生物材料的表面与界面-宿主反应生物材料的表面研究材料表界面课件

1、生物材料的表面与界面宿主反应的定义Th物医用材料植入Th物体内，会引起活体系统 对材料的反应，包括植入材料附近的局部组织反应及整个活体全身的反应。宿主反应通过材料和组织间的界面开始（二） 宿主反应急性全身反应慢性全 身反应急性局部反应慢性局 部反应毒性、致畸、 免疫、功能 障碍等。过敏、毒性、 溶血、发热、 神经麻痹等。致癌、钙化、 炎症、溃疡 等。炎症、血栓、 坏死、排异 等。Th物体对Th物反应的变化补体激活； 体液免疫反应（抗原抗体反 应）；细胞免疫反应血液反应免疫反应炎症反应；细胞粘附 细胞增殖（异常分化） 形成囊膜 细胞质的转变组织反应血小板血栓；凝血系统激活； 纤溶系统激活； 溶血

2、反应；白细胞反应； 细胞因子反应； 蛋白粘附宿主反应的类型第三部分生物材料的表面研究生物材料表面改性方法表面形 态改性生物化 学改性物理化 学改性表面微纳米结构表 面 粗 糙 度表 面 覆 膜表 面 接 枝。固 定 生 物 大 分 子构 造 细 胞 外 基 质。润湿性材料表面的重要特征之一描述指标为与水的接触角接触角小于90为亲水表面接触角大于90为疏水表面接触角大于150为超疏水表面应用广泛存在于自然界中许多无污染、自清洁的动植 物表面（如荷叶、水稻、芋头叶、蝴蝶、水黾脚等）3.1表面的微纳结构自然界的特殊表面形态自清洁特征源自粗糙表 面上的微米结构的乳突和表面蜡状物（1999年 Barth

3、lott）乳突平均直径：59um接触角：165，倾斜2 水滴在表面滚动：防止因水覆盖而抑制植物的蒸腾作用与光合作用超疏水各向异性的水稻叶子乳突分布：平行于叶边缘 方向（有序排列）垂直于叶边缘 方向（无序）水稻叶表面存在滚动的各向异性，水滴更容 易沿着平行叶边缘的方向流动超疏水的蝉翼表面蝉翼表面由规则排列的纳米柱状结构组成纳米柱直径约 80nm，间距约180nm所构建的粗糙度使表面稳定吸附一 层空气膜，诱导其超疏水的性质，从而确保了自清洁功能。超疏水的水黾腿水黾：通过其腿部独特的微纳米复合阶 层结构实现超疏水和高表面张力接触角：167腿部所受的表面张力足 以承受本身重量的数十倍影响材料表面润湿性

4、的主要因素材料表面能（基本条件）表面粗糙度（决定性因素）表面微-纳结构（决定性因素）制备超疏水表面的两类技术：控制材料表面能硅氧烷、含氟材料（自然界中表面能最低的材料） 典型的低表面能材料：有机硅氟树脂以及相应改性树脂修饰微细结构表面激光和等离子体处理法、模板法、蒸汽诱导相分离法、 溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、电纺法和电化学法等3.2 表面拓扑结构Th物材料表面拓扑结构对细胞行为的影响早在一个世纪前就 被发现。细胞根据下层材料的拓扑形貌而取向Th长。纳米尺度的拓扑结构与机体内细胞Th长的自然 环境更为相似。表面的粗糙度孔洞的大小及分布 沟槽的尺寸和取向等拓扑结构3.2.1 表面拓扑结构的构建

5、方法微接触印刷(Microcontact printing)毛细微模塑(Micromolding in capillaries)复制模塑(Replica molding)转移微模塑(Microtransfer molding)溶剂辅助微模塑(Solvent assisted micromolding)操作便捷，无需复杂昂贵的设备；可大面积制作图案，适宜成批量生产；可在平/曲面表面制作微细结构；可制造二维图案或三维微结构；可控制图案表面的化学性质方便地形 成带特定官能团的图形表面等。软刻蚀使用一个弹性印章来进行图形的复制与转移或采用印章当作掩模。 电子束刻蚀制作高精度弹性印章（表面带有凸凹微结构

6、）、浇注、复制、转移图案one of the10 emerging technologies that will change the worldA faculty member at the University of Minnesota (1989-1991, Assistant Prof, 1991-1994, Associate Prof, and 1994-1997 Full Prof), and joined Princeton University in 1998.低成本，高产量， 高分辨率Prof. Stephen Y.Chou，周郁纳米压印技术材料表面的功能化研究Reacti

