第二章 生物學相關基礎簡介

1、第二章生物學相關基礎簡介第二章生物學相關基礎簡介1.人體的機體組織人體的機體組織2.細胞細胞3.細胞外基質細胞外基質4.血液血液5.骨組織骨組織6 人體免疫系統(tǒng)人體免疫系統(tǒng)1.人體的機體組織人體的機體組織人體由有機質和無機質構成細胞，由細胞人體由有機質和無機質構成細胞，由細胞與細胞間質組成組織，由組織構成器官。與細胞間質組成組織，由組織構成器官。組織是一種具有生物活性的復合材料組織是一種具有生物活性的復合材料組織的結構和性質取決于組成物的化學、組織的結構和性質取決于組成物的化學、物理性質及各組分的相對含量物理性質及各組分的相對含量例如：例如：神經(jīng)組織：幾乎完全由細胞組成神經(jīng)組織：幾乎完全由細胞

2、組成骨骼：由骨骼膠原纖維和礦物質組成，僅含骨骼：由骨骼膠原纖維和礦物質組成，僅含少量的細胞和基質。少量的細胞和基質。機體的主要功能：新陳代謝：人體新陳代謝：人體外界環(huán)境外界環(huán)境興奮性：機體對刺激有起反應的能力興奮性：機體對刺激有起反應的能力適應性：機體對環(huán)境變化的適應適應性：機體對環(huán)境變化的適應l神經(jīng)調節(jié)神經(jīng)調節(jié)l體液調節(jié)體液調節(jié)l器官組織細胞的自身能力器官組織細胞的自身能力2. 2. 細胞細胞 細胞是活體組織形成的基礎，一定情況下，它們可以單獨存細胞是活體組織形成的基礎，一定情況下，它們可以單獨存活?；?。一些生物體，如細菌、原生動物和一些藻類，由一些生物體，如細菌、原生動物和一些藻類，由單個

3、細胞組成。但是大多數(shù)細胞是多細胞生物體的組成部分，單個細胞組成。但是大多數(shù)細胞是多細胞生物體的組成部分，一個典型的動物細胞懸浮在液體中是一個直徑約為一個典型的動物細胞懸浮在液體中是一個直徑約為2020微米的微米的球，如圖所示。球，如圖所示。 大多數(shù)細胞在懸浮液中的生長不是很好，它們常常貼敷于某大多數(shù)細胞在懸浮液中的生長不是很好，它們常常貼敷于某一基質進行生長。一基質進行生長。光面內質網(wǎng)細胞核高爾基復合體核仁微管原生質膜泡囊糙面內質網(wǎng)染色質溶酶體線粒體微纖絲3. 細胞外基質（細胞外基質（EMC）由細胞合成并分泌到細胞外的各種生物大分子由細胞合成并分泌到細胞外的各種生物大分子各種生物大分子組裝成高

4、度水合的凝膠。各種生物大分子組裝成高度水合的凝膠。構成細胞外基質的大分子種類：膠原、非膠原糖蛋構成細胞外基質的大分子種類：膠原、非膠原糖蛋白、氨基聚糖與蛋白聚糖、以及彈性蛋白。白、氨基聚糖與蛋白聚糖、以及彈性蛋白。EMC的功能：的功能：使組織具有彈性和抗壓性使組織具有彈性和抗壓性對物質轉運有選擇滲透性對物質轉運有選擇滲透性細胞表面的蛋白聚糖有傳遞信息作用細胞表面的蛋白聚糖有傳遞信息作用抗凝血功能抗凝血功能4.1 血液的主要組成及特征、功能1）組成：白蛋白白蛋白球蛋白球蛋白纖維蛋白原纖維蛋白原血血液液血漿血漿（50-60%）血細胞（血細胞（40-50%）水（水（91-92%）溶質（溶質（8-9%

