第八章 生物材料表面改性

1、 8.1 概述在生物環(huán)境與植入體材料的反應(yīng)中，材料的表面起著重要作在生物環(huán)境與植入體材料的反應(yīng)中，材料的表面起著重要作用。宿主首先對(duì)材料表面做出相應(yīng)的生理反應(yīng)，并根據(jù)反應(yīng)用。宿主首先對(duì)材料表面做出相應(yīng)的生理反應(yīng)，并根據(jù)反應(yīng)結(jié)果決定對(duì)材料是親和還是排斥。因此控制材料表面特性可結(jié)果決定對(duì)材料是親和還是排斥。因此控制材料表面特性可有效改善植入效果。有效改善植入效果。第八章第八章 生物材料表面改性生物材料表面改性表面改性方法 1.物理化學(xué)法物理化學(xué)法 2 機(jī)械法機(jī)械法本章重點(diǎn)介紹物理化學(xué)法表面改性本章重點(diǎn)介紹物理化學(xué)法表面改性代表性的表面改性（修飾）方法代表性的表面改性（修飾）方法1.未修飾的表面未修

2、飾的表面2.覆蓋：覆蓋：溶劑涂覆、表面接枝、金溶劑涂覆、表面接枝、金屬噴涂、噴射屬噴涂、噴射HA3.表面梯度化：接枝、形成表面梯度化：接枝、形成互穿網(wǎng)、離子注入互穿網(wǎng)、離子注入4.自組裝膜表面自組裝膜表面5.添加劑的表面活化添加劑的表面活化6. 表面化學(xué)反應(yīng)：表面化學(xué)反應(yīng)： 氧化、氟化、硅烷化氧化、氟化、硅烷化7.刻蝕和打磨刻蝕和打磨8.聚電解質(zhì)多層膜聚電解質(zhì)多層膜鈦合金表面羥基化預(yù)處理 用于植入人體的醫(yī)用鈦及鈦合金材料在空氣中或與氧氣接觸就會(huì)迅速在其表面原位生長(zhǎng)一層Ti02薄膜，該薄膜一般厚度為幾十 個(gè)納米，這是鈦及鈥合金材料具有良好生物相容性的一個(gè)主要原因。但是由于Ti02 薄膜是生物惰性

3、的，缺少活性官能團(tuán)，生物大分子很難結(jié)合在材料 表面。 通過(guò)羥基化處理在醫(yī)用鈦合金表面引入活性羥基，可利用該活性官能團(tuán)共價(jià)鍵接生物功能大分子如肝素、白蛋白、 血栓改性蛋白等，提高材料的生物相容性，進(jìn)一步改善植入、介入材料的組織相容性和血液相容性。例如用于帶藥血管內(nèi)支架和牙種植體等人體植入、介入醫(yī)療器械的表面改性處理。 羥基化方法：方法1：將醫(yī)用鈦合金試樣在雙氧水溶液中浸泡處理約20分鐘。方法2：將醫(yī)用鈦合金試樣在堿溶液（K或）中浸泡處理約20分鐘。8.2 物理化學(xué)方法表面改性物理化學(xué)方法表面改性一一 概述概述1.分類：分類：1）非共價(jià)涂覆：）非共價(jià)涂覆：例：溶劑涂覆，碳和金屬的氣相沉積例：溶劑涂

4、覆，碳和金屬的氣相沉積2）共價(jià)涂覆：）共價(jià)涂覆： 例：輻射接枝（利用電子加速器和例：輻射接枝（利用電子加速器和輻射）輻射） 光接枝（利用紫外光）光接枝（利用紫外光） 氣相沉積（離子束濺射、化學(xué)氣相沉積）氣相沉積（離子束濺射、化學(xué)氣相沉積） 化學(xué)接枝化學(xué)接枝 硅烷化硅烷化 生物修飾（生物分子固定）生物修飾（生物分子固定） 2.2. 表面改性的作用表面改性的作用1).改善血液相容性：例如化學(xué)修飾得到肝素改善血液相容性：例如化學(xué)修飾得到肝素2).改進(jìn)潤(rùn)滑性能：例互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)潤(rùn)滑性能：例互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)3). 改進(jìn)抗磨性和抗腐蝕性：例離子注入改進(jìn)抗磨性和抗腐蝕性：例離子注入N、C4). 改變電性質(zhì)