7、ve Imprint Lithography(RIL)Prof. G. Julius Vancso, Head,Department of Chemical Technology，University of TwenteAdv. Funct. Mater. 2010,20, 460468反应性纳米压印技术的提出，为材料表面的进一步功能化提供 了可能！Prof. Vincent M,Rotello, University of Massachusetts AmherstRIL对材料表面的功能化途径Advanced Functional Materials,2009,19:2937Advanced

8、 Materials,2010,22:3608 Advanced Materials,2011,23,3165.Biomaterials,2002, 23(14): 2945纳米岛和纳米柱结构Atomic force microscopical images of test topographies(a)PS flat control (b)PBrS flat control (c)13nm high islands35nm high islands95nm high islands3.2.2 表面拓扑结构对细胞行为的影响Atomic force microscopical image of

9、the 160nm high nanocolumns.3.2.2 表面拓扑结构对细胞行为的影响纳米岛诱导细胞伸展的形态 与高度有关。13nm岛能诱导出最大的细胞 反应，最先诱导细胞产生张力 纤维，加速细胞伸展，从而显 著刺激细胞增殖为多层结构3.2.2 表面拓扑结构对细胞行为的影响cells becoming well spread, but still with a polarised morphology;a rounded cell that is clearly polarised with lamellipodia at the leading edge (L) and a trai

10、ling tail (T);spreading cell, which is still notably smaller, and has fewer stress fibres that the cells seen in (a and b) (arrows point to faint filopodia).荧光肌动蛋白染色(a)A well spread cell with many stress fibres (s);成纤维细胞纳米柱上的 成纤维细胞3.2.2 表面拓扑结构对细胞行为的影响Electron micrographs of filopodia reacting to nan

11、o-columns.(a) TEM section of a rounded cell with many filopodia, arrow shows filopodia/nano-column interaction.(b and c) High magnification SEMs of filopodia bending upon contacting nanocolumns (nano-columns shown by arrowhead).(df) More TEMs of filopodia/nano-column interactions.(g and h) Low magni

12、fication SEMs of filopodia/nano-column interactions.Biomaterials 25 (2004)： 541554223.2.2 表面拓扑结构对细胞行为的影响Biomaterials, 2011,32:3931-3938细胞在具有黏附反差的图案化表面的 黏附具有“临界面积”的概念，低于 某个面积则细胞凋亡，高于某个面积 细胞开始黏附，继续高于某个面积， 则出现两个细胞同时黏附，直至第N 个细胞开始黏附。Schematic presentation of the process of fabrication of an RGD micropatt

13、ern on a PEG background. Three basic stages are included: (a) fabrication of gold micropatterns onglass via lift-off photolithography; (b) transfer of gold patterns from glass (hard) to a PEG hydrogel (soft); (c) formation of SAMs of RGD peptides on gold micropattern via post-modication by c(-RGDfK-

14、)-thiol ligands.3.2.2 表面拓扑结构对细胞行为的影响Biomaterials, 2011,32:3931-3938(a) Optical micrographs of as-fabricated micropatterns of RGD-grafted gold microislands on a PEG hydrogel. We generated microislands of 25 diameters including 4, 6, 8, 10,12, 14, 16 mm (line 4), 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30 mm (line 2)

15、, 32, 35, 40, 45, 50, 55 mm (line 3), and 60, 70, 80, 90, 100 mm (line 1). (b) A typical phase contrast micrograph of MC3T3-E1cells on the icropatterned surface demonstrating the excellent localization of cells on the adhesive microislands. (c) A uorescence image of MC3T3-E1 cells by viability stain

16、ing illustrating good cell viability of the adherent cells (d, e) Fluorescent micrographs with cellular nucleus stained as blue (d) and also F-actin stained as red (e) showing the possibility of determination of the number of adherent cells on each microisland. The dashed circles here indicate the c

17、ontour of the underlying RGD-grafted microislands. All the bars are 50 mm.A summarized presentation of all characteristic areas for three cell types: MC3T3-E1 cells (red), BMSCs (green), NIH3T3 cells (blue) at density of 20, 000 cells/well.表面纳米图案诱导的平滑肌细胞的形态变化SMC morphologyAlignment and elongation ch

18、aracterizationBrdU cell proliferation assayBiomaterials ， 26（26）： 5405-5413 ,2005可与ECM中其他成分相互作用可与细胞膜表面的整联蛋白结合介导细胞在材料表面黏附、铺展、增殖、分化等生理过程纤连蛋白(fibronectin，FN)由细胞自身分泌的重要黏附蛋白，是胞外基质的重要成分之一。FN多功能分子、研究拓扑结构图案与吸附在其表面的FN两种因素单独或共同存在 时对细胞黏附、铺展、增殖行为的影响有助于理解拓扑结构图案表面化学组成这两大因素对细胞行为的影响。FN功能受材料表面的吸附状态和分子结构影响与材料表面自身性质如化

