《生物材料學(xué)》2版課件--第9章生物材料表面改性

1、第九章 生物材料的表面改性講授的主要內(nèi)容9.1 表面改性的意義與方法9.2 表面形貌的改變9.3 生成表面轉(zhuǎn)化層9.4 表面施加涂層9.5 表面引入活性基團(tuán)、接枝單體和結(jié)合化學(xué)分子9.6 表面生物化9.1 表面改性的意義與方法表面改性的目的:改善生物學(xué)性能，如組織相容性，血液相容性改善力學(xué)性能，如耐磨性改善化學(xué)性能，如耐蝕性1、表面性能對(duì)細(xì)胞黏附的影響(1)表面拓?fù)?topograph) 已經(jīng)知道，材料與細(xì)胞的系統(tǒng)固定時(shí)，材料表面粗糙度對(duì)細(xì)胞的黏附有顯著的影響。 大體說(shuō)來(lái)，就是特別光滑的表面和特別粗糙的表面細(xì)胞黏附都不好，而適當(dāng)?shù)拇植诙扔欣陴じ健２煌?lèi)型的細(xì)胞大小和特性不同，因此沒(méi)有統(tǒng)一的最

2、佳黏附粗糙度。文獻(xiàn)中給出適合成骨細(xì)胞黏附的鈦合金和羥基磷灰石的粗糙度是200nm700nm。 多孔材料中的孔隙大小，也影響細(xì)胞黏附。對(duì)細(xì)胞黏附也有一個(gè)適當(dāng)?shù)目紫?，相?duì)于細(xì)胞大小而言，太小或太大的孔隙均不利于黏附。(2)材料表面親水性能親水性的材料表面有利于細(xì)胞黏附。例如，用離子束輻照材料表面，聚羥基脂肪酸酯高分子材料在150keV，COOH-離子注入劑量從51012離子數(shù)cm2到11015離子數(shù)cm2時(shí)，PHB的接觸角從原來(lái)的68.5度下降到接近0度，成骨細(xì)胞在該材料上也由原來(lái)的黏附不良變成充分黏附和鋪展，細(xì)胞呈多邊形形貌，并伸出很多偽足。2、高聚物表面特性對(duì)血液相容性的影響研究表明，一種生物

3、材料血液相容性的優(yōu)劣主要取決于本體材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)，也與生物材料的表面性能密切相關(guān)。生物材料的表面性質(zhì)如表面的物理性能、表面電荷、親水性、表面自由能、微相分離結(jié)構(gòu)等，在生物學(xué)反應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用。(1)表面物理特性生物材料的表面粗糙程度對(duì)血液相容性有一定的影響。一般認(rèn)為，對(duì)于同種材料而言，材料表面光潔度的提高有利于減少血栓的形成，粗糙程度過(guò)高的材料容易引起凝血。研究者對(duì)血管表面的研究發(fā)現(xiàn)，宏觀觀察表面光滑，微觀出現(xiàn)微相分離結(jié)構(gòu)的材料具有優(yōu)良的血液相容性。材料微相分離結(jié)構(gòu)的形成可以體現(xiàn)親水性/疏水性、正負(fù)電荷、結(jié)晶態(tài)/非結(jié)晶態(tài)等結(jié)構(gòu)，在材料表面往往存在著化學(xué)及物理性能的不同，使得材料具有獨(dú)特的

4、性能。 例如，材料大分子鏈上含有聚集態(tài)的親水鏈和疏水鏈時(shí)，可以降低血漿纖維蛋白的吸附，提高材料表面的抗血栓性能。(2)表面電荷 細(xì)胞電泳測(cè)定表明，紅細(xì)胞、白細(xì)胞和血小板表面、蛋白質(zhì)等都帶有負(fù)電荷，血管壁也呈負(fù)電性(-128mV) 。一般認(rèn)為，如果材料表面帶有適量的負(fù)電荷，它可以阻止這些細(xì)胞和蛋白的黏附，具有較好的血液相容性。 但玻璃、陶瓷表面帶有負(fù)電荷卻引起了強(qiáng)烈的血液凝固反應(yīng)，這主要是因?yàn)檫@些負(fù)電荷激活了凝血因子X(jué)II而導(dǎo)致內(nèi)源性凝血，可能與其他材料因素有關(guān)。(3)表面的親水性 如果高聚物的側(cè)基含有親水性基團(tuán)，如-OH、-COOH、-CONH2、-NH、-SO3Na、-SOH等，有利于提高材

5、料的抗凝血作用。主要是因?yàn)橛H水性基團(tuán)所構(gòu)成的親水區(qū)容易黏附白蛋白，對(duì)血小板的黏附有阻礙作用，不易激活凝血系統(tǒng)，從而阻止了血栓的形成；在疏水區(qū)則有選擇性的吸附-球蛋白和纖維蛋白原，吸附之后所引起的蛋白構(gòu)象改變要比親水性表面吸附的蛋白大。(4)表面自由能 1965年Lyman等指出材料表面自由能與凝血所需的界面反應(yīng)能密切相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，材料表面自由能越低，抗凝血性越好。Bayer提出，材料的臨界表面張力為2010-33010-3 N/m時(shí)，材料具有較好的血液相容性。表面改性的方法機(jī)械方法：如機(jī)械表面加工，噴丸，噴砂物理方法：如物理氣相沉積，等離子體濺射、聚合、接枝，等離子體噴涂，離子注入，激光表面

