第八章-生物材料表面改性优秀PPT.ppt

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，并依据反应用。宿主首先对材料表面做出相应的生理反应，并依据反应结果确定对材料是亲和还是排斥。因此限制材料表面特性可结果确定对材料是亲和还是排斥。因此限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快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缘由。但是由于Ti02 薄膜是生物惰性的，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).变更电性质：例如聚电解质接枝。变更电性质：例如聚电解质接枝。5).限制蛋白质的吸附：例表面固定化聚乙二醇限制蛋白质的吸附：例表面固定化聚乙二醇（削减吸附）（削减吸附）1）修饰层厚度要尽量薄：）修饰层厚度要尽量薄：表面修饰应当是达到匀整性、耐用性和功能性所需的最表面修饰应当是达到匀整性、耐用性和功能性所需的最小厚度，而不是增厚。修饰层太厚会变更材料固有的小厚度，而不是增厚。修饰层太厚会变更材料固有的机械和功能性，而且厚的涂层易剥离和裂开。志向状机械和功能性，而且厚的涂层易剥离和裂开。志向状况下，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：不能过于困难或成本太高。）商品化：不能过于困难或成本太高。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等离离子子体体技技术术是是2020世世6060年年头头以以来来，在在物物理理学学、化化学学、电电子子学学、真真空空技技术术等等学学科科交交叉叉基基础础上上发发展展形形成的一门新兴学科。成的一门新兴学科。等等离离子子体体作作为为物物质质的的第第四四态态，是是指指部部分分或或完完全全电电离的气体。离的气体。等等离离子子体体：在在直直流流电电弧弧放放电电、辉辉光光放放电电、微微波波放放电电、电电晕晕放放电电、射射频频放放电电等等条条件件下下所所产产生生的的部部分分电离气体。电离气体。在在等等离离子子体体中中包包含含有有多多种种粒粒子子：电电离离所所产产生生的的电电子子和和离离子子，大大量量的的中中性性粒粒子子如如原原子子、分分子子和和自自由由基等，称为等离子体基等，称为等离子体.等等离离子子体体可可分分为为三三大大类类：高高温温高高压压等等离离子子体体，电电离离度度100%，温温度度可可达达几几亿亿度度，用用于于核核聚聚变变的的探探讨讨；低低温温低低压压等等离离子子体体，电电离离度度不不足足1%，温温度度仅仅为为50250度度；高高温温低低压压等等离离子子体体，约约有有1%以以上上的的气气体体被被电电离离，具具有有几几万万度度的的温温度度。离离子子、自自由由电电子子、未未电电离离的的原原子子的的动动能能接接近近于于热热平衡。热喷涂所利用的正是这类等离子体。平衡。热喷涂所利用的正是这类等离子体。等等离离子子体体在在材材料料科科学学方方面面的的应应用用：材材料料焊焊接接、金金属熔化、材料合成及材料表面改性等方面属熔化、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，由高温等离子火焰（温度高达1000010000以上）以上），将待喷涂的粉料瞬间熔化，然后高速喷涂在冷，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基本本原原理理：通通过过离离子子注注入入机机使使中中性性原原子子电电离离，通通过过引引出出电电场场和和加加速速电电场场的的作作用用，产产生生具具有有确确定定能能量量的的带带电电粒粒子子束束，照照射射各各种种材材料料的的表表面面，依依据据产产生生离离子子能能量量的的大大小小，可可以以沉沉积积在在材材料料表表面面，也也可可穿过表面进入材料内部。穿过表面进入材料内部。离离子子束束技技术术的的应应用用包包括括离离子子束束注注入入、离离子子束束沉沉积积和离子束协助沉积等。和离子束协助沉积等。应应用用离离子子束束技技术术可可实实现现对对医医用用生生物物陶陶瓷瓷涂涂层层材材料料表表面面的的改改性性。生生物物陶陶瓷瓷涂涂层层分分为为氧氧化化物物陶陶瓷瓷和和非非氧化物陶瓷涂层。氧化物陶瓷涂层。氧化物涂层材料：氧化物涂层材料：Al2O3Al2O3、ZrO2ZrO2、TiO2TiO2等。等。非非氧氧化化物物涂涂层层：氮氮化化物物、碳碳化化物物、硅硅化化物物和和硼硼化化物等。物等。接接受受离离子子注注入入技技术术可可提提高高本本体体材材料料的的抗抗磨磨损损和和腐腐蚀性。