第8章 生物医用材料

3．等离子体共接枝与聚合
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1．等离子体聚合
有机单体在等离子体中的相关粒子碰撞下会形成 各种碎片或功能团，这些碎片或官能团在基片表 面形成三维网状交联结构的新物质。由于这种物 质是由很小的分子碎片甚至原子随机组成的，因 此也有人将这种聚合反应称为“原子聚合”。由 于通常形成三维交联网络结构，等离子体聚合产 物通常非常稳定而坚固。它与基底材料表面之间 是共价键结合，因此与基底之间的结合也非常稳 定。根据在等离子体中产生的功能团的性质，可 以获得各种特定的表面特性，这可能是等离子体 聚合材料最让人感兴趣的地方。
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（2）可控自由基引发聚合：
在聚合反应后将聚合链的部分脱除，由此可计 算出接枝与残留分子的量。从相对分子质量、 接枝面积等，可以计算出单位面积上的接枝量 以及相应引发层的接枝率。 上述方法现已发展为可控自由基聚合 (CRP)，又 称为活性自由基聚合。 优点：弥补了传统自由基聚合技术的缺陷，容 易控制聚合链上的分子排列顺序，能较好地分 析聚合层的微观结构 (聚合链的相对分子质量和 分布等)，以及合成新颖的层状共聚物刷子。
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图2 等离子喷涂设备结构示意图
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离子注入表面改性
离子注入：一个载能离子进入固体材料表面的过程，可 以使靶材近表面区域的原子组成及其结构发生变化，能 改变材料表面的性能。 离子注入是一种新兴的技术，该技术可以得到新型的表 面合金，其耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性都得到改善。
离子注入金属表面后，有助于析出金属化合物和合金相、 形成离散强化相、位错网，可灵活地引入各种强化因子， 即掺杂强化和固溶强化。通过离子注入，可减少粘着和 互扩散，增强氧化膜,提高润滑性。
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图1 聚合物刷微观形态
“接枝到”法： 定义：将具有端基活性基团的聚合物链与材料表面能与之反 应的基团作用，在材料表面上嫁接聚合物链。该法可以预先 设计聚合物链，得到结构明确、分子量分布窄的接枝链。 缺点：在接枝反应过程中，已接枝到材料表面的聚合物链会 对表面活性点产生屏蔽和立体位阻作用，阻碍体系中的聚合 物向膜表面扩散，妨碍端基活性基团聚合物对表面的密集覆 盖，接枝率一般不高。 “由表面接枝”法： 定义：先在材料表面形成活性接枝点，再引发单体接枝聚合， 从材料表面长出接枝聚合物链。这种方法有效地克服了“接 枝到”法中聚合物链靠近膜表面时的立体障碍，可以形成共 价键合、高接枝密度的聚合物刷。 缺点：难于精确控制接枝链的结构和分子量，同时体系中单 体往往会发生均聚。
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20世纪20年代。随着合成高分子材料的出现和发展， 生物医用材料也得到了快速的发展，逐渐出现了用高分 子材料制取人体器官的历史。20世纪70年代，人工晶体、
角膜、骨、人工上肝、肾、心脏等相继成功的诞生，随
后开始了极广泛应用。
近十几年来，生物医用材料的研究与开发。已成为
世界各国高新技术重点发展的项目之一。
（3） 医用生物陶瓷。有惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷（羟基磷灰石 陶瓷、可吸收磷酸三钙陶瓷等） （4） 医用生物复合材料。如羟基磷灰石涂复钛合金，炭纤维或生物 活性玻璃纤维增强聚乳酸等高分子材料。 （5） 生物衍生材料。这类材料是将活性的生物体组织，包括自体和 异体组织，经处理改性而获得的无活性的生物材料。 6
在ATRP反应中，将可逆链终止和链转移的概念引入自 由基聚合，通过在活性种和休眠种之间建立一个快速交 换的平衡反应，解决低而恒定的自由基浓度与维持可观 的反应速率(自由基浓度不能太低)得矛盾。
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根据接枝引发机理不同，“由表面接枝”法可分为等离子 体处理、射线辐照、光引发、溶液自由基接枝和臭氧处理 五种方法。
主要介绍材料表面接枝聚合物刷改性、等离子 体技术、离子束技术的表面改性、电化学沉积 技术、材料表面肝素化、微相分离结构的形成、 材料表面生物化、材料表面化学活性基团或活 性物质的结合、表面修饰等。
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1 材料表面接枝聚合物刷改性
