2）材料反应包括生理腐蚀、吸收、降解及失效等。
具体实验内容包括急性全身毒性实验、刺激实验、致突变实验、肌肉埋植实验、致敏实验、长期体内实验等。
2.材料功能或使用效果
实验其目的是考察用于人体的种植体或装置在种植部位的情况，以检验其设计和形态是否合理。
七、临床应用
材料研究的诸方面经由临床才能最终得到完全的验证。临床应用又分为试用和推广两个阶段。临床试用阶段仍是对临床生物材料有效性、安全性的严格检验，具体包括制定临床试用方案、临床观察记录以及对患者的长期跟踪调查等。
推广应用阶段是按产品相关标准，经由国家相关主管部门指定的检测单位进行严格的检测合格，并取得国家批准的产品注册证，方可进入市场推广使用。
人体生理环境
人体的生理环境与各种植入材料的适应性，是决定人工材料成败的关键。为了对研制人工器官及其他替代材料提供依据，有必要了解人体的生理环境、组织、器官的组成与结构。
一、人体组织
组织是由细胞和非细胞形态的成分构成的，两种或两种以上的组织结合成较大的功能单位称为器官。几个功能密切相关的器官联合在一起，彼此分工合作以完成一系列生理功能的称为器官系统。
依据组织的形态、功能和在生物机体中存在的部位，分为上皮组织、结缔组织（包括骨、软骨、血液、淋巴组织等）、肌组织、神经组织等。
下面主要介绍在临床生物材料研究中，所涉及的部分组织和器官，包括骨、牙、软骨、皮肤、肌腱、血管等。
（一）骨骼
骨属于硬组织，是由细胞、纤维和基质组成。骨基质中含有的无机盐，约占骨组织质量的60%，约40%是有机物，人骨无机成分。无机盐决定骨的硬度，有机物决定骨的弹性和韧性，骨组织可以看成是无机/有机复合材料。
1.骨组织构造
所有成年骨的骨组织几乎均为板层骨，并按骨板的排列形式和空间结构分为松质骨和密质骨。
（1）松质骨松质骨位于骨的深部，由许多骨小梁构成。骨小梁呈针状或不规则的细杆状，均由若干层骨板平行排列组成。由骨板组成的骨小梁相互连接，搭成网架，网眼内充以骨髓、神经和血管等，骨小梁的网眼实为骨髓腔。大量相互通连的小型骨髓腔充分表现出骨小梁网在空间结构形式上的疏松特征。扁骨的板障、长骨骨髓的大部分和骨干内表面的一小部分都是由松质骨构成。
（2）密质骨密质骨的骨板呈规律的排列，骨板结合紧密。密质骨干有绕着血管呈同心排列的骨板层，骨板形成柱状的结构单位，组成哈佛系统。哈佛系统通常由5～20层骨板组成，包括在哈佛管的周围，密质骨中的大多数血管和神经是纵列在哈佛管中。
2.骨细胞
骨细胞存在于骨板中或骨板间呈椭圆形的骨陷窝中，骨陷窝的结构是扁的并沿着骨板层平行排列。在其周围又发出很多细管，称为骨小管。骨细胞的突起可伸入骨小管中，以摄取附近血管隙和组织液中的养料。
3.成骨细胞成骨
细胞和骨的形成有关，在骨生长时盖在新形成的骨基质的表面，起到使骨基质沉积的作用，而且可使有机磷化物分离出的磷酸根离子发生钙化。成骨细胞的形状呈方形、柱状或锥形，它们伸出原生质突起和邻近细胞的突起结合在一起，类似间充质细胞。当成骨细胞分化成骨细胞时，突起变得更为明显。随后骨基质沉积在突起的周围形成骨小管。
4.破骨细胞破骨
细胞是多核细胞，具有溶解和吸收骨质的作用。细胞在靠近骨一边的表面，有许多突起，这些突起的运动很活泼，不断地释放溶酶体，起着分解骨组织和吸收骨质的作用。
5.骨组织再生骨
