第八章 生物材料表面改性

1、 8.1 概述在生物环境与植入体材料的反应中，材料的表面起着重要作在生物环境与植入体材料的反应中，材料的表面起着重要作用。宿主首先对材料表面做出相应的生理反应，并根据反应用。宿主首先对材料表面做出相应的生理反应，并根据反应结果决定对材料是亲和还是排斥。因此控制材料表面特性可结果决定对材料是亲和还是排斥。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.物理化学法物理化学法 2 机械法机械法本章重点介绍物理化学法表面改性本章重点介绍物理化学法表面改性代表性的表面改性（修饰）方法代表性的表面改性（修饰）方法1.未修饰的表面未修

2、饰的表面2.覆盖：覆盖：溶剂涂覆、表面接枝、金溶剂涂覆、表面接枝、金属喷涂、喷射属喷涂、喷射HA3.表面梯度化：接枝、形成表面梯度化：接枝、形成互穿网、离子注入互穿网、离子注入4.自组装膜表面自组装膜表面5.添加剂的表面活化添加剂的表面活化6. 表面化学反应：表面化学反应： 氧化、氟化、硅烷化氧化、氟化、硅烷化7.刻蚀和打磨刻蚀和打磨8.聚电解质多层膜聚电解质多层膜钛合金表面羟基化预处理 用于植入人体的医用钛及钛合金材料在空气中或与氧气接触就会迅速在其表面原位生长一层Ti02薄膜，该薄膜一般厚度为几十 个纳米，这是钛及钬合金材料具有良好生物相容性的一个主要原因。但是由于Ti02 薄膜是生物惰性

3、的，缺少活性官能团，生物大分子很难结合在材料 表面。 通过羟基化处理在医用钛合金表面引入活性羟基，可利用该活性官能团共价键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，进一步改善植入、介入材料的组织相容性和血液相容性。例如用于带药血管内支架和牙种植体等人体植入、介入医疗器械的表面改性处理。 羟基化方法：方法1：将医用钛合金试样在双氧水溶液中浸泡处理约20分钟。方法2：将医用钛合金试样在碱溶液（K或）中浸泡处理约20分钟。8.2 物理化学方法表面改性物理化学方法表面改性一一 概述概述1.分类：分类：1）非共价涂覆：）非共价涂覆：例：溶剂涂覆，碳和金属的气相沉积例：溶剂涂

4、覆，碳和金属的气相沉积2）共价涂覆：）共价涂覆： 例：辐射接枝（利用电子加速器和例：辐射接枝（利用电子加速器和辐射）辐射） 光接枝（利用紫外光）光接枝（利用紫外光） 气相沉积（离子束溅射、化学气相沉积）气相沉积（离子束溅射、化学气相沉积） 化学接枝化学接枝 硅烷化硅烷化 生物修饰（生物分子固定）生物修饰（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：例如化学修饰得到肝素改善血液相容性：例如化学修饰得到肝素2).改进润滑性能：例互穿聚合物网络改进润滑性能：例互穿聚合物网络3). 改进抗磨性和抗腐蚀性：例离子注入改进抗磨性和抗腐蚀性：例离子注入N、C4). 改变电性质

5、：例如聚电解质接枝。改变电性质：例如聚电解质接枝。5).控制蛋白质的吸附：例表面固定化聚乙二醇控制蛋白质的吸附：例表面固定化聚乙二醇（减少吸附）（减少吸附）1）修饰层厚度要尽量薄：）修饰层厚度要尽量薄：表面修饰应该是达到均匀性、耐用性和功能性所需的最表面修饰应该是达到均匀性、耐用性和功能性所需的最小厚度，而不是增厚。修饰层太厚会改变材料固有的小厚度，而不是增厚。修饰层太厚会改变材料固有的机械和功能性，而且厚的涂层易剥离和破碎。理想情机械和功能性，而且厚的涂层易剥离和破碎。理想情况下，一个单分子层（况下，一个单分子层（3-10 埃）就足够了。埃）就足够了。2）抗剥离）抗剥离3）商品化：不能过于复

6、杂或成本太高。）商品化：不能过于复杂或成本太高。3.表面改性一般原则表面改性一般原则二二. 几种表面改性技术简介几种表面改性技术简介1. 等离子体技术等离子体技术 等离子体技术是等离子体技术是2020世世6060年代以来，在物理学、化年代以来，在物理学、化学、电子学、真空技术等学科交叉基础上发展形学、电子学、真空技术等学科交叉基础上发展形成的一门新兴学科。成的一门新兴学科。 等离子体作为物质的等离子体作为物质的第四态第四态，是指，是指部分或完全电部分或完全电离的气体离的气体。 等离子体：等离子体：在直流电弧放电、辉光放电、微波放在直流电弧放电、辉光放电、微波放电、电晕放电、射频放电等条件下所产