5、）Na+、K+、Ca2+、Mg2+HCO3-、Cl-、HPO32-、SO42-紅細胞紅細胞白細胞白細胞血小板血小板氣體氣體：O2、CO2小分子有機物小分子有機物電解質電解質血漿蛋白血漿蛋白營養(yǎng)物質營養(yǎng)物質代謝終產物代謝終產物激素激素4. 血液血液血漿血漿（中性粒細胞（淋巴細胞）全血離心后細胞形態(tài)細胞形態(tài) 紅細胞的功能紅細胞的功能運輸運輸O O2 2和和COCO2 2緩沖作用：在緩沖作用：在酸堿平衡酸堿平衡起一定的緩沖作用起一定的緩沖作用這兩項功能都是通過紅細胞中的血紅蛋白來這兩項功能都是通過紅細胞中的血紅蛋白來實現(xiàn)的。如果紅細胞破裂，血紅蛋白釋放實現(xiàn)的。如果紅細胞破裂，血紅蛋白釋放出來，溶解于

6、血漿中，即喪失上述功能。出來，溶解于血漿中，即喪失上述功能。2）紅細胞）紅細胞3）白細胞）白細胞白細胞有核，在血液中一般呈球形。白細胞有核，在血液中一般呈球形。依據(jù)白細胞細胞核接觸不同染色劑時，胞依據(jù)白細胞細胞核接觸不同染色劑時，胞漿中是否產生特殊的嗜色顆?？煞譃榱＜殱{中是否產生特殊的嗜色顆?？煞譃榱＜毎盁o粒細胞。胞及無粒細胞。粒細胞又可依據(jù)所含嗜色顆粒特性不同而粒細胞又可依據(jù)所含嗜色顆粒特性不同而分為分為嗜酸性粒細胞、嗜堿性粒細胞及中性嗜酸性粒細胞、嗜堿性粒細胞及中性粒細胞粒細胞。物理細胞可分為物理細胞可分為單核細胞和淋巴細胞單核細胞和淋巴細胞。 白細胞白細胞分類及數(shù)量分類及數(shù)量 總數(shù)總數(shù)

7、:4.010.0 :4.010.0 10109 9/L/L 中性粒中性粒 neutrophilneutrophil: 50%70% : 50%70% 嗜酸粒嗜酸粒 eosinophileosinophil: 0.5%5% : 0.5%5% 嗜堿粒嗜堿粒 basophilbasophil: 0%1%: 0%1% 單核細胞單核細胞 monocytemonocyte: 3%8%: 3%8% 淋巴細胞淋巴細胞 lymphocyte: 20%40%lymphocyte: 20%40% 白細胞的主要功能白細胞的主要功能抵抗微生物的入侵和執(zhí)行免疫功能，以維抵抗微生物的入侵和執(zhí)行免疫功能，以維持機體的生存。白

8、細胞也通常被稱為持機體的生存。白細胞也通常被稱為免疫免疫細胞細胞中性粒細胞和單核中性粒細胞和單核- -巨噬細胞可吞噬入侵機巨噬細胞可吞噬入侵機體的微生物和其他義務，并可清除機體自體的微生物和其他義務，并可清除機體自身的壞死組織；身的壞死組織；淋巴細胞的主要功能是參與免疫反應。淋巴細胞的主要功能是參與免疫反應。又稱又稱血栓細胞血栓細胞（thrombocyte） 形態(tài)：形態(tài)：呈兩面微凸的圓盤狀，平均面積呈兩面微凸的圓盤狀，平均面積8um2，受刺激時伸出偽足。受刺激時伸出偽足。4）血小板）血小板l 血小板的功能血小板的功能 1. 1. 正常值正常值: :(100-300)(100-300)10109

9、 9/L/L 50 50 10109 9/L /L 有出血傾向有出血傾向血小板過少血小板過少 則有出血傾向；則有出血傾向；血小板過多則血栓形成血小板過多則血栓形成 2.2.功能功能: : 維持血管內皮的完整維持血管內皮的完整: :支持和修復支持和修復; ; 參與生理止血全過程參與生理止血全過程 參與凝血參與凝血: :如血小板磷脂如血小板磷脂,PF,PF3 3 促進和抑制纖維蛋白溶解促進和抑制纖維蛋白溶解: :血小板釋放的血小板釋放的5-HT5-HT刺激血管內皮釋放血管激活物刺激血管內皮釋放血管激活物, , 激活纖溶酶原而使纖維激活纖溶酶原而使纖維蛋白降解；血小板第蛋白降解；血小板第6 6因子因