5、：例如聚電解質(zhì)接枝。改變電性質(zhì)：例如聚電解質(zhì)接枝。5).控制蛋白質(zhì)的吸附：例表面固定化聚乙二醇控制蛋白質(zhì)的吸附：例表面固定化聚乙二醇（減少吸附）（減少吸附）1）修飾層厚度要盡量?。海┬揎棇雍穸纫M量?。罕砻嫘揎棏?yīng)該是達(dá)到均勻性、耐用性和功能性所需的最表面修飾應(yīng)該是達(dá)到均勻性、耐用性和功能性所需的最小厚度，而不是增厚。修飾層太厚會(huì)改變材料固有的小厚度，而不是增厚。修飾層太厚會(huì)改變材料固有的機(jī)械和功能性，而且厚的涂層易剝離和破碎。理想情機(jī)械和功能性，而且厚的涂層易剝離和破碎。理想情況下，一個(gè)單分子層（況下，一個(gè)單分子層（3-10 埃）就足夠了。埃）就足夠了。2）抗剝離）抗剝離3）商品化：不能過(guò)于復(fù)

6、雜或成本太高。）商品化：不能過(guò)于復(fù)雜或成本太高。3.表面改性一般原則表面改性一般原則二二. 幾種表面改性技術(shù)簡(jiǎn)介幾種表面改性技術(shù)簡(jiǎn)介1. 等離子體技術(shù)等離子體技術(shù) 等離子體技術(shù)是等離子體技術(shù)是2020世世6060年代以來(lái)，在物理學(xué)、化年代以來(lái)，在物理學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)、真空技術(shù)等學(xué)科交叉基礎(chǔ)上發(fā)展形學(xué)、電子學(xué)、真空技術(shù)等學(xué)科交叉基礎(chǔ)上發(fā)展形成的一門新興學(xué)科。成的一門新興學(xué)科。 等離子體作為物質(zhì)的等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)第四態(tài)，是指，是指部分或完全電部分或完全電離的氣體離的氣體。 等離子體：等離子體：在直流電弧放電、輝光放電、微波放在直流電弧放電、輝光放電、微波放電、電暈放電、射頻放電等條件下所產(chǎn)

7、生的部分電、電暈放電、射頻放電等條件下所產(chǎn)生的部分電離氣體。電離氣體。 在等離子體中包含有多種粒子：在等離子體中包含有多種粒子：電離所產(chǎn)生的電電離所產(chǎn)生的電子和離子，大量的中性粒子如原子、分子和自由子和離子，大量的中性粒子如原子、分子和自由基等，稱為等離子體基等，稱為等離子體. .等離子體可分為三大類：高溫高壓等離子體，等離子體可分為三大類：高溫高壓等離子體，電離度電離度100%，溫度可達(dá)幾億度，用于核聚變的，溫度可達(dá)幾億度，用于核聚變的研究；低溫低壓等離子體，電離度不足研究；低溫低壓等離子體，電離度不足1%，溫度僅為溫度僅為50250度；度；高溫低壓等離子體高溫低壓等離子體，約，約有有1%以

8、上的氣體被電離，具有幾萬(wàn)度的溫度。以上的氣體被電離，具有幾萬(wàn)度的溫度。離子、自由電子、未電離的原子的動(dòng)能接近于離子、自由電子、未電離的原子的動(dòng)能接近于熱平衡。熱平衡。熱噴涂熱噴涂所利用的正是這類等離子體。所利用的正是這類等離子體。等離子體在材料科學(xué)方面的應(yīng)用：等離子體在材料科學(xué)方面的應(yīng)用：材料焊接、材料焊接、金屬熔化、材料合成及材料表面改性等方面金屬熔化、材料合成及材料表面改性等方面. .鈦合金表面等離子體噴涂羥基磷灰石表面改性鈦合金表面等離子體噴涂羥基磷灰石表面改性 等離子噴涂技術(shù)是較早用于鈦及鈦合金表面改性等離子噴涂技術(shù)是較早用于鈦及鈦合金表面改性的，由高溫等離子火焰（溫度高達(dá)的，由高溫等

