第八章生物材料表面改性
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第八章 生物材料表面改性
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 用。宿主首先对材料表面做出相应的生理反应，并根据反应 结果决定对材料是亲和还是排斥。因此控制材料表面特性可 有效改善植入效果。
表面改性方法
• 1.物理化学法 • 2 机械法 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
• 离子束技术的应用包括离子束注入、离子束沉积 和离子束辅助沉积等。
• 应用离子束技术可实现对医用生物陶瓷涂层材料 表面的改性。生物陶瓷涂层分为氧化物陶瓷和非 氧化物陶瓷涂层。
➢ 氧化物涂层材料：Al2O3、ZrO2、TiO2等。 ➢ 非氧化物涂层：氮化物、碳化物、硅化物和硼化
物等。 ➢ 采用离子注入技术可提高本体材料的抗磨损和腐
方法2：将医用钛合金试样在碱溶液（KＯＨ 或ＮａＯＨ）中浸泡处理约20分钟。
8.2 物理化学方法表面改性
一 概述
1.分类：
1）非共价涂覆： 例：溶剂涂覆，碳和金属的气相沉积 2）共价涂覆： 例：辐射接枝（利用电子加速器和Ɣ辐射）
光接枝（利用紫外光） 气相沉积（离子束溅射、化学气相沉积） 化学接枝 硅烷化 生物修饰（生物分子固定）
1.未修饰的表面 2.覆盖： 溶剂涂覆、表面接枝、金
属喷涂、喷射HA 3.表面梯度化：接枝、形成
互穿网、离子注入 4.自组装膜表面 5.添加剂的表面活化 6. 表面化学反应：
氧化、氟化、硅烷化 7.刻蚀和打磨 8.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迅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 容性的一个主要原因。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。
2. 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 2).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N、C 4). 改变电性质：例如聚电解质接枝。 5).控制蛋白质的吸附：例表面固定化聚乙二醇
（减少吸附）
3.表面改性一般原则
1）修饰层厚度要尽量薄： 表面修饰应该是达到均匀性、耐用性和功能性所需的最
蚀性。离子注入钙离子可提高生物活性。
改性效果
抗磨损
耐腐蚀 抗氧化 抗冲击
耐热
表6-1 离子注入钢改性结果
注入离子
基体材料
用途
Ti,Mn,Al,Cu,Ni
型钢，软钢
机械零件，工具
W,Mo,V,Co,Cr Ti+C,Ti+N Ti+B,Cr+N
工具钢 同上 不锈钢
工具
同上，汽车零件，机械 零件
表壳，模具
• 等离子体作为物质的第四态，是指部分或完全电 离的气体。
• 等离子体：在直流电弧放电、辉光放电、微波放 电、电晕放电、射频放电等条件下所产生的部分 电离气体。
• 在等离子体中包含有多种粒子：电离所产生的电 子和离子，大量的中性粒子如原子、分子和自由 基等，称为等离子体.
等离子体可分为三大类：①高温高压等离子体， 电离度100%，温度可达几亿度，用于核聚变的 研究；②低温低压等离子体，电离度不足1%， 温度仅为50～250度；③高温低压等离子体，约 有1%以上的气体被电离，具有几万度的温度。 离子、自由电子、未电离的原子的动能接近于 热平衡。热喷涂所利用的正是这类等离子体。 等离子体在材料科学方面的应用：材料焊接、 金属熔化、材料合成及材料表面改性等方面.
3. 材料表面化学活性基团或活性物质的结合
• 利用基体材料本身具有的基团或通过某些反应活 性高的基团和原子，可以使材料表面产生功能基 团，发挥其生物学作用。例如，在惰性生物材料 表面引入活性药物如肝素、尿激酶、前列腺素等 或类肝素化。
• 材料表面引入生物活性分子可以促进细胞的粘附 和生长，因此将生物活性分子固定到材料表面是 提高其细胞相容性的重要方法。
小厚度，而不是增厚。修饰层太厚会改变材料固有的 机械和功能性，而且厚的涂层易剥离和破碎。理想情 况下，一个单分子层（3-10 埃）就足够了。 2）抗剥离 3）商品化：不能过于复杂或成本太高。
二. 几种表面改性技术简介 1. 等离子体技术
• 等离子体技术是20世60年代以来，在物理学、化 学、电子学、真空技术等学科交叉基础上发展形 成的一门新兴学科。
➢ 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 的，由高温等离子火焰（温度高达10000℃以 上），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 0.05～0.1mm。
等离子喷涂设备结构示意图
2 离子束表面改性技术
• 基本原理：通过离子注入机使中性原子电离，通 过引出电场和加速电场的作用，产生具有一定能 量的带电粒子束，照射各种材料的表面，根据产 生离子能量的大小，可以沉积在材料表面，也可 穿过表面进入材料内部。
• 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。
Al,Sn,In,Ag Cr,Ni,Pd,Pt,Al Cr+Mo,Ta,Cr+P
稀土
轴承钢，型钢
精密机械Leabharlann Baidu件
型钢，碳钢，M50 钢
52100钢，M50钢
海上飞机零件，机械零 件
海上飞机轴承，各种轴 承
型钢，不锈钢
机械零件
Nb,Ta,Mo,W Al,Mo,W,Nb,Ta,Cr
模具钢 耐热钢，型钢
模具
飞机和汽车发动机排气 管
• 蛋白质在聚合物表面的固定主要有物理吸附和 化学固定二种。
• 物理吸附：通过静电吸附作用可将含有多个负 电荷的生物活性分子固定于材料中带正电荷的 部位；
• 化学固定：将生物活性分子中的某些基团与基 质表面的反应性基团通过化学键合使其牢固地 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
