生物材料的表面改性.ppt

3. 生物材料的表面改性,西南大学洁净能源与先进材料研究院 肖波,目录,等离子体表面改性,生物材料表面改性研究的重要性： 生物材料长期（或临时）与人体接触时，必须充分满足与生物体环境的相容性，即生物体不发生任何毒性、致敏、炎症、致癌、血栓等不良生物反应。 这些都取决于材料表面与生物体环境的相互作用。 控制和改善生物材料的表面性质，是改善和促进材料表面与生物体之间的有利相互作用、抑制不利的相互作用的关键途径。,影响材料与生物体之间的相互作用的因素有： 表面成分（XPS）；表面结构（SEM/AFM）； 表面形貌； 表面亲（疏）水性(接触角)；表面电荷； 表面硬度；表面的导电特征； 表面的能量状态； 物理及力学特性。,3.1 表面形貌与生物相容性 生物材料的生物相容性与材料的表面形态密切相关。 (1)平整光洁的材料表面： 与组织接触后，周围形成一层较厚的与材料无结合的包囊组织。由成纤维细胞平行排列而成，容易形成炎症和肿瘤。 (2)粗糙的材料表面： 促使细胞和组织与材料表面附着和紧密结合。粗糙表面对于细胞、组织的作用并不完全是增加接触面积，而是粗糙表面择优粘附成骨细胞、上皮细胞。,在随后的组织生长过程中，材料的表面粗糙度为13 um时， 显著促进细胞在材料表面的附着和生长。 降低包囊组织的厚度。 更粗糙和更光滑的表面则无此效应。这种作用与材料性能无关。,聚氨基甲酸乙酯（PU）,3.1.1表面形貌的影响 “接触诱导”(contact guidance)作用：即细胞在材料表面的生长形态受材料表面形态的调控，例如平行犁沟状表面成纤维细胞沿沟取向生长。已发现： 上皮细胞、 成纤维细胞、 神经轴突、 成骨细胞等,对于与骨接触的医用生物材料： 与骨接触的材料表面具有一定粗糙度可促进骨与材料的接触，可显著促进矿化作用。 从增加界面结合性能的角度考虑，若植入表面多孔，如多孔的金属人工关节、多孔的陶瓷人工骨 （表面存在）将显著促进组织长入，当孔径超过100 um时有利于形成骨芽细胞和骨组织长入。 但是需要考虑多孔结构对材料力学强度的影响，尤其是对疲劳性能的不利影响。,控制材料表面的粗糙化主要有以下方法： 用精密的机械加工方法在材料表面加工出约500 um尺寸的螺线、台阶和孔等。 用微机械和微刻蚀技术获得310 um深度且距离和形状均可精确控制的粗糙表面； 用等离子体喷涂复型方法及离子束轰击方法， 能获得精确的表面显微形貌。,对于与血液接触的医用生物材料： 一般要求材料的表面应尽可能光滑。 因为光滑的表面与粗糙的表面相比，产生的激肽释放酶少，从而使凝血因子转变较小。,已经发现多孔表面有促进内皮细胞生长的作用： 聚四氟乙烯人工血管内腔有许多6090um的小孔内皮细胞均匀覆盖血管内腔-良好抗凝血效果。 表面孔径降低为1030um，内皮细胞部分覆盖，抗凝血效果降低。 但是内表面多孔人工血管长期使用时易于破损、 失效率较高，这个问题还有待解决。,美国戈尔人工血管,组织工程对高分子支架及材料的要求,孔径和形态,(左）材料表面的拓扑结构 （右）材料表面的生物特异性识别,3.1.2 研究现状和发展方向 现状：已建立材料表面形貌与细胞、组织黏附行为之间的关系； 方向： （1）从分子水平上研究材料表面形貌对细胞形态、功能和分化的影响；（2）研究材料表面形貌对基因表达的影响（如基因活性组织工程支架）。,3.2 生物材料的表面修饰 材料表面修饰是材料改性最直接方法。 作为人体的一部分，正常人体器官充分参与了人 体系统的物质、能量及信息交换，因而能被人体系统自然地接受和调控。 作为植入体的人工器官则难以完全实现上述各种形式的物质交换，容易被人体系统视作异物，因而产生各种排斥反应。