9、離子火焰（溫度高達(dá)1000010000以以上），將待噴涂的粉料瞬間熔化，然后高速噴涂上），將待噴涂的粉料瞬間熔化，然后高速噴涂在冷態(tài)的基體上形成涂層。涂層厚度通常約在冷態(tài)的基體上形成涂層。涂層厚度通常約0.050.050.1mm0.1mm。等離子噴涂設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖等離子噴涂設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖 基本原理：基本原理：通過(guò)離子注入機(jī)使中性原子電離，通通過(guò)離子注入機(jī)使中性原子電離，通過(guò)引出電場(chǎng)和加速電場(chǎng)的作用，產(chǎn)生具有一定能過(guò)引出電場(chǎng)和加速電場(chǎng)的作用，產(chǎn)生具有一定能量的帶電粒子束，照射各種材料的表面，根據(jù)產(chǎn)量的帶電粒子束，照射各種材料的表面，根據(jù)產(chǎn)生離子能量的大小，可以沉積在材料表面，也可生離子能量的大小

10、，可以沉積在材料表面，也可穿過(guò)表面進(jìn)入材料內(nèi)部。穿過(guò)表面進(jìn)入材料內(nèi)部。 離子束技術(shù)的應(yīng)用包括離子束技術(shù)的應(yīng)用包括離子束注入、離子束沉積離子束注入、離子束沉積和離子束輔助沉積和離子束輔助沉積等。等。 應(yīng)用離子束技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)用生物陶瓷涂層材料應(yīng)用離子束技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)用生物陶瓷涂層材料表面的改性。表面的改性。生物陶瓷涂層分為氧化物陶瓷和非生物陶瓷涂層分為氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷涂層。氧化物陶瓷涂層。氧化物涂層材料：氧化物涂層材料：AlAl2 2O O3 3、ZrOZrO2 2、TiO2TiO2等。等。非氧化物涂層：氮化物、碳化物、硅化物和硼化非氧化物涂層：氮化物、碳化物、硅化物和硼化物等。物等。采

11、用離子注入技術(shù)可提高本體材料的抗磨損和腐采用離子注入技術(shù)可提高本體材料的抗磨損和腐蝕性蝕性。離子注入鈣離子可提高生物活性。離子注入鈣離子可提高生物活性。2 離子束表面改性技術(shù)離子束表面改性技術(shù)改性效果改性效果注入離子注入離子基體材料基體材料用途用途抗磨損抗磨損Ti,Mn,Al,Cu,Ni型鋼，軟鋼型鋼，軟鋼機(jī)械零件，工具機(jī)械零件，工具W,Mo,V,Co,Cr工具鋼工具鋼工具工具Ti+C,Ti+N同上同上同上，汽車零件，機(jī)械同上，汽車零件，機(jī)械零件零件Ti+B,Cr+N不銹鋼不銹鋼表殼，模具表殼，模具Al,Sn,In,Ag軸承鋼，型鋼軸承鋼，型鋼精密機(jī)械零件精密機(jī)械零件耐腐蝕耐腐蝕Cr,Ni,P