组织没有再生能力，它的再生主要依靠骨膜。当骨受伤时，骨膜内层细胞即分裂增生，填充到伤口内，形成肉芽组织，继而成为致密结缔组织。然后成为纤维软骨，再经软骨内骨化形成松质骨，松质骨进一步改建为密质骨，该过程与正常骨发育过程中松质骨转变成密质骨的过程基本相同。
（二）牙齿
牙是大多数高等动物必须具有的器官，是身体中最坚硬的器官。成年人的牙齿有28～32个，它们的功能不同，形状各异。牙齿有两种，即乳齿和恒齿。
牙组织由牙釉质、牙本质和牙骨质三部分组成。
1.牙釉
质处于齿冠外层、硬度大，含高度钙化的无机盐（主要是羟基磷灰石），约占98.5%。吸附少量氟，具有耐酸性，起到保护作用。一旦牙釉质被破坏，易发生龋齿。
2.牙本质
在牙釉质和牙骨质之间，占牙齿的绝大部分。羟基磷灰石含80%左右，其余为有机物和水。
3.牙骨质
牙根和牙颈的外层，其组织成分、钙化程度和硬度与密质骨接近，羟基磷灰石为45%，其余为水和有机物（主要为胶原纤维）。
（三）软骨
1.软骨的结构和分类
软骨组织是一种特殊分化的结缔组织，是由细胞、纤维和基质组成。软骨中根据基质纤维的性质和含量不同，分为透明软骨、弹性软骨和纤维软骨三类。
（1）透明软骨透明软骨存在于胚体、成年人肋骨的腹侧端、长骨的关节面、喉部、气管、支气管环等组织中。新鲜的透明软骨略带蓝白色，基质坚硬而富于弹性，半透明。
（2）弹性软骨弹性软骨存在于耳郭、外耳道、咽鼓管、会厌以及喉的小角状软骨、楔状软骨和杓状软骨尖端等处，呈黄色、不透明，具有明显的可屈性和弹性。不同于透明软骨的是细胞间质内含有许多分支的弹性纤维，并互相连接成网。
（3）纤维软骨纤维软骨是透明软骨与致密结缔组织之间过渡形式的组织，新鲜时呈不透明的乳白色，有一定的伸展性，存在于椎间盘纤维环、关节盘、半月板、股骨头韧带、某些肌腱等处。
2.软骨的生长和再生软骨的生长
有两种方式：内加生长是当软骨生长时，细胞先分裂增殖，然后产生基质；外加生长是软骨边缘的细胞和基质由软骨膜产生的。
软骨组织的再生能力比骨组织弱。软骨损伤或被切除一部分后，在损伤处最初是组织的坏死和萎缩，随后是软骨膜或邻近的筋膜所产生的结缔组织填充缺口。在填充组织中的成纤细胞变成软骨细胞，产生新的基质，形成新的软骨。如果软骨膜损伤时，软骨组织便失去再生能力。
软骨中通常没有血管分布，它们的营养物质是由软骨膜中的血管渗出，经过基质的渗透和弥散达到软骨细胞中。
（四）皮肤
皮肤具有多种功能。皮肤表面有一层酸性皮脂能抑制病菌的繁殖，汗液可以洗净黏附皮肤上的菌落，起到保持机体的作用。皮肤中毛细血管的扩张与收缩可以促进和阻止人体热量的传递，可作为人体温度调节系统的一部分。皮肤汗腺将水分传递到体外，起排泄器的作用。
皮肤由表皮、真皮和皮下组织三部分组成。毛发、指（趾）甲、动物的爪、蹄、汗腺和皮脂腺等都是由皮肤衍变成的附属器官。
1.表皮
（1）角质层在表皮的最外层，由数层含有角蛋白和角质脂肪的无核角化细胞组成。
（2）透明层是由透明的细胞组成，内含角母蛋白。这一层中细胞的界线不明显，而且核也消失了。
（3）颗粒层由2～3层梭形细胞组成，细胞质中充满较大的颗粒，颗粒中含有核糖核酸，能合成透明角蛋白。
（4）棘状层细胞约有数层，有分裂增殖能力，但限于深层。每个细胞表面向周围伸出许多棘状突起，与邻近细胞互相紧密相连。细胞之间可见清晰的间隙，内充细胞间质，营养和代谢物质借此弥散。
