生物医用材料系列6--生物医用材料表面改性.ppt

生物医用材料生物医用材料表面改性表面改性 1 1内容：1.1.表面形貌与生物相容性表面形貌与生物相容性2.生物医用材料表面修饰生物医用材料表面修饰3.等离子体表面改性等离子体表面改性4.等离子体注入表面改性等离子体注入表面改性5.表面涂层与薄膜合成法表面涂层与薄膜合成法6.自组装分子单层自组装分子单层2 2v生物材料长期（或临时）与人体接触时，必须充分满生物材料长期（或临时）与人体接触时，必须充分满足与生物体环境的足与生物体环境的相容性相容性，即生物体不发生任何，即生物体不发生任何毒性毒性、致敏致敏、炎症炎症、致癌致癌、血栓血栓等不良生物反应等不良生物反应.v这些都取决于这些都取决于材料表面与生物体环境的相互作用材料表面与生物体环境的相互作用。v控制和改善生物材料的控制和改善生物材料的表面性质表面性质，是改善和促进材料，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。作用的关键途径。3 3影响影响材料与生物体之间的相互作用的因素有：材料与生物体之间的相互作用的因素有：生物材料表面的成分、生物材料表面的成分、结构、结构、表面形貌、表面形貌、表面的能量状态、表面的能量状态、亲（疏）水性、亲（疏）水性、表面电荷、表面电荷、表面的导电特征等表面化学、物理及力学特性表面的导电特征等表面化学、物理及力学特性 4 41.表面形貌与生物相容性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。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：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。易形成炎症和肿瘤。(2)(2)粗糙的材料表面：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。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、上皮细触面积，而是粗糙表面择优粘附成骨细胞、上皮细胞。胞。5 5“接触诱导接触诱导”(contact guidance)(contact guidance)作用作用 即细胞在材料表面的生长形态受材料表面形态即细胞在材料表面的生长形态受材料表面形态的调控，例如的调控，例如平行犁沟状表面平行犁沟状表面 成纤维细胞沿沟成纤维细胞沿沟取向生长取向生长。已发现。已发现 上皮细胞、上皮细胞、成纤维细胞、成纤维细胞、神经轴突、神经轴突、成骨细胞等均存在成骨细胞等均存在“接触诱导接触诱导”效应。效应。6 6 在随后的组织生长过程中，材料的表面粗糙度为在随后的组织生长过程中，材料的表面粗糙度为1 1um3 3um时，时，显著促进细胞在材料表面的附着和生长，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，降低包囊组织的厚度，更粗糙和更光滑的表面则无此效应。更粗糙和更光滑的表面则无此效应。这种作用与这种作用与材料性能无关材料性能无关。7 7对于与骨接触的医用生物材料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，可显著材料的接触，可显著促进矿化作用促进矿化作用。从从增加界面结合性能增加界面结合性能的角度考虑，若植入表面的角度考虑，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（表面存在）将显著促进组织长入，当孔径超过100100um时有利于形成骨芽细胞和骨组织长入。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但是需要考虑多孔结构对材料力学强度力学强度的影响，的影响，尤其是对尤其是对疲劳性能疲劳性能的不利影响。的不利影响。8 8对于与血液接触的医用生物材料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一般要求材料的表面应尽可能光滑光滑。因为光滑的表面与粗糙的表面相比，产生的因为光滑的表面与粗糙的表面相比，产生的激肽激肽释放酶少释放酶少，从而，从而使凝血因子转变较小使凝血因子转变较小。9 9 已经发现多孔表面有已经发现多孔表面有促进内皮细胞生长促进内皮细胞生长的作用的作用聚四氟乙烯人工血管内腔有许多聚四氟乙烯人工血管内腔有许多60609090um的小孔的小孔 内皮细胞均匀覆盖血管内腔内皮细胞均匀覆盖血管内腔 良好抗凝血良好抗凝血效果。效果。表面孔径表面孔径降低为降低为10103030um 内皮细胞部分覆盖内皮细胞部分覆盖 抗凝血效果降低抗凝血效果降低。但是内表面多孔人工血管但是内表面多孔人工血管长期使用时易于破损长期使用时易于破损、失效率较高失效率较高，这个问题还有待解决。，这个问题还有待解决。