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 用。宿主首先对材料表面做出相应的生理反应，并根据反应 结果决定对材料是亲和还是排斥。因此控制材料表面特性可 有效改善植入效果。
表面改性方法
• 1.物理化学法 • 2 机械法 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
• 离子束技术的应用包括离子束注入、离子束沉积 和离子束辅助沉积等。
• 应用离子束技术可实现对医用生物陶瓷涂层材料 表面的改性。生物陶瓷涂层分为氧化物陶瓷和非 氧化物陶瓷涂层。
➢ 氧化物涂层材料：Al2O3、ZrO2、TiO2等。 ➢ 非氧化物涂层：氮化物、碳化物、硅化物和硼化
物等。 ➢ 采用离子注入技术可提高本体材料的抗磨损和腐
方法2：将医用钛合金试样在碱溶液（KＯＨ 或ＮａＯＨ）中浸泡处理约20分钟。
8.2 物理化学方法表面改性
一 概述
1.分类：
1）非共价涂覆： 例：溶剂涂覆，碳和金属的气相沉积 2）共价涂覆： 例：辐射接枝（利用电子加速器和Ɣ辐射）
光接枝（利用紫外光） 气相沉积（离子束溅射、化学气相沉积） 化学接枝 硅烷化 生物修饰（生物分子固定）
1.未修饰的表面 2.覆盖： 溶剂涂覆、表面接枝、金
属喷涂、喷射HA 3.表面梯度化：接枝、形成
互穿网、离子注入 4.自组装膜表面 5.添加剂的表面活化 6. 表面化学反应：
氧化、氟化、硅烷化 7.刻蚀和打磨 8.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迅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 容性的一个主要原因。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。
2. 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 2).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N、C 4). 改变电性质：例如聚电解质接枝。 5).控制蛋白质的吸附：例表面固定化聚乙二醇
（减少吸附）
3.表面改性一般原则
1）修饰层厚度要尽量薄： 表面修饰应该是达到均匀性、耐用性和功能性所需的最
蚀性。离子注入钙离子可提高生物活性。
改性效果
抗磨损
耐腐蚀 抗氧化 抗冲击
耐热
表6-1 离子注入钢改性结果
注入离子
基体材料
用途
Ti,Mn,Al,Cu,Ni
型钢，软钢
机械零件，工具
W,Mo,V,Co,Cr Ti+C,Ti+N Ti+B,Cr+N
工具钢 同上 不锈钢
工具
同上，汽车零件，机械 零件
表壳，模具
• 等离子体作为物质的第四态，是指部分或完全电 离的气体。
• 等离子体：在直流电弧放电、辉光放电、微波放 电、电晕放电、射频放电等条件下所产生的部分 电离气体。
• 在等离子体中包含有多种粒子：电离所产生的电 子和离子，大量的中性粒子如原子、分子和自由 基等，称为等离子体.
等离子体可分为三大类：①高温高压等离子体， 电离度100%，温度可达几亿度，用于核聚变的 研究；②低温低压等离子体，电离度不足1%， 温度仅为50～250度；③高温低压等离子体，约 有1%以上的气体被电离，具有几万度的温度。 离子、自由电子、未电离的原子的动能接近于 热平衡。热喷涂所利用的正是这类等离子体。 等离子体在材料科学方面的应用：材料焊接、 金属熔化、材料合成及材料表面改性等方面.
3. 材料表面化学活性基团或活性物质的结合
• 利用基体材料本身具有的基团或通过某些反应活 性高的基团和原子，可以使材料表面产生功能基 团，发挥其生物学作用。例如，在惰性生物材料 表面引入活性药物如肝素、尿激酶、前列腺素等 或类肝素化。
• 材料表面引入生物活性分子可以促进细胞的粘附 和生长，因此将生物活性分子固定到材料表面是 提高其细胞相容性的重要方法。
小厚度，而不是增厚。修饰层太厚会改变材料固有的 机械和功能性，而且厚的涂层易剥离和破碎。理想情 况下，一个单分子层（3-10 埃）就足够了。 2）抗剥离 3）商品化：不能过于复杂或成本太高。
二. 几种表面改性技术简介 1. 等离子体技术
• 等离子体技术是20世60年代以来，在物理学、化 学、电子学、真空技术等学科交叉基础上发展形 成的一门新兴学科。
➢ 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 的，由高温等离子火焰（温度高达10000℃以 上），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 0.05～0.1mm。
等离子喷涂设备结构示意图
2 离子束表面改性技术
• 基本原理：通过离子注入机使中性原子电离，通 过引出电场和加速电场的作用，产生具有一定能 量的带电粒子束，照射各种材料的表面，根据产 生离子能量的大小，可以沉积在材料表面，也可 穿过表面进入材料内部。
• 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。
Al,Sn,In,Ag Cr,Ni,Pd,Pt,Al Cr+Mo,Ta,Cr+P
稀土
轴承钢，型钢
精密机械Leabharlann Baidu件
型钢，碳钢，M50 钢
52100钢，M50钢
海上飞机零件，机械零 件
海上飞机轴承，各种轴 承
型钢，不锈钢
机械零件
Nb,Ta,Mo,W Al,Mo,W,Nb,Ta,Cr
模具钢 耐热钢，型钢
模具
飞机和汽车发动机排气 管
• 蛋白质在聚合物表面的固定主要有物理吸附和 化学固定二种。
• 物理吸附：通过静电吸附作用可将含有多个负 电荷的生物活性分子固定于材料中带正电荷的 部位；
• 化学固定：将生物活性分子中的某些基团与基 质表面的反应性基团通过化学键合使其牢固地 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