（5）基层是表皮中分裂增生能力最强的一层细胞，紧靠表皮，是表皮各层细胞的生成之源。若皮肤损伤，基层细胞增生，其余各层细胞在基层上增生修复。该层细胞的基部有很多突起下伸入真皮中，使表皮牢固地嵌合在真皮上。
2.真皮
位于表皮下，由结缔组织，如胶原纤维、弹力纤维、网状纤维及纤维基质构成。在结缔组织的基质中，含有相当量的透明质酸和硫酸软骨素。
真皮又分为乳头层和网状层两部分。乳头层紧贴在表皮下，有很多乳头状突起，突起中的毛细血管网有滋养皮肤的作用。网状层由粗大的胶原纤维束组成，彼此交织成网。网状展中有血管，淋巴管、神经束、神经末梢、感受器、毛囊、腺体等。
3.皮下组织
皮下组织位于真皮下部，与真皮间无明显界限，由疏松结缔组织构成，其中有胶原纤维、弹性纤维和大量脂肪细胞。脂肪不仅能供应能量，而且可减少体温发散和缓冲外来压力。
在皮下组织中分布着很多血管、神经、淋巴、汗腺、毛囊等。
（五）肌腱
肌腱位于腱鞘纤维层内，主要成分是平行排列的胶原纤维束，属于人体软组织。
肌腱的主要生理功能是使肌肉附着在骨骼上，并传递骨骼和肌肉间的张力。
（六）血管
血管是循环系统的主要部分之一。在血管中发生的一些病变，可能对人造成致命的后果。血管属于弹性组织，一般分为三层：
1.内层
由内皮细胞、基质膜和一层由胶原纤维、弹性纤维和平滑肌等组成的松散结构。
2.中层
是血管中的最厚展，是以平滑肌、胶原纤维和弹性纤维等构成的多层同心筒形结构，并由胶原纤维和弹性纤维连接起来。
3.外层
主要成分是松散的结缔组织。
二、人体组织器官的组成与结构
（一）细胞
1.细胞的结构
细胞是构成组织和器官的基本结构单位。细胞内进行着错综复杂的生物化学变化，完成生长、发育、繁殖、运动等各种生理活动。人的机体约有75万亿个细胞，尽管它们分别执行不同的功能，但一些基本特性都是相同的。如所有的细胞都能将营养物质转变为能量，并将生物化学变化中产生的一些物质排除，所有细胞都具有再生能力等。
细胞分为两大类，即原核细胞和真核细胞。其中原核细胞结构简单，细胞内的细胞质与核间没有膜分开，没有形成真正的核，如细菌、蓝藻等。真核细胞结构复杂，其细胞质与核间有膜隔开，如动植物、人都由真核细胞构成。细胞的基本结构可分为细胞膜、细胞核和细胞质三部分。
（1）细胞膜
细胞膜是在细胞外表的一层薄膜。机体的许多生命活动，如体液调节、神经调节、膜内外电位差的形成、淋巴细胞对抗原的识别、心肌细胞的节律性同步搏动、受精和细胞分化等，都与细胞膜的结构和功能有关。
细胞膜的功能主要取决于膜上蛋白质——膜蛋白，包括载体蛋白、受体蛋白和酶蛋白等，它们保证膜能够行使物质转运、信息传递、能量转换等重要功能。
细胞膜具有屏障作用，保持细胞内理化成分和特性的稳定，在一定范围内保证细胞内化学反应不受膜外变化的干扰。
1）核膜
核膜是细胞核表面的一层薄膜。电子显微镜观察，核膜是有孔的双层膜结构，内膜、外膜在孔的边缘连接起来，孔的直径约为30～1000nm。在动物和植物细胞的核膜外层上有核蛋白体。
2）核质
核质是核膜内的透明液体，又称核液，主要含有蛋白质、核糖核酸、水解酶等。
3）核仁
核仁一般呈小球形，位置不定，其数目及大小依细胞类型及功能状态而改变，常为1～2个或3～5个。核仁由核仁附属染色质和核仁内染色质组成，在固定的细胞核中，它可被酸性染料染色。