1010控制材料表面的粗糙化主要有以下方法：控制材料表面的粗糙化主要有以下方法：1)用用精精密密的的机机械械加加工工方方法法在在材材料料表表面面加加工工出出约约500um尺寸的螺线、台阶和孔等。尺寸的螺线、台阶和孔等。2)用用微微机机械械和和微微刻刻蚀蚀技技术术获获得得3um10um深深度度且且距距离和形状均可精确控制的粗糙表面；离和形状均可精确控制的粗糙表面；3)3)用等离子体喷涂复型方法及离子束轰击方法，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。能获得精确的表面显微形貌。4)4)?1111组织工程对高分子支架及材料的要组织工程对高分子支架及材料的要求求1212孔径和形态 1313(左）材料表面的拓扑结构左）材料表面的拓扑结构（右）材料表面的生物特异性识别（右）材料表面的生物特异性识别1414研究现状和方向研究现状和方向现状现状:已建立材料表面形貌与细胞、组织黏已建立材料表面形貌与细胞、组织黏 附行为之间的关系；附行为之间的关系；方向方向从分子水平上研究材料表面形貌对细胞形态从分子水平上研究材料表面形貌对细胞形态与功能的影响；与功能的影响；研究材料表面形貌对基因表达的影响。研究材料表面形貌对基因表达的影响。15152.生物医用材料的表面修饰生物医用材料的表面修饰 材料表面修饰是材料改性材料表面修饰是材料改性最直接方法最直接方法。作作为为人人体体的的一一部部分分，正正常常人人体体器器官官充充分分参参与与了了人人体体系系统统的的物物质质、能能量量及及信信息息交交换换，因因而而能能被被人人体体系统自然地接受和调控。系统自然地接受和调控。作作为为植植入入体体的的人人工工器器官官则则难难以以完完全全实实现现上上述述各各种种形形式式的的物物质质交交换换，容容易易被被人人体体系系统统视视作作异异物物，因因而产生各种排斥反应。而产生各种排斥反应。1616表面修饰定义：表面修饰定义：在在对对生生物物医医用用材材料料与与生生物物体体相相互互作作用用认认识识的的逐逐渐渐深深入入，尤尤其其是是对对分分子子水水平平上上的的信信息息传传递递与与识识别别的的逐逐渐渐了了解解的的基基础础上上，设设计计和和制制备备出出具具有有类类似似于于生生物物体体的的表表面面结结构构，通常将这类工作称为通常将这类工作称为表面修饰表面修饰。目的：目的：研究制作能够避免被体系识别为异物的人工器官。研究制作能够避免被体系识别为异物的人工器官。1717进行表面修饰的几种方法：进行表面修饰的几种方法：(I)(I)种植内皮细胞种植内皮细胞 理论依据：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。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种植了内皮细胞的人工血管具有抑制血小板激活的作用。用。内皮细胞化的人工血管比纯人工血管内皮细胞化的人工血管比纯人工血管释放释放5-5-羟色胺要羟色胺要少得多少得多。这是由于内皮细胞释放的一些低分子物质如托。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。小板等的功能。1818技术要点和方法：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。胞种植技术成功的重要因素。常采用融合法进行内皮细胞种植。常采用融合法进行内皮细胞种植。将从自体获得的内皮细胞培养、繁殖将从自体获得的内皮细胞培养、繁殖23代代 与血液混与血液混合，注入人工血管腔内合，注入人工血管腔内 在在3737、5050COCO2 2及旋转条件下及旋转条件下培养培养3h 细胞培养液融合培养细胞培养液融合培养710天天 内皮细胞在材料内皮细胞在材料表面融合成单层表面融合成单层 进行外科植入手术，可保证种植的内皮进行外科植入手术，可保证种植的内皮细胞粘合牢固。细胞粘合牢固。另外在人工血管表面预涂另外在人工血管表面预涂纤维蛋凝胶纤维蛋凝胶、纤维连结素纤维连结素或或碳碳膜膜等，也均可增加内皮细胞种植的牢固性。等，也均可增加内皮细胞种植的牢固性。1919内皮细胞种植方法内皮细胞种植方法用途：用途：人工血管人工血管；生物心脏瓣膜生物心脏瓣膜，使瓣膜抗退化能力提高，使瓣膜抗退化能力提高。2020 内皮细胞化研究的热点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。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：解决种植方法的一些局限性如：1.1.从自体获得的细胞从自体获得的细胞数量有限数量有限2.2.内皮细胞的体外内皮细胞的体外种植时间较长种植时间较长3.3.存在潜在的存在潜在的污染威胁污染威胁等等2121(II)(II)涂布白蛋白涂层涂布白蛋白涂层 理论依据：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。