6、處理化學(xué)與電化學(xué)方法：如表面接枝，電化學(xué)拋光、沉積，陽(yáng)極氧化，溶膠-凝膠法，電泳沉積，仿生溶液法，化學(xué)氣相沉積生物學(xué)方法：如結(jié)合生物大分子，表面內(nèi)皮化表面改性的途徑表面形貌的改變生成表面轉(zhuǎn)化層表面施加涂層表面引入活性基團(tuán)、接枝單體和結(jié)合化學(xué)分子表面生物化等離子體簡(jiǎn)介等離子體是氣體經(jīng)電離產(chǎn)生的大量帶電粒子（離子、電子）和激發(fā)態(tài)的中性粒子（原子、分子）所組成的體系，因其總的正、負(fù)電荷數(shù)相同，故稱(chēng)為等離子體，為物質(zhì)的第四態(tài)一一等離子態(tài)。等離子體分為高溫等離子體和低溫等離子體。低溫等離子體是指在直流電弧放電、輝光放電、微波放電、電暈放電、射頻放電等條件下所產(chǎn)生的部分電離氣體，其中由于電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子

7、的質(zhì)量，故電子溫度可以遠(yuǎn)高于離子溫度，離子溫度甚至可以與室溫相當(dāng)。電子的能量也較高(0-20eV)。低溫等離子體中的粒子具有一定的能量，可與材料表面相互作用產(chǎn)生表面反應(yīng)。因此，一般等離子體表面工程用的是低溫等離子體。用于生物醫(yī)用材料表面改性的低溫等離子體表面改性技術(shù)主要包括：等離子體濺射沉積、等離子體注入、等離子體聚合、等離子體接枝、微弧氧化（微等離子體溶液氧化）等。低溫等離子體表面改性具有如下特點(diǎn)：(a)良好的可靠性、重現(xiàn)性、非線性以及低成本，可以應(yīng)用于各種形狀的金屬、聚合物、陶瓷以及復(fù)合材料；(b)在等離子體輔助作用下易于產(chǎn)生活性成分，引發(fā)在常規(guī)化學(xué)反應(yīng)中不能或難以實(shí)現(xiàn)的物理變化和化學(xué)變化

8、；(c)可對(duì)生物醫(yī)用材料和器械表面進(jìn)行消毒處理；(d)工藝簡(jiǎn)單、操作方便、易于控制、對(duì)環(huán)境無(wú)污染。 迄今為止，采用等離子體表面改性技術(shù)的醫(yī)用植入材料和器械主要包括：整體關(guān)節(jié)替換、人工骨、牙科植入體、人造心臟閥、血管支架、人造血管、眼內(nèi)透鏡、人造角膜和人造導(dǎo)管等。 其主要目的是減小摩擦阻力，提高生物相容性，增進(jìn)生物活性和生物惰性，強(qiáng)化抗腐蝕性等。 低溫等離子體表面改性作為一種經(jīng)濟(jì)有效的表面加工技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域顯示出了巨大的優(yōu)越性。9.2 表面形貌的改變機(jī)械微加工，機(jī)械拋光噴丸，噴砂化學(xué)拋光，電化學(xué)拋光等離子濺射清洗、刻蝕，激光刻蝕1、表面機(jī)械納米化 通過(guò)改進(jìn)夾具和機(jī)器構(gòu)造，可以處理板材、棒材、

9、管材、線材及一些形狀不規(guī)則的構(gòu)件。2、電化學(xué)拋光電化學(xué)拋光是在一定電解液中金屬工件作為陽(yáng)極，通電后，表面上顯微及宏觀凸點(diǎn)或粗糙處的高點(diǎn)及毛刺區(qū)的電流密度比表面其余部分大，以較快的速度溶解，從而去除毛刺，使金屬表面平整，光亮度提高。采用電化學(xué)拋光獲得的表面不同于研磨或機(jī)械拋光獲得的表面，該表面無(wú)劃痕、不變形、無(wú)方向性且顯露出金屬的本色。電化學(xué)拋光過(guò)程可以去除表面原有的氧化層，形成新的、薄的化學(xué)均勻性好的氧化層。目前，該技術(shù)在金屬生物醫(yī)用材料表面改性方面獲得了廣泛的應(yīng)用，顯示出機(jī)械拋光及其它表面精加工技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)越性，如效率高、表面無(wú)加工硬化層、耐蝕、美觀等。不銹鋼、鈦及鈦合金及貴金屬等都可以

10、進(jìn)行電化學(xué)拋光。3、等離子體濺射：清洗和刻蝕等離子體濺射是利用氣體放電產(chǎn)生氣體電離，其正離子在電場(chǎng)作用下高速轟擊陰極材料，使其表面的原子被擊出。在生物醫(yī)用材料表面改性方面的應(yīng)用主要分為濺射清洗、濺射刻蝕和濺射鍍膜。濺射清潔：一般是用Ar離子轟擊基體表面，去除表面污染層和氧化物。濺射清潔是氣相沉積沉積薄膜時(shí)常用的預(yù)處理方法，以提高基體與化學(xué)氣相沉積(CVD)或物理氣相沉積(PVD)薄膜的結(jié)合強(qiáng)度。濺射刻蝕目的是為了改變固體表面形態(tài)、化學(xué)成分和價(jià)態(tài)，從而改變它的生物相容性。9.3 生成表面轉(zhuǎn)化層離子注入，等離子體浸沒(méi)離子注入離子滲入激光表面融凝和表面合金化陽(yáng)極氧化，微弧氧化1、離子注入離子注入是指