离子注入钙离子可提高生物活性。蚀性。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,Pd,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利用用基基体体材材料料本本身身具具有有的的基基团团或或通通过过某某些些反反应应活活性性高高的的基基团团和和原原子子，可可以以使使材材料料表表面面产产生生功功能能基基团团，发发挥挥其其生生物物学学作作用用。例例如如，在在惰惰性性生生物物材材料料表表面面引引入入活活性性药药物物如如肝肝素素、尿尿激激酶酶、前前列列腺腺素素等等或类肝素化。或类肝素化。材材料料表表面面引引入入生生物物活活性性分分子子可可以以促促进进细细胞胞的的粘粘附附和和生生长长，因因此此将将生生物物活活性性分分子子固固定定到到材材料料表表面面是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。蛋蛋白白质质在在聚聚合合物物表表面面的的固固定定主主要要有有物物理理吸吸附附和和化学固定二种。化学固定二种。物物理理吸吸附附：通通过过静静电电吸吸附附作作用用可可将将含含有有多多个个负负电电荷荷的的生生物物活活性性分分子子固固定定于于材材料料中中带带正正电电荷荷的的部位；部位；化化学学固固定定：将将生生物物活活性性分分子子中中的的某某些些基基团团与与基基质质表表面面的的反反应应性性基基团团通通过过化化学学键键合合使使其其坚坚固固地地固定于材料表面，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：提高抗凝血性抗抗凝凝血血物物质质的的种种类类很很多多：肝肝素素、抗抗凝凝血血酶酶、尿尿激激酶酶、链链激激酶酶、香香豆豆素素、二二酮酮类类药药物物、阿阿斯斯匹匹林林、消消炎炎痛痛、双双苯苯吡吡醇醇及双嘧达莫。及双嘧达莫。肝素化：肝素或其衍生物在材料上的固定化。肝素化：肝素或其衍生物在材料上的固定化。肝肝素素：一一种种分分子子量量为为2000020000左左右右、含含硫硫量量为为9 9一一12.9%12.9%的的酸酸性性粘粘多多糖糖，属属于于不不均均一一的的多多糖糖分分子子。其其链链节节单单位位系系由由葡葡萄萄糖糖胺胺磺磺酸酸、葡葡萄萄糖糖醛醛酸酸及及艾艾社社糖糖磺磺醛醛酸酸等等所所组组成成。其其重重复复结构单元如下：结构单元如下：干干脆脆利利用用肝肝素素的的最最简简洁洁方方法法就就是是把把肝肝素素掺掺和到高分子材料中。和到高分子材料中。缺点：缺点：因因为为有有比比较较多多的的肝肝素素被被包包埋埋在在材材料料的的内内部部而不能发挥其作用；而不能发挥其作用；在在和和血血液液接接触触的的过过程程中中，它它又又简简洁洁在在血血液液中溶解而流失。中溶解而流失。肝肝素素可可通通过过离离子子交交换换反反应应、功功能能基基团团反反应应(-OH(-OH、-NH)-NH)等等固固定定在在材材料料表表面面，对对于于化化学学惰惰性性的的材材料料，肝肝素素则则可可以以通通过过第第三三种种物物质质的媒介作用而与它们结合起来的媒介作用而与它们结合起来肝素表面修饰方法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探讨中存在的主要问题。固定化肝素的生物活性取决于肝素分子能否维持其自然的构象。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、探讨现状及发展趋势，了解生物医用念、主要内容、探讨现状及发展趋势，了解生物医用材料学领域所涉及的生物学、医学、材料学的学问，材料学领域所涉及的生物学、医学、材料学的学问，打开生物医用材料学这扇大门。打开生物医用材料学这扇大门。2.对生物医学材料的功能性和生物相容性有基本相识，对生物医学材料的功能性和生物相容性有基本相识，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、表面改性以及平安性标准等有基本的相识，有用途、表面改性以及平安性标准等有基本的相识，有助于以后在此领域内进行探讨。助于以后在此领域内进行探讨。生物医学材料是一棵生物医学材料是一棵“大树大树”：多分枝，多交叉。：多分枝，多交叉。3.生物医用材料学的探讨内容有哪些？一、生物体生理环境、组织结构、器官生理功能及其替代方法的探讨；二、具有某种生物功能的生物医用材料的合成、改性、加工成型以及材料的生物功能性与其成分、结构的关系的探讨；三、材料的生物相容性探讨，即材料与生物体的细胞、组织、血液、体液、免疫等生理系统的相互作用以及削减材料毒副作用的对策探讨；四、材料灭菌、消毒、医用平安评价方法与标准以及医用材料与制品生产管理与国家管理法规的探讨。