材料与血液接触时首先是材料表面吸附血浆蛋白。蛋白质吸附层的蛋白质吸附层的组成与构象组成与构象决定了材料的血液相容性行决定了材料的血液相容性行为。为。表面吸附层主要是表面吸附层主要是纤维蛋白原纤维蛋白原或或球蛋白球蛋白并且蛋白质并且蛋白质的构象发生改变的构象发生改变 激活凝血因子与血小板激活凝血因子与血小板 凝血级凝血级联反应而形成血栓。联反应而形成血栓。表面吸附层主要是表面吸附层主要是白蛋白白蛋白时，可以防止凝血的发生。时，可以防止凝血的发生。2222 因此，用因此，用白蛋白涂层白蛋白涂层或或改善材料的表面改善材料的表面结构结构的方法，使材料选择性地的方法，使材料选择性地吸附白蛋白涂吸附白蛋白涂层层来来提高材料的血液相容性提高材料的血液相容性，就成为重要的，就成为重要的研究内容。研究内容。2323 白蛋白在材料表面的白蛋白在材料表面的结合状态结合状态是白蛋白可否是白蛋白可否发挥作用的关键。发挥作用的关键。u 物理吸附法物理吸附法获得的白蛋白涂层结合力较差，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，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。从而使抗凝血性能逐渐下降。2424u共价接枝方法共价接枝方法能使材料表面形成的白蛋白层与基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的粘附量下降3个数量级，甚至可以达到无血小板个数量级，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。粘附，且白质白层的稳定性远大于物理吸附。u 伽马辐射伽马辐射可以促进白蛋白在材料表面的共价接可以促进白蛋白在材料表面的共价接枝。枝。2525(III)(III)聚氧化乙烯表面接枝聚氧化乙烯表面接枝 理论依据：理论依据：有报道指出，材料表面具有一端悬挂的长链结有报道指出，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。这种结构构是其具有良好血液相容性的一个条件。这种结构可以可以维持血液中血浆蛋白的正常构象维持血液中血浆蛋白的正常构象。2626 聚氧化乙烯聚氧化乙烯（PEO）是具有重复单元的大分子链，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。末端基团可以是羟基，也可能是甲氧基团。PEO具有具有良好的血液相容性，是因为其水合的悬挂长链影响血良好的血液相容性，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。间的相互作用降低，阻碍血浆蛋白的吸附及构象变化。2727PEO的悬挂长链结构还被有效地用于的悬挂长链结构还被有效地用于接枝肝素接枝肝素。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。性及可移动的性质时，接枝肝素才能发挥作用。利用利用PEO的漂动性，在的漂动性，在PEO链端接枝肝素可以很好链端接枝肝素可以很好满足上述条件。满足上述条件。2828 肝素肝素是人体血管内皮上的粘多糖，其阴离子活性基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团可与血液中的凝血酶ATIII的阳离子基团结合，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与血液中的凝血酶形成无活性的复合体后可随血液而去，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。中的凝血酶失去活性而起到抗凝作用。肝素抗凝血作用机理肝素抗凝血作用机理2929(IV)(IV)磷脂基团表面磷脂基团表面 理论依据：理论依据：类磷脂结构的高分子材料表面（如类磷脂结构的高分子材料表面（如MPC）具有强具有强烈吸附血液中磷脂分子的作用。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，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。与血细胞不被吸附和激活，阻碍了凝血过程的发生。30303.3.等离子体表面改性等离子体表面改性 u 等离子是一种全部或部分电离的气态物质等离子是一种全部或部分电离的气态物质，含，含有亚稳态和激发态的原子、分子、离子。有亚稳态和激发态的原子、分子、离子。u 等离子体中的等离子体中的电子、原子、分子、离子电子、原子、分子、离子都具有都具有一定能量，可与材料表面相互作用，产生表面反一定能量，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。应，使表面发生物理化学变化而实现表面改性。