1、生物醫(yī)用材料系列6-生物醫(yī)用材料表面改性v 生物材料長期（或臨時）與人體接觸時，必須充分滿生物材料長期（或臨時）與人體接觸時，必須充分滿足與生物體環(huán)境的足與生物體環(huán)境的相容性相容性，即生物體不發(fā)生任何，即生物體不發(fā)生任何毒性毒性、致敏致敏、炎癥炎癥、致癌致癌、血栓血栓等不良生物反應等不良生物反應. .v 這些都取決于這些都取決于材料表面與生物體環(huán)境的相互作用材料表面與生物體環(huán)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質表面性質，是改善和促進材料，是改善和促進材料表面與生物體之間的有利相互作用、抑制不利的相互表面與生物體之間的有利相互作用、抑制不利的相互作用的關鍵途徑。作用

2、的關鍵途徑。 影響影響材料與生物體之間的相互作用的因素有：材料與生物體之間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、結構、結構、表面形貌、表面形貌、表面的能量狀態(tài)、表面的能量狀態(tài)、親（疏）水性、親（疏）水性、表面電荷、表面電荷、表面的導電特征等表面化學、物理及力學特性表面的導電特征等表面化學、物理及力學特性 1. 表面形貌與生物相容性表面形貌與生物相容性 生物材料的生物相容性與材料的表面形態(tài)密切相關。生物材料的生物相容性與材料的表面形態(tài)密切相關。 (1)平整光潔的材料表面：平整光潔的材料表面： 與組織接觸后，周圍形成一層較厚的與材料無與組織接觸后，周圍形成一層較厚的與材料無

3、結合的包囊組織。由成纖維細胞平行排列而成，容結合的包囊組織。由成纖維細胞平行排列而成，容易形成炎癥和腫瘤。易形成炎癥和腫瘤。 (2)(2)粗糙的材料表面：粗糙的材料表面： 促使細胞和組織與材料表面附著和緊密結合。促使細胞和組織與材料表面附著和緊密結合。粗糙表面對于細胞、組織的作用并不完全是增加接粗糙表面對于細胞、組織的作用并不完全是增加接觸面積，而是粗糙表面擇優(yōu)粘附成骨細胞、上皮細觸面積，而是粗糙表面擇優(yōu)粘附成骨細胞、上皮細胞。胞。 “接觸誘導接觸誘導”(contact guidance)(contact guidance)作用作用 即細胞在材料表面的生長形態(tài)受材料表面形態(tài)即細胞在材料表面的生

4、長形態(tài)受材料表面形態(tài)的調控，例如的調控，例如平行犁溝狀表面平行犁溝狀表面 成纖維細胞沿溝成纖維細胞沿溝取向生長取向生長。已發(fā)現(xiàn)。已發(fā)現(xiàn) 上皮細胞、上皮細胞、 成纖維細胞、成纖維細胞、 神經(jīng)軸突、神經(jīng)軸突、 成骨細胞等均存在成骨細胞等均存在“接觸誘導接觸誘導”效應。效應。 在隨后的組織生長過程中，材料的表面粗糙度為在隨后的組織生長過程中，材料的表面粗糙度為1 1um3 3um時，時，顯著促進細胞在材料表面的附著和生長，顯著促進細胞在材料表面的附著和生長，降低包囊組織的厚度，降低包囊組織的厚度， 更粗糙和更光滑的表面則無此效應。更粗糙和更光滑的表面則無此效應。這種作用與這種作用與材料性能無關材料性

5、能無關。 對于與骨接觸的醫(yī)用生物材料對于與骨接觸的醫(yī)用生物材料 與骨接觸的材料表面具有一定粗糙度可促進骨與與骨接觸的材料表面具有一定粗糙度可促進骨與材料的接觸，可顯著材料的接觸，可顯著促進礦化作用促進礦化作用。 從從增加界面結合性能增加界面結合性能的角度考慮，若植入表面的角度考慮，若植入表面多孔，如多孔的金屬人工關節(jié)、多孔的陶瓷人工骨多孔，如多孔的金屬人工關節(jié)、多孔的陶瓷人工骨（表面存在）將顯著促進組織長入，當孔徑超過（表面存在）將顯著促進組織長入，當孔徑超過100100um時有利于形成骨芽細胞和骨組織長入。時有利于形成骨芽細胞和骨組織長入。 但是需要考慮多孔結構對材料但是需要考慮多孔結構對材

6、料力學強度力學強度的影響，的影響，尤其是對尤其是對疲勞性能疲勞性能的不利影響。的不利影響。 對于與血液接觸的醫(yī)用生物材料對于與血液接觸的醫(yī)用生物材料 一般要求材料的表面應盡可能一般要求材料的表面應盡可能光滑光滑。 因為光滑的表面與粗糙的表面相比，產(chǎn)生的因為光滑的表面與粗糙的表面相比，產(chǎn)生的激肽激肽釋放酶少釋放酶少，從而，從而使凝血因子轉變較小使凝血因子轉變較小。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多孔表面有已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多孔表面有促進內皮細胞生長促進內皮細胞生長的作用的作用聚四氟乙烯人工血管內腔有許多聚四氟乙烯人工血管內腔有許多60609090um的小孔的小孔 內皮細胞均勻覆蓋血管內腔內皮細胞均勻覆蓋血管內腔 良好抗凝血良好

