《生物材料学》2版课件--第9章生物材料表面改性

1、第九章 生物材料的表面改性讲授的主要内容9.1 表面改性的意义与方法9.2 表面形貌的改变9.3 生成表面转化层9.4 表面施加涂层9.5 表面引入活性基团、接枝单体和结合化学分子9.6 表面生物化9.1 表面改性的意义与方法表面改性的目的:改善生物学性能，如组织相容性，血液相容性改善力学性能，如耐磨性改善化学性能，如耐蚀性1、表面性能对细胞黏附的影响(1)表面拓扑(topograph) 已经知道，材料与细胞的系统固定时，材料表面粗糙度对细胞的黏附有显著的影响。 大体说来，就是特别光滑的表面和特别粗糙的表面细胞黏附都不好，而适当的粗糙度有利于黏附。不同类型的细胞大小和特性不同，因此没有统一的最

2、佳黏附粗糙度。文献中给出适合成骨细胞黏附的钛合金和羟基磷灰石的粗糙度是200nm700nm。 多孔材料中的孔隙大小，也影响细胞黏附。对细胞黏附也有一个适当的孔隙，相对于细胞大小而言，太小或太大的孔隙均不利于黏附。(2)材料表面亲水性能亲水性的材料表面有利于细胞黏附。例如，用离子束辐照材料表面，聚羟基脂肪酸酯高分子材料在150keV，COOH-离子注入剂量从51012离子数cm2到11015离子数cm2时，PHB的接触角从原来的68.5度下降到接近0度，成骨细胞在该材料上也由原来的黏附不良变成充分黏附和铺展，细胞呈多边形形貌，并伸出很多伪足。2、高聚物表面特性对血液相容性的影响研究表明，一种生物

3、材料血液相容性的优劣主要取决于本体材料的形态结构，也与生物材料的表面性能密切相关。生物材料的表面性质如表面的物理性能、表面电荷、亲水性、表面自由能、微相分离结构等，在生物学反应中起着至关重要的作用。(1)表面物理特性生物材料的表面粗糙程度对血液相容性有一定的影响。一般认为，对于同种材料而言，材料表面光洁度的提高有利于减少血栓的形成，粗糙程度过高的材料容易引起凝血。研究者对血管表面的研究发现，宏观观察表面光滑，微观出现微相分离结构的材料具有优良的血液相容性。材料微相分离结构的形成可以体现亲水性/疏水性、正负电荷、结晶态/非结晶态等结构，在材料表面往往存在着化学及物理性能的不同，使得材料具有独特的

4、性能。 例如，材料大分子链上含有聚集态的亲水链和疏水链时，可以降低血浆纤维蛋白的吸附，提高材料表面的抗血栓性能。(2)表面电荷 细胞电泳测定表明，红细胞、白细胞和血小板表面、蛋白质等都带有负电荷，血管壁也呈负电性(-128mV) 。一般认为，如果材料表面带有适量的负电荷，它可以阻止这些细胞和蛋白的黏附，具有较好的血液相容性。 但玻璃、陶瓷表面带有负电荷却引起了强烈的血液凝固反应，这主要是因为这些负电荷激活了凝血因子XII而导致内源性凝血，可能与其他材料因素有关。(3)表面的亲水性 如果高聚物的侧基含有亲水性基团，如-OH、-COOH、-CONH2、-NH、-SO3Na、-SOH等，有利于提高材

5、料的抗凝血作用。主要是因为亲水性基团所构成的亲水区容易黏附白蛋白，对血小板的黏附有阻碍作用，不易激活凝血系统，从而阻止了血栓的形成；在疏水区则有选择性的吸附-球蛋白和纤维蛋白原，吸附之后所引起的蛋白构象改变要比亲水性表面吸附的蛋白大。(4)表面自由能 1965年Lyman等指出材料表面自由能与凝血所需的界面反应能密切相关。一般来说，材料表面自由能越低，抗凝血性越好。Bayer提出，材料的临界表面张力为2010-33010-3 N/m时，材料具有较好的血液相容性。表面改性的方法机械方法：如机械表面加工，喷丸，喷砂物理方法：如物理气相沉积，等离子体溅射、聚合、接枝，等离子体喷涂，离子注入，激光表面