11、將工件放在離子注入機(jī)的真空室中，在室溫或較低溫度下，施以幾十至幾百千伏的電壓（離子能量在數(shù)萬(wàn)到數(shù)十萬(wàn)電子伏特），準(zhǔn)確地將預(yù)定劑量的高能量離子，注入到材料表面預(yù)定深度，使材料表層的化學(xué)成分和微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，從而改善材料性能。金屬、陶瓷以及高分子材料都可以通過(guò)離子注入來(lái)達(dá)到表面改性的目的。離子注入材料表面改性主要有以下特點(diǎn)：(1)離子注入基體的過(guò)程是一個(gè)非平衡過(guò)程，新合金的形成不受經(jīng)典熱力學(xué)和擴(kuò)散力學(xué)限制，原則上可以將任何元素注入到固體中，注入元素的種類(lèi)、能量和劑量均可選擇，并能精確控制，無(wú)需改變整體材料特性就可形成具有理想特性表面。(2)由于離子是在高能狀態(tài)下強(qiáng)行擠入基體的，因此基體材

12、料不受限制，不受傳統(tǒng)熱力學(xué)、相平衡和固溶度等物理冶金學(xué)因素的制約，可獲得其它方法不能得到的新合金相。(3)注入元素進(jìn)入基體后呈高斯分布，不形成新的界面，沒(méi)有因界面引起的腐蝕、開(kāi)裂、起皮、剝落等其它涂層容易產(chǎn)生的缺陷，從而解決了許多涂層技術(shù)中存在的粘附問(wèn)題和熱膨脹系數(shù)不匹配問(wèn)題。(4)由于離子注入處理可以在接近室溫的條件下進(jìn)行，不存在熱變形問(wèn)題，不需對(duì)零件進(jìn)行再加工或再熱處理。(5)離子注入處理是在高真空條件下進(jìn)行的，不受環(huán)境影響，基體外表沒(méi)有殘留物，能保持原有的外廓尺寸精度和表面光潔度，特別適合于高精密部件的最后工藝。(6)離子注入功率消耗低，以表面合金代替整體合金，節(jié)約大量稀缺金屬和貴重金屬

13、，而且沒(méi)有毒性，利于環(huán)保。離子注入技術(shù)的缺點(diǎn)是注入時(shí)間長(zhǎng)、注入深度淺(0.10.2 um)。傳統(tǒng)的等離子注入技術(shù)存在視線加工等缺點(diǎn)，不適合復(fù)雜形態(tài)構(gòu)件改性。離子注入設(shè)備一次性投資大，成本高，但對(duì)于高附加值的生物醫(yī)用材料而言，卻是切實(shí)可行的。用于生物醫(yī)用材料表面離子注入的元素有碳、氮、硼、氧、氦、氬、磷、鈣、鉭、鈦等，可以是一種元素也可以是多種元素同時(shí)注入。通過(guò)離子注入提高了材料表面的硬度、強(qiáng)度、抗疲勞性、耐磨性、耐腐蝕性和生物相容性等例如，在不銹鋼、鈦合金、Co-Cr-Mo合金表面注入C、N、B等元素的化合物，可有效提高人工骨與人工齒根的耐腐蝕性和耐磨性，并進(jìn)一步改善了生物材料的生物相容性，延

14、長(zhǎng)了人工器官的使用壽命。將-OH、-COOH、-NH2等基團(tuán)注入Al2O3、ZrO2之中，大大提高了惰性生物陶瓷表面的生物活性，改善了生物材料的生物相容性。等離子浸沒(méi)離子注入(PIII)是1987年美國(guó)Conrad教授在普通視線型離子注入基礎(chǔ)上發(fā)明的新技術(shù)。20世紀(jì)90年代初PIII技術(shù)與金屬陰極弧等離子體源技術(shù)相結(jié)合，形成了金屬等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)(MePIII)。PIII和MePIII技術(shù)因無(wú)視線加工限制，并克服了保持劑量問(wèn)題，特別適用于體積較大、形狀復(fù)雜的工件，能保證工件所有暴露表面的加工均勻性。2、離子滲入左：未納米化；右：15min納米化處理表面納米化增加了氮化層厚度316L氮化

15、試樣的截面形貌3、激光表面融凝和表面合金化激光表面改性得到了較大的發(fā)展。它是利用激光的高輻射亮度、高方向性、高單色性特點(diǎn)，作用于金屬或合金材料表面，當(dāng)激光束經(jīng)聚焦后，能在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生幾千度或上萬(wàn)度的高溫，因此幾乎能熔化所有的材料，顯著改善材料表面性能，如硬度、強(qiáng)度、耐磨性和耐蝕性。用于激光表面改性加工的激光束的功率密度達(dá)到103-1011 w/cm2，它與材料相互作用，具有能量密度高、非接觸式加熱、熱影響區(qū)小、工藝可控性好、便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制等優(yōu)點(diǎn)。 激光表面融凝是利用激光束照射到金屬表面使其表面薄層熔化，在光束移開(kāi)后熔化的金屬快速凝固，組織得以細(xì)化，成分偏析減少，缺陷率降低，凝固組織中呈現(xiàn)高

16、的壓應(yīng)力狀態(tài)，從而大幅度提高材料表面的耐腐蝕性、耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度。 激光表面合金化包括兩種：一是激光粉末合金化，另一是激光氣體合金化。 激光粉末合金化是利用高能激光束加熱并熔化基體表層及添加合金元素，使其混合后迅速凝固，從而形成以原基體為基的新的表面合金層。與其它合金化方式相比，激光表面合金化速度快，可能實(shí)現(xiàn)合金體系范圍寬、性能調(diào)節(jié)幅度大，合金與基體之間的一種冶金結(jié)合。 Richter等采用激光表面改性技術(shù)對(duì)鈦合金表面進(jìn)行了Si合金化處理，得到了晶粒大小為75 nm的Ti5Si3，它是所有Si-Ti系穩(wěn)定相中熔點(diǎn)最高的化合物。激光氣體合金化中應(yīng)用最多的是以鈦和鈦合金為基體，在氮?dú)猸h(huán)境中利用激