7、抗凝血效果。效果。表面孔徑表面孔徑降低為降低為10103030um 內皮細胞部分覆蓋內皮細胞部分覆蓋 抗凝血效果降低抗凝血效果降低。 但是內表面多孔人工血管但是內表面多孔人工血管長期使用時易于破損長期使用時易于破損、失效率較高失效率較高，這個問題還有待解決。，這個問題還有待解決。 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： 用精密的機械加工方法在材料表面加工出約用精密的機械加工方法在材料表面加工出約500um尺寸的螺線、臺階和孔等。尺寸的螺線、臺階和孔等。用微機械和微刻蝕技術獲得用微機械和微刻蝕技術獲得3um10um深度深度且距且距離和形狀均可精確控制的粗糙表面；

8、離和形狀均可精確控制的粗糙表面；用等離子體噴涂復型方法及離子束轟擊方法，用等離子體噴涂復型方法及離子束轟擊方法，能獲得精確的表面顯微形貌。能獲得精確的表面顯微形貌。? ? 現(xiàn)狀現(xiàn)狀: :已建立材料表面形貌與細胞、組織黏已建立材料表面形貌與細胞、組織黏 附行為之間的關系；附行為之間的關系；方向方向從分子水平上研究材料表面形貌對細胞形態(tài)從分子水平上研究材料表面形貌對細胞形態(tài)與功能的影響；與功能的影響；研究材料表面形貌對基因表達的影響。研究材料表面形貌對基因表達的影響。2 .生物醫(yī)用材料的表面修飾生物醫(yī)用材料的表面修飾 材料表面修飾是材料改性材料表面修飾是材料改性最直接方法最直接方法。 作為人體的一

9、部分，正常人體器官充分參與了人作為人體的一部分，正常人體器官充分參與了人體系統(tǒng)的體系統(tǒng)的物質、能量及信息交換物質、能量及信息交換，因而能被人體，因而能被人體系統(tǒng)自然地接受和調控。系統(tǒng)自然地接受和調控。 作為植入體的人工器官則難以完全實現(xiàn)上述各種作為植入體的人工器官則難以完全實現(xiàn)上述各種形式的物質交換，容易被人體系統(tǒng)視作形式的物質交換，容易被人體系統(tǒng)視作異物異物，因，因而產(chǎn)生各種排斥反應。而產(chǎn)生各種排斥反應。表面修飾定義：表面修飾定義： 在對生物醫(yī)用材料與生物體相互作用認識的逐漸深在對生物醫(yī)用材料與生物體相互作用認識的逐漸深入，尤其是對入，尤其是對分子水平上的信息傳遞與識別分子水平上的信息傳遞與

10、識別的逐漸了解的逐漸了解的基礎上，的基礎上，設計和制備出具有類似于生物體的表面結構，設計和制備出具有類似于生物體的表面結構，通常將這類工作稱為通常將這類工作稱為表面修飾表面修飾。目的：目的： 研究制作能夠避免被體系識別為異物的人工器官。研究制作能夠避免被體系識別為異物的人工器官。進行表面修飾的幾種方法：進行表面修飾的幾種方法： (I)(I)種植內皮細胞種植內皮細胞 理論依據(jù)：理論依據(jù)：正常血管的血管壁表面內皮細胞層，是維持血管表面正常血管的血管壁表面內皮細胞層，是維持血管表面不發(fā)生凝血的重要組織。不發(fā)生凝血的重要組織。種植了內皮細胞的人工血管具有抑制血小板激活的作種植了內皮細胞的人工血管具有抑

11、制血小板激活的作用。用。內皮細胞化的人工血管比純人工血管內皮細胞化的人工血管比純人工血管釋放釋放5-5-羥色胺要羥色胺要少得多少得多。這是由于內皮細胞釋放的一些低分子物質如托。這是由于內皮細胞釋放的一些低分子物質如托品因、腎上腺素、前列腺素等具有可抑制凝血因子、血品因、腎上腺素、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。 技術要點和方法：技術要點和方法： 內皮細胞在人工血管表面有效地粘附，是決定內皮細內皮細胞在人工血管表面有效地粘附，是決定內皮細胞種植技術成功的重要因素。胞種植技術成功的重要因素。 常采用融合法進行內皮細胞種植。常采用融合法進行內皮細胞種植。 將從自體獲得的內

12、皮細胞培養(yǎng)、繁殖將從自體獲得的內皮細胞培養(yǎng)、繁殖23代代 與血液混與血液混合，注入人工血管腔內合，注入人工血管腔內 在在3737、5050COCO2 2及旋轉條件下及旋轉條件下培養(yǎng)培養(yǎng)3h 細胞培養(yǎng)液融合培養(yǎng)細胞培養(yǎng)液融合培養(yǎng)710天天 內皮細胞在材料內皮細胞在材料表面融合成單層表面融合成單層 進行外科植入手術，可保證種植的內皮進行外科植入手術，可保證種植的內皮細胞粘合牢固。細胞粘合牢固。 另外在人工血管表面預涂另外在人工血管表面預涂纖維蛋凝膠纖維蛋凝膠、纖維連結素纖維連結素或或碳碳膜膜等，也均可增加內皮細胞種植的牢固性。等，也均可增加內皮細胞種植的牢固性。內皮細胞種植方法內皮細胞種植方法用途