3131 等离子体表面改性有三种类型：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聚合等离子体表面处理等离子体表面处理等离子体表面接枝等离子体表面接枝3232(1)(1)等离子体表面聚合等离子体表面聚合 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。基团单体之间进行加成反应而形成聚合膜。3333 一般采用一般采用射频或微波放电射频或微波放电以获得高离化率的等以获得高离化率的等离子体。离子体。气体单质气体单质 等离子体等离子体 射频振荡器作用射频振荡器作用自由电子自由电子碰撞激励碰撞激励氢原子、自由氢原子、自由基衍生单体等基衍生单体等有很高化学活性有很高化学活性参加各参加各种反应种反应受到荷能受到荷能电子撞击电子撞击链增长在主链随机位在主链随机位置产生自由基置产生自由基支化、交联支化、交联高度交联的网高度交联的网状结构聚合膜状结构聚合膜3434表面修饰方法(肖）1 1、基底金属、基底金属 不锈钢不锈钢317317L L、NiTiNiTi记忆合金记忆合金2 2、单体乙烯、单体乙烯 硫酸二甲酯、硫酸二甲酯、亚磷酸亚磷酸二甲酯二甲酯通过放电形成有机聚合膜（含通过放电形成有机聚合膜（含C、H、O）。3535(2)(2)等离子体表面处理等离子体表面处理 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。机气体产生的等离子体对高分子材料进行处理。无机气体无机气体施加射频电场施加射频电场等离子体等离子体辐射的紫外线、激辐射的紫外线、激发态气体分子与高发态气体分子与高分子材料表面作用分子材料表面作用生成自生成自由基团由基团表面导入各表面导入各种功能团种功能团材料表面润湿材料表面润湿性和表面张力性和表面张力发生显著变化发生显著变化蛋白质及细胞在材料蛋白质及细胞在材料表面的粘附行为变化表面的粘附行为变化材料的血液相容性材料的血液相容性和组织相容性变化和组织相容性变化3636 等离子体表面处理会使高分子材料表面产生等离子体表面处理会使高分子材料表面产生刻刻蚀和粗糙化蚀和粗糙化。由于荷能离子撞击材料表面引起刻蚀，而材料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。形成微细的凹凸形。射出来的物质在等离子体场中受到激励，又会射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。形成大量突出物。3737(3)(3)等离子体表面接枝等离子体表面接枝 等离子体接枝聚合的过程：等离子体接枝聚合的过程：高分子材料高分子材料等离子体等离子体表面处理表面处理产生活性基团产生活性基团形成活性中心形成活性中心与气相或液与气相或液相单体接触相单体接触引发单体与基体表面引发单体与基体表面进行接枝聚合反应进行接枝聚合反应3838 以以聚对苯二甲酸乙二醇酯聚对苯二甲酸乙二醇酯等为衬底材料，通过等为衬底材料，通过处理表面获得含有大量聚氧化乙烯（处理表面获得含有大量聚氧化乙烯（PEO）基团的基团的薄膜，并随着等离子电源功率的提高，薄膜，并随着等离子电源功率的提高，PEO含量大含量大增。增。对改性材料的对改性材料的蛋白质吸附试验蛋白质吸附试验表明，材料表面的表明，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。血浆蛋白吸附量大幅减少，表明血液相容性提高。3939 内皮细胞在嵌段聚氨酯（内皮细胞在嵌段聚氨酯（SPU）表面种植困难。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。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。已不存在内皮细胞。4040 等离子材料表面改性还被用于在等离子材料表面改性还被用于在无机生无机生物材料表面物材料表面合成合成高分子薄膜高分子薄膜，使材料兼备金，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属或陶瓷体材料的性质及高分子材料的表面性质。性质。4141等离子表面改性的优点等离子表面改性的优点过程简单过程简单成本低成本低可大幅度改变材料的表面性质可大幅度改变材料的表面性质4242v等离子体反应以及等离子体与材料表面相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，互作用过程复杂，v目前对等离子体表面改性反应尚不完全了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。解，因而对它的控制也有待完善。等离子表面改性的缺点：等离子表面改性的缺点：4343展望展望 今后，等离子体反应过程和材料表面今后，等离子体反应过程和材料表面状态的状态的原位诊断原位诊断方面的发展，将会使该方面的发展，将会使该技术更加充分有效地在生物材料领域获技术更加充分有效地在生物材料领域获得应用。