7、生的部分电、电晕放电、射频放电等条件下所产生的部分电离气体。电离气体。 在等离子体中包含有多种粒子：在等离子体中包含有多种粒子：电离所产生的电电离所产生的电子和离子，大量的中性粒子如原子、分子和自由子和离子，大量的中性粒子如原子、分子和自由基等，称为等离子体基等，称为等离子体. .等离子体可分为三大类：高温高压等离子体，等离子体可分为三大类：高温高压等离子体，电离度电离度100%，温度可达几亿度，用于核聚变的，温度可达几亿度，用于核聚变的研究；低温低压等离子体，电离度不足研究；低温低压等离子体，电离度不足1%，温度仅为温度仅为50250度；度；高温低压等离子体高温低压等离子体，约，约有有1%以

8、上的气体被电离，具有几万度的温度。以上的气体被电离，具有几万度的温度。离子、自由电子、未电离的原子的动能接近于离子、自由电子、未电离的原子的动能接近于热平衡。热平衡。热喷涂热喷涂所利用的正是这类等离子体。所利用的正是这类等离子体。等离子体在材料科学方面的应用：等离子体在材料科学方面的应用：材料焊接、材料焊接、金属熔化、材料合成及材料表面改性等方面金属熔化、材料合成及材料表面改性等方面. .钛合金表面等离子体喷涂羟基磷灰石表面改性钛合金表面等离子体喷涂羟基磷灰石表面改性 等离子喷涂技术是较早用于钛及钛合金表面改性等离子喷涂技术是较早用于钛及钛合金表面改性的，由高温等离子火焰（温度高达的，由高温等

9、离子火焰（温度高达1000010000以以上），将待喷涂的粉料瞬间熔化，然后高速喷涂上），将待喷涂的粉料瞬间熔化，然后高速喷涂在冷态的基体上形成涂层。涂层厚度通常约在冷态的基体上形成涂层。涂层厚度通常约0.050.050.1mm0.1mm。等离子喷涂设备结构示意图等离子喷涂设备结构示意图 基本原理：基本原理：通过离子注入机使中性原子电离，通通过离子注入机使中性原子电离，通过引出电场和加速电场的作用，产生具有一定能过引出电场和加速电场的作用，产生具有一定能量的带电粒子束，照射各种材料的表面，根据产量的带电粒子束，照射各种材料的表面，根据产生离子能量的大小，可以沉积在材料表面，也可生离子能量的大小

10、，可以沉积在材料表面，也可穿过表面进入材料内部。穿过表面进入材料内部。 离子束技术的应用包括离子束技术的应用包括离子束注入、离子束沉积离子束注入、离子束沉积和离子束辅助沉积和离子束辅助沉积等。等。 应用离子束技术可实现对医用生物陶瓷涂层材料应用离子束技术可实现对医用生物陶瓷涂层材料表面的改性。表面的改性。生物陶瓷涂层分为氧化物陶瓷和非生物陶瓷涂层分为氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷涂层。氧化物陶瓷涂层。氧化物涂层材料：氧化物涂层材料：AlAl2 2O O3 3、ZrOZrO2 2、TiO2TiO2等。等。非氧化物涂层：氮化物、碳化物、硅化物和硼化非氧化物涂层：氮化物、碳化物、硅化物和硼化物等。物等。采

11、用离子注入技术可提高本体材料的抗磨损和腐采用离子注入技术可提高本体材料的抗磨损和腐蚀性蚀性。离子注入钙离子可提高生物活性。离子注入钙离子可提高生物活性。2 离子束表面改性技术离子束表面改性技术改性效果改性效果注入离子注入离子基体材料基体材料用途用途抗磨损抗磨损Ti,Mn,Al,Cu,Ni型钢，软钢型钢，软钢机械零件，工具机械零件，工具W,Mo,V,Co,Cr工具钢工具钢工具工具Ti+C,Ti+N同上同上同上，汽车零件，机械同上，汽车零件，机械零件零件Ti+B,Cr+N不锈钢不锈钢表壳，模具表壳，模具Al,Sn,In,Ag轴承钢，型钢轴承钢，型钢精密机械零件精密机械零件耐腐蚀耐腐蚀Cr,Ni,P

12、d,Pt,Al型钢，型钢，碳钢，碳钢，M50钢钢海上飞机零件，机械零海上飞机零件，机械零件件抗氧化抗氧化Cr+Mo,Ta,Cr+P52100钢，钢，M50钢钢海上飞机轴承，各种轴海上飞机轴承，各种轴承承稀土稀土型钢，不锈钢型钢，不锈钢机械零件机械零件抗冲击抗冲击Nb,Ta,Mo,W模具钢模具钢模具模具耐热耐热Al,Mo,W,Nb,Ta,Cr耐热钢，型钢耐热钢，型钢飞机和汽车发动机排气飞机和汽车发动机排气管管表表6-1 6-1 离子注入钢改性结果离子注入钢改性结果 3. 材料表面化学活性基团或活性物质的结合材料表面化学活性基团或活性物质的结合 利用基体材料本身具有的基团或通过某些反应活利用基体材