13、：用途：人工血管人工血管；生物心臟瓣膜生物心臟瓣膜，使瓣膜抗退化能力提高，使瓣膜抗退化能力提高。 內皮細胞化研究的熱點內皮細胞化研究的熱點： 怎么樣獲得結合牢固的、均勻覆蓋的單層內細胞怎么樣獲得結合牢固的、均勻覆蓋的單層內細胞層，以減少因基質的暴露而導致的血栓。層，以減少因基質的暴露而導致的血栓。 解決種植方法的一些局限性如：解決種植方法的一些局限性如：從自體獲得的細胞從自體獲得的細胞數(shù)量有限數(shù)量有限內皮細胞的體外內皮細胞的體外種植時間較長種植時間較長存在潛在的存在潛在的污染威脅污染威脅等等(II)(II)涂布白蛋白涂層涂布白蛋白涂層 理論依據(jù)：理論依據(jù)： 材料與血液接觸時首先是材料表面吸附血

14、漿蛋白。材料與血液接觸時首先是材料表面吸附血漿蛋白。蛋白質吸附層的蛋白質吸附層的組成與構象組成與構象決定了材料的血液相容性行決定了材料的血液相容性行為。為。表面吸附層主要是表面吸附層主要是纖維蛋白原纖維蛋白原或或球蛋白球蛋白并且蛋白質并且蛋白質的構象發(fā)生改變的構象發(fā)生改變 激活凝血因子與血小板激活凝血因子與血小板 凝血凝血級聯(lián)反應而形成血栓。級聯(lián)反應而形成血栓。表面吸附層主要是表面吸附層主要是白蛋白白蛋白時，可以防止凝血的發(fā)生。時，可以防止凝血的發(fā)生。 因此，用因此，用白蛋白涂層白蛋白涂層或或改善材料的表面改善材料的表面結構結構的方法，使材料選擇性地的方法，使材料選擇性地吸附白蛋白涂吸附白蛋白

15、涂層層來來提高材料的血液相容性提高材料的血液相容性，就成為重要的，就成為重要的研究內容。研究內容。 白蛋白在材料表面的白蛋白在材料表面的結合狀態(tài)結合狀態(tài)是白蛋白可否是白蛋白可否發(fā)揮作用的關鍵。發(fā)揮作用的關鍵。u 物理吸附法物理吸附法獲得的白蛋白涂層結合力較差，獲得的白蛋白涂層結合力較差，在與血液接觸中容易與其他蛋白質發(fā)生交換作用，在與血液接觸中容易與其他蛋白質發(fā)生交換作用，從而使抗凝血性能逐漸下降。從而使抗凝血性能逐漸下降。u共價接枝方法共價接枝方法能使材料表面形成的白蛋白層與基能使材料表面形成的白蛋白層與基體之間有很高的結合能力?？梢允共牧媳砻嫜“弩w之間有很高的結合能力?？梢允共牧媳砻嫜?/p>

16、板的粘附量下降的粘附量下降3個數(shù)量級，甚至可以達到無血小板個數(shù)量級，甚至可以達到無血小板粘附，且白質白層的穩(wěn)定性遠大于物理吸附。粘附，且白質白層的穩(wěn)定性遠大于物理吸附。u 伽馬輻射伽馬輻射可以促進白蛋白在材料表面的共價接可以促進白蛋白在材料表面的共價接枝。枝。 (III)(III)聚氧化乙烯表面接枝聚氧化乙烯表面接枝 理論依據(jù)：理論依據(jù)： 有報道指出，材料表面具有一端懸掛的長鏈結有報道指出，材料表面具有一端懸掛的長鏈結構是其具有良好血液相容性的一個條件。這種結構構是其具有良好血液相容性的一個條件。這種結構可以可以維持血液中血漿蛋白的正常構象維持血液中血漿蛋白的正常構象。 聚氧化乙烯聚氧化乙烯（

17、PEO）是具有重復單元的大分子鏈，）是具有重復單元的大分子鏈，末端基團可以是羥基，也可能是甲氧基團。末端基團可以是羥基，也可能是甲氧基團。PEO具有具有良好的血液相容性，是因為其水合的懸掛長鏈影響血良好的血液相容性，是因為其水合的懸掛長鏈影響血液與材料界面微觀的動力學環(huán)境，使血漿蛋白與材料液與材料界面微觀的動力學環(huán)境，使血漿蛋白與材料間的相互作用降低，阻礙血漿蛋白的吸附及構象變化。間的相互作用降低，阻礙血漿蛋白的吸附及構象變化。PEO的懸掛長鏈結構還被有效地用于的懸掛長鏈結構還被有效地用于接枝肝素接枝肝素。將肝素接枝到人工材料表面，只有當肝素的一端與將肝素接枝到人工材料表面，只有當肝素的一端與

18、材料保持牢固的化學鏈結合而不脫落且另一端保持活材料保持牢固的化學鏈結合而不脫落且另一端保持活性及可移動的性質時，接枝肝素才能發(fā)揮作用。性及可移動的性質時，接枝肝素才能發(fā)揮作用。利用利用PEO的漂動性，在的漂動性，在PEO鏈端接枝肝素可以很好鏈端接枝肝素可以很好滿足上述條件。滿足上述條件。 肝素肝素是人體血管內皮上的粘多糖，其陰離子活性基是人體血管內皮上的粘多糖，其陰離子活性基團可與血液中的凝血酶團可與血液中的凝血酶ATIII的陽離子基團結合，的陽離子基團結合， AT-III與血液中的凝血酶形成無活性的復合體后可隨與血液中的凝血酶形成無活性的復合體后可隨血液而去，血液而去， 繼而肝素又可捕捉和復