,表面修饰定义：在对生物医用材料与生物体相互作用认识的逐渐深入，尤其是对分子水平上的信息传递与识别的逐渐了解的基础上，设计和制备出具有类似于生物体的表面结构， 通常将这类工作称为表面修饰。目的：研究制作能够避免被体系识别为异物的人工器官。,进行表面修饰的几种方法：3.2.1 种植内皮细胞理论依据： 正常血管的血管壁表面内皮细胞层，是维持血管表面不发生凝血的重要组织。 种植了内皮细胞的人工血管具有抑制血小板激活的作用。 内皮细胞化的人工血管比纯人工血管释放5-羟色胺要少得多。这是由于内皮细胞释放的一些低分子物质如托品因、肾上腺素、前列腺素等具有可抑制凝血因子、血小板等的功能。,技术要点和方法： 内皮细胞在人工血管表面有效地粘附，是决定内皮细胞种植技术成功的重要因素。 常采用的内皮细胞种植方法： （1）将从自体获得的内皮细胞培养、繁殖23代； （2）与血液混合注入人工血管腔内； （3）在37、50CO2及旋转条件下培养3h； （4）细胞培养液融合培养710天； （5）内皮细胞在材料表面融合成单层； （6）进行外科植入手术，可保证种植的内皮细胞粘合牢固。 另外在人工血管表面预涂碳原子、蛋白（胶原、明胶（Gelatin）、或纤连蛋白等，也均可增加内皮细胞种植的牢固性。,内皮细胞种植方法用途： 人工血管； 生物心脏瓣膜，使瓣膜抗退化能力提高。,内皮细胞化研究的热点： 怎么样获得结合牢固的、均匀覆盖的单层内细胞层，以减少因基质的暴露而导致的血栓。 解决种植方法的一些局限性如： （1）从自体获得的细胞数量有限； （2）内皮细胞的体外种植时间较长； （3）存在潜在的污染威胁等。,3.2.2 涂布白蛋白涂层 理论依据：材料与血液接触时首先是材料表面吸附血浆蛋白。蛋白质吸附层的组成与构象决定了材料的血液相容性。 表面吸附层主要是纤维蛋白原或球蛋白-蛋白质的构象发生改变-激活凝血因子与血小板 -凝血级联反应而形成血栓。 表面吸附层主要是白蛋白时，可以防止凝血的发生。,因此，用白蛋白涂层或改善材料的表面结构的方法，使材料选择性地吸附白蛋白涂层来提高材料的血液相容性，就成为重要的研究内容。,白蛋白在材料表面的结合状态是白蛋白可否发挥作用的关键。 物理吸附法获得的白蛋白涂层结合力较差，在与血液接触中容易与其他蛋白质发生交换作用，从而使抗凝血性能逐渐下降。,共价接枝方法能使材料表面形成的白蛋白层与基体之间有很高的结合能力。可以使材料表面血小板 的粘附量下降3个数量级，甚至可以达到无血小板 粘附，且白质白层的稳定性远大于物理吸附。 伽马辐射可以促进白蛋白在材料表面的共价接 枝。,3.2.3 聚氧化乙烯表面接枝 理论依据：材料表面具有一端悬挂的长链结构是其具有良好血液相容性的一个条件。这种结构可以维持血液中血浆蛋白的正常构象。 机理：聚氧化乙烯（Polyethylene oxide, PEO）是具有重复单元的大分子链，末端基团可以是羟基，也可能是甲氧基团。PEO具有良好的血液相容性，是因为其水合的悬挂长链影响血液与材料界面微观的动力学环境，使血浆蛋白与材料间的相互作用降低，阻碍血浆蛋白的吸附及构象变化。,聚氧化乙烯（Polyethylene oxide, PEO）,聚乙二醇（ Polyethylene glycol, PEG ）,PEO的悬挂长链结构还被有效地用于接枝肝素。 将肝素接枝到人工材料表面，只有当肝素的一端与材料保持牢固的化学链结合而不脱落且另一端保持活性及可移动的性质时，接枝肝素才能发挥作用。 利用PEO的漂动性，在PEO链端接枝肝素可以很好满足上述条件。