得应用。44444.4.离子注入表面改性离子注入表面改性 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，聚焦，利用静电扫描器扫描，轰击样品的表面，实现离子注入。实现离子注入。45454646 离子注入的特点是：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相结构的高能量离子，使材料表层的化学成分相结构和组织发生显著变化，以改变材料与生物体相和组织发生显著变化，以改变材料与生物体相互作用行为。互作用行为。4747 金属材料（如不锈钢、钴铬钼合金、钛合金等）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，容易肌体的体液接触，并承受周期性机械载荷作用，容易出现出现金属腐蚀、磨损、疲劳金属腐蚀、磨损、疲劳等问题。等问题。4848不锈钢矫形器件埋入体内曾发生不锈钢矫形器件埋入体内曾发生腐蚀失效腐蚀失效问题；问题；钛合金人工关节与超高分子聚乙烯髌配付，经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万次人步行载荷后将产生3.8mg的磨屑，这些的磨屑，这些磨屑与组织接触将磨屑与组织接触将产生感染、组织坏死产生感染、组织坏死，而使植，而使植入物失效；入物失效；钴、钒等效金属离子的溶出则钴、钒等效金属离子的溶出则有致癌危险有致癌危险。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。蚀、耐磨损、耐疲劳等性能。4949 从从80年代起，许多研究都采用年代起，许多研究都采用离子束方法离子束方法来改善来改善金属生物材料的金属生物材料的耐腐蚀、耐磨损、耐疲劳耐腐蚀、耐磨损、耐疲劳性能。性能。将氮离子、碳离子注入金属，在金属表层数十至数将氮离子、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。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。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。离子注入更加明显。5050 在人工关节配付中，通过离子注入方法使金属关节在人工关节配付中，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，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。研究相对较少。在水溶液中的针盘摩擦试验表明，离子注入后高分在水溶液中的针盘摩擦试验表明，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分子聚乙烯-金属人工关节摩擦配付的抗磨损性能尚金属人工关节摩擦配付的抗磨损性能尚有较大潜力。有较大潜力。5151 离子注入处理后的材料对生物体的影响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。血栓性能。若用若用NaNa+注入医用硅橡胶，表面血浆蛋白粘附行注入医用硅橡胶，表面血浆蛋白粘附行为有显著变化。为有显著变化。再用高能量、大剂量再用高能量、大剂量 HeHe+、C C+、O O+、N N+、ArAr+、K K+、KrKr+、NaNa+等正一价离子分别注入。注入后材料表面血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。尤其是经小板粘附率下降。尤其是经O O2 2+离子注入后，材料表离子注入后，材料表面血小板粘附率下降明显，主要原因是形成面血小板粘附率下降明显，主要原因是形成羰羰基团基团和非晶碳。和非晶碳。5252 离子注入也可以应用在离子注入也可以应用在高分子材料表面改性高分子材料表面改性领域。领域。利用载能离子轰击，使高分子材料表面的化学键断裂，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生成新基团或功能团，从而使高分子材料的表面能、表面能、表面极性、浸润性表面极性、浸润性等显著变化，以影响高分子材料的等显著变化，以影响高分子材料的生物相容性。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用高能离子束轰击可以改变材料表面的形貌53535.5.表面涂层与薄膜合成表面涂层与薄膜合成 在生物材料表面合成的薄膜（涂层）主要是在生物材料表面合成的薄膜（涂层）主要是陶陶瓷薄膜（涂层）瓷薄膜（涂层）和和高分子薄膜（涂层）高分子薄膜（涂层）。前面已介。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。