17、光加熱在材料的表面形成氮化層，改善材料的耐磨、耐蝕和抗疲勞性能，另外還可以降低材料中有害離子的析出，提高材料的生物相容性。Cui等采用激光表面氮化技術(shù)對(duì)TiNi合金表面進(jìn)行了處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)氮化處理后在TiNi合金表面得到了一層連續(xù)的無(wú)裂紋的TiN膜層，在Hanks溶液中Ni離子析出量顯著下降。4、微弧氧化微弧氧化又稱(chēng)為等離子體電解沉積( PED)、陽(yáng)極火花沉積(ASD)、火花陽(yáng)極氧化(ANOF)、等離子電解液氧化(PEO)、微弧放電氧化(MOD)、等離子體微弧放電氧化。在特定的電解液中，如果陰陽(yáng)極之間的電壓超過(guò)一定范圍，就會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象，在電解液中產(chǎn)生“等離子體”。此時(shí)，在陽(yáng)極上可以觀察到大量

18、不同強(qiáng)度的電火花。擊穿區(qū)（在電解水溶液中）的局部溫度可達(dá)到幾千度，而電弧顯微容積內(nèi)的壓力可達(dá)到100 MPa，而且擊穿區(qū)的局部還存在高的電場(chǎng)強(qiáng)度。 如此高的能量作用于電極上，為引發(fā)和進(jìn)行各種熱化學(xué)反應(yīng)及電化學(xué)反應(yīng)，包括電解質(zhì)成分的熱分解，創(chuàng)造了有利的條件。因此，不僅電極的化學(xué)元素，而且電解質(zhì)的成分都可參與在陽(yáng)極表面形成陽(yáng)極膜的反應(yīng)。通過(guò)調(diào)節(jié)電解質(zhì)的pH值和成分，陽(yáng)極鍍膜層的形成電位，就可能在足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)改變陽(yáng)極鍍層的微觀組織結(jié)構(gòu)和性能。9.4 表面施加涂層溶膠-凝膠法，仿生溶液法，自組裝單層電化學(xué)沉積，電泳沉積真空鍍膜法：物理氣相沉積PVD，化學(xué)氣相沉積CVD，等離子體化學(xué)氣相沉積PCVD，

19、離子束輔助沉積IBED，等離子體浸沒(méi)離子注入-沉積PIIID等離子噴涂脈沖激光沉積，激光熔覆等離子體聚合1、溶膠一凝膠法溶膠一凝膠法是指金屬有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物經(jīng)過(guò)溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)熱處理而形成氧化物或其它化合物固體的方法。這種方法的特點(diǎn)為純度高，均勻度好，可有效控制薄膜成分和微觀結(jié)構(gòu)，低溫易操作，工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，可以在各種不同形狀、不同材料的基體上制備大面積薄膜，甚至可以在粉末材料的顆粒表面制備一層包覆膜等，是目前制備無(wú)機(jī)薄膜普遍采用的一種方法。有機(jī)醇鹽水解法是溶膠一凝膠技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的一種方法。常采用金屬醇鹽為前驅(qū)體溶于溶劑（水或有機(jī)溶劑）中形成均勻的溶液，溶質(zhì)與溶劑間發(fā)生水解或醇解

20、反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物聚集成幾到幾十納米左右的粒子并形成溶膠。以金屬醇鹽為前驅(qū)體的溶膠一凝膠過(guò)程包括水解和縮聚兩個(gè)過(guò)程，反應(yīng)生成物是各種尺寸和結(jié)構(gòu)的膠體粒子采用溶膠一凝膠工藝制備薄膜的方法有浸漬法、轉(zhuǎn)盤(pán)法、噴涂法等。浸漬法是將洗凈的基片浸入預(yù)先制備好的溶膠中，然后以精確控制的均勻速度將基片平穩(wěn)地從溶膠中提拉上來(lái)，在粘度和重力作用下基片表面形成一層均勻的液膜，接著溶劑迅速蒸發(fā)，于是附著在基片表面的溶膠迅速凝膠化而形成一層凝膠膜。轉(zhuǎn)盤(pán)法是在均膠機(jī)上進(jìn)行，將基片水平固定于均膠機(jī)上，滴管垂直于基片并固定在基片正上方，將準(zhǔn)備好的溶膠液通過(guò)滴管滴在勻速旋轉(zhuǎn)的基片上，在均膠機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下溶膠迅速均勻地鋪展

21、在基片表面。噴涂法是先將洗凈的基片放到專(zhuān)用加熱爐內(nèi)，加熱溫度通常為350-500，然后用專(zhuān)用噴槍以一定的壓力和速度將溶膠噴至熱的基片表面形成凝膠膜。薄膜的厚度取決于溶膠的濃度、壓力、噴槍的速度和噴涂時(shí)間。在基體上涂上薄膜后，要對(duì)凝膠進(jìn)行干燥處理。干燥速度是成膜好壞的關(guān)鍵。干燥過(guò)快會(huì)因聚合結(jié)構(gòu)中液體蒸發(fā)過(guò)快，使凝膠因膨脹承受很大壓力導(dǎo)致破碎。采用紅外及微波干燥有利于除去包裹在凝膠內(nèi)部孔隙內(nèi)的液體。為了減少開(kāi)裂，還可采用超臨界干燥、冰凍干燥以及增加凝膠強(qiáng)度等方法，以抵消或減少表面張力的作用。熱處理后，凝膠膜實(shí)現(xiàn)了向陶瓷膜的轉(zhuǎn)化，性能也發(fā)生了很大的變化，因此熱處理是陶瓷膜制備的關(guān)鍵。溶膠一凝膠方法也