19、合新的凝血酶，從而使血液繼而肝素又可捕捉和復合新的凝血酶，從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。肝素抗凝血作用機理肝素抗凝血作用機理(IV)(IV)磷脂基團表面磷脂基團表面 理論依據(jù)：理論依據(jù)： 類磷脂結構的高分子材料表面（如類磷脂結構的高分子材料表面（如MPC）具有強）具有強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結合到材料表面，自血液中的磷脂分子首先被吸附結合到材料表面，自組裝成單層完全覆蓋的類似生物體表面的磷脂層，組裝成單層完全覆蓋的類似生物體表面的磷脂層，從而使蛋白質與材料表面的相互作用變弱，蛋白質從而使

20、蛋白質與材料表面的相互作用變弱，蛋白質與血細胞不被吸附和激活，阻礙了凝血過程的發(fā)生。與血細胞不被吸附和激活，阻礙了凝血過程的發(fā)生。 3.3.等離子體表面改性等離子體表面改性 u 等離子是一種全部或部分電離的氣態(tài)物質等離子是一種全部或部分電離的氣態(tài)物質，含，含有亞穩(wěn)態(tài)和激發(fā)態(tài)的原子、分子、離子。有亞穩(wěn)態(tài)和激發(fā)態(tài)的原子、分子、離子。u 等離子體中的等離子體中的電子、原子、分子、離子電子、原子、分子、離子都具有都具有一定能量，可與材料表面相互作用，產(chǎn)生表面反一定能量，可與材料表面相互作用，產(chǎn)生表面反應，使表面發(fā)生物理化學變化而實現(xiàn)表面改性。應，使表面發(fā)生物理化學變化而實現(xiàn)表面改性。 等離子體表面改性

21、有三種類型：等離子體表面改性有三種類型：等離子體表面聚合等離子體表面聚合等離子體表面處理等離子體表面處理等離子體表面接枝等離子體表面接枝(1)(1)等離子體表面聚合等離子體表面聚合 等離子體表面聚合是對有機氣態(tài)單體等離子體等離子體表面聚合是對有機氣態(tài)單體等離子體化，使其產(chǎn)生各類基團，這些活性基團之間及活性化，使其產(chǎn)生各類基團，這些活性基團之間及活性基團單體之間進行加成反應而形成聚合膜。基團單體之間進行加成反應而形成聚合膜。 一般采用一般采用射頻或微波放電射頻或微波放電以獲得高離化率的等以獲得高離化率的等離子體。離子體。 氣體單質氣體單質 等離子體等離子體 射頻振蕩器作用射頻振蕩器作用自由電子自

22、由電子碰撞激勵碰撞激勵氫原子、自由氫原子、自由基衍生單體等基衍生單體等有很高化學活性有很高化學活性參加各參加各種反應種反應受到荷能受到荷能電子撞擊電子撞擊鏈增長在主鏈隨機位在主鏈隨機位置產(chǎn)生自由基置產(chǎn)生自由基支化、交聯(lián)支化、交聯(lián)高度交聯(lián)的網(wǎng)高度交聯(lián)的網(wǎng)狀結構聚合膜狀結構聚合膜1 1、基底金屬、基底金屬 不銹鋼不銹鋼317L317L、 NiTiNiTi記憶合金記憶合金2 2、單體乙烯、單體乙烯 硫酸二甲酯、硫酸二甲酯、 亞磷酸亞磷酸二甲酯二甲酯通過放電形成有機聚合膜（含通過放電形成有機聚合膜（含C、H、O） 。(2)(2)等離子體表面處理等離子體表面處理 等離子體表面處理主要是用非聚合性的無等離

23、子體表面處理主要是用非聚合性的無機氣體產(chǎn)生的等離子體對高分子材料進行處理。機氣體產(chǎn)生的等離子體對高分子材料進行處理。無機氣體無機氣體施加射頻電場施加射頻電場等離子體等離子體輻射的紫外線、激輻射的紫外線、激發(fā)態(tài)氣體分子與高發(fā)態(tài)氣體分子與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團由基團表面導入各表面導入各種功能團種功能團材料表面潤濕材料表面潤濕性和表面張力性和表面張力發(fā)生顯著變化發(fā)生顯著變化蛋白質及細胞在材料蛋白質及細胞在材料表面的粘附行為變化表面的粘附行為變化材料的血液相容性材料的血液相容性和組織相容性變化和組織相容性變化 等離子體表面處理會使高分子材料表面產(chǎn)生等離子體表面處理會使高分

24、子材料表面產(chǎn)生刻刻蝕和粗糙化蝕和粗糙化。由于荷能離子撞擊材料表面引起刻蝕，而材料由于荷能離子撞擊材料表面引起刻蝕，而材料的晶體部分的刻蝕率不同，因此在材料表面會的晶體部分的刻蝕率不同，因此在材料表面會形成微細的凹凸形。形成微細的凹凸形。射出來的物質在等離子體場中受到激勵，又會射出來的物質在等離子體場中受到激勵，又會向表面逆向擴散，重新聚集在凸形頂端，結果向表面逆向擴散，重新聚集在凸形頂端，結果形成大量突出物。形成大量突出物。(3)(3)等離子體表面接枝等離子體表面接枝 等離子體接枝聚合的過程：等離子體接枝聚合的過程： 高分子材料高分子材料等離子體等離子體表面處理表面處理產(chǎn)生活性基團產(chǎn)生活性基團