,肝素抗凝血作用机理： 肝素是人体血管内皮上的粘多糖，其阴离子活性基团可与血液中的凝血酶ATIII的阳离子基团结合； AT-III与血液中的凝血酶形成无活性的复合体后可随血液而去； 继而肝素又可捕捉和复合新的凝血酶，从而使血液中的凝血酶失去活性而起到抗凝作用。,Before implantation,After implantation,Without Heparin,With Heparin,3.2.4 磷脂基团表面 理论依据： 类磷脂结构的高分子材料表面具有强烈吸附血液中磷脂分子的作用。 血液中的磷脂分子首先被吸附结合到材料表面，自组装成单层完全覆盖的类似生物体表面的磷脂层， 从而使蛋白质与材料表面的相互作用变弱，蛋白质与血细胞不被吸附和激活，阻碍了凝血过程的发生。,.au/blog/?p=143,3.3 等离子体表面改性 等离子是一种全部或部分电离的气态物质，含有亚稳态和激发态的原子、分子、离子。 等离子体中的电子、原子、分子、离子都具有 一定能量，可与材料表面相互作用，产生表面反 应，使表面发生物理化学变化而实现表面改性。,等离子体表面改性有三种类型： 等离子体表面聚合 等离子体表面处理 等离子体表面接枝,3.3.1 等离子体表面聚合等离子体表面聚合是对有机气态单体等离子体化，使其产生各类基团，这些活性基团之间及活性基团单体之间进行加成反应而形成聚合膜。,一般采用射频或微波放电以获得高离化率的等离子体。,3.3.2 等离子体表面处理等离子体表面处理主要是用非聚合性的无机气体产生的等离子体对高分子材料进行处理。,等离子体表面处理会使高分子材料表面产生刻蚀和粗糙化。 由于荷能离子撞击材料表面引起刻蚀，而材料的晶体部分的刻蚀率不同，因此在材料表面会形成微细的凹凸形。 激发出来的物质在等离子体场中受到激励，又会向表面逆向扩散，重新聚集在凸形顶端，结果形成大量突出物。,3.3.3 等离子体表面接枝等离子体接枝聚合的过程：,以聚对苯二甲酸乙二醇酯等为衬底材料，通过处理表面获得含有大量聚氧化乙烯（PEO）基团的薄膜，并随着等离子电源功率的提高，PEO含量大增。 对改性材料的蛋白质吸附试验表明，材料表面的血浆蛋白吸附量大幅减少，表明血液相容性提高。,内皮细胞在嵌段聚氨酯（ SPU ）表面种植困难。采用大气成分的等离子体对嵌段聚氨酯表面进行处理，作为内皮细胞化的预处理。 测试表明，经等离子体预处理的内皮细胞与SPU牢固结合，而未经等离子体处理的嵌段聚氨酯表面已不存在内皮细胞。,等离子材料表面改性还被用于在无机生物材料表面合成高分子薄膜，使材料兼备金属或陶瓷体材料的性质及高分子材料的表面性质。,等离子表面改性的优点： 过程简单； 成本低； 可大幅度改变材料的表面性质。,等离子表面改性的缺点： 等离子体反应以及等离子体与材料表面相互作用过程复杂； 目前对等离子体表面改性反应尚不完全了解，因而对它的控制也有待完善。,3.4 离子注入表面改性 由离子源产生离子，通过质量分析器的磁偏转作用对离子进行选择，只使一种质量的离子通过，离子经强电场或多级电场加速后由静电透镜聚焦，利用静电扫描器扫描，轰击样品的表面，实现离子注入。,离子注入的特点是： 准确地在材料表面预定深度注入预定剂量的高能量离子，使材料表层的化学成分和结构发生显著变化，以改变材料与生物体相互作用行为。,金属材料（如不锈钢、钴铬钼合金、钛合金等） 主要是作为承受载荷的硬组织替代材料。它们长期与肌体的体液接触，并承受周期性机械载荷作用，容易出现金属腐蚀、磨损、疲劳等问题。,不锈钢矫形器件埋入体内曾发生腐蚀失效问题； 钛合金人工关节与超高分子聚乙烯髌配付，经100万次人步行载荷后将产生3.8mg的磨屑，这些磨屑与组织接触将产生感染、组织坏死，而使植入物失效； 钴、钒等效金属离子的溶出则有致癌危险。 