6、处理化学与电化学方法：如表面接枝，电化学抛光、沉积，阳极氧化，溶胶-凝胶法，电泳沉积，仿生溶液法，化学气相沉积生物学方法：如结合生物大分子，表面内皮化表面改性的途径表面形貌的改变生成表面转化层表面施加涂层表面引入活性基团、接枝单体和结合化学分子表面生物化等离子体简介等离子体是气体经电离产生的大量带电粒子（离子、电子）和激发态的中性粒子（原子、分子）所组成的体系，因其总的正、负电荷数相同，故称为等离子体，为物质的第四态一一等离子态。等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。低温等离子体是指在直流电弧放电、辉光放电、微波放电、电晕放电、射频放电等条件下所产生的部分电离气体，其中由于电子质量远小于离子

7、的质量，故电子温度可以远高于离子温度，离子温度甚至可以与室温相当。电子的能量也较高(0-20eV)。低温等离子体中的粒子具有一定的能量，可与材料表面相互作用产生表面反应。因此，一般等离子体表面工程用的是低温等离子体。用于生物医用材料表面改性的低温等离子体表面改性技术主要包括：等离子体溅射沉积、等离子体注入、等离子体聚合、等离子体接枝、微弧氧化（微等离子体溶液氧化）等。低温等离子体表面改性具有如下特点：(a)良好的可靠性、重现性、非线性以及低成本，可以应用于各种形状的金属、聚合物、陶瓷以及复合材料；(b)在等离子体辅助作用下易于产生活性成分，引发在常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和化学变化

8、；(c)可对生物医用材料和器械表面进行消毒处理；(d)工艺简单、操作方便、易于控制、对环境无污染。 迄今为止，采用等离子体表面改性技术的医用植入材料和器械主要包括：整体关节替换、人工骨、牙科植入体、人造心脏阀、血管支架、人造血管、眼内透镜、人造角膜和人造导管等。 其主要目的是减小摩擦阻力，提高生物相容性，增进生物活性和生物惰性，强化抗腐蚀性等。 低温等离子体表面改性作为一种经济有效的表面加工技术在生物医学领域显示出了巨大的优越性。9.2 表面形貌的改变机械微加工，机械抛光喷丸，喷砂化学抛光，电化学抛光等离子溅射清洗、刻蚀，激光刻蚀1、表面机械纳米化 通过改进夹具和机器构造，可以处理板材、棒材、

9、管材、线材及一些形状不规则的构件。2、电化学抛光电化学抛光是在一定电解液中金属工件作为阳极，通电后，表面上显微及宏观凸点或粗糙处的高点及毛刺区的电流密度比表面其余部分大，以较快的速度溶解，从而去除毛刺，使金属表面平整，光亮度提高。采用电化学抛光获得的表面不同于研磨或机械抛光获得的表面，该表面无划痕、不变形、无方向性且显露出金属的本色。电化学抛光过程可以去除表面原有的氧化层，形成新的、薄的化学均匀性好的氧化层。目前，该技术在金属生物医用材料表面改性方面获得了广泛的应用，显示出机械抛光及其它表面精加工技术无法比拟的优越性，如效率高、表面无加工硬化层、耐蚀、美观等。不锈钢、钛及钛合金及贵金属等都可以

10、进行电化学抛光。3、等离子体溅射：清洗和刻蚀等离子体溅射是利用气体放电产生气体电离，其正离子在电场作用下高速轰击阴极材料，使其表面的原子被击出。在生物医用材料表面改性方面的应用主要分为溅射清洗、溅射刻蚀和溅射镀膜。溅射清洁：一般是用Ar离子轰击基体表面，去除表面污染层和氧化物。溅射清洁是气相沉积沉积薄膜时常用的预处理方法，以提高基体与化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)薄膜的结合强度。溅射刻蚀目的是为了改变固体表面形态、化学成分和价态，从而改变它的生物相容性。9.3 生成表面转化层离子注入，等离子体浸没离子注入离子渗入激光表面融凝和表面合金化阳极氧化，微弧氧化1、离子注入离子注入是指

11、将工件放在离子注入机的真空室中，在室温或较低温度下，施以几十至几百千伏的电压（离子能量在数万到数十万电子伏特），准确地将预定剂量的高能量离子，注入到材料表面预定深度，使材料表层的化学成分和微观组织结构发生显著变化，从而改善材料性能。金属、陶瓷以及高分子材料都可以通过离子注入来达到表面改性的目的。离子注入材料表面改性主要有以下特点：(1)离子注入基体的过程是一个非平衡过程，新合金的形成不受经典热力学和扩散力学限制，原则上可以将任何元素注入到固体中，注入元素的种类、能量和剂量均可选择，并能精确控制，无需改变整体材料特性就可形成具有理想特性表面。(2)由于离子是在高能状态下强行挤入基体的，因此基体材