材料表面接枝：聚合物链的一端以 共价键形式连接在材料表面上，另 一端背向沿着垂直于材料表面的方 向伸展而形成的排列紧密有序、类 似于刷子状的聚合物链集合。 接枝聚合物刷的研究在过去的10余 年中得到广泛关注,原因： 聚合物刷的结构特性使得这类聚合 物可以很好地控制和改变界面或表 面的物性； 通过改变聚合物刷的结构或组成可 以控制聚合物刷的聚集形态及其形 态转换(从球形到圆柱状)。


医用膜材料：血液净化膜、分离膜、角膜接触镜等
组织粘合剂和缝线材料 临床诊断及生物传感器材料 齿科材料 药物释放载体材料
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按生物化学反应性：
可生物降解和吸收材料 （如：聚乳酸）
惰性生物医学材料 （如：聚四氟乙烯）
生物活性材料 （如：羟基磷灰石）
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8.2 生物医用材料表面改性
材料表面改性方法包括化学和物理方法，通 常化学方法较为繁琐，应用大量有毒化学试剂， 对环境造成污染，对人体也有极大危害。物理 方法具有工艺简单、操作方便、对环境无污染 等优点，日益受到重视。
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辐射接枝 根据辐射与接枝程序的差异，可将辐射接枝主要分为共辐射 接枝法和预辐射接枝法两类。 预辐射接枝法：单体不直接接受辐射能，从而减少了均聚反 应，并且辐射与接枝是两个独立的过程。 共辐射接枝：将辐射与接枝过程一步完成，但此方法的最大 缺点是单体均聚反应严重，降低了接枝率。 辐射接枝共聚反应中的辐射剂量、单体浓度和温度等都将影 响到接枝率，进而影响改性效果。 通常辐射接枝的接枝率正比于吸收剂量，但超过某一剂量范 围时接枝率的增加趋于缓慢。 单体浓度过高会阻碍单体的接枝，。 反应温度对接枝共聚的影响是复杂的，多方面的，如反应在 高粘度介质中进行时常产生凝胶效应、能量转移与链转移、 侧链长度变化、单体扩散速度改变以及相分离等，对辐射接 枝来说提高反应温度通常对提高接枝率有利。 20
人造心脏
起各方面的极大注意。具有巨
大的社会意义。
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生物医用材料发展简史
生物医用材料的应用已经有很长的历史了。早在公 元前5000年，人类祖先就用了黄金来修补牙齿。公元前
3500年，古埃及人用棉花纤维、马鬃缝合伤口。公元前
2500年的中国和埃及的墓葬里被挖掘出假牙、假鼻和假 耳朵。我国的隋唐时期采用了银、锡、汞合金来填补牙 齿。1851年。当天然橡胶硫化法发明以后，人们用硬橡 胶制作了人工牙托和鄂骨。
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生物医用材料的分类
按材料来源分
（1） 医用金属和合金。主要用于承力的骨、关节和牙等硬组织的修 复和替换。不锈钢、钴基合金、钛及钛合金是目前医用合金的三 大支柱。医用合金还有钽、铌和贵金属等。 （2） 医用高分子生物材料。高分子化合物是构成人体绝大部分组织 和器官的物质，医用高分子生物材料包括合成（如：聚酯、硅橡 胶）和天然高分子（如：胶原、甲壳素）。近来，生物降解高分 子材料得到重视。
•ASTM F648
•可用为人工关节、 人工骨骼植入人体 •极低的能耗 •……
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人工心脏瓣膜
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组织工程人工骨缺损修复示意图
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按用途:

骨骼-肌肉系统修复和替换材料：骨、牙、关节、肌腱等
软组织材料：皮肤、乳房、食道、呼吸道、膀胱 等 心血管系统材料：人工心瓣膜、血管、心血管内插管等
等离子体处理
等离子体：由离子、电子和中性粒子组成的电中性体系。 等离子体富含的各种活性粒子通过化学反应可在膜表面引 入能够生成表面自由基的活性基团。 优点：操作简单、安全、不造成环境污染，改性仅涉及膜 材料表面而不影响本体结构和性能，因而日益受到人们的 重视；
缺点：需要真空环境，设备复杂，难于连续操作，效率低， 目前只限于实验室研究应用，尚不具备实现工业化的条件。
生物衍生材料
①取自患者自体的组织 例如：采用自身隐静脉作为冠状动脉搭桥 术的血管替代物 ②取自其他人的同种组织 例如：利用他人角膜治疗患者的角膜疾病 ③来自其它动物的异种组织 例如：采用猪的心脏瓣膜代替人的心脏瓣 膜，治疗心脏病等。
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聚四氟乙烯