要介绍生物陶瓷薄膜及表面涂层。5454(1)(1)生物陶瓷涂层生物陶瓷涂层 自然骨中存在自然骨中存在Ca、P元素组成的陶瓷，如羟基元素组成的陶瓷，如羟基磷灰石（磷灰石（HA）占骨成分的占骨成分的60%，因而人们进一步，因而人们进一步用用HA作为涂层材料进行等离子体喷涂。体内埋植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试验表明，羟基磷灰石涂层可以强有力地促进与骨的化学结合，具有相当高的生物相容性，因而骨的化学结合，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。进行了广泛研究并已应用于临床。555556565757BAM系列羟基磷灰石涂层钛基牙种植体系列羟基磷灰石涂层钛基牙种植体 组合式螺旋状种植体 圆柱状圆柱状HA涂层种植体涂层种植体 5858存在问题存在问题 羟基磷灰石涂层的人工骨和人工关节体羟基磷灰石涂层的人工骨和人工关节体在在力学性能力学性能上仍有一些问题：上仍有一些问题：涂层材料的强度和断裂韧性较差，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涂层与基体材料的结合力不够高。5959将陶瓷强韧化原理引入羟基磷灰石涂层材料，在原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，形成料粉末中加氧化锆，形成ZrO2陶瓷相增韧的陶瓷相增韧的HA涂层涂层 采用激光熔覆方法可以获得与基体高结合强度的采用激光熔覆方法可以获得与基体高结合强度的HA涂层涂层 解决办法解决办法6060(2)(2)低温液相沉积低温液相沉积 在室温下在室温下,采用采用电共沉积电共沉积方法在钛表面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将钛材料作为阴极，电解质溶液中含有硫酸钴和钴和HA粉末，使粉末，使HA粒子悬浮于电解液中，在两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极间施加电流，钛表面会形成由钴包裹的HA表面表面镀层。改变金属盐的种类可以获得不同金属和镀层。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。共沉积的表面层。6161 临床研究发现，长期植入的钛有一定的临床研究发现，长期植入的钛有一定的骨传导骨传导作用。作用。原因是钛表面自然形成数纳米厚的氧化膜（由锐钛矿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。子向材料表面富集。6262 纯钛材的这种作用较缓慢，可用含有钙离子的溶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：液对钛表面进行处理：这表明，经表面处理的钛在这表明，经表面处理的钛在HankHanks s溶液中浸泡溶液中浸泡后，后，表面形成磷灰石表面形成磷灰石，使材料的组织相容性显著提高。，使材料的组织相容性显著提高。表面清洗表面清洗后的钛后的钛在含有在含有Ca(NO3)24H2O和和CaO的溶液中浸泡的溶液中浸泡7天天表面即有表面即有钙盐形成钙盐形成经表面处经表面处理的钛理的钛在在HankHanks s溶液中浸泡后，溶液中浸泡后，再在再在600600加热加热表面出现表面出现磷灰石磷灰石6363(3)(3)气相沉积气相沉积 气相沉积是在真空条件下引入气态物质，参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：与气相反应后沉积于材料表面，主要分为：化学气相沉积、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、物理气相沉积。物理气相沉积。6464 氮化钛氮化钛是这一领域典型的、广泛应用的材料。是这一领域典型的、广泛应用的材料。化化学学气气相相沉沉积积是是将将四四氯氯化化钛钛和和氨氨在在8001000的的反反应器中反应，可在材料表面获得应器中反应，可在材料表面获得TiN薄膜。薄膜。物物理理气气相相沉沉积积是是利利用用溅溅射射、局局部部溶溶融融方方法法得得到到钛钛粒粒子子，并并在在真真空空室室充充入入氮氮气气，则则钛钛粒粒子子在在沉沉静静积积于于材材料表面的过程中与氮所反应形成料表面的过程中与氮所反应形成TiN。6565等离子体增强化学气相沉积等离子体增强化学气相沉积是在反应器中增加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，反应温度降到高，反应温度降到500以下。这种方法较适以下。这种方法较适合于在金属生物材料表面合成薄膜。合于在金属生物材料表面合成薄膜。