12、料不受限制，不受传统热力学、相平衡和固溶度等物理冶金学因素的制约，可获得其它方法不能得到的新合金相。(3)注入元素进入基体后呈高斯分布，不形成新的界面，没有因界面引起的腐蚀、开裂、起皮、剥落等其它涂层容易产生的缺陷，从而解决了许多涂层技术中存在的粘附问题和热膨胀系数不匹配问题。(4)由于离子注入处理可以在接近室温的条件下进行，不存在热变形问题，不需对零件进行再加工或再热处理。(5)离子注入处理是在高真空条件下进行的，不受环境影响，基体外表没有残留物，能保持原有的外廓尺寸精度和表面光洁度，特别适合于高精密部件的最后工艺。(6)离子注入功率消耗低，以表面合金代替整体合金，节约大量稀缺金属和贵重金属

13、，而且没有毒性，利于环保。离子注入技术的缺点是注入时间长、注入深度浅(0.10.2 um)。传统的等离子注入技术存在视线加工等缺点，不适合复杂形态构件改性。离子注入设备一次性投资大，成本高，但对于高附加值的生物医用材料而言，却是切实可行的。用于生物医用材料表面离子注入的元素有碳、氮、硼、氧、氦、氩、磷、钙、钽、钛等，可以是一种元素也可以是多种元素同时注入。通过离子注入提高了材料表面的硬度、强度、抗疲劳性、耐磨性、耐腐蚀性和生物相容性等例如，在不锈钢、钛合金、Co-Cr-Mo合金表面注入C、N、B等元素的化合物，可有效提高人工骨与人工齿根的耐腐蚀性和耐磨性，并进一步改善了生物材料的生物相容性，延

14、长了人工器官的使用寿命。将-OH、-COOH、-NH2等基团注入Al2O3、ZrO2之中，大大提高了惰性生物陶瓷表面的生物活性，改善了生物材料的生物相容性。等离子浸没离子注入(PIII)是1987年美国Conrad教授在普通视线型离子注入基础上发明的新技术。20世纪90年代初PIII技术与金属阴极弧等离子体源技术相结合，形成了金属等离子体浸没离子注入技术(MePIII)。PIII和MePIII技术因无视线加工限制，并克服了保持剂量问题，特别适用于体积较大、形状复杂的工件，能保证工件所有暴露表面的加工均匀性。2、离子渗入左：未纳米化；右：15min纳米化处理表面纳米化增加了氮化层厚度316L氮化

15、试样的截面形貌3、激光表面融凝和表面合金化激光表面改性得到了较大的发展。它是利用激光的高辐射亮度、高方向性、高单色性特点，作用于金属或合金材料表面，当激光束经聚焦后，能在焦点附近产生几千度或上万度的高温，因此几乎能熔化所有的材料，显著改善材料表面性能，如硬度、强度、耐磨性和耐蚀性。用于激光表面改性加工的激光束的功率密度达到103-1011 w/cm2，它与材料相互作用，具有能量密度高、非接触式加热、热影响区小、工艺可控性好、便于实现计算机控制等优点。 激光表面融凝是利用激光束照射到金属表面使其表面薄层熔化，在光束移开后熔化的金属快速凝固，组织得以细化，成分偏析减少，缺陷率降低，凝固组织中呈现高

16、的压应力状态，从而大幅度提高材料表面的耐腐蚀性、耐磨性和抗疲劳强度。 激光表面合金化包括两种：一是激光粉末合金化，另一是激光气体合金化。 激光粉末合金化是利用高能激光束加热并熔化基体表层及添加合金元素，使其混合后迅速凝固，从而形成以原基体为基的新的表面合金层。与其它合金化方式相比，激光表面合金化速度快，可能实现合金体系范围宽、性能调节幅度大，合金与基体之间的一种冶金结合。 Richter等采用激光表面改性技术对钛合金表面进行了Si合金化处理，得到了晶粒大小为75 nm的Ti5Si3，它是所有Si-Ti系稳定相中熔点最高的化合物。激光气体合金化中应用最多的是以钛和钛合金为基体，在氮气环境中利用激