13、料本身具有的基团或通过某些反应活性高的基团和原子，可以使材料表面产生功能基性高的基团和原子，可以使材料表面产生功能基团，发挥其生物学作用。团，发挥其生物学作用。例如，在惰性生物材料例如，在惰性生物材料表面引入活性药物如肝素、尿激酶、前列腺素等表面引入活性药物如肝素、尿激酶、前列腺素等或类肝素化。或类肝素化。 材料表面引入生物活性分子可以促进细胞的粘附材料表面引入生物活性分子可以促进细胞的粘附和生长，因此将生物活性分子固定到材料表面是和生长，因此将生物活性分子固定到材料表面是提高其细胞相容性的重要方法。提高其细胞相容性的重要方法。 蛋白质在聚合物表面的固定主要有蛋白质在聚合物表面的固定主要有物理

14、吸附和物理吸附和化学固定化学固定二种。二种。 物理吸附：通过静电吸附作用可将含有多个负物理吸附：通过静电吸附作用可将含有多个负电荷的生物活性分子固定于材料中带正电荷的电荷的生物活性分子固定于材料中带正电荷的部位；部位； 化学固定：将生物活性分子中的某些基团与基化学固定：将生物活性分子中的某些基团与基质表面的反应性基团通过化学键合使其牢固地质表面的反应性基团通过化学键合使其牢固地固定于材料表面，可获得长期的组织相容性。固定于材料表面，可获得长期的组织相容性。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 抗凝血物质的种类很多：抗凝血物质的种类很多：肝素、抗凝血酶、尿激酶、链肝素、抗凝血

15、酶、尿激酶、链激酶、香豆素、二酮类药物、阿斯匹林、消炎痛、双苯激酶、香豆素、二酮类药物、阿斯匹林、消炎痛、双苯吡醇及双嘧达莫。吡醇及双嘧达莫。 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：一种分子量为一种分子量为2000020000左右、含硫量为左右、含硫量为9 9一一12.9%12.9%的酸的酸性粘多糖，属于不均一的多糖分子。其链节单位系由葡性粘多糖，属于不均一的多糖分子。其链节单位系由葡萄糖胺磺酸、葡萄糖醛酸及艾社糖磺醛酸等所组成。其萄糖胺磺酸、葡萄糖醛酸及艾社糖磺醛酸等所组成。其重复结构单元如下：重复结构单元如下： 直接利用肝素的最简单方

16、法就是把肝素掺直接利用肝素的最简单方法就是把肝素掺和到高分子材料中。和到高分子材料中。 缺点：缺点： 因为有比较多的肝素被包埋在材料的内部因为有比较多的肝素被包埋在材料的内部而不能发挥其作用；而不能发挥其作用； 在和血液接触的过程中，它又容易在血液在和血液接触的过程中，它又容易在血液中溶解而流失。中溶解而流失。肝素可通过肝素可通过离子交换反应、功能基团反应离子交换反应、功能基团反应(-(-OHOH、-NH)-NH)等固定在材料表面，对于化学惰等固定在材料表面，对于化学惰性的材料，肝素则可以通过第三种物质的性的材料，肝素则可以通过第三种物质的媒介作用而与它们结合起来媒介作用而与它们结合起来肝素表

17、面修饰方法化学键固定的肝素比起物理吸附的要稳定，而化学键固定的肝素比起物理吸附的要稳定，而在化学固定中，通过共价键的又远比通过离子在化学固定中，通过共价键的又远比通过离子键的稳定。但反过来，通过共价键结合的表面键的稳定。但反过来，通过共价键结合的表面固定化肝素比起离子键稳定的肝素，有着生物固定化肝素比起离子键稳定的肝素，有着生物活性较低及抗凝血性改善幅度不明显等问题，活性较低及抗凝血性改善幅度不明显等问题，这也是近年来高分子生物材料表面肝素化研究这也是近年来高分子生物材料表面肝素化研究中存在的主要问题。中存在的主要问题。固定化肝素的生物活性取决于肝素分子能否固定化肝素的生物活性取决于肝素分子能

18、否维维持其天然的构象。持其天然的构象。课程总结学习本课的目的学习本课的目的1. 通过对这个课程的学习，了解生物医用材料学的概通过对这个课程的学习，了解生物医用材料学的概念、主要内容、研究现状及发展趋势，了解生物医用念、主要内容、研究现状及发展趋势，了解生物医用材料学领域所涉及的生物学、医学、材料学的知识，材料学领域所涉及的生物学、医学、材料学的知识，打开打开生物医用材料学生物医用材料学这扇大门这扇大门。2.对生物医学材料的功能性和生物相容性有基本认识，对生物医学材料的功能性和生物相容性有基本认识，建立系统的形式体系，对生物医用材料的分类、性能、建立系统的形式体系，对生物医用材料的分类、性能、用途、表面改性以及安全性标准等有基本的认识，有用途、表面改性以及安全性标准等有基本的