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人工关节
例如：
德国产品 UHMWPE材料
•ISO5834-2
生物医学材料包括金属生物医学材料、无机非金属生物 医学材料和高分子生物医学材料。 生物医学高分子材料也称医用高分子（Biomedica1 Polymer）材料，它是一类用于临床医学的高分子及其复合 材料。
生物医用功能材料涉及材料学、 医学、生物学诸方面领域的交
叉边缘科学。它直接影响着人
们的身体健康与生命，所以引
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等离子聚合
等离子体聚合方法可以有效地控制选择性的表 面处理。等离子体聚合膜的厚度约为纳米级范围， 呈三维交联结构，其与基片间为共价键结合，因 此非常稳定，而且表面非常光滑。
根据不同的需要可以在表面引入不同的功能团。 等离子体聚合工艺主要有三种： 1．等离子体聚合
2．等离子体诱导接枝
第8章生物医用材料
8.1 生物医用材料概述
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生物医学材料的概念与分类
生物材料（biomedical materials）包括生物医学材料、
生物模拟材料和仿生设计新材料。
生物医学材料是用于生命系统接触和发生相互作用，并 能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再
生的一类天然或人工合成的特殊功能材料。
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. 通常对材料表面改性的技术有湿法和干法，等离子体表面改 性是一种干法技术。
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材料表面改性使用的是低温等离子体，低温等离子体可由紫 外辐射、X 射线、加热、冲击波、激光照射、气体放电等方 法产生，实验室和工业上多采用气体放电的方式。 目前有以下几种等离子体表面改性技术： 1. 等离子喷涂法 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。 离子喷涂后的真空热处理技术：在600～800℃，熔融的非晶 态的羟基磷灰石转化为晶态，同时，基体与涂层间相互的离 子热扩散，使界面处形成了化学键结合，提高了涂层结合强 度。
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溶液自由基接枝
（1） 传统自由基引发聚合：自由基引发聚合一般利用基 质上现有的基团或通过化学方法引入基团。 传统自由基引发聚合的步骤较多，致使基质上引发基团的 密度不够高，影响了聚合链的密度，还会带来较多的副反 应。 基质表面上由引发基团组成的引发层结构非常复杂，现有 的分析手段还不能对此做出精确的分析。 自组装单分子层(SAMs) 引发的聚合： 形成高密度的引发层，引发机制也较简单 可控制链的长度 采用辐照的方法产生自由基或引入中介分子引发聚合单体 的反应，也是合成聚合刷很好的方法。
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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。
等离子体作为物质的第四态，是指部分或完全电离的气体。
低温等离子体：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。
在低温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.
光引发接枝
光引发表面接枝聚合原理：利用紫外光照射材料表面产 生自由基，引发单体在表面接枝聚合。 用途： 利用光接枝中以将强极性的亲水基团引入聚乙烯、聚丙 烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET ) 等工业包 装膜的表面，有效地改善包装膜的印刷和粘接问题。 利用光接枝在塑料薄膜上接枝不同的单体，可生产出具 有防雾、保温、生物降解、除草等性能的多功能地膜。 在塑料薄膜上接枝亲水性大的单体形成亲水层，使膜具 有永久防雾滴效果。 利用光接枝，可以把不同性能但难于粘合的膜复合在一 起，制成具有多种性能的复合膜。
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活性自由基聚合方法：引发转移终止剂法(iniferters)、 氮氧自由基法(TEMPO)、可逆加成-裂解链转移聚合 (RAFT)、原子转移自由基聚合(ATRP)等，其中尤以原 子转移自由基聚合的研究最为活跃。
自由基是一种十分活泼的活性种，在自由基聚合中极易 发生链终止和链转移，所以要抑制副反应，达到活性聚 合。