17、光加热在材料的表面形成氮化层，改善材料的耐磨、耐蚀和抗疲劳性能，另外还可以降低材料中有害离子的析出，提高材料的生物相容性。Cui等采用激光表面氮化技术对TiNi合金表面进行了处理，发现经过氮化处理后在TiNi合金表面得到了一层连续的无裂纹的TiN膜层，在Hanks溶液中Ni离子析出量显著下降。4、微弧氧化微弧氧化又称为等离子体电解沉积( PED)、阳极火花沉积(ASD)、火花阳极氧化(ANOF)、等离子电解液氧化(PEO)、微弧放电氧化(MOD)、等离子体微弧放电氧化。在特定的电解液中，如果阴阳极之间的电压超过一定范围，就会发生放电现象，在电解液中产生“等离子体”。此时，在阳极上可以观察到大量

18、不同强度的电火花。击穿区（在电解水溶液中）的局部温度可达到几千度，而电弧显微容积内的压力可达到100 MPa，而且击穿区的局部还存在高的电场强度。 如此高的能量作用于电极上，为引发和进行各种热化学反应及电化学反应，包括电解质成分的热分解，创造了有利的条件。因此，不仅电极的化学元素，而且电解质的成分都可参与在阳极表面形成阳极膜的反应。通过调节电解质的pH值和成分，阳极镀膜层的形成电位，就可能在足够宽的范围内改变阳极镀层的微观组织结构和性能。9.4 表面施加涂层溶胶-凝胶法，仿生溶液法，自组装单层电化学沉积，电泳沉积真空镀膜法：物理气相沉积PVD，化学气相沉积CVD，等离子体化学气相沉积PCVD，

19、离子束辅助沉积IBED，等离子体浸没离子注入-沉积PIIID等离子喷涂脉冲激光沉积，激光熔覆等离子体聚合1、溶胶一凝胶法溶胶一凝胶法是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而形成氧化物或其它化合物固体的方法。这种方法的特点为纯度高，均匀度好，可有效控制薄膜成分和微观结构，低温易操作，工艺设备简单，可以在各种不同形状、不同材料的基体上制备大面积薄膜，甚至可以在粉末材料的颗粒表面制备一层包覆膜等，是目前制备无机薄膜普遍采用的一种方法。有机醇盐水解法是溶胶一凝胶技术中应用最广泛的一种方法。常采用金属醇盐为前驱体溶于溶剂（水或有机溶剂）中形成均匀的溶液，溶质与溶剂间发生水解或醇解

20、反应，反应产物聚集成几到几十纳米左右的粒子并形成溶胶。以金属醇盐为前驱体的溶胶一凝胶过程包括水解和缩聚两个过程，反应生成物是各种尺寸和结构的胶体粒子采用溶胶一凝胶工艺制备薄膜的方法有浸渍法、转盘法、喷涂法等。浸渍法是将洗净的基片浸入预先制备好的溶胶中，然后以精确控制的均匀速度将基片平稳地从溶胶中提拉上来，在粘度和重力作用下基片表面形成一层均匀的液膜，接着溶剂迅速蒸发，于是附着在基片表面的溶胶迅速凝胶化而形成一层凝胶膜。转盘法是在均胶机上进行，将基片水平固定于均胶机上，滴管垂直于基片并固定在基片正上方，将准备好的溶胶液通过滴管滴在匀速旋转的基片上，在均胶机旋转产生的离心力作用下溶胶迅速均匀地铺展

21、在基片表面。喷涂法是先将洗净的基片放到专用加热炉内，加热温度通常为350-500，然后用专用喷枪以一定的压力和速度将溶胶喷至热的基片表面形成凝胶膜。薄膜的厚度取决于溶胶的浓度、压力、喷枪的速度和喷涂时间。在基体上涂上薄膜后，要对凝胶进行干燥处理。干燥速度是成膜好坏的关键。干燥过快会因聚合结构中液体蒸发过快，使凝胶因膨胀承受很大压力导致破碎。采用红外及微波干燥有利于除去包裹在凝胶内部孔隙内的液体。为了减少开裂，还可采用超临界干燥、冰冻干燥以及增加凝胶强度等方法，以抵消或减少表面张力的作用。热处理后，凝胶膜实现了向陶瓷膜的转化，性能也发生了很大的变化，因此热处理是陶瓷膜制备的关键。溶胶一凝胶方法也