因而需要大幅度提高金属医用生物材料的耐腐蚀、耐磨损、耐疲劳等性能。,从80年代起，许多研究都采用离子束方法来改善金属生物材料的耐腐蚀、耐磨损、耐疲劳性能。 将氮离子、碳离子注入金属，在金属表层数十至数百纳米内形成氮化物、碳化物。 当氮离子注入深度、剂量达到一定值后，可以显著提高钛及其合金的耐磨性和抗疲劳性能。 碳离子注入对提高钛及其合金疲劳寿命的效果比氮离子注入更加明显。,在人工关节配付中，通过离子注入方法使金属关节球头的耐磨损性能大幅度提高； 但对于改善髋臼超高分子聚乙烯配付的抗磨损性能研究相对较少； 离子注入后高分子聚乙烯的磨损速度极低，表明用离子注入改善超高分子聚乙烯-金属人工关节摩擦配付的抗磨损性能尚 有较大潜力。,离子注入处理后的材料对生物体的影响： 钛及其合金经氮离子注入后对兔的软组织及骨的影响研究表明，氮离子注入钛合金可提高材料的抗血栓性能。 若用Na+注入医用硅橡胶，表面血浆蛋白粘附行为有显著变化。 再用高能量、大剂量 He+、C+、O+、N+、Ar+、K+、Kr+、Na+等正一价离子分别注入。注入后材料表面血小板粘附率下降。尤其是经O2+离子注入后，材料表面血小板粘附率下降明显，主要原因是形成羰基团和非晶碳。,离子注入也可以应用在高分子材料表面改性领域。 利用载能离子轰击，使高分子材料表面的化学键断裂， 生成新基团或功能团，从而使高分子材料的表面能、 表面极性、浸润性等显著变化，以影响高分子材料的生物相容性。 德国用离子注入方法进行了钛表面生物活性化研究； 离子注入也被应用于材料表面内皮细胞固定； 用高能离子束轰击可以改变材料表面的形貌。,3.5 表面涂层与薄膜合成 在生物材料表面合成的薄膜（涂层）主要是陶瓷薄膜（涂层）和高分子薄膜（涂层）。前面已介绍了利用等离子体聚合来合成高分子薄膜，下面主要介绍生物陶瓷薄膜及表面涂层。,3.5.1 生物陶瓷涂层 自然骨中存在Ca、P元素组成的陶瓷，如羟基磷灰石（HA）占骨成分的60%，因而人们进一步用HA作为涂层材料进行等离子体喷涂。体内埋植试验表明，羟基磷灰石涂层可以强有力地促进与骨或牙床的化学结合，具有相当高的生物相容性，因而进行了广泛研究并已应用于临床。,存在问题：羟基磷灰石涂层的人工骨和人工关节体在力学性能上仍有一些问题： 涂层材料的强度和断裂韧性较差； 涂层与基体材料的结合力不够高。,解决办法： 将陶瓷强韧化原理引入羟基磷灰石涂层材料，在原料粉末中加氧化锆，形成ZrO2陶瓷相增韧的HA涂层； 采用激光熔覆方法可以获得与基体高结合强度的HA涂层。,3.5.2 低温液相沉积 在室温下,采用电共沉积方法在钛表面沉积HA，将钛材料作为阴极，电解质溶液中含有硫酸钴和HA粉末，使HA粒子悬浮于电解液中，在两极间施加电流，钛表面会形成由钴包裹的HA表面镀层。改变金属盐的种类可以获得不同金属和HA共沉积的表面层。,临床研究发现，长期植入的钛有一定的骨传导作用。原因是钛表面自然形成数纳米厚的氧化膜（由锐钛矿结构氧化钛和非晶氧化钛组成），低结晶度氧化钛层使材料与生物介质间产生化学反应，生物体中的钙、磷离子向材料表面富集。,纯钛材的这种作用较缓慢，可用含有钙离子的溶 液对钛表面进行处理： 这表明，经表面处理的钛在Hanks溶液中浸泡后， 表面形成磷灰石，使材料的组织相容性显著提高。,3.5.3 气相沉积 气相沉积是在真空条件下引入气态物质，参与气相反应后沉积于材料表面，主要分为： 化学气相沉积； 等离子体增强化学气相沉积； 物理气相沉积。,氮化钛是这一领域典型的、广泛应用的材料。 化学气相沉积是将四氯化钛和氨在8001000 的反应器中反应，可在材料表面获得TiN薄膜。 