4）染色质
染色质是间期核内易被碱性染液着色的物质，在固定切片标本上常呈细丝状、颗粒状或块状，分散存在于细胞核内。
染色质主要由核酸和蛋白质组成，核酸中的脱氧核糖核酸（DNA），把遗传信息传递下一代。
（2）细胞核
细胞核是细胞的主要部分，是细胞活动的控制和调节中心，具体控制和调节细胞内的化学反应，控制细胞的生长和分裂。每个细胞通常只有一个细胞核，但也有两个以上的，如人的肝细胞可有两个以上细胞核，破骨细胞可能有6～50个细胞核。细胞核的形状常和细胞的形态相适应。如在球形、立方形和多边形细胞中，其核一般为球形；在枝状和梭形细胞中，其核多呈椭圆形。细胞核通常位于细胞的中央，也有偏于细胞的一侧，甚至位于细胞的边缘，如脂肪细胞和骨骼肌细胞。细胞核的大小通常为细胞的1/3～l/4.细胞核主要由核膜、核质、核仁和染色质组成。
（3）细胞质
细胞质又称胞浆，位于细胞膜和细胞核之间的部分，为透明的胶状物，在普通固定染色标本上常呈细粒状。细胞质包括基质、细胞器和包含物。
1）基质
基质又称细胞液，它是细胞质的基本成分，主要由碳水化合物、蛋白质（酶和非酶蛋白）、无机盐类和吸收的可溶性物质组成。
2）细胞器
细胞器是细胞质内具有一定形态结构和生理功能，存在于所有的细胞中，在细胞生命活动中起重要作用。主要包括线粒体、核蛋白体、内质网、高尔基复合体、溶酶体、微体、微丝、微管和中心体等，主要细胞器的功能。
3）包含物
包含物通常指贮藏在细胞质中无活性的、具有一定形态的各种代谢物质，其包括：糖原，它是供给细胞能量的一种成分，糖原颗粒普遍存在于各种细胞质中，以肝细胞及肌细胞最为丰富；脂类，多以脂滴的形式存在于细胞质内，是细胞的能源或合成细胞内某些物质的原料。
2.细胞周期
细胞周期又称细胞生活周期，是根据对细胞分裂、形态以及代谢的研究把细胞从上一次分裂结束到下一次分裂结束之间的期限称为细胞周期。利用同位素标记法测定细胞周期及各分期的时间。
现在普遍把整个细胞周期划分为间期和分裂期两个时期，分期表示如下。
（1）细胞间期
1）G1期细胞
主要进行RNA和蛋白质的合成，为下一阶段S期的DNA合成作准备。在此期间可能出现3种情况：对于完全失去增殖能力的细胞，如角质细胞、神经细胞、血红细胞等，终身处于G1期，直到衰老死亡；暂时不增殖的“非增殖细胞”，如肝细胞、肾细胞，又称G0期细胞，在一定条件下（在大量死亡，需要增殖补充，如在手术切除时），仍可恢复增殖活动；增殖细胞，如骨髓细胞、消化道黏膜细胞等，它们不断地离开G1期，进入其他各期以完成细胞分裂。
2）S期
主要特征是DNA的合成。通常情况下只要DNA的复制一开始，细胞的增殖活动就会一直进行下去，直到分成两个子细胞。
S期的肿瘤细胞对化疗药物特别敏感，当某种化疗药物作用于S期，干扰或阻止DNA的合成，从而收到治疗效果。
3）G2期
又称有丝分裂准备期，这一时期DNA合成终止，并重新开始RNA和蛋白质的合成。哺乳动物细胞的G2期大致在1～1.5h完成。
（2）细胞分裂期（M）细胞在G2期结束后，即进入分裂期，根据不同的形态变化，可分为前期、中期、后期和末期等四个时期。
细胞增殖周期中完成各期所需的时间各不相同，通常S期、G2期和M期比较恒定，G1期变化较大。为部分人体细胞、动物细胞的细胞周期的时间。
3.细胞的生命活动