10、子( (抗纖維蛋白因子抗纖維蛋白因子,PF,PF6 6) )抑制抑制纖維蛋白溶解纖維蛋白溶解4.2 凝血和血栓的形成凝血和血栓的形成（釋放前列環(huán)素）血管損傷血管損傷血管內皮下血管內皮下組織暴露組織暴露血小板激活血小板激活（粘附、聚集、釋放）（粘附、聚集、釋放）血小板止血栓血小板止血栓（初期止血）（初期止血）血凝塊形成與維持血凝塊形成與維持（二期止血）（二期止血）凝血系統(tǒng)激活凝血系統(tǒng)激活纖維蛋白網(wǎng)形成纖維蛋白網(wǎng)形成血管收縮血管收縮（血小板因子）血小板因子）2.血流的沖刷和稀釋作用 循環(huán)不息,使偶爾被激活的凝血因子被沖走; 稀釋被激活的凝血因子;3. 纖維蛋白的吸附作用和巨噬細胞的吞噬作用: 吸附

11、和吞噬凝血因子4.體內生理性抗凝物質 有三類: 絲氨酸蛋白酶抑制物 蛋白質細胞系統(tǒng)（肝素：防止血栓形成）蛋白質細胞系統(tǒng)（肝素：防止血栓形成） 組織因子途徑抑制物組織因子途徑抑制物 4.3 4.3 血液凝固的控制血液凝固的控制( (體內抗凝系統(tǒng)體內抗凝系統(tǒng)) ) 1.血管內皮具有抗凝作用血管內皮具有抗凝作用4.4 動脈硬化動脈硬化與與支架介入治療支架介入治療及及其其支架內再狹窄支架內再狹窄動脈硬化: 支架植入技術支架植入技術利用穿刺、導管、球囊導管擴張和金屬內利用穿刺、導管、球囊導管擴張和金屬內支架植入等技術，使狹窄、閉塞的血管或支架植入等技術，使狹窄、閉塞的血管或腔道擴張、再通的技術。包括冠脈

12、支架、腔道擴張、再通的技術。包括冠脈支架、腎動脈支架、腦血管支架、大動脈（主動腎動脈支架、腦血管支架、大動脈（主動脈、腹動脈）血管支架、食道支架等脈、腹動脈）血管支架、食道支架等血管支架內再狹窄血管支架內再狹窄什么是血管支架內再狹窄？什么是血管支架內再狹窄？植入血管支架材植入血管支架材料引起的血栓料引起的血栓( (凝血凝血) )過程，這是血管支過程，這是血管支架植入后易引起的并發(fā)癥。金屬裸支架再狹窄發(fā)生率約架植入后易引起的并發(fā)癥。金屬裸支架再狹窄發(fā)生率約為為30%30%，藥物涂層支架，藥物涂層支架再狹窄發(fā)生率小于再狹窄發(fā)生率小于10%10%。血管支架內再狹窄血管支架內再狹窄形成原因：形成原因：

13、凝血過程是血液和外界材料接觸后，在數(shù)秒內血漿蛋白凝血過程是血液和外界材料接觸后，在數(shù)秒內血漿蛋白（白蛋白，（白蛋白，- -球球蛋蛋白和纖維蛋白白和纖維蛋白）競爭吸附，接著是）競爭吸附，接著是血小板被活化粘著而形成血栓，即所謂血小板血栓反應。血小板被活化粘著而形成血栓，即所謂血小板血栓反應。與此同時，血液中的與此同時，血液中的內、外內、外因素等一系列凝固性蛋白的因素等一系列凝固性蛋白的串級活化反應而進一步使可溶性血纖維蛋白聚合成為不串級活化反應而進一步使可溶性血纖維蛋白聚合成為不溶性血纖維蛋白凝膠裹卷紅血球，白血球，也裹進血小溶性血纖維蛋白凝膠裹卷紅血球，白血球，也裹進血小板而形成紅色血栓。板而