22、存在一些缺点：干燥过程中由于溶剂蒸发产生残余应力导致薄膜容易龟裂；焙烧时由于有机物的挥发及聚合骨架的破坏，易导致薄膜龟裂出现裂缝，甚至脱落；薄膜的内应力限制了薄膜的厚度；溶胶的黏度、温度、浓度和机体的波动等因素影响薄膜的制备质量；由于机体比较光滑，薄膜与机体之间作用力小，薄膜的牢固性差。2、仿生溶液法自从Kokubo研究小组最早采用仿生溶液法在不同基体表面获得了磷灰石涂层。迄今为止，有关仿生溶液制备方法很多，根据预处理的方法不同可分为以下四种：机械抛光：光滑表面和粗糙表面对Ca -P的异相形核影响基本相同，但对于晶粒长大却有很大影响，在光滑表面涂层局部剥离，而对于粗糙表面涂层则均匀覆盖整个基体

23、表面，有利于Ca -P层的生长；二氧化钛法；研究最多，根据表面处理方式的不同可分为：酸处理法；碱处理法；酸一碱两步处理法；双氧水处理法；复合法。自组装单层法：它是模拟自然界磷灰石矿物的形核起始于阳离子被吸收到相关生物大分子的负电荷官能团位置的矿化过程，用于完成金属表面官能化的物质有烷链硅烷、烷链硫醇、N-炔酸和烷基磷酸等的自集合单层；在过饱和钙化溶液中加入某种玻璃，促进形核。H.M. KIM, JMSM, 1997,8:341T. Kokubo, JMSM, 2004,15:99其基本原理是基于以下事实：首先经过表面处理的金属在溶液中OH-总是存在于TiO表面；其次，处理后的金属表面会形成很多

24、微孔使表面积增大，因此会吸附更多的OH-基团，而羟基基团的存在是钛凝胶生物活性的主要原因；另外，在生物矿化系统中，凹陷的表面比平的和凸起表面更有利于无机矿化相形核。3、电化学沉积电化学沉积技术就是用电化学的方法，通过调节电解液的浓度、pH、反应温度、电场强度，电流等来控制反应的制备方法，包括电沉积技术和电泳沉积技术等。它们的优点在于生物陶瓷涂层可在温和条件下进行，基体和涂层界面不存在热应力问题，避免了高温喷涂引起的相变和脆性断裂。由于电化学是非线性过程，所以在形状复杂和表面多孔的基体材料上可以制备均匀的生物陶瓷涂层，该方法所需设备简单、操作方便。电沉积技术是在含有Ca2+和H3PO4的溶液中，

25、以石墨棒为阳极，金属基体为阴极，控制一定的电极电位，并适当调节pH，在阴极表面上沉积出磷酸钙类生物活性陶瓷。例如，HAP晶体呈针状结构，晶粒随电流密度和主盐浓度的增加而变粗；晶体结构随电解液温度的升高出现鳞片状结构和针状结构共存的现象。另外，还可通过提高碱液处理的温度和浓度来加快HAP的转变速度。电泳沉积技术是指悬浮液中带电荷的固体微粒在电场作用下发生定向移动并在电极表面形成沉积层的过程。电泳沉积实际上是由电泳和沉积两个过程联合组成。电泳是指悬浮于溶液中的带电粒子在电场的作用下发生定向移动的现象。几乎所有的固体颗粒都可以采用电泳的方法在电极表面沉积，故利用电泳沉积可以使悬浮颗粒沉积在金属、陶瓷

26、、有机材料等电极表面上。电泳沉积技术一般是将铂作为阳极，金属基体作为阴极，两者保持一定的距离浸入含有涂层材料成分的乙醇溶液中，通直流电，采用不同的电场强度和沉积时间可以得到致密或多孔、厚度各异的涂层。4、物理沉积镀膜真空镀膜分为物理气相沉积PVD（包括蒸发、溅射、离子镀、离子束辅助沉积，等离子体浸没离子注入-沉积PIIID等）和化学气相沉积CVD（包括等离子增强化学气相沉积PCVD）两大类。5、化学气相沉积镀膜化学气相沉积是利用气态物质在固体表面进行化学反应，生成固态沉积物的工艺过程。它一般包括三个步骤：产生挥发性物质；将挥发性物质输运到沉积区；与基体发生化学反应而生成固态产物。化学气相沉积法

