第八章生物材料表面改性第一頁，共23頁。代表性的表面改性（修飾）方法1.未修飾的表面2.覆蓋：溶劑涂覆、表面接枝、金屬噴涂、噴射HA3.表面梯度化：接枝、形成互穿網(wǎng)、離子注入4.自組裝膜表面5.添加劑的表面活化6.表面化學反應(yīng)：

氧化、氟化、硅烷化7.刻蝕和打磨8.聚電解質(zhì)多層膜第二頁，共23頁。第三頁，共23頁。鈦合金表面羥基化預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迅速在其表面原位生長一層Ti02薄膜，該薄膜一般厚度為幾十個納米，這是鈦及鈥合金材料具有良好生物相容性的一個主要原因。但是由于Ti02薄膜是生物惰性的，缺少活性官能團，生物大分子很難結(jié)合在材料表面。第四頁，共23頁。通過羥基化處理在醫(yī)用鈦合金表面引入活性羥基，可利用該活性官能團共價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。第五頁，共23頁。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（KＯＨ或ＮａＯＨ）中浸泡處理約20分鐘。第六頁，共23頁。8.2物理化學方法表面改性一概述1.分類：1）非共價涂覆：例：溶劑涂覆，碳和金屬的氣相沉積2）共價涂覆：

例：輻射接枝（利用電子加速器和?輻射）

光接枝（利用紫外光）

氣相沉積（離子束濺射、化學氣相沉積）

化學接枝

硅烷化

生物修飾（生物分子固定）

第七頁，共23頁。2.表面改性的作用1).改善血液相容性：例如化學修飾得到肝素2).改進潤滑性能：例互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)3).改進抗磨性和抗腐蝕性：例離子注入N、C4).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（減少吸附）第八頁，共23頁。1）修飾層厚度要盡量?。罕砻嫘揎棏?yīng)該是達到均勻性、耐用性和功能性所需的最小厚度，而不是增厚。修飾層太厚會改變材料固有的機械和功能性，而且厚的涂層易剝離和破碎。理想情況下，一個單分子層（3-10埃）就足夠了。2）抗剝離3）商品化：不能過于復雜或成本太高。3.表面改性一般原則第九頁，共23頁。二.幾種表面改性技術(shù)簡介