14、形成紅色血栓。血管支架內再狹窄的形成血管支架內再狹窄的形成 A： 植入之前；植入之前； B：植入之后，內膜和：植入之后，內膜和中層撕裂；中層撕裂； C：紅細胞和富纖維蛋：紅細胞和富纖維蛋白原血栓形成，及血小白原血栓形成，及血小板聚積；板聚積； D：內附壁血栓形成；：內附壁血栓形成； E：內膜和中層的平滑：內膜和中層的平滑肌細胞增殖和遷移導致肌細胞增殖和遷移導致內膜增生；內膜增生； F：血管晚期重塑引起：血管晚期重塑引起再狹窄。再狹窄。藥物涂層支架抑制再狹窄藥物涂層支架抑制再狹窄 5. 骨骼組織骨骼組織l骨骼是人體的力學支柱，承受著各種載荷的作骨骼是人體的力學支柱，承受著各種載荷的作用。用。l人

15、體骨骼分為軀干、四肢和顱骨三大部分，每人體骨骼分為軀干、四肢和顱骨三大部分，每一部分都由許多不同形狀的骨相互連接而成，一部分都由許多不同形狀的骨相互連接而成，組成了人體整個骨骼系統(tǒng)。組成了人體整個骨骼系統(tǒng)。l為了保證人體的正常生活、運動和勞動，每一為了保證人體的正常生活、運動和勞動，每一塊骨都必須有足夠的承載能力。它由兩方面來塊骨都必須有足夠的承載能力。它由兩方面來衡量：衡量：強度強度：在載荷作用下具有足夠抵抗破壞的能力；：在載荷作用下具有足夠抵抗破壞的能力；剛度剛度：在載荷作用下具有足夠抵抗變形的能力。：在載荷作用下具有足夠抵抗變形的能力。強度和剛度是骨的重要的力學性能，取決于它的強度和剛度

16、是骨的重要的力學性能，取決于它的成分和結構。成分和結構。骨的結構骨的結構各種骨斷裂狀態(tài)5.1 骨組織結構、成分及特點骨骨骨的成分骨的成分骨密質骨密質骨松質骨松質骨膜骨膜骨質骨質骨髓骨髓骨結構骨結構骨細胞骨細胞有機質有機質無機質：無機質：骨膠原纖維骨膠原纖維粘糖蛋白粘糖蛋白羥基磷灰石羥基磷灰石有機質占質量的1/3，由骨膠原纖維和少量的粘蛋白組成。骨膠原纖維平行排列成束，借助粘蛋白粘合在一起，形成網(wǎng)狀結構，使骨具有很大的彈性和韌性。骨膠原纖維具有良好的塑性，拉長時延伸率可達20%以上。無機鹽占重量的2/3：主要成分為羥基磷灰石，分子式Ca10（）6（），它們是一些微小顆粒（長約，橫截面積約），是骨

17、質堅硬的主要因素。骨骼組織是一種優(yōu)化材料，其力學性達到了骨骼組織是一種優(yōu)化材料，其力學性達到了理性化，決定于它們的成分和結構理性化，決定于它們的成分和結構無機鹽晶體牢固地貼附在縱向平行排列的無機鹽晶體牢固地貼附在縱向平行排列的片狀骨膠原纖維上，就形成一片片的骨板；片狀骨膠原纖維上，就形成一片片的骨板；若貼附在相互交錯的膠原纖維上，則形成若貼附在相互交錯的膠原纖維上，則形成棒狀骨小梁。棒狀骨小梁。由于骨膠原纖維中存在有大量的無機鹽晶由于骨膠原纖維中存在有大量的無機鹽晶體，使骨組織既有較好的彈性與韌性，又體，使骨組織既有較好的彈性與韌性，又有較大的強度與剛度，成為抗壓的支柱。有較大的強度與剛度，成

18、為抗壓的支柱。骨骼結構特點骨骼結構特點骨表面有骨膜，它具有緩和受力狀態(tài)、使受力均骨表面有骨膜，它具有緩和受力狀態(tài)、使受力均勻的作用。勻的作用。骨內部的骨髓腔，從受力構件來說，合理的結構。骨內部的骨髓腔，從受力構件來說，合理的結構。人體全身的塊骨頭，不論其形態(tài)和類型人體全身的塊骨頭，不論其形態(tài)和類型（分長、短、扁和不規(guī)則骨四種類型），都是由（分長、短、扁和不規(guī)則骨四種類型），都是由密質骨和松質骨構成。密質骨和松質骨構成。密質骨由整齊排列的板狀骨板組成，致密堅硬，密質骨由整齊排列的板狀骨板組成，致密堅硬，強度剛度大；強度剛度大；松質骨有棒狀骨小梁互相交錯、不規(guī)則排列而成，松質骨有棒狀骨小梁互相交錯