22、存在一些缺點(diǎn)：干燥過(guò)程中由于溶劑蒸發(fā)產(chǎn)生殘余應(yīng)力導(dǎo)致薄膜容易龜裂；焙燒時(shí)由于有機(jī)物的揮發(fā)及聚合骨架的破壞，易導(dǎo)致薄膜龜裂出現(xiàn)裂縫，甚至脫落；薄膜的內(nèi)應(yīng)力限制了薄膜的厚度；溶膠的黏度、溫度、濃度和機(jī)體的波動(dòng)等因素影響薄膜的制備質(zhì)量；由于機(jī)體比較光滑，薄膜與機(jī)體之間作用力小，薄膜的牢固性差。2、仿生溶液法自從Kokubo研究小組最早采用仿生溶液法在不同基體表面獲得了磷灰石涂層。迄今為止，有關(guān)仿生溶液制備方法很多，根據(jù)預(yù)處理的方法不同可分為以下四種：機(jī)械拋光：光滑表面和粗糙表面對(duì)Ca -P的異相形核影響基本相同，但對(duì)于晶粒長(zhǎng)大卻有很大影響，在光滑表面涂層局部剝離，而對(duì)于粗糙表面涂層則均勻覆蓋整個(gè)基體

23、表面，有利于Ca -P層的生長(zhǎng)；二氧化鈦法；研究最多，根據(jù)表面處理方式的不同可分為：酸處理法；堿處理法；酸一堿兩步處理法；雙氧水處理法；復(fù)合法。自組裝單層法：它是模擬自然界磷灰石礦物的形核起始于陽(yáng)離子被吸收到相關(guān)生物大分子的負(fù)電荷官能團(tuán)位置的礦化過(guò)程，用于完成金屬表面官能化的物質(zhì)有烷鏈硅烷、烷鏈硫醇、N-炔酸和烷基磷酸等的自集合單層；在過(guò)飽和鈣化溶液中加入某種玻璃，促進(jìn)形核。H.M. KIM, JMSM, 1997,8:341T. Kokubo, JMSM, 2004,15:99其基本原理是基于以下事實(shí)：首先經(jīng)過(guò)表面處理的金屬在溶液中OH-總是存在于TiO表面；其次，處理后的金屬表面會(huì)形成很多

24、微孔使表面積增大，因此會(huì)吸附更多的OH-基團(tuán)，而羥基基團(tuán)的存在是鈦凝膠生物活性的主要原因；另外，在生物礦化系統(tǒng)中，凹陷的表面比平的和凸起表面更有利于無(wú)機(jī)礦化相形核。3、電化學(xué)沉積電化學(xué)沉積技術(shù)就是用電化學(xué)的方法，通過(guò)調(diào)節(jié)電解液的濃度、pH、反應(yīng)溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度，電流等來(lái)控制反應(yīng)的制備方法，包括電沉積技術(shù)和電泳沉積技術(shù)等。它們的優(yōu)點(diǎn)在于生物陶瓷涂層可在溫和條件下進(jìn)行，基體和涂層界面不存在熱應(yīng)力問(wèn)題，避免了高溫噴涂引起的相變和脆性斷裂。由于電化學(xué)是非線性過(guò)程，所以在形狀復(fù)雜和表面多孔的基體材料上可以制備均勻的生物陶瓷涂層，該方法所需設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便。電沉積技術(shù)是在含有Ca2+和H3PO4的溶液中，

25、以石墨棒為陽(yáng)極，金屬基體為陰極，控制一定的電極電位，并適當(dāng)調(diào)節(jié)pH，在陰極表面上沉積出磷酸鈣類(lèi)生物活性陶瓷。例如，HAP晶體呈針狀結(jié)構(gòu)，晶粒隨電流密度和主鹽濃度的增加而變粗；晶體結(jié)構(gòu)隨電解液溫度的升高出現(xiàn)鱗片狀結(jié)構(gòu)和針狀結(jié)構(gòu)共存的現(xiàn)象。另外，還可通過(guò)提高堿液處理的溫度和濃度來(lái)加快HAP的轉(zhuǎn)變速度。電泳沉積技術(shù)是指懸浮液中帶電荷的固體微粒在電場(chǎng)作用下發(fā)生定向移動(dòng)并在電極表面形成沉積層的過(guò)程。電泳沉積實(shí)際上是由電泳和沉積兩個(gè)過(guò)程聯(lián)合組成。電泳是指懸浮于溶液中的帶電粒子在電場(chǎng)的作用下發(fā)生定向移動(dòng)的現(xiàn)象。幾乎所有的固體顆粒都可以采用電泳的方法在電極表面沉積，故利用電泳沉積可以使懸浮顆粒沉積在金屬、陶瓷

26、、有機(jī)材料等電極表面上。電泳沉積技術(shù)一般是將鉑作為陽(yáng)極，金屬基體作為陰極，兩者保持一定的距離浸入含有涂層材料成分的乙醇溶液中，通直流電，采用不同的電場(chǎng)強(qiáng)度和沉積時(shí)間可以得到致密或多孔、厚度各異的涂層。4、物理沉積鍍膜真空鍍膜分為物理氣相沉積PVD（包括蒸發(fā)、濺射、離子鍍、離子束輔助沉積，等離子體浸沒(méi)離子注入-沉積PIIID等）和化學(xué)氣相沉積CVD（包括等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PCVD）兩大類(lèi)。5、化學(xué)氣相沉積鍍膜化學(xué)氣相沉積是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉積物的工藝過(guò)程。它一般包括三個(gè)步驟：產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)；將揮發(fā)性物質(zhì)輸運(yùn)到沉積區(qū)；與基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成固態(tài)產(chǎn)物?；瘜W(xué)氣相沉積法