12、d,Pt,Al型鋼，型鋼，碳鋼，碳鋼，M50鋼鋼海上飛機(jī)零件，機(jī)械零海上飛機(jī)零件，機(jī)械零件件抗氧化抗氧化Cr+Mo,Ta,Cr+P52100鋼，鋼，M50鋼鋼海上飛機(jī)軸承，各種軸海上飛機(jī)軸承，各種軸承承稀土稀土型鋼，不銹鋼型鋼，不銹鋼機(jī)械零件機(jī)械零件抗沖擊抗沖擊Nb,Ta,Mo,W模具鋼模具鋼模具模具耐熱耐熱Al,Mo,W,Nb,Ta,Cr耐熱鋼，型鋼耐熱鋼，型鋼飛機(jī)和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣飛機(jī)和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管管表表6-1 6-1 離子注入鋼改性結(jié)果離子注入鋼改性結(jié)果 3. 材料表面化學(xué)活性基團(tuán)或活性物質(zhì)的結(jié)合材料表面化學(xué)活性基團(tuán)或活性物質(zhì)的結(jié)合 利用基體材料本身具有的基團(tuán)或通過(guò)某些反應(yīng)活利用基體材

13、料本身具有的基團(tuán)或通過(guò)某些反應(yīng)活性高的基團(tuán)和原子，可以使材料表面產(chǎn)生功能基性高的基團(tuán)和原子，可以使材料表面產(chǎn)生功能基團(tuán)，發(fā)揮其生物學(xué)作用。團(tuán)，發(fā)揮其生物學(xué)作用。例如，在惰性生物材料例如，在惰性生物材料表面引入活性藥物如肝素、尿激酶、前列腺素等表面引入活性藥物如肝素、尿激酶、前列腺素等或類肝素化?；蝾惛嗡鼗?。 材料表面引入生物活性分子可以促進(jìn)細(xì)胞的粘附材料表面引入生物活性分子可以促進(jìn)細(xì)胞的粘附和生長(zhǎng)，因此將生物活性分子固定到材料表面是和生長(zhǎng)，因此將生物活性分子固定到材料表面是提高其細(xì)胞相容性的重要方法。提高其細(xì)胞相容性的重要方法。 蛋白質(zhì)在聚合物表面的固定主要有蛋白質(zhì)在聚合物表面的固定主要有物理

14、吸附和物理吸附和化學(xué)固定化學(xué)固定二種。二種。 物理吸附：通過(guò)靜電吸附作用可將含有多個(gè)負(fù)物理吸附：通過(guò)靜電吸附作用可將含有多個(gè)負(fù)電荷的生物活性分子固定于材料中帶正電荷的電荷的生物活性分子固定于材料中帶正電荷的部位；部位； 化學(xué)固定：將生物活性分子中的某些基團(tuán)與基化學(xué)固定：將生物活性分子中的某些基團(tuán)與基質(zhì)表面的反應(yīng)性基團(tuán)通過(guò)化學(xué)鍵合使其牢固地質(zhì)表面的反應(yīng)性基團(tuán)通過(guò)化學(xué)鍵合使其牢固地固定于材料表面，可獲得長(zhǎng)期的組織相容性。固定于材料表面，可獲得長(zhǎng)期的組織相容性。材料表面肝素化：提高抗凝血性材料表面肝素化：提高抗凝血性 抗凝血物質(zhì)的種類很多：抗凝血物質(zhì)的種類很多：肝素、抗凝血酶、尿激酶、鏈肝素、抗凝血

15、酶、尿激酶、鏈激酶、香豆素、二酮類藥物、阿斯匹林、消炎痛、雙苯激酶、香豆素、二酮類藥物、阿斯匹林、消炎痛、雙苯吡醇及雙嘧達(dá)莫。吡醇及雙嘧達(dá)莫。 肝素化：肝素化：肝素或其衍生物在材料上的固定化。肝素或其衍生物在材料上的固定化。 肝素：肝素：一種分子量為一種分子量為2000020000左右、含硫量為左右、含硫量為9 9一一12.9%12.9%的酸的酸性粘多糖，屬于不均一的多糖分子。其鏈節(jié)單位系由葡性粘多糖，屬于不均一的多糖分子。其鏈節(jié)單位系由葡萄糖胺磺酸、葡萄糖醛酸及艾社糖磺醛酸等所組成。其萄糖胺磺酸、葡萄糖醛酸及艾社糖磺醛酸等所組成。其重復(fù)結(jié)構(gòu)單元如下：重復(fù)結(jié)構(gòu)單元如下： 直接利用肝素的最簡(jiǎn)單方