19、学组成及拓扑结构等都有很大关系乳突状拓扑结 构PDMS表面纤连蛋白FN修饰的乳突 状拓扑结构L929细胞在各表面的Th长状态(光镜)L929细胞在各表面的生长状态(SEM)各表面的细胞密度和铺展细胞的比例未吸附FN的图案化表面最不利于细胞的铺展，而Flat+FN表面最适合细胞的铺展。图案化表面的乳突状拓扑结构不利于黏附细胞形成黏着斑，从而 对细胞铺展有一定的抑制作用。由于具有细胞结合位点(如ArgGly-Asp，RGD)以及协同位 点，FN促进了细胞黏附和铺展。推测：在Pattern+FN表面，铺展细胞的比例显著增加，但因拓扑图案在细胞铺展中所起的抑制作用，该表面 细胞铺展比例仍低于Flat+

20、FN表面。FN在材料表面的取向和构象直接决定着RGD片段的 暴露情况。在本研究中图案化的表面可能引起吸附FN构象的改 变，从而导致FN上细胞结合位点不能恰当暴露或者 FN分子的取向不能被黏附细胞所识别。Th命元素协同调控细胞行为Tca8113 cells拓扑结构促进细胞增殖和Th长图案化生长细胞C6 cells纳米结构诱导细胞取向Th长BIOMATERIALS , 25(18) 4215-4223,2004Proliferation拓扑结构对细胞Th长的影响纳米结构对细胞骨架的影响纳米结构对细胞伪足的影响TISSUE ENGINEERING 11 (5-6): 825-834,2005细胞运动

21、方式:伸缩运动(没有纳米结构)ExploringSpreadingPulling up(C6 cells on PS, V: 0.74 mm/min)细胞运动范围和速度Direction of LIPSS细胞运动方式:纳米结构导向运动(C6 cells on TPS, V: 0.29 mm/min)细胞运动范围和速度J BIOMED MATER RES 78A (4): 746-754,2006 J BIOMED MATER RES, 70B(1),43-48,2004无纳米结构纳米结构纳米结构引导细胞 和胶原定向排列纳米结构引起细胞周期的变化605040302010070bControl n

22、anostructuresPercentage of total cellsG2/MSG0/G1纳米结构引起基因表达变化4321056CRelative amountcyclin D1keratin 18 gene expressionsemi-RT-PCR in MDCK cellsControlnanostructures应力平衡原则小到原子、分子、细胞，大到组织，其空间 结构构建均遵循应力平衡原则。细胞通过自身协调胞体内张力和压力的分布 和平衡达到总体力学平衡。Th物材料的拓扑结构直接改变表面的应力分 布，从而改变细胞的形态。钛表面多级结构制备(水热技术)c. H2O2水热纳米棒结构促进

23、 BMSCs的粘附、增殖及成骨分化示例一低温等离子体技术等离子体态的活性粒子(电子、离子、原子、亚稳态 粒子、光子等)对材料表面作用的物理和化学过程。从物理过程来看：等离子体粒子将自身的能量传递给 材料表面的原子或分子，在表面产Th刻蚀、解吸、 溅射、掺杂等过程.从化学过程来看：等离子体在表面产Th化学吸附、高 分子降解、表面聚合、交联、接枝等过程。(1) 低温等离子体技术种类低温等离子体聚合低温等离子体表面处理 低温等离子体接枝聚合低温等离子体技术A、低温等离子体聚合利用放电把聚合性的有机类气态单体等离子化，使 其产Th各类活性粒子，这些活性粒子间或活性粒子与单 体之间进行加成反应形成聚合膜

24、。反应机理：自由基型机理：等离子体聚合过程中自由基起主要作用。离子型机理：考虑离子、电子对材料表面的作用，引入离子、电 子对材料表面的活化过程。焦点：主要放在引发活性基团的形成及引发过程上。(1) 低温等离子体技术种类研究始于20世纪60年代，因具有较常规聚合 膜更优良的性能而广泛用于Th物材料。导管微波等离子体聚合在硅橡胶上沉积丙烯酰胺的 聚合膜，用于制备具有良好血液相容性的导管。A、低温等离子体聚合 等离子体聚合膜聚酯人造血管内径小于4mm时，易发Th降解、破裂，血液相容性差。在内径为4mm的聚酯人造血管内壁均匀沉积一层含氟聚合物的等离子体聚合膜，降低其表面能，使纤维蛋白的吸附量减少，提高抗凝血性， 从而有效改善血液相容性。用作药物控释载体利用等离子体沉积聚合膜方法有效阻碍内层药物经载体扩散释放 的速率，直至聚合膜的破裂或融蚀。与活化的惰性气体结合法相比，等离子体聚合膜能提供一种更适 合的扩散屏障，显著降低了药物释放的