1.等離子體技術(shù)等離子體技術(shù)是20世60年代以來，在物理學、化學、電子學、真空技術(shù)等學科交叉基礎(chǔ)上發(fā)展形成的一門新興學科。等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)，是指部分或完全電離的氣體。等離子體：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)生的部分電離氣體。在等離子體中包含有多種粒子：電離所產(chǎn)生的電子和離子，大量的中性粒子如原子、分子和自由基等，稱為等離子體.第十頁，共23頁。等離子體可分為三大類：①高溫高壓等離子體，電離度100%，溫度可達幾億度，用于核聚變的研究；②低溫低壓等離子體，電離度不足1%，溫度僅為50～250度；③高溫低壓等離子體，約有1%以上的氣體被電離，具有幾萬度的溫度。離子、自由電子、未電離的原子的動能接近于熱平衡。熱噴涂所利用的正是這類等離子體。等離子體在材料科學方面的應(yīng)用：材料焊接、金屬熔化、材料合成及材料表面改性等方面.第十一頁，共23頁。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的，由高溫等離子火焰（溫度高達10000℃以上），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0.05～0.1mm。第十二頁，共23頁。等離子噴涂設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖第十三頁，共23頁?；驹恚和ㄟ^離子注入機使中性原子電離，通過引出電場和加速電場的作用，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)生離子能量的大小，可以沉積在材料表面，也可穿過表面進入材料內(nèi)部。離子束技術(shù)的應(yīng)用包括離子束注入、離子束沉積和離子束輔助沉積等。應(yīng)用離子束技術(shù)可實現(xiàn)對醫(yī)用生物陶瓷涂層材料表面的改性。生物陶瓷涂層分為氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷涂層。氧化物涂層材料：Al2O3、ZrO2、TiO2等。非氧化物涂層：氮化物、碳化物、硅化物和硼化物等。采用離子注入技術(shù)可提高本體材料的抗磨損和腐蝕性。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)第十四頁，共23頁。改性效果注入離子基體材料用途抗磨損Ti,Mn,Al,Cu,Ni型鋼，軟鋼機械零件，工具W,Mo,V,Co,Cr工具鋼工具Ti+C,Ti+N同上同上，汽車零件，機械零件Ti+B,Cr+N不銹鋼表殼，模具Al,Sn,In,Ag軸承鋼，型鋼精密機械零件耐腐蝕Cr,Ni,Pd,Pt,Al型鋼，碳鋼，M50鋼海上飛機零件，機械零件抗氧化Cr+Mo,Ta,Cr+P52100鋼，M50鋼海上飛機軸承，各種軸承稀土型鋼，不銹鋼機械零件抗沖擊Nb,Ta,Mo,W模具鋼模具耐熱Al,Mo,W,Nb,Ta,Cr耐熱鋼，型鋼飛機和汽車發(fā)動機排氣管表6-1離子注入鋼改性結(jié)果第十五頁，共23頁。3.材料表面化學活性基團或活性物質(zhì)的結(jié)合利用基體材料本身具有的基團或通過某些反應(yīng)活性高的基團和原子，可以使材料表面產(chǎn)生功能基團，發(fā)揮其生物學作用。例如，在惰性生物材料表面引入活性藥物如肝素、尿激酶、前列腺素等或類肝素化。材料表面引入生物活性分子可以促進細胞的粘附和生長，因此將生物活性分子固定到材料表面是提高其細胞相容性的重要方法。第十六頁，共23頁。蛋白質(zhì)在聚合物表面的固定主要有物理吸附和化學固定二種。物理吸附：通過靜電吸附作用可將含有多個負電荷的生物活性分子固定于材料中帶正電荷的部位；化學固定：將生物活性分子中的某些基團與基質(zhì)表面的反應(yīng)性基團通過化學鍵合使其牢固地固定于材料表面，可獲得長期的組織相容性。第十七頁，共23頁。材料表面肝素化：提高抗凝血性抗凝血物質(zhì)的種類很多：肝素、抗凝血酶、尿激酶、鏈激酶、香豆素、二酮類藥物、阿斯匹林、消炎痛、雙苯吡醇及雙嘧達莫。肝素化：肝素或其衍生物在材料上的固定化。肝素：一種分子量為20000左右、含硫量為9一12.9%的酸性粘多糖，屬于不均一的多糖分子。其鏈節(jié)單位系由葡萄糖胺磺酸、葡萄糖醛酸及艾社糖磺醛酸等所組成。其重復結(jié)構(gòu)單元如下：第十八頁，共23頁。直接利用肝素的最簡單方法就是把肝素摻和到高分子材料中。缺點：因為有比較多的肝素被包埋在材料的內(nèi)部而不能發(fā)揮其作用；在和血液接觸的過程中，它又容易在血液中溶解而流失。肝素可通過離子交換反應(yīng)、功能基團反應(yīng)(-OH、-NH)等固定在材料表面，對于化學惰性的材料，肝素則可以通過第三種物質(zhì)的媒介作用而與它們結(jié)合起來第十九頁，共23頁。肝素表面修飾方法第二十頁，共23頁?；瘜W鍵固定的肝素比起物理吸附的要穩(wěn)定，而在化學固定中，通過共價鍵的又遠比通過離子鍵的穩(wěn)定。但反過來，通過共價鍵結(jié)合的表面固定化肝素比起離子鍵穩(wěn)定的肝素，有著生物活性較低及抗凝血性改善幅度不明顯等問題，這也是近年來高分子生物材料表面肝素化研究中存在的主要問題。固定化肝素的生物活性取決于肝素分子能否維持其天然的構(gòu)象。第二十一頁，共23頁。課程總結(jié)學習本課的目的1.通過對這個課程的學習，了解生物醫(yī)用材料學的概念、主要內(nèi)容、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，了解生物醫(yī)用材料學領(lǐng)域所涉及的生