25、形成活性中心形成活性中心與氣相或液與氣相或液相單體接觸相單體接觸引發(fā)單體與基體表面引發(fā)單體與基體表面進行接枝聚合反應進行接枝聚合反應 以以聚對苯二甲酸乙二醇酯聚對苯二甲酸乙二醇酯等為襯底材料，通過等為襯底材料，通過處理表面獲得含有大量聚氧化乙烯（處理表面獲得含有大量聚氧化乙烯（PEO）基團的）基團的薄膜，并隨著等離子電源功率的提高，薄膜，并隨著等離子電源功率的提高，PEO含量大含量大增。增。對改性材料的對改性材料的蛋白質吸附試驗蛋白質吸附試驗表明，材料表面的表明，材料表面的血漿蛋白吸附量大幅減少，表明血液相容性提高。血漿蛋白吸附量大幅減少，表明血液相容性提高。 內皮細胞在嵌段聚氨酯（內皮細胞在

26、嵌段聚氨酯（SPU）表面種植困難。）表面種植困難。采用大氣成分的等離子體對嵌段聚氨酯表面進行處采用大氣成分的等離子體對嵌段聚氨酯表面進行處理，作為內皮細胞化的預處理。理，作為內皮細胞化的預處理。測試表明，經(jīng)等離子體預處理的內皮細胞與測試表明，經(jīng)等離子體預處理的內皮細胞與SPU牢固結合，而未經(jīng)等離子體處理的嵌段聚氨酯表面牢固結合，而未經(jīng)等離子體處理的嵌段聚氨酯表面已不存在內皮細胞。已不存在內皮細胞。 等離子材料表面改性還被用于在等離子材料表面改性還被用于在無機生無機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?zhèn)浣?，使材料兼?zhèn)浣饘倩蛱沾审w材料的性質及高分子材料的表面屬或陶瓷體材料的

27、性質及高分子材料的表面性質。性質。 等離子表面改性的優(yōu)點等離子表面改性的優(yōu)點過程簡單過程簡單成本低成本低可大幅度改變材料的表面性質可大幅度改變材料的表面性質v等離子體反應以及等離子體與材料表面相等離子體反應以及等離子體與材料表面相互作用過程復雜，互作用過程復雜，v目前對等離子體表面改性反應尚不完全了目前對等離子體表面改性反應尚不完全了解，因而對它的控制也有待完善。解，因而對它的控制也有待完善。等離子表面改性的缺點：等離子表面改性的缺點：展望展望 今后，等離子體反應過程和材料表面今后，等離子體反應過程和材料表面狀態(tài)的狀態(tài)的原位診斷原位診斷方面的發(fā)展，將會使該方面的發(fā)展，將會使該技術更加充分有效地

28、在生物材料領域獲技術更加充分有效地在生物材料領域獲得應用。得應用。4.4.離子注入表面改性離子注入表面改性 由離子源產(chǎn)生離子，通過質量分析器的磁偏由離子源產(chǎn)生離子，通過質量分析器的磁偏轉作用對離子進行選擇，只使一種質量的離子通轉作用對離子進行選擇，只使一種質量的離子通過，離子經(jīng)強電場或多級電場加速后由靜電透鏡過，離子經(jīng)強電場或多級電場加速后由靜電透鏡聚焦，利用靜電掃描器掃描，轟擊樣品的表面，聚焦，利用靜電掃描器掃描，轟擊樣品的表面，實現(xiàn)離子注入。實現(xiàn)離子注入。 離子注入的特點是：離子注入的特點是： 準確地在材料表面預定深度注入預定劑量準確地在材料表面預定深度注入預定劑量的高能量離子，使材料表層

29、的化學成分相結構的高能量離子，使材料表層的化學成分相結構和組織發(fā)生顯著變化，以改變材料與生物體相和組織發(fā)生顯著變化，以改變材料與生物體相互作用行為?；プ饔眯袨?。 金屬材料（如不銹鋼、鈷鉻鉬合金、鈦合金等）金屬材料（如不銹鋼、鈷鉻鉬合金、鈦合金等）主要是作為承受載荷的硬組織替代材料。它們長期與主要是作為承受載荷的硬組織替代材料。它們長期與肌體的體液接觸，并承受周期性機械載荷作用，容易肌體的體液接觸，并承受周期性機械載荷作用，容易出現(xiàn)出現(xiàn)金屬腐蝕、磨損、疲勞金屬腐蝕、磨損、疲勞等問題。等問題。 不銹鋼矯形器件埋入體內曾發(fā)生不銹鋼矯形器件埋入體內曾發(fā)生腐蝕失效腐蝕失效問題；問題；鈦合金人工關節(jié)與超高