19、、不規(guī)則排列而成，類似于工程上的桁架結構，能承受較大的彈性變類似于工程上的桁架結構，能承受較大的彈性變形能力。形能力。這兩種類型骨的不同分布，使骨骼的力學性能更這兩種類型骨的不同分布，使骨骼的力學性能更趨于完美。趨于完美。骨的功能和結構的適應性是長期進化的結果骨的功能和結構的適應性是長期進化的結果骨實現(xiàn)用最小的材料獲得最大的功能的原骨實現(xiàn)用最小的材料獲得最大的功能的原則。則。骨骼在外載荷作用下要發(fā)生變形，其內部骨骼在外載荷作用下要發(fā)生變形，其內部會產生應力，一般在受到不同形式的載荷會產生應力，一般在受到不同形式的載荷后的變形可分為拉伸與壓縮、剪切、扭轉后的變形可分為拉伸與壓縮、剪切、扭轉和彎曲

20、等幾種基本變形形式或幾種基本變和彎曲等幾種基本變形形式或幾種基本變形形式的復合，稱復合變形。形形式的復合，稱復合變形。5.2 骨的力學性能骨的力學性能軸向拉或壓截面上的應力軸向拉或壓截面上的應力骨骼在一對大小相等、方向相反的軸向外力作用骨骼在一對大小相等、方向相反的軸向外力作用下，發(fā)生沿骨的軸線方向的伸長或縮短的變形。下，發(fā)生沿骨的軸線方向的伸長或縮短的變形。例：例：l 人用雙手拉單杠時，上肢長管狀骨因受體重而被人用雙手拉單杠時，上肢長管狀骨因受體重而被拉伸拉伸軸向拉伸軸向拉伸l 人體站立時，下肢長管狀骨受體重被壓縮人體站立時，下肢長管狀骨受體重被壓縮軸軸壓縮。壓縮。三種不同材料（鋼、玻璃、骨

21、）力三種不同材料（鋼、玻璃、骨）力學應力應變曲線比較學應力應變曲線比較鋼為塑性材料，有明顯的彈性階段、屈服點和鋼為塑性材料，有明顯的彈性階段、屈服點和屈服階段，延伸率可達以上。屈服階段，延伸率可達以上。玻璃為典型的脆性材料，無屈服點、無塑性區(qū)，玻璃為典型的脆性材料，無屈服點、無塑性區(qū)，斷裂前幾乎無塑性變形，延伸率很小。斷裂前幾乎無塑性變形，延伸率很小。潤滑骨的力學性能介于塑性和脆性材料之間潤滑骨的力學性能介于塑性和脆性材料之間骨骼的骨干部近似脆性材料骨骼的骨干部近似脆性材料骨壓縮時應力應變曲線與拉伸時基本相似。壓骨壓縮時應力應變曲線與拉伸時基本相似。壓縮極限應力大于拉伸的。縮極限應力大于拉伸的

22、。骨骼在損傷治療和愈合中的生物力學問題骨骼在損傷治療和愈合中的生物力學問題應力應力是骨增生的主要因素是骨增生的主要因素l應力對骨的改變、生長和吸收起著重要的調節(jié)應力對骨的改變、生長和吸收起著重要的調節(jié)作用，對每一個骨要有一個合適的應力作用范作用，對每一個骨要有一個合適的應力作用范圍。圍。l機體生長階段，骨增生多于骨吸收；機體生長階段，骨增生多于骨吸收；l老年階段，再吸收多于骨增生；老年階段，再吸收多于骨增生；l成年階段，骨增生和再吸收基本處于一種動態(tài)成年階段，骨增生和再吸收基本處于一種動態(tài)平衡階段。平衡階段。l這種骨增生和再吸收除了受內分泌激素的影響這種骨增生和再吸收除了受內分泌激素的影響外，

