生物材料的表面改性

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1、3.生物材料的表面改性西南大學(xué)潔凈能源與先進(jìn)材料研究院肖波目錄表面形貌與生物相容性1生物醫(yī)用材料表面修飾2等離子體注入表面改性43表面涂層與薄膜合成法5自組裝分子單層6等離子體表面改性生物材料表面改性研究的重要性：生物材料長(zhǎng)期（或臨時(shí)）與人體接觸時(shí)，必須充分滿足與生物體環(huán)境的相容性，即生物體不發(fā)生任何毒性、致敏、炎癥、致癌、血栓等不良生物反應(yīng)。這些都取決于材料表面與生物體環(huán)境的相互作用?？刂坪透纳粕锊牧系谋砻嫘再|(zhì)，是改善和促進(jìn)材料表面與生物體之間的有利相互作用、抑制不利的相互作用的關(guān)鍵途徑。影響材料與生物體之間的相互作用的因素有：表面成分（XPS

2、）；表面結(jié)構(gòu)（SEM/AFM）；表面形貌；表面親（疏）水性(接觸角)；表面電荷；表面硬度；表面的導(dǎo)電特征；表面的能量狀態(tài)；物理及力學(xué)特性。3.1表面形貌與生物相容性生物材料的生物相容性與材料的表面形態(tài)密切相關(guān)。(1)平整光潔的材料表面：與組織接觸后，周圍形成一層較厚的與材料無結(jié)合的包囊組織。由成纖維細(xì)胞平行排列而成，容易形成炎癥和腫瘤。(2)粗糙的材料表面：促使細(xì)胞和組織與材料表面附著和緊密結(jié)合。粗糙表面對(duì)于細(xì)胞、組織的作用并不完全是增加接觸面積，而是粗糙表面擇優(yōu)粘附成骨細(xì)胞、上皮細(xì)胞。在隨后的組織生長(zhǎng)過程中，材料的表面粗糙度為1～3um時(shí)，顯著促

3、進(jìn)細(xì)胞在材料表面的附著和生長(zhǎng)。降低包囊組織的厚度。更粗糙和更光滑的表面則無此效應(yīng)。這種作用與材料性能無關(guān)。聚氨基甲酸乙酯（PU）3.1.1表面形貌的影響“接觸誘導(dǎo)”(contactguidance)作用：即細(xì)胞在材料表面的生長(zhǎng)形態(tài)受材料表面形態(tài)的調(diào)控，例如平行犁溝狀表面—成纖維細(xì)胞沿溝取向生長(zhǎng)。已發(fā)現(xiàn)：上皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、神經(jīng)軸突、成骨細(xì)胞等對(duì)于與骨接觸的醫(yī)用生物材料：與骨接觸的材料表面具有一定粗糙度可促進(jìn)骨與材料的接觸，可顯著促進(jìn)礦化作用。從增加界面結(jié)合性能的角度考慮，若植入表面多孔，如多孔的金屬人工關(guān)節(jié)、多孔的陶瓷人工骨（表面存在）將顯著促進(jìn)

4、組織長(zhǎng)入，當(dāng)孔徑超過100um時(shí)有利于形成骨芽細(xì)胞和骨組織長(zhǎng)入。但是需要考慮多孔結(jié)構(gòu)對(duì)材料力學(xué)強(qiáng)度的影響，尤其是對(duì)疲勞性能的不利影響?？刂撇牧媳砻娴拇植诨饕幸韵路椒ǎ河镁艿臋C(jī)械加工方法在材料表面加工出約500um尺寸的螺線、臺(tái)階和孔等。用微機(jī)械和微刻蝕技術(shù)獲得3~10um深度且距離和形狀均可精確控制的粗糙表面；用等離子體噴涂復(fù)型方法及離子束轟擊方法，能獲得精確的表面顯微形貌。對(duì)于與血液接觸的醫(yī)用生物材料：一般要求材料的表面應(yīng)盡可能光滑。因?yàn)楣饣谋砻媾c粗糙的表面相比，產(chǎn)生的激肽釋放酶少，從而使凝血因子轉(zhuǎn)變較小。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多孔表面有促進(jìn)內(nèi)皮

5、細(xì)胞生長(zhǎng)的作用：聚四氟乙烯人工血管內(nèi)腔有許多60～90um的小孔內(nèi)皮細(xì)胞均勻覆蓋血管內(nèi)腔---良好抗凝血效果。表面孔徑降低為10～30um，內(nèi)皮細(xì)胞部分覆蓋，抗凝血效果降低。但是內(nèi)表面多孔人工血管長(zhǎng)期使用時(shí)易于破損、失效率較高，這個(gè)問題還有待解決。美國戈?duì)柸斯ぱ芙M織工程對(duì)高分子支架及材料的要求孔徑和形態(tài)(左）材料表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（右）材料表面的生物特異性識(shí)別3.1.2研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向現(xiàn)狀：已建立材料表面形貌與細(xì)胞、組織黏附行為之間的關(guān)系；方向：（1）從分子水平上研究材料表面形貌對(duì)細(xì)胞形態(tài)、功能和分化的影響；（2）研究材料表面形貌對(duì)基因表達(dá)的影

6、響（如基因活性組織工程支架）。3.2生物材料的表面修飾?材料表面修飾是材料改性最直接方法。?作為人體的一部分，正常人體器官充分參與了人體系統(tǒng)的物質(zhì)、能量及信息交換，因而能被人體系統(tǒng)自然地接受和調(diào)控。?作為植入體的人工器官則難以完全實(shí)現(xiàn)上述各種形式的物質(zhì)交換，容易被人體系統(tǒng)視作異物，因而產(chǎn)生各種排斥反應(yīng)。表面修飾定義：在對(duì)生物醫(yī)用材料與生物體相互作用認(rèn)識(shí)的逐漸深入，尤其是對(duì)分子水平上的信息傳遞與識(shí)別的逐漸了解的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和制備出具有類似于生物體的表面結(jié)構(gòu)，通常將這類工作稱為表面修飾。目的：研究制作能夠避免被體系識(shí)別為異物的人工器官。進(jìn)行表面修飾的幾

7、種方法：3.2.1種植內(nèi)皮細(xì)胞理論依據(jù)：正常血管的血管壁表面內(nèi)皮細(xì)胞層，是維持血管表面不發(fā)生凝血的重要組織。種植了內(nèi)皮細(xì)胞的人工血管具有抑制血小板激活的作用。內(nèi)皮細(xì)胞化的人工血管比純?nèi)斯ぱ茚尫?-羥色胺要少得多。這是由于內(nèi)皮細(xì)胞釋放的一些低分子物質(zhì)如托品因、腎上腺素、前列腺素等具有可抑制凝血因子、血小板等的功能。技術(shù)要點(diǎn)和方法：內(nèi)皮細(xì)胞在人工血管表面有效地粘附，是決定內(nèi)皮細(xì)胞種植技術(shù)成功的重要因素。常采用的內(nèi)皮細(xì)胞種植方法：（1）將從自體獲得的內(nèi)皮細(xì)胞培養(yǎng)、繁殖2~3代；（2）與血液混合注入人工血管腔內(nèi)；（3）在37℃、50％CO2及旋轉(zhuǎn)條件下培

8、養(yǎng)3h；（4）細(xì)胞培養(yǎng)液融合培養(yǎng)7~10天；（5）內(nèi)皮細(xì)胞在材料表面融合成單層；（6）進(jìn)行外科植入手術(shù)，可保證種植的內(nèi)皮細(xì)