30、分子聚乙烯髕配付，經(jīng)鈦合金人工關節(jié)與超高分子聚乙烯髕配付，經(jīng)100萬次人步行載荷后將產(chǎn)生萬次人步行載荷后將產(chǎn)生3.8mg的磨屑，這些的磨屑，這些磨屑與組織接觸將磨屑與組織接觸將產(chǎn)生感染、組織壞死產(chǎn)生感染、組織壞死，而使植，而使植入物失效；入物失效；鈷、釩等效金屬離子的溶出則鈷、釩等效金屬離子的溶出則有致癌危險有致癌危險。 因而需要大幅度提高金屬醫(yī)用生物材料的耐腐因而需要大幅度提高金屬醫(yī)用生物材料的耐腐 蝕、耐磨損、耐疲勞等性能。蝕、耐磨損、耐疲勞等性能。 從從80年代起，許多研究都采用年代起，許多研究都采用離子束方法離子束方法來改善來改善金屬生物材料的金屬生物材料的耐腐蝕、耐磨損、耐疲勞耐腐蝕

31、、耐磨損、耐疲勞性能。性能。 將氮離子、碳離子注入金屬，在金屬表層數(shù)十至數(shù)將氮離子、碳離子注入金屬，在金屬表層數(shù)十至數(shù)百納米內形成氮化物、碳化物。百納米內形成氮化物、碳化物。 當?shù)x子注入深度、劑量達到一定值后，可以顯著當?shù)x子注入深度、劑量達到一定值后，可以顯著提高鈦及其合金的耐磨性和抗疲勞性能。提高鈦及其合金的耐磨性和抗疲勞性能。 碳離子注入對提高鈦及其合金疲勞壽命的效果比氮碳離子注入對提高鈦及其合金疲勞壽命的效果比氮離子注入更加明顯。離子注入更加明顯。 在人工關節(jié)配付中，通過離子注入方法使金屬關節(jié)在人工關節(jié)配付中，通過離子注入方法使金屬關節(jié)球頭的耐磨損性能大幅度提高，球頭的耐磨損性能大幅

32、度提高， 但對于改善髖臼超高分子聚乙烯配付的抗磨損性能但對于改善髖臼超高分子聚乙烯配付的抗磨損性能研究相對較少。研究相對較少。 在水溶液中的針盤摩擦試驗表明，離子注入后高分在水溶液中的針盤摩擦試驗表明，離子注入后高分子聚乙烯的磨損速度極低，表明用離子注入改善超高子聚乙烯的磨損速度極低，表明用離子注入改善超高分子聚乙烯分子聚乙烯-金屬人工關節(jié)摩擦配付的抗磨損性能尚金屬人工關節(jié)摩擦配付的抗磨損性能尚有較大潛力。有較大潛力。 離子注入處理后的材料對生物體的影響離子注入處理后的材料對生物體的影響 鈦及其合金經(jīng)氮離子注入后對兔的軟組織及骨鈦及其合金經(jīng)氮離子注入后對兔的軟組織及骨的影響研究表明，氮離子注入

33、鈦合金可提高材料的的影響研究表明，氮離子注入鈦合金可提高材料的抗血栓性能?？寡ㄐ阅?。 若用若用NaNa+ +注入醫(yī)用硅橡膠，表面血漿蛋白粘附行注入醫(yī)用硅橡膠，表面血漿蛋白粘附行為有顯著變化。為有顯著變化。 再用高能量、大劑量再用高能量、大劑量 HeHe+ +、C C+ +、O O+ +、N N+ +、ArAr+ +、K K+ +、KrKr+ +、NaNa+ +等正一價離子分別注入。注入后材料表面等正一價離子分別注入。注入后材料表面血小板粘附率下降。尤其是經(jīng)血小板粘附率下降。尤其是經(jīng)O O2 2+ +離子注入后，材料離子注入后，材料表面血小板粘附率下降明顯，主要原因是形成表面血小板粘附率下降明

34、顯，主要原因是形成羰羰基基團和非晶碳。團和非晶碳。 離子注入也可以應用在離子注入也可以應用在高分子材料表面改性高分子材料表面改性領域。領域。利用載能離子轟擊，使高分子材料表面的化學鍵斷裂，利用載能離子轟擊，使高分子材料表面的化學鍵斷裂，生成新基團或功能團，從而使高分子材料的生成新基團或功能團，從而使高分子材料的表面能、表面能、表面極性、浸潤性表面極性、浸潤性等顯著變化，以影響高分子材料的等顯著變化，以影響高分子材料的生物相容性。生物相容性。 德國用離子注入方法進行了鈦表面生物活性化研究德國用離子注入方法進行了鈦表面生物活性化研究 離子注入也被應用于材料表面內皮細胞固定離子注入也被應用于材料表面

35、內皮細胞固定 用高能離子束轟擊可以改變材料表面的形貌用高能離子束轟擊可以改變材料表面的形貌5.5.表面涂層與薄膜合成表面涂層與薄膜合成 在生物材料表面合成的薄膜（涂層）主要是在生物材料表面合成的薄膜（涂層）主要是陶陶瓷薄膜（涂層）瓷薄膜（涂層）和和高分子薄膜（涂層）高分子薄膜（涂層）。前面已介。前面已介紹了利用等離子體聚合來合成高分子薄膜，下面主紹了利用等離子體聚合來合成高分子薄膜，下面主要介紹生物陶瓷薄膜及表面涂層。要介紹生物陶瓷薄膜及表面涂層。 (1)(1)生物陶瓷涂層生物陶瓷涂層 自然骨中存在自然骨中存在Ca、P元素組成的陶瓷，如羥元素組成的陶瓷，如羥基磷灰石（基磷灰石（HA）占骨成分的

