第三章生物材料的表面改性

一般要求材料的表面应尽可能光滑。
因为光滑的表面与粗糙的表面相比，产生的激肽释
放酶少，从而使凝血因子转变较小。
已经发现多孔表面有促进内皮细胞生长的作用： 聚 四 氟 乙 烯 人 工 血 管 内 腔 有 许 多 60 ～ 90um 的 小 孔 内 皮 细 胞 均 匀 覆 盖 血 管 内 腔 --- 良 好 抗 凝 血 效 果 。
表面孔径降低为10～30um，内皮细胞部分覆盖，抗凝血效 果降低。
但是内表面多孔人工血管长期使用时易于破损、 失效率较 高，这个问题还有待解决。
美国戈尔人工血管
组织工程对高分子支架及材料的要求
孔径和形态
(左）材料表面的拓扑结构 （右）材料表面的生物特异性识别
3.1.2 研究现状和发展方向
现状：已建立材料表面形貌与细胞、组织黏附行
3.2.2 涂布白蛋白涂层 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。蛋白质吸附层的组成与构象决 定了材料的血液相容性。 表面吸附层主要是纤维蛋白原或球蛋白---蛋 白质的构象发生改变---激活凝血因子与血小板 ---凝血级联反应而形成血栓。 表面吸附层主要是白蛋白时，可以防止凝血 的发生。
控制材料表面的粗糙化主要有以下方法： 用精密的机械加工方法在材料表面加工出约 500 um尺寸的 螺线、台阶和孔等。
用微机械和微刻蚀技术获得 3~10 um 深度且距离和形状均
可精确控制的粗糙表面； 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。
对于与血液接触的医用生物材料：
影响材料与生物体之间的相互作用的因素有： 表面成分（XPS）； 表面结构（SEM/AFM）； 表面形貌； 表面亲（疏）水性(接触角)； 表面电荷； 表面硬度； 表面的导电特征； 表面的能量状态； 物理及力学特性。
来自百度文库
3.1 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。 (1)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。 (2)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。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、上皮细胞。
技术要点和方法：
内皮细胞在人工血管表面有效地粘附，是决定内皮细胞种 植技术成功的重要因素。 常采用的内皮细胞种植方法：
（1）将从自体获得的内皮细胞培养、繁殖2~3代； （2）与血液混合注入人工血管腔内； （3）在37℃、50％CO2及旋转条件下培养3h； （4）细胞培养液融合培养7~10天； （5）内皮细胞在材料表面融合成单层； （6）进行外科植入手术，可保证种植的内皮细胞粘合牢固。
进行表面修饰的几种方法：
3.2.1 种植内皮细胞
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用。
内皮细胞化的人工血管比纯人工血管释放5-羟色胺要少
得多。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、血小板等的 功能。
在随后的组织生长过程中，材料的表面粗糙度为1～
3 um时，
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。
更粗糙和更光滑的表面则无此效应。这种作用与材 料性能无关。
聚氨基甲酸乙酯（PU）
3.1.1表面形貌的影响
“接触诱导” (contact guidance) 作用：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 平行犁沟状表面—成纤维细胞沿沟取向生长。已发 现： 上皮细胞、 成纤维细胞、 神经轴突、 成骨细胞等
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材
料的接触，可显著促进矿化作用。
从增加界面结合性能的角度考虑，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 （表 面存在）将显著促进组织长入，当孔径超过100 um 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力学强度的影响， 尤其是对疲劳性能的不利影响。
另外在人工血管表面预涂碳原子、蛋白（胶原、明胶 （Gelatin）、或纤连蛋白等，也均可增加内皮细胞种植的 牢固性。
内皮细胞种植方法用途： 人工血管； 生物心脏瓣膜，使瓣膜抗退化能力提高。
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： （1）从自体获得的细胞数量有限； （2）内皮细胞的体外种植时间较长； （3）存在潜在的污染威胁等。
形式的物质交换，容易被人体系统视作异物，因而
产生各种排斥反应。
表面修饰定义：在对生物医用材料与生物体相互
作用认识的逐渐深入，尤其是对分子水平上的信
息传递与识别的逐渐了解的基础上，设计和制备
出具有类似于生物体的表面结构， 通常将这类
工作称为表面修饰。
目的：研究制作能够避免被体系识别为异物的人 工器官。
3. 生物材料的表面改性
西南大学洁净能源与先进材料研究院 肖波
目录
表面形貌与生物相容性 生物医用材料表面修饰 等离子体表面改性 等离子体注入表面改性 表面涂层与薄膜合成法 自组装分子单层
生物材料表面改性研究的重要性： 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相容性，即生物体不发生任 何毒性、致敏、炎症、致癌、血栓等不良生物反应。 这些都取决于材料表面与生物体环境的相互作用。 控制和改善生物材料的表面性质，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 的相互作用的关键途径。
为之间的关系；
方向：
（1）从分子水平上研究材料表面形貌对细胞形态、
功能和分化的影响；
（2）研究材料表面形貌对基因表达的影响（如基
因活性组织工程支架）。
3.2 生物材料的表面修饰 • 材料表面修饰是材料改性最直接方法。 • 作为人体的一部分，正常人体器官充分参与了人 体系统的物质、能量及信息交换，因而能被人体系 统自然地接受和调控。 • 作为植入体的人工器官则难以完全实现上述各种