16、法就是把肝素?fù)街苯永酶嗡氐淖詈?jiǎn)單方法就是把肝素?fù)胶偷礁叻肿硬牧现?。和到高分子材料中?缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 因?yàn)橛斜容^多的肝素被包埋在材料的內(nèi)部因?yàn)橛斜容^多的肝素被包埋在材料的內(nèi)部而不能發(fā)揮其作用；而不能發(fā)揮其作用； 在和血液接觸的過(guò)程中，它又容易在血液在和血液接觸的過(guò)程中，它又容易在血液中溶解而流失。中溶解而流失。肝素可通過(guò)肝素可通過(guò)離子交換反應(yīng)、功能基團(tuán)反應(yīng)離子交換反應(yīng)、功能基團(tuán)反應(yīng)(-(-OHOH、-NH)-NH)等固定在材料表面，對(duì)于化學(xué)惰等固定在材料表面，對(duì)于化學(xué)惰性的材料，肝素則可以通過(guò)第三種物質(zhì)的性的材料，肝素則可以通過(guò)第三種物質(zhì)的媒介作用而與它們結(jié)合起來(lái)媒介作用而與它們結(jié)合起來(lái)肝素表

17、面修飾方法化學(xué)鍵固定的肝素比起物理吸附的要穩(wěn)定，而化學(xué)鍵固定的肝素比起物理吸附的要穩(wěn)定，而在化學(xué)固定中，通過(guò)共價(jià)鍵的又遠(yuǎn)比通過(guò)離子在化學(xué)固定中，通過(guò)共價(jià)鍵的又遠(yuǎn)比通過(guò)離子鍵的穩(wěn)定。但反過(guò)來(lái)，通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合的表面鍵的穩(wěn)定。但反過(guò)來(lái)，通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合的表面固定化肝素比起離子鍵穩(wěn)定的肝素，有著生物固定化肝素比起離子鍵穩(wěn)定的肝素，有著生物活性較低及抗凝血性改善幅度不明顯等問(wèn)題，活性較低及抗凝血性改善幅度不明顯等問(wèn)題，這也是近年來(lái)高分子生物材料表面肝素化研究這也是近年來(lái)高分子生物材料表面肝素化研究中存在的主要問(wèn)題。中存在的主要問(wèn)題。固定化肝素的生物活性取決于肝素分子能否固定化肝素的生物活性取決于肝素分子能

18、否維維持其天然的構(gòu)象。持其天然的構(gòu)象。課程總結(jié)學(xué)習(xí)本課的目的學(xué)習(xí)本課的目的1. 通過(guò)對(duì)這個(gè)課程的學(xué)習(xí)，了解生物醫(yī)用材料學(xué)的概通過(guò)對(duì)這個(gè)課程的學(xué)習(xí)，了解生物醫(yī)用材料學(xué)的概念、主要內(nèi)容、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，了解生物醫(yī)用念、主要內(nèi)容、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，了解生物醫(yī)用材料學(xué)領(lǐng)域所涉及的生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)的知識(shí)，材料學(xué)領(lǐng)域所涉及的生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)的知識(shí)，打開打開生物醫(yī)用材料學(xué)生物醫(yī)用材料學(xué)這扇大門這扇大門。2.對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料的功能性和生物相容性有基本認(rèn)識(shí)，對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料的功能性和生物相容性有基本認(rèn)識(shí)，建立系統(tǒng)的形式體系，對(duì)生物醫(yī)用材料的分類、性能、建立系統(tǒng)的形式體系，對(duì)生物醫(yī)用材料的分類、性能、用途、表面改性以及安全性標(biāo)準(zhǔn)等有基本的認(rèn)識(shí)，有用途、表面改性以及安全性標(biāo)準(zhǔn)等有基本的