6666(4)(4)离子束薄膜合成离子束薄膜合成 向材料表面沉积薄膜（蒸发或溅射沉积）的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同时用离子束轰击材料表面的方法称为离子束辅离子束辅助沉积助沉积。借助于离子束轰击，可使已沉积在表面的原借助于离子束轰击，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），并使子获得能量进入材料表层（反冲注入），并使薄薄膜致密膜致密，在较低温度下（甚至室温）获得，在较低温度下（甚至室温）获得高结合高结合力力的薄膜。的薄膜。6767离子束辅助沉积的离子束辅助沉积的优点：优点：不会引起基体材料过热而使基体材料结构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表面沉积薄膜，对于高分子材料表面改性也是非常有效的。非常有效的。68686969 受受“视线性视线性”限制限制。由于沉积源向基体材料。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，所以线的，所以只能在平面工件上均匀沉积薄膜只能在平面工件上均匀沉积薄膜。对。对于形态复杂的人工器官如人工关节、人工心脏瓣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。方法的实际应用。离子束辅助沉积的缺点：离子束辅助沉积的缺点：7070等离子体浸没离子注等离子体浸没离子注入（入（PIII）=plasma Immersion Ion Implantation在在PIII装置真空装置真空室中通入的气体室中通入的气体灯丝放电或灯丝放电或射频放电射频放电等离子体等离子体样品样品施加一很高的施加一很高的负脉冲电压负脉冲电压在围绕工件表面的一定空在围绕工件表面的一定空间内形成等离子体的鞘层间内形成等离子体的鞘层鞘层中的正离子受到负高压的鞘层中的正离子受到负高压的吸引进行轰击并进入材料表面吸引进行轰击并进入材料表面7171PIII-3型等离子体浸型等离子体浸 没离子注入机没离子注入机 等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。72727373 这个过程是这个过程是全方位的无视线性限制全方位的无视线性限制。最近将金。最近将金属等离子体源引入属等离子体源引入PIII，实现气体离子与金属离子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、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。面改性领域将会有重要的应用前景。7474瑞士瑞士CSEM精密摩擦实验机精密摩擦实验机 主要用于低载荷，慢速或中速下各种金属或陶瓷、高分子材料的摩擦磨损试验，特别适用于材料的表面改性和各类涂层如离子注入、气相沉积膜的摩擦学性能评价。7575微区显微红外分析仪 无菌室 光学显微镜 原原子子力力显显微微镜镜7676新的心脏瓣膜 表面改性的心脏瓣膜的瓣环表面改性的心脏瓣膜的瓣环 没有改性的瓣环（表面形成血栓）没有改性的瓣环（表面形成血栓）表面改性单叶心脏瓣膜 7777Ti-O薄膜表面血细胞粘附形态（改性体内）未改性未改性LTIC（体外）体外）未改性的LTIC（体内）Ti-O薄膜表面血小板的形态（改性 体外）7878(5)(5)溶胶凝胶方法溶胶凝胶方法 溶胶凝胶方法原理：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，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然后将其提出干燥。这样多次进行可获得较厚的凝胶膜。凝胶膜。金属的烃金属的烃基氧化物基氧化物在乙醇等挥发性溶液中在乙醇等挥发性溶液中在酸催化剂作用下在酸催化剂作用下含有金属氧含有金属氧化物的薄膜化物的薄膜加热加热处理处理晶态薄晶态薄膜材料膜材料7979 将溶胶凝胶法与其他表面改性方法相结合，将溶胶凝胶法与其他表面改性方法相结合，是提高薄膜力学性能的重要途径。是提高薄膜力学性能的重要途径。曾采用曾采用2MeV的高能的高能S2+离子轰击用溶胶凝胶离子轰击用溶胶凝胶法获得的法获得的600nm厚的羟基磷灰石薄膜，使薄膜的厚的羟基磷灰石薄膜，使薄膜的结合强度大幅度提高，硬度提高结合强度大幅度提高，硬度提高15倍。倍。8080过程简单、过程简单、成本低，成本低，可以精确控制薄膜的成分和结构，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。节、人工骨）均匀覆膜。溶胶凝胶法溶胶凝胶法优点：优点：81816.6.自组装单分子层自组装单分子层 自组装单分子层是最近自组装单分子层是最近10年发展的十分新颖的年发展的十分新颖的材料表面生物化技术。材料表面生物化技术。在硅、玻璃、硅橡胶等衬底材料上可在硅、玻璃、硅橡胶等衬底材料上可形成高度形成高度有序排