23、也受應力的影響。外，也受應力的影響。彈性模量彈性模量是骨修復材料的重要性能之一，應是骨修復材料的重要性能之一，應與所修復的人體骨與所修復的人體骨相匹配相匹配，過高或過低都，過高或過低都不能滿足人體要求。不能滿足人體要求。過高過高，在應力作用下，在應力作用下承受應力的人工骨將于自體骨產生不同的承受應力的人工骨將于自體骨產生不同的應變，在人工骨與自體骨的接觸面處會產應變，在人工骨與自體骨的接觸面處會產生相對位移，從而造成生相對位移，從而造成界面處松動界面處松動。長時。長時間作用下還會造成間作用下還會造成應力屏蔽應力屏蔽，引起自體骨，引起自體骨組織的功能組織的功能退化和吸收退化和吸收；過低，過低，在

24、應力作在應力作用下變形較大，用下變形較大，起不到固定和支撐作用起不到固定和支撐作用。應力是骨增生的主要因素 如將大鼠的前兩肢截肢，變?yōu)楹髢芍凶叩膭游铮鐚⒋笫蟮那皟芍刂優(yōu)楹髢芍凶叩膭游?，因后肢所受應力增加，后肢的骨骼有明顯的增粗，因后肢所受應力增加，后肢的骨骼有明顯的增粗，密度增加，強度增加，這是由于應力的增加引起骨密度增加，強度增加，這是由于應力的增加引起骨增生所致。增生所致。 相反，若加于骨上面的應力減少，會使再吸收多于相反，若加于骨上面的應力減少，會使再吸收多于骨增生，骨骼就萎縮，骨質疏松。骨增生，骨骼就萎縮，骨質疏松。 將人從腰部以下用石膏固定周，結果表明固將人從腰部以下用石

25、膏固定周，結果表明固定期骨含鈣、磷量下降，拆除石膏周后才會復原。定期骨含鈣、磷量下降，拆除石膏周后才會復原。 對宇航員作失重實驗，發(fā)現(xiàn)宇航員骨失鈣，要做特對宇航員作失重實驗，發(fā)現(xiàn)宇航員骨失鈣，要做特殊體操可使鈣恢復。殊體操可使鈣恢復。應力刺激對骨骼的再生和修復起重要作用應力刺激對骨骼的再生和修復起重要作用l骨是機體能再生和修復的組織：骨是機體能再生和修復的組織：修復組織的化學成分和物理性質與原骨組織相同；修復組織的化學成分和物理性質與原骨組織相同；必須在骨折部位施加一定的壓應力，使之產生形必須在骨折部位施加一定的壓應力，使之產生形 變變骨組織在形變下產生骨痂。骨組織在形變下產生骨痂。應力大，骨

26、痂豐富，促使再生和愈合。應力大，骨痂豐富，促使再生和愈合。骨折再接手術，經(jīng)周，骨痂形成，并大量析骨折再接手術，經(jīng)周，骨痂形成，并大量析出礦物質后，此時的骨骼已有了一定強度；出礦物質后，此時的骨骼已有了一定強度；開始一定的功能訓練，增加應力，促使鈣質的形成，開始一定的功能訓練，增加應力，促使鈣質的形成，增加強度；增加強度；經(jīng)過周能全部愈合，達到原來的強度。經(jīng)過周能全部愈合，達到原來的強度。接骨板的應力遮擋保護作用l 應力遮擋保護作用是在兩種不同彈性模量（骨骼和接骨板）應力遮擋保護作用是在兩種不同彈性模量（骨骼和接骨板）之間，高彈性模量的接骨板（是骨的十倍）承擔了更多的之間，高彈性模量的接骨板（是骨的十倍）承擔了更多的復載，保護了較低彈性模量的骨骼，使其少承載甚至不承復載，保護了較低彈性模量的骨骼，使其少承載甚至不承載。載。 骨折再接手術所使用的加壓骨折再接手術所使用的加壓內固定接骨板太堅硬或螺釘固內固定接骨板太堅硬或螺釘固定擰的太緊時，定擰的太緊時，反會因應力遮擋保護作用而使斷骨四周的反會因應力遮擋保護作用而使斷骨四周的骨外膜受不到應力，也不發(fā)生形變，骨痂不能形成。骨外膜受不到應力，也不發(fā)生形變，骨痂不能形成。 因斷端部位缺少應受的壓應力，使骨增生和再吸收不再處