36、）占骨成分的60%，因而人們進一，因而人們進一步用步用HA作為涂層材料進行等離子體噴涂。體內埋作為涂層材料進行等離子體噴涂。體內埋植試驗表明，羥基磷灰石涂層可以強有力地促進植試驗表明，羥基磷灰石涂層可以強有力地促進與骨的化學結合，具有相當高的生物相容性，因與骨的化學結合，具有相當高的生物相容性，因而進行了廣泛研究并已應用于臨床。而進行了廣泛研究并已應用于臨床。 BAM系列羥基磷灰石涂層鈦基牙種植體系列羥基磷灰石涂層鈦基牙種植體 組合式螺旋狀種植體 圓柱狀圓柱狀HA涂層種植體涂層種植體 存在問題存在問題 羥基磷灰石涂層的人工骨和人工關節(jié)體羥基磷灰石涂層的人工骨和人工關節(jié)體在在力學性能力學性能上仍

37、有一些問題：上仍有一些問題：涂層材料的強度和斷裂韌性較差，涂層材料的強度和斷裂韌性較差，涂層與基體材料的結合力不夠高涂層與基體材料的結合力不夠高。 將陶瓷強韌化原理引入羥基磷灰石涂層材料，在原將陶瓷強韌化原理引入羥基磷灰石涂層材料，在原料粉末中加氧化鋯，形成料粉末中加氧化鋯，形成ZrO2陶瓷相增韌的陶瓷相增韌的HA涂層涂層 采用激光熔覆方法可以獲得與基體高結合強度的采用激光熔覆方法可以獲得與基體高結合強度的HA涂層涂層 解決辦法解決辦法(2)(2)低溫液相沉積低溫液相沉積 在室溫下在室溫下, ,采用采用電共沉積電共沉積方法在鈦表面沉積方法在鈦表面沉積HA，將鈦材料作為陰極，電解質溶液中含有硫酸

38、，將鈦材料作為陰極，電解質溶液中含有硫酸鈷和鈷和HA粉末，使粉末，使HA粒子懸浮于電解液中，在兩粒子懸浮于電解液中，在兩極間施加電流，鈦表面會形成由鈷包裹的極間施加電流，鈦表面會形成由鈷包裹的HA表面表面鍍層。改變金屬鹽的種類可以獲得不同金屬和鍍層。改變金屬鹽的種類可以獲得不同金屬和HA共沉積的表面層。共沉積的表面層。 臨床研究發(fā)現(xiàn)，長期植入的鈦有一定的臨床研究發(fā)現(xiàn)，長期植入的鈦有一定的骨傳導骨傳導作用。作用。 原因是鈦表面自然形成數(shù)納米厚的氧化膜（由銳鈦礦原因是鈦表面自然形成數(shù)納米厚的氧化膜（由銳鈦礦結構氧化鈦和非晶氧化鈦組成），低結晶度氧化鈦層使結構氧化鈦和非晶氧化鈦組成），低結晶度氧化鈦

39、層使材料與生物介質間產(chǎn)生化學反應，生物體中的鈣、磷離材料與生物介質間產(chǎn)生化學反應，生物體中的鈣、磷離子向材料表面富集。子向材料表面富集。 純鈦材的這種作用較緩慢，可用含有鈣離子的溶純鈦材的這種作用較緩慢，可用含有鈣離子的溶液對鈦表面進行處理：液對鈦表面進行處理： 這表明，經(jīng)表面處理的鈦在這表明，經(jīng)表面處理的鈦在HanksHanks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，使材料的組織相容性顯著提高。，使材料的組織相容性顯著提高。表面清洗表面清洗后的鈦后的鈦在含有在含有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鈣鹽形成鈣鹽形成經(jīng)表面處經(jīng)表面處

40、理的鈦理的鈦在在HanksHanks溶液中浸泡后，溶液中浸泡后，再在再在600600加熱加熱表面出現(xiàn)表面出現(xiàn)磷灰石磷灰石(3)(3)氣相沉積氣相沉積 氣相沉積是在真空條件下引入氣態(tài)物質，參氣相沉積是在真空條件下引入氣態(tài)物質，參與氣相反應后沉積于材料表面，主要分為：與氣相反應后沉積于材料表面，主要分為：化學氣相沉積、化學氣相沉積、等離子體增強化學氣相沉積、等離子體增強化學氣相沉積、物理氣相沉積。物理氣相沉積。 氮化鈦氮化鈦是這一領域典型的、廣泛應用的材料。是這一領域典型的、廣泛應用的材料?；瘜W氣相沉積化學氣相沉積是將四氯化鈦和氨在是將四氯化鈦和氨在8001000的反的反應器中反應，可在材料表面獲

41、得應器中反應，可在材料表面獲得TiN薄膜。薄膜。物理氣相沉積物理氣相沉積是利用濺射、局部溶融方法得到鈦是利用濺射、局部溶融方法得到鈦粒子，并在真空室充入氮氣，則鈦粒子在沉靜積于粒子，并在真空室充入氮氣，則鈦粒子在沉靜積于材料表面的過程中與氮所反應形成材料表面的過程中與氮所反應形成TiN。 等離子體增強化學氣相沉積等離子體增強化學氣相沉積是在反應器中增是在反應器中增加一個射頻或微波發(fā)生器，通過射頻（微波）加一個射頻或微波發(fā)生器，通過射頻（微波）振蕩可使反應氣體獲得較高能量，氣體離化率振蕩可使反應氣體獲得較高能量，氣體離化率提高，反應溫度降到提高，反應溫度降到500以下。這種方法較以下。這種方法較