27、具有如下特点：沉积种类多，可以沉积金属、碳化物、氮化物、氧化物和硼化物等；绕镀性好，能均匀涂覆几何形状复杂的零件；涂层和基体结合牢固；设备简单，操作方便。但由于工作温度过高（1 000C左右），限制了它的应用范围。等离子增强化学气相沉积( PECVD)是利用射频、直流或微波放电，使反应气体等离子化，以促进反应的方法。它具有沉积温度低、绕镀性好、结合力高等优点，具有更广泛的应用领域和前景。其主要缺点是成本较传统的化学气相沉积方法高，但并不影响其在高附加值的生物医用材料领域的应用。目前，采用等离子化学气相沉积方法对医疗器械进行改性的薄膜主要有DLC和TiN薄膜。在Ti-6AI-4V表面沉积金刚石涂

28、层，是用氢含量较高、挥发性较低的碳氢化合物作为活化气体，进行材料表面改性，并取得很好的效果。另外，也可在不锈钢上镀有类金刚石碳，制备出具有优良力学性能和生物相容性的生物材料。6、等离子喷涂等离子体喷涂技术已成为目前工艺较成熟、应用较普遍的一种有效方法。它是利用喷枪上两个直流电极间产生的电弧，通过电极间的气体电离形成热等离子流，粉末在等离子流中加热熔融，并被高速喷射到金属基体表面形成涂层。采用等离子喷涂方法，涂有生物活性HAP涂层的金属基体与骨组织结合紧密，生物相容性更好，同时仍保留了金属材料良好的力学性能。研究表明，HAP涂层和基体的结合是以机械结合为主，并存在有冶金化学结合的形式。7、激光表

29、面涂层激光熔覆脉冲激光沉积激光表面熔覆是把所需配制设计的合金粉末，经激光熔化，成熔覆层的主体合金，熔覆层与基体金属有一薄层熔化，并构成冶金结合的一种激光表面处理技术。自1974年首次实现激光熔覆以来，该技术一直是激光表面改性技术的热点。激光生物陶瓷涂层组织细小，具有一定程度的择优取向，涂层与基体之间的结合为化学冶金结合，涂层的结构和厚度容易控制，能获得致密、无裂纹和结晶细致的陶瓷涂层。脉冲激光沉积是利用脉冲激光照射并使生物陶瓷材料瞬间蒸发，然后沉积到基体材料表面上，以形成各种生物陶瓷涂层的技术。在钛合金表面制备活性生物陶瓷涂层如羟基磷灰石、生物活性玻璃涂层，可获得结合强度很好的改性层。不同的激

30、光波长、能量密度、沉积温度、工作室真空度等因素都对沉积层的结构和性能有明显的影响。通过控制沉积层的化学成分和结构，可以得到不同的涂层，这也是脉冲激光沉积法的一个独特的优点。8、等离子体聚合等离子体表面聚合是利用放电将有机类气态单体等离子化，产生各类活性基团，这些活性基团之间或活性基团与单体之间进行加成反应形成聚合膜。一般是在真空室中通入单体气体，在射频振荡器的作用下被电离化形成等离子体，自由电子具有较高的能量，通过碰撞产生大量氢原子、自由基等，由于这些基团活性很高，故可进行聚合反应，也可在链增长的过程中，又受到电子的撞击，在主链的随机位置上产生自由基，形成支化或交联，从而获得网状结构的聚合膜。

31、例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)早在20世纪40年代就被用作隐形眼镜材料进行应用。但是PMMA的亲水性欠佳，氧气通透性差，佩戴不适，严重者还可引起并发症。为了改善其性能，可利用乙炔、水、氮气生成的等离子聚合膜涂覆在甲基丙烯酸甲酯接触透镜上，其亲水性有所提高，同时也减少了透镜与角膜上皮细胞的粘连。9.5 表面引入活性基团、接枝单体和结合化学分子表面活性基团的引入化学接枝物理接枝等离子体接枝1、表面活性基团的引入利用高聚物基体材料中已有的基团或通过主链侧基上某些反应活性高的基团或原子，可以使高聚物表面产生小分子功能基团，发挥其生物学作用。例如，常用的聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)，其主链比较稳定