物理气相沉积是利用溅射、局部溶融方法得到钛粒子，并在真空室充入氮气，则钛粒子在沉静积于材料表面的过程中与氮所反应形成TiN。,等离子体增强化学气相沉积是在反应器中增加一个射频或微波发生器，通过射频（微波）振荡可使反应气体获得较高能量，气体离化率提高，反应温度降到500以下。这种方法较适合于在金属生物材料表面合成薄膜。,3.5.4 离子束薄膜合成 向材料表面沉积薄膜（蒸发或溅射沉积）的同时用离子束轰击材料表面的方法称为离子束辅助沉积。借助于离子束轰击，可使已沉积在表面的原子获得能量进入材料表层（反冲注入），并使薄膜致密，在较低温度下（甚至室温）获得高结合力的薄膜。,离子束辅助沉积的优点： 不会引起基体材料过热而使基体材料结构变化，离子束辅助沉积不仅适用于在金属材料表面沉积薄膜，对于高分子材料表面改性也是非常有效的。,离子束辅助沉积的缺点： 受“视线性”限制。由于沉积源向基体材料表面沉积薄膜以及高子束轰击薄膜的轨迹均是直线的，所以只能在平面工件上均匀沉积薄膜。对于形态复杂的人工器官如人工关节、人工心脏瓣膜等难以均匀地进行表面覆膜，因而限制了这种 方法的实际应用。,3.5.5 等离子体浸没离子注入（PIII）= plasma Immersion Ion Implantation,用途： “离子体浸没离子注入 （PIII）”，不仅可在60KV 的高压下实现注入，同时还可以利用金属源实现薄膜沉积。可应用于人工心脏瓣膜材料研究开发，以及人工关 节、人工骨、种植牙、心脏起搏器传感触头、血管支撑管、人工心脏及左心室泵、 体内埋植用形状记忆合金器件等的表面改性。,这个过程是全方位的无视线性限制。最近将金属等离子体源引入PIII，实现气体离子与金属离子同时注入与沉积。这种方法包括等离子体表面改性、离子注入与薄膜沉积等各种功能，因而生物材料表面改性领域将会有重要的应用前景。,3.5.6 溶胶凝胶方法溶胶凝胶方法原理： 为了增加凝胶的厚度，可将基体材料浸入溶液，以一定速度提出，干燥后可再次浸入溶液，然后将其提出干燥。这样多次进行可获得较厚的凝胶膜。,溶胶凝胶法优点： 过程简单； 成本低； 可以精确控制薄膜的成分和结构； 可以在形态复杂的人工器官表面（如人工关节、人工骨）均匀覆膜。,3.6 自组装单分子层 自组装单分子层是最近20年发展的十分新颖的材料表面生物化技术。在硅、玻璃、硅橡胶等衬底材料上可形成高度有序排列的硫烷、三氯硅烷等单分子层。这些分子的一端吸附在衬底上，另一端（单分子层的表面）为可改变的功能基团。 这是对材料表面进行微观设计的新方法。由于能对自组装单分子层分子基团的位置和种类进行控制，因此可以在分子水平上研究各种化学基团、分子的生物相容性及机理。,改变自组装单分子层表面化学结构，即改变基团X的种类，可使自组装单分子层具有完全不同的性质。 若基团X为CH3，则自组装单分子层表面是疏水的（与水的接触角大于90）； 如果X是CH2OH，则自组装单分子层表面是亲水的。,研究发现，与血液接触时，疏水的自组装层的血小板及纤维蛋白质的粘附量显著低于亲水的自组装层表面。三氯硅烷自组装层的不同末端基团X促进蛋白质吸咐、内皮细胞附着与生 长的顺序为： CH2OH CO2Me CH3 CF3,通过控制自组装单分子层表面基团种类，可以改变材料表面能量状态、荷电状态、蛋白质吸附行为及细胞生长行为，所以研究生物体与高分子材料表面基团的相互作用具有重要的意义，因此又把自组装单分子层称为生物表面模型系统。,聚对苯二甲酸乙二醇酯 英文名:polyethyleneterephthalate,简称PET。,http:/yang-lab.org,谢谢！,