生命物质经常需要和周围环境进行物质交换，如果物质交换停止，生命便趋于死亡。细胞内的化学变化和能量的转换是细胞新陈代谢的特征。而细胞的新陈代谢可从细胞的生长、分裂、分化和再生等现象表现出来。
（1）细胞的运动
细胞的运动是细胞机械能的一种具体表现，细胞机械能的表现分为：
1）原生质
流动是指细胞的运动在原生质内流动，不发生外形的变化，只发生位置变化。原生质的运动可用化学药品或光的刺激，凡能减小细胞黏性的刺激可加速原生质的流动，反之则减弱原生质的流动。当新陈代谢很低时，细胞的黏度便增高，直到运动消失。
2）变形运动
是指细胞运动时，发生形态变化，细胞有伪足伸出。在伪足中可看到原生质流动，整块原生质的形状发生改变，如血液中的白细胞就有变形运动。变形运动的速度易受温度和其他因素的影响，如氧的供给减少时，运动减慢。
3）纤毛运动
是指细胞表面特殊分化的突起发生运动，不改变细胞的形状。纤毛生在细胞的表面，细胞呈锥形。纤毛有时生在身体外表，如软体动物和环节动物幼虫的体表，但不能运动，被称为静纤毛。纤毛运动的速度很快，很难在显微镜下看清楚，目前已将超速电影显微摄像用于研究纤毛运动。
（2）吞噬作用
吞噬作用是指哺乳动物的中性粒细胞、单核巨噬细胞等可吸入较大的固体微粒，再经各种酶的作用分解吸收。
（3）胞饮作用
胞饮作用是细胞吸取周围液体的一种方法，这种方法被认为是大分子物质进入细胞的机制之一。
（4）分泌作用
分泌作用是指被细胞吸入的物质，经生物化学反应和细胞作用后再排出的作用。
（二）蛋白质
蛋白质是构成生物机体的基本物质，存在于所有细胞中，约占整个人体干重的一半，它不仅是皮肤、肌肉、神经、骨骼和血液等组织的构成部分，而且对机体的生理功能起催化、调节和保护作用。蛋白质是生命活动的主要体现者。生命活动中的新陈代谢，包括生物化学反应，都是在特殊蛋白质酶的催化下进行的。构成生命现象的各种活动，如呼吸、运动、营养输送、神经传导、记忆思维等，主要通过蛋白质来实现。
1.蛋白质的组成——氨基酸
蛋白质是由多种氨基酸依次缩合而成的大分子有机化合物。组成蛋白质的氨基酸有20种，人和动物体只能合成其中的10种，其余的靠外来食物供给。
（1）氨基酸的分类
中性氨基酸：分子中含有一个氨基和一个羧基，共15种。
酸性氨基酸：分子中含有一个氨基，两个羧基，共2种。
碱性氨基酸：分子中含有两个氨基（或一个氨基、一个亚氨基）、一个羧基，共3种。
（2）氨基酸的两性及等电点
由于氨基酸分子既有碱性的氨基（—NH2），能结合质子（H+），又有酸性的羧基（—COOH），能放出质子，从而表现出两性性质。同一分子内的羧基与氨基也可以相互作用形成内盐，或称两性离子。两性离子在溶液中存在平衡：当将溶液的pH值调节到某一适当值时，溶液中的正、负离子浓度相等，此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点，用pI表示。
不同的氨基酸有不同的等电点。由于在等电点时溶液呈电中性，对水的亲和力小于其正、负离子，溶解度减小，容易从溶液中沉淀出来。因此可利用等电点的不同，将不同的氨基酸分离。
2.蛋白质的结构
在蛋白质分子中，一个氨基酸的羧基和另一氨基酸的氨基经过脱水缩合而彼此相连，形成多肽链，两个氨基酸缩合形成的键，称为肽键。蛋白质分子所含氨基酸数目少则数十个，多则可达数万个，由一个或多个肽键按各自特