32、。可通过表面氧化引入羟基等功能基团；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在碱性溶液中部分水解使表面产生羧基，与二元胺反应在材料表面引入氨基，这些活性基团的引入，都可提高材料的亲水性和改善材料的生物相容性。等离子体表面处理主要是利用非聚合性的无机气体（如O2、N2、H2、Ar、氨、水等）产生的等离子体对高聚物材料进行表面处理，在高分子材料表面引入各种功能基团(-OH、-COOH、-NH2等)。例如，通过等离子体处理引入含氮基团（如NH2等），不仅可提高材料表面的亲水性，而且此氨基在生理pH环境下由于质子化作用而带上正电荷，有利于吸附带负电荷的细胞。此外，含氮基团可与血浆中的细胞黏附蛋白等通过氢键结合，进

33、一步促进了细胞在材料表面的黏附与生长。但是，用等离子体对材料进行表面处理时，也使高聚物表面产生刻蚀和粗糙化。利用材料表面产生的活性基团还可以进行单体接枝和固定生物活性分子，得到相应功能的材料表面。2、化学接枝化学接枝方法是利用材料表面的反应基团与被接枝的单体或大分子链发生化学反应而实现表面接枝，包括偶联接枝、化学或臭氧引发接枝。偶联接枝是指被接枝的高聚物表面反应基团与接枝高聚物上的基团之间所进行的反应可通过某种物质偶联而实现。例如，通过二异氰酸酯在聚氨酯表面接枝聚甲基丙烯酸羟乙酯，改善了血液相容性。使用六甲基二异氰酸酯，在乙烯一乙烯醇共聚物表面引入异氰酸根，可再将葡聚糖或氨基葡聚糖引入高聚物表

34、面，提高了亲水性和生物相容性。化学引发接枝是通过化学试剂与高聚物表面的组分发生反应，产生活性中心，从而引发单体的聚合。例如，将含有偶氮基团的单体与高聚物表面的羟基反应并引入高聚物表面，这可通过偶氮基团的热分解引发单体在高聚物表面的聚合。臭氧引发接枝是将材料首先置于臭氧之中，材料表面会生成过氧化物，过氧化物分解产生自由基以引发单体在材料表面的接枝聚合。臭氧引发接枝的优点在于能处理复杂的表面形状，不管材料的表面形状如何，均可在材料表面均匀地引入一层过氧活泼基团，设备简单、易操作、适用性广。Noijri Chisato等利用臭氧处理医用聚氨酯表面之后，可接枝肝素，使得材料表面的抗凝血性有所提高。化学

35、接枝工艺复杂，反应受容器的限制，对大型制件处理较为困难，所以这一方法的使用会受到一定的限制。3、物理接枝辐射接枝是指利用高能辐射（射线、 射线、 射线及X射线等）使高聚物表面或本体产生大量的自由基或离子化的活性中心，再由该活性中心引发单体的接枝聚合。高能辐射同时可以改变材料表面的微观结构导致拓扑形貌，并引起湿润性和生物相容性的变化。辐射接枝与化学接枝方法相比具有以下优点：具有特效性，辐射接枝可在较厚的高聚物中均匀进行，又可限制在材料表面层或一定的厚度内进行；由于高能电离辐射能被物质非选择性的吸收，又不受温度和分子结构的限制，所以通过接枝可得到预期结构的高聚物；辐射接枝不需加入引发剂之类的添加剂

36、，故可制成适合于某些特殊用途的高纯材料；辐射接枝一般可在常温下进行，重复性较好，速度快，容易操作和掌握，安全可靠。辐射接枝方法依赖于辐射源，所以对于许多材料的改性会受到一定的限制。光化学法是利用紫外线或可见光（波长200- 800nm）照射产生一系列光化学反应而固定生物分子，其中紫外线光接枝是主要的方式。紫外线光接枝是通过紫外光(波长200-400nm，能量达300 - 600kJ/mol)照射材料表面产生自由基，然后引发单体在表面形成接枝聚合。大多数表面光接枝属于自由基反应，所以只有含不饱和键的单体适合于光接枝。紫外光对材料的穿透力比高能辐射差，接技聚合可严格地限定在材料的表面或亚表面进行，