27、具有如下特點(diǎn)：沉積種類(lèi)多，可以沉積金屬、碳化物、氮化物、氧化物和硼化物等；繞鍍性好，能均勻涂覆幾何形狀復(fù)雜的零件；涂層和基體結(jié)合牢固；設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。但由于工作溫度過(guò)高（1 000C左右），限制了它的應(yīng)用范圍。等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積( PECVD)是利用射頻、直流或微波放電，使反應(yīng)氣體等離子化，以促進(jìn)反應(yīng)的方法。它具有沉積溫度低、繞鍍性好、結(jié)合力高等優(yōu)點(diǎn)，具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和前景。其主要缺點(diǎn)是成本較傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積方法高，但并不影響其在高附加值的生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，采用等離子化學(xué)氣相沉積方法對(duì)醫(yī)療器械進(jìn)行改性的薄膜主要有DLC和TiN薄膜。在Ti-6AI-4V表面沉積金剛石涂

28、層，是用氫含量較高、揮發(fā)性較低的碳?xì)浠衔镒鳛榛罨瘹怏w，進(jìn)行材料表面改性，并取得很好的效果。另外，也可在不銹鋼上鍍有類(lèi)金剛石碳，制備出具有優(yōu)良力學(xué)性能和生物相容性的生物材料。6、等離子噴涂等離子體噴涂技術(shù)已成為目前工藝較成熟、應(yīng)用較普遍的一種有效方法。它是利用噴槍上兩個(gè)直流電極間產(chǎn)生的電弧，通過(guò)電極間的氣體電離形成熱等離子流，粉末在等離子流中加熱熔融，并被高速?lài)娚涞浇饘倩w表面形成涂層。采用等離子噴涂方法，涂有生物活性HAP涂層的金屬基體與骨組織結(jié)合緊密，生物相容性更好，同時(shí)仍保留了金屬材料良好的力學(xué)性能。研究表明，HAP涂層和基體的結(jié)合是以機(jī)械結(jié)合為主，并存在有冶金化學(xué)結(jié)合的形式。7、激光表

29、面涂層激光熔覆脈沖激光沉積激光表面熔覆是把所需配制設(shè)計(jì)的合金粉末，經(jīng)激光熔化，成熔覆層的主體合金，熔覆層與基體金屬有一薄層熔化，并構(gòu)成冶金結(jié)合的一種激光表面處理技術(shù)。自1974年首次實(shí)現(xiàn)激光熔覆以來(lái)，該技術(shù)一直是激光表面改性技術(shù)的熱點(diǎn)。激光生物陶瓷涂層組織細(xì)小，具有一定程度的擇優(yōu)取向，涂層與基體之間的結(jié)合為化學(xué)冶金結(jié)合，涂層的結(jié)構(gòu)和厚度容易控制，能獲得致密、無(wú)裂紋和結(jié)晶細(xì)致的陶瓷涂層。脈沖激光沉積是利用脈沖激光照射并使生物陶瓷材料瞬間蒸發(fā)，然后沉積到基體材料表面上，以形成各種生物陶瓷涂層的技術(shù)。在鈦合金表面制備活性生物陶瓷涂層如羥基磷灰石、生物活性玻璃涂層，可獲得結(jié)合強(qiáng)度很好的改性層。不同的激

30、光波長(zhǎng)、能量密度、沉積溫度、工作室真空度等因素都對(duì)沉積層的結(jié)構(gòu)和性能有明顯的影響。通過(guò)控制沉積層的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，可以得到不同的涂層，這也是脈沖激光沉積法的一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。8、等離子體聚合等離子體表面聚合是利用放電將有機(jī)類(lèi)氣態(tài)單體等離子化，產(chǎn)生各類(lèi)活性基團(tuán)，這些活性基團(tuán)之間或活性基團(tuán)與單體之間進(jìn)行加成反應(yīng)形成聚合膜。一般是在真空室中通入單體氣體，在射頻振蕩器的作用下被電離化形成等離子體，自由電子具有較高的能量，通過(guò)碰撞產(chǎn)生大量氫原子、自由基等，由于這些基團(tuán)活性很高，故可進(jìn)行聚合反應(yīng)，也可在鏈增長(zhǎng)的過(guò)程中，又受到電子的撞擊，在主鏈的隨機(jī)位置上產(chǎn)生自由基，形成支化或交聯(lián)，從而獲得網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合膜。

31、例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)早在20世紀(jì)40年代就被用作隱形眼鏡材料進(jìn)行應(yīng)用。但是PMMA的親水性欠佳，氧氣通透性差，佩戴不適，嚴(yán)重者還可引起并發(fā)癥。為了改善其性能，可利用乙炔、水、氮?dú)馍傻牡入x子聚合膜涂覆在甲基丙烯酸甲酯接觸透鏡上，其親水性有所提高，同時(shí)也減少了透鏡與角膜上皮細(xì)胞的粘連。9.5 表面引入活性基團(tuán)、接枝單體和結(jié)合化學(xué)分子表面活性基團(tuán)的引入化學(xué)接枝物理接枝等離子體接枝1、表面活性基團(tuán)的引入利用高聚物基體材料中已有的基團(tuán)或通過(guò)主鏈側(cè)基上某些反應(yīng)活性高的基團(tuán)或原子，可以使高聚物表面產(chǎn)生小分子功能基團(tuán)，發(fā)揮其生物學(xué)作用。例如，常用的聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)，其主鏈比較穩(wěn)定