42、適合于在金屬生物材料表面合成薄膜。適合于在金屬生物材料表面合成薄膜。(4)(4)離子束薄膜合成離子束薄膜合成 向材料表面沉積薄膜（蒸發(fā)或濺射沉積）的向材料表面沉積薄膜（蒸發(fā)或濺射沉積）的同時用離子束轟擊材料表面的方法稱為同時用離子束轟擊材料表面的方法稱為離子束輔離子束輔助沉積助沉積。 借助于離子束轟擊，可使已沉積在表面的原借助于離子束轟擊，可使已沉積在表面的原子獲得能量進入材料表層（反沖注入），并使子獲得能量進入材料表層（反沖注入），并使薄薄膜致密膜致密，在較低溫度下（甚至室溫）獲得，在較低溫度下（甚至室溫）獲得高結合高結合力力的薄膜。的薄膜。離子束輔助沉積的離子束輔助沉積的優(yōu)點：優(yōu)點： 不會

43、引起基體材料過熱而使基體材料結構不會引起基體材料過熱而使基體材料結構變化，離子束輔助沉積不僅適用于在金屬材料變化，離子束輔助沉積不僅適用于在金屬材料表面沉積薄膜，對于高分子材料表面改性也是表面沉積薄膜，對于高分子材料表面改性也是非常有效的。非常有效的。 受受“視線性視線性”限制限制。由于沉積源向基體材料。由于沉積源向基體材料表面沉積薄膜以及高子束轟擊薄膜的軌跡均是直表面沉積薄膜以及高子束轟擊薄膜的軌跡均是直線的，所以線的，所以只能在平面工件上均勻沉積薄膜只能在平面工件上均勻沉積薄膜。對。對于形態(tài)復雜的人工器官如人工關節(jié)、人工心臟瓣于形態(tài)復雜的人工器官如人工關節(jié)、人工心臟瓣膜等難以均勻地進行表面

44、覆膜，因而限制了這種膜等難以均勻地進行表面覆膜，因而限制了這種方法的實際應用。方法的實際應用。 離子束輔助沉積的缺點：離子束輔助沉積的缺點：等離子體浸沒離子注等離子體浸沒離子注入（入（PIII） = plasma Immersion Ion Implantation在在PIII裝置真空裝置真空室中通入的氣體室中通入的氣體燈絲放電或燈絲放電或射頻放電射頻放電等離子體等離子體樣品樣品施加一很高的施加一很高的負脈沖電壓負脈沖電壓在圍繞工件表面的一定空在圍繞工件表面的一定空間內形成等離子體的鞘層間內形成等離子體的鞘層鞘層中的正離子受到負高壓的鞘層中的正離子受到負高壓的吸引進行轟擊并進入材料表面吸引進行

45、轟擊并進入材料表面PIII-3型等離子體浸型等離子體浸 沒離子注入機沒離子注入機 等離子體浸沒離子注入（PIII），不僅可在60KV的高壓下實現(xiàn)注入，同時還可以利用金屬源實現(xiàn)薄膜沉積。可應用于人工心臟瓣膜材料研究開發(fā)，以及人工關節(jié)、人工骨、種植牙、心臟起搏器傳感觸頭、血管支撐管、人工心臟及左心室泵、體內埋植用形狀記憶合金器件等的表面改性。 這個過程是這個過程是全方位的無視線性限制全方位的無視線性限制。最近將金。最近將金屬等離子體源引入屬等離子體源引入PIII，實現(xiàn)氣體離子與金屬離子，實現(xiàn)氣體離子與金屬離子同時注入與沉積。這種方法包括等離子體表面改性、同時注入與沉積。這種方法包括等離子體表面改性

46、、離子注入與薄膜沉積等各種功能，因而生物材料表離子注入與薄膜沉積等各種功能，因而生物材料表面改性領域將會有重要的應用前景。面改性領域將會有重要的應用前景。 瑞士瑞士CSEM精密摩擦實驗機精密摩擦實驗機 主要用于低載荷，慢速或中速下各種金屬或陶瓷、高分子材料的摩擦磨損試驗，特別適用于材料的表面改性和各類涂層如離子注入、氣相沉積膜的摩擦學性能評價。 微區(qū)顯微紅外分析儀 無菌室 光學顯微鏡 原子力顯微鏡原子力顯微鏡新的心臟瓣膜 表面改性的心臟瓣膜的瓣環(huán)表面改性的心臟瓣膜的瓣環(huán) 沒有改性的瓣環(huán)（表面形成血栓）沒有改性的瓣環(huán)（表面形成血栓） 表面改性單葉心臟瓣膜 Ti-O薄膜表面血細胞粘附形態(tài)（改性體內） 未改性未改性LTIC（體外）（體外） 未改性的LTIC（體內） Ti-O薄膜表面血小板的形態(tài)（改性 體外） (5)(5)溶膠凝膠方法溶膠凝膠方法 溶膠凝膠方法原理：溶膠凝膠方法原理： 為了增加凝膠的厚度，可將基體材料浸入溶為了增加凝膠的厚度，可將基體材料浸入

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