37、故改性反应仅发生在材料表面50 -100nm深度内，不影响材料本体性能，还具有反应速度快、反应程度易控制、操作简单、成本较低和通用性强等优点。例如，目前用甲基丙烯酸二甲胺基乙酯(DMA)、丙烯酸羟乙酯(HEA)、丙烯酰胺(AAM)等功能基团在聚氨酯表面接枝，分别得到了氨基化、羟基化、羧基化、酰胺化以及阳离子化聚氨酯表面，改善了细胞的黏附和生长，进一步提高了聚氨酯的生物相容性。白功健等人在聚乙烯(PE)膜表面利用紫外光接枝上甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)，然后再与肝素或鱼精蛋白反应，实现了肝素或鱼精蛋白在材料表面的固定，大大提高了PE的血液相容性，特别是抗凝血性。GMA是一种使用较多的不饱和单体

38、，它带有的活性环氧基可与许多生物活性物质上的氨基、羟基等反应，达到固定生物活性物质的目的。4、等离子体接枝等离子体接枝是利用O2、N2、NH3等反应性气体，经过等离子体技术处理后，材料表面会产生一定量的活性基团如过氧基、胺基等，形成活性中心，然后与带有特定官能团的单体接触，引发单体与基团的接枝聚合，或者固定生物活性分子。等离子体技术所用的能量低，改性层被严格限制在材料表面（通常几个纳米），对材料本体性能的影响小，改性条件容易改变和控制，是提高聚合物生物相容性的一种有效方法。用等离子体技术在聚氨酯(PU)上接枝带有羧基基团的丙交酯，发现成纤维细胞在接枝后的PU表面比较分散，黏附能力有明显的提高。

39、在硅橡胶(SR)上用等离子体引发接枝丙烯酸后，再将胶原接枝到聚丙烯酸的羟基上，细胞在接枝后的SR上的吸附和生长能力明显提高。采用氩等离子诱导聚合方法在聚四氟乙烯表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯(PEGMA) ，提高了亲水性，有效阻止了牛血清白蛋白的吸附。等离子接枝技术用于直接在材料表面固定抗血栓物质如内皮细胞、白蛋白、磷脂聚合物及其共聚物、强疏水和强亲水性物质、肝素等，以提高材料的血液相容性，还广泛用于组织工程。9.6 表面生物化所谓生物化就是用天然生物材料制成人工器官或用诸如蛋白、多肽、明胶、细胞生长因子等生物大分子物质固定于生物材料表面，充当临近细胞、基质、可溶性因子的受体，使表面形成一个能与生物

40、活体相适应的过渡层。它不仅不会影响高聚物材料的基体性能，而且还基本保证了所固定的生物大分子的活性，使得高分子材料获得良好的生物相容性。1、使用天然生物材料由于天然生物材料都具有免疫原性，所以在应用之前必须进行生物灭活，最常用的方法是用戊二醛处理。例如，美国Good year TyreL&Rubber公司制备的聚烯烃橡胶，在其表面涂一层明胶，随后再将聚烯烃橡胶浸入戊二醛溶液之中，经这一生物化处理，可得到较为理想的血液相容性的生物化材料，并已制成人工心脏隔膜应用于临床。2、使用RGD多肽链研究表明，材料与细胞表面受体之间的反应主要与细胞外基质上3-20个氨基酸的多肽链有关。若在材料表面直接固定多肽

41、，可以促进受体细胞的黏附，从而提高材料的生物相容性，目前主要使用RGD(Arg-Gly-Asp，精氨酸一甘氨酸一天冬氨酸)。RGD可与黏附蛋白受体特异性结合，在生物材料表面自发形成一分子层，进而促进细胞黏附和伸展。例如，将RGD固定在非降解的高分子材料表面（如聚对苯二甲酸乙二酯、聚四氟乙烯、聚丙烯酰胺、聚氨酯等）和可降解的高分子材料表面（如聚乳酸、透明质酸等），都可以提高细胞黏附能力。3、引入生物活性分子生物材料表面引入生物活性分子是提高生物相容性的一种重要方法。高聚物表面通过物理方法（如光偶联、物理吸附等）或化学固定（如共价键）与一些具有生物活性的抗凝血物质结合，可提高材料的抗凝血性能。物理吸附是指通过静电吸附作用将含有负电荷的生物活性分子固定于材料中带正电荷的部位。化学固定是指将生物活性分子中的某些基团与材料表面的反应性基团通过化学键合，使其牢固地固定在材料的表面。材料表面肝素化例如，大量研究表明，低分子肝素可以在保持抗