32、?？赏ㄟ^(guò)表面氧化引入羥基等功能基團(tuán)；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在堿性溶液中部分水解使表面產(chǎn)生羧基，與二元胺反應(yīng)在材料表面引入氨基，這些活性基團(tuán)的引入，都可提高材料的親水性和改善材料的生物相容性。等離子體表面處理主要是利用非聚合性的無(wú)機(jī)氣體（如O2、N2、H2、Ar、氨、水等）產(chǎn)生的等離子體對(duì)高聚物材料進(jìn)行表面處理，在高分子材料表面引入各種功能基團(tuán)(-OH、-COOH、-NH2等)。例如，通過(guò)等離子體處理引入含氮基團(tuán)（如NH2等），不僅可提高材料表面的親水性，而且此氨基在生理pH環(huán)境下由于質(zhì)子化作用而帶上正電荷，有利于吸附帶負(fù)電荷的細(xì)胞。此外，含氮基團(tuán)可與血漿中的細(xì)胞黏附蛋白等通過(guò)氫鍵結(jié)合，進(jìn)

33、一步促進(jìn)了細(xì)胞在材料表面的黏附與生長(zhǎng)。但是，用等離子體對(duì)材料進(jìn)行表面處理時(shí)，也使高聚物表面產(chǎn)生刻蝕和粗糙化。利用材料表面產(chǎn)生的活性基團(tuán)還可以進(jìn)行單體接枝和固定生物活性分子，得到相應(yīng)功能的材料表面。2、化學(xué)接枝化學(xué)接枝方法是利用材料表面的反應(yīng)基團(tuán)與被接枝的單體或大分子鏈發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)表面接枝，包括偶聯(lián)接枝、化學(xué)或臭氧引發(fā)接枝。偶聯(lián)接枝是指被接枝的高聚物表面反應(yīng)基團(tuán)與接枝高聚物上的基團(tuán)之間所進(jìn)行的反應(yīng)可通過(guò)某種物質(zhì)偶聯(lián)而實(shí)現(xiàn)。例如，通過(guò)二異氰酸酯在聚氨酯表面接枝聚甲基丙烯酸羥乙酯，改善了血液相容性。使用六甲基二異氰酸酯，在乙烯一乙烯醇共聚物表面引入異氰酸根，可再將葡聚糖或氨基葡聚糖引入高聚物表

34、面，提高了親水性和生物相容性?；瘜W(xué)引發(fā)接枝是通過(guò)化學(xué)試劑與高聚物表面的組分發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生活性中心，從而引發(fā)單體的聚合。例如，將含有偶氮基團(tuán)的單體與高聚物表面的羥基反應(yīng)并引入高聚物表面，這可通過(guò)偶氮基團(tuán)的熱分解引發(fā)單體在高聚物表面的聚合。臭氧引發(fā)接枝是將材料首先置于臭氧之中，材料表面會(huì)生成過(guò)氧化物，過(guò)氧化物分解產(chǎn)生自由基以引發(fā)單體在材料表面的接枝聚合。臭氧引發(fā)接枝的優(yōu)點(diǎn)在于能處理復(fù)雜的表面形狀，不管材料的表面形狀如何，均可在材料表面均勻地引入一層過(guò)氧活潑基團(tuán)，設(shè)備簡(jiǎn)單、易操作、適用性廣。Noijri Chisato等利用臭氧處理醫(yī)用聚氨酯表面之后，可接枝肝素，使得材料表面的抗凝血性有所提高。化學(xué)

35、接枝工藝復(fù)雜，反應(yīng)受容器的限制，對(duì)大型制件處理較為困難，所以這一方法的使用會(huì)受到一定的限制。3、物理接枝輻射接枝是指利用高能輻射（射線、 射線、 射線及X射線等）使高聚物表面或本體產(chǎn)生大量的自由基或離子化的活性中心，再由該活性中心引發(fā)單體的接枝聚合。高能輻射同時(shí)可以改變材料表面的微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致拓?fù)湫蚊?，并引起濕?rùn)性和生物相容性的變化。輻射接枝與化學(xué)接枝方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：具有特效性，輻射接枝可在較厚的高聚物中均勻進(jìn)行，又可限制在材料表面層或一定的厚度內(nèi)進(jìn)行；由于高能電離輻射能被物質(zhì)非選擇性的吸收，又不受溫度和分子結(jié)構(gòu)的限制，所以通過(guò)接枝可得到預(yù)期結(jié)構(gòu)的高聚物；輻射接枝不需加入引發(fā)劑之類(lèi)的添加劑

36、，故可制成適合于某些特殊用途的高純材料；輻射接枝一般可在常溫下進(jìn)行，重復(fù)性較好，速度快，容易操作和掌握，安全可靠。輻射接枝方法依賴(lài)于輻射源，所以對(duì)于許多材料的改性會(huì)受到一定的限制。光化學(xué)法是利用紫外線或可見(jiàn)光（波長(zhǎng)200- 800nm）照射產(chǎn)生一系列光化學(xué)反應(yīng)而固定生物分子，其中紫外線光接枝是主要的方式。紫外線光接枝是通過(guò)紫外光(波長(zhǎng)200-400nm，能量達(dá)300 - 600kJ/mol)照射材料表面產(chǎn)生自由基，然后引發(fā)單體在表面形成接枝聚合。大多數(shù)表面光接枝屬于自由基反應(yīng)，所以只有含不飽和鍵的單體適合于光接枝。紫外光對(duì)材料的穿透力比高能輻射差，接技聚合可嚴(yán)格地限定在材料的表面或亞表面進(jìn)行，

37、故改性反應(yīng)僅發(fā)生在材料表面50 -100nm深度內(nèi)，不影響材料本體性能，還具有反應(yīng)速度快、反應(yīng)程度易控制、操作簡(jiǎn)單、成本較低和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。例如，目前用甲基丙烯酸二甲胺基乙酯(DMA)、丙烯酸羥乙酯(HEA)、丙烯酰胺(AAM)等功能基團(tuán)在聚氨酯表面接枝，分別得到了氨基化、羥基化、羧基化、酰胺化以及陽(yáng)離子化聚氨酯表面，改善了細(xì)胞的黏附和生長(zhǎng)，進(jìn)一步提高了聚氨酯的生物相容性。白功健等人在聚乙烯(PE)膜表面利用紫外光接枝上甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)，然后再與肝素或魚(yú)精蛋白反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了肝素或魚(yú)精蛋白在材料表面的固定，大大提高了PE的血液相容性，特別是抗凝血性。GMA是一種使用較多的不飽和單體

38、，它帶有的活性環(huán)氧基可與許多生物活性物質(zhì)上的氨基、羥基等反應(yīng)，達(dá)到固定生物活性物質(zhì)的目的。4、等離子體接枝等離子體接枝是利用O2、N2、NH3等反應(yīng)性氣體，經(jīng)過(guò)等離子體技術(shù)處理后，材料表面會(huì)產(chǎn)生一定量的活性基團(tuán)如過(guò)氧基、胺基等，形成活性中心，然后與帶有特定官能團(tuán)的單體接觸，引發(fā)單體與基團(tuán)的接枝聚合，或者固定生物活性分子。等離子體技術(shù)所用的能量低，改性層被嚴(yán)格限制在材料表面（通常幾個(gè)納米），對(duì)材料本體性能的影響小，改性條件容易改變和控制，是提高聚合物生物相容性的一種有效方法。用等離子體技術(shù)在聚氨酯(PU)上接枝帶有羧基基團(tuán)的丙交酯，發(fā)現(xiàn)成纖維細(xì)胞在接枝后的PU表面比較分散，黏附能力有明顯的提高。

39、在硅橡膠(SR)上用等離子體引發(fā)接枝丙烯酸后，再將膠原接枝到聚丙烯酸的羥基上，細(xì)胞在接枝后的SR上的吸附和生長(zhǎng)能力明顯提高。采用氬等離子誘導(dǎo)聚合方法在聚四氟乙烯表面接枝聚甲基丙烯酸甲酯(PEGMA) ，提高了親水性，有效阻止了牛血清白蛋白的吸附。等離子接枝技術(shù)用于直接在材料表面固定抗血栓物質(zhì)如內(nèi)皮細(xì)胞、白蛋白、磷脂聚合物及其共聚物、強(qiáng)疏水和強(qiáng)親水性物質(zhì)、肝素等，以提高材料的血液相容性，還廣泛用于組織工程。9.6 表面生物化所謂生物化就是用天然生物材料制成人工器官或用諸如蛋白、多肽、明膠、細(xì)胞生長(zhǎng)因子等生物大分子物質(zhì)固定于生物材料表面，充當(dāng)臨近細(xì)胞、基質(zhì)、可溶性因子的受體，使表面形成一個(gè)能與生物

40、活體相適應(yīng)的過(guò)渡層。它不僅不會(huì)影響高聚物材料的基體性能，而且還基本保證了所固定的生物大分子的活性，使得高分子材料獲得良好的生物相容性。1、使用天然生物材料由于天然生物材料都具有免疫原性，所以在應(yīng)用之前必須進(jìn)行生物滅活，最常用的方法是用戊二醛處理。例如，美國(guó)Good year TyreL&Rubber公司制備的聚烯烴橡膠，在其表面涂一層明膠，隨后再將聚烯烴橡膠浸入戊二醛溶液之中，經(jīng)這一生物化處理，可得到較為理想的血液相容性的生物化材料，并已制成人工心臟隔膜應(yīng)用于臨床。2、使用RGD多肽鏈研究表明，材料與細(xì)胞表面受體之間的反應(yīng)主要與細(xì)胞外基質(zhì)上3-20個(gè)氨基酸的多肽鏈有關(guān)。若在材料表面直接固定多肽

41、，可以促進(jìn)受體細(xì)胞的黏附，從而提高材料的生物相容性，目前主要使用RGD(Arg-Gly-Asp，精氨酸一甘氨酸一天冬氨酸)。RGD可與黏附蛋白受體特異性結(jié)合，在生物材料表面自發(fā)形成一分子層，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞黏附和伸展。例如，將RGD固定在非降解的高分子材料表面（如聚對(duì)苯二甲酸乙二酯、聚四氟乙烯、聚丙烯酰胺、聚氨酯等）和可降解的高分子材料表面（如聚乳酸、透明質(zhì)酸等），都可以提高細(xì)胞黏附能力。3、引入生物活性分子生物材料表面引入生物活性分子是提高生物相容性的一種重要方法。高聚物表面通過(guò)物理方法（如光偶聯(lián)、物理吸附等）或化學(xué)固定（如共價(jià)鍵）與一些具有生物活性的抗凝血物質(zhì)結(jié)合，可提高材料的抗凝血性能。物理吸附是指通過(guò)靜電吸附作用將含有負(fù)電荷的生物活性分子固定于材料中帶正電荷的部位?；瘜W(xué)固定是指將生物活性分子中的某些基團(tuán)與材料表面的反應(yīng)性基團(tuán)通過(guò)化學(xué)鍵合，使其牢固地固定在材料的表面。材料表面肝素化例如，大量研究表明，低分子肝素可以在保持抗