材料表面改性(刘宣勇).pdf

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生物医用材料表面改性生物医用材料表面改性刘宣勇刘宣勇中国科学院上海硅酸盐研究所中国科学院上海硅酸盐研究所2011-11-28生物医用材料概念生物医用材料，有时也称生物材料，指用于生理系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体组织或器官，增进或恢复其功能的材料。

研究领域涉及到材料学、医学、生命科学等多个学科生物医用材料分类根据使用要求，生物材料分为：

硬组织替换材料（包括骨替换材料、齿科材料），软组织替换材料（包括软骨、脏器用材料），心血管材料（包括心血管以及导管材料），血液代用材料（包括人工红血球、血浆等），分离、过滤、透析膜材料（包括血液净化、肾透析以及人工气体透过材料）;疾病（肿瘤）诊断、药物载体、基因载体等。

提提纲纲生物医用材料市场需求生物医用材料市场需求生物医用材料研究涉及的基本概念生物医用材料研究涉及的基本概念生物医用材料表生物医用材料表/界面行为及特点界面行为及特点生物医用材料表面改性技术生物医用材料表面改性技术全球生物医用材料全球生物医用材料细分市场发展细分市场发展矫形外科修复材料和矫形外科修复材料和制品制品心血管系统修复材心血管系统修复材料、血液净化材料料、血液净化材料工程化组织和器官工程化组织和器官人造皮肤、组织粘合人造皮肤、组织粘合剂及术后防粘连制品剂及术后防粘连制品药物缓释材料药物缓释材料其他生物材料和制品其他生物材料和制品其他医疗器械制品其他医疗器械制品增长率增长率26%增长率增长率45%市场将达市场将达800亿美元亿美元高速增长高速增长高速增长高速增长我国生物医用材料产业的市场增长率高达28（全球市场增长率20%）,居全球之首。

我国人工关节替换年增长率高达30，远高于美国的4。

-国家科技部资料中国生物医用材料市场国家科技部和自然科学基金委每年都设立了关于生物材料研究的重点和重大项目，如863、973和自然科学基金重点项目，投入了大量的财力和人力进行研究和开发我国生物医用材料市场况状巨大需求产品供应国产高端产品严重依赖进口医疗费用昂贵企业面临严重冲击“看病贵”的根源之一前端科学基础薄弱，制造技术不足自主研发高性能生物医用材料巨大的经济效益重大的社会效益根本出路世界关节和骨再生产品：

世界关节和骨再生产品：

2005年（约年（约140亿美元）亿美元）2006年（约年（约150亿美元）亿美元）2007年（约年（约170亿美元）亿美元）2012年（预计可达年（预计可达270亿美元）亿美元）世界关节和骨再生产品市场世界关节和骨再生产品市场http:

/我国人工关节市场我国人工关节市场:

目前：

约每年目前：

约每年10万套，万套，预预计计2020年年我国人工关节人工关节销售量将达40万套万套。

目前，世界上人工关节生产技术目前，世界上人工关节生产技术领先的五大医疗器械公司领先的五大医疗器械公司Zimmer公司、公司、DePyuy、Strykor集团、集团、Biomet公司和公司和Smith&Nephew公公司的产品占全球市场司的产品占全球市场90%。

人工关节市场人工关节市场未来10年内种植牙种植牙市场可达200万颗万颗/年。

年。

种植牙市场绝大部种植牙市场绝大部分国外大公司占据分国外大公司占据2007年我国共使用进口种植体年我国共使用进口种植体约约5.55万套，市场销售总额接万套，市场销售总额接近近4.5亿元人民币。

亿元人民币。

截止截止2006年底，年底，美国：

注册美国：

注册98个厂家，提供个厂家，提供160个种植系统；个种植系统；欧盟：

认证欧盟：

认证151个厂家，提供个厂家，提供198个种植系统；个种植系统；中国：

注册中国：

注册4个国产种植系统，个国产种植系统，7个进口种植系统。

个进口种植系统。

齿齿根根齿齿冠冠图3.人造牙齿（信息来源：

中研网）世界关节和骨再生产品市场世界关节和骨再生产品市场http:

/种植牙市场种植牙市场提提纲纲生物医用材料市场需求生物医用材料市场需求生物医用材料研究涉及的基本概念生物医用材料研究涉及的基本概念生物医用材料表生物医用材料表/界面行为及特点界面行为及特点生物医用材料表面改性技术生物医用材料表面改性技术生物医用材料研究程序MaterialselectionMicrostructureanalysisIn-vitrotestIn-vivotestClinicalanalysisFinalproduct体外测试体内测试临床试验+Protein,Cell+Bacteria+SmallanimalBiganimalPropertyevaluationMaterialmodification生物相容性是生物医学材料在特定应用中，引起适当的宿主反应和产生有效作用的能力。

生物相容性表征生物医学材料的生物学性能，决定于材料和活体系统间的相互作用。

这种相互作用包括两个方面：

宿主反应宿主反应：

材料对活体系统的作用或活体系统对材料的反应；宿主反应包括局部和全身反应，如炎症、细胞毒性、溶血、刺激性、致敏、致癌、致诱变、致畸和免疫等反应，其结果可能导致对机体的毒副作用和机体对材料的排斥作用；材料反应材料反应：

活体系统对材料的作用或材料对活体系统的反应。

材料反应主要来自生物环境对材料的腐蚀和降解，可能使材料性质发生退化甚至破坏。

师昌绪主编，材料大辞典生物相容性组织相容性、细胞相容性、分子生物相容性、血液相容性、生物力学相容性等血液相容性血液相容性材料，有抗凝血或抗血栓形成的能力和不损伤血液的组成和功能，血液相容性材料，有抗凝血或抗血栓形成的能力和不损伤血液的组成和功能，包括材料对血液不产生溶血作用（红细胞破坏），不导致血小板减少和功能下包括材料对血液不产生溶血作用（红细胞破坏），不导致血小板减少和功能下降，不影响补体激活等血液生理功能，以及不引起血浆蛋白变性和血液中各种降，不影响补体激活等血液生理功能，以及不引起血浆蛋白变性和血液中各种酶的活性及电解质浓度变化，也不引起有害的免疫反应等；同时血液对材料的酶的活性及电解质浓度变化，也不引起有害的免疫反应等；同时血液对材料的作用也应不损害材料的性能。

作用也应不损害材料的性能。

组织传导性材料：

组织传导性材料：

具有引导组织沿材料表面或内部孔隙、通道、管道攀附延生进入材料结构的性质的材料。

引导组织生长，要求材料本身需要相应的性质和结构，还要求组织与材料密切接触，使得组织才可能沿材料表面爬行生长。

组织传导性涂层涂层新骨新骨Ti纤维组织纤维组织（骨）（骨）生物生物活活性性：

生物材料与活体骨产生化学键合的能力,是衡量生物材料的一个重要指标。

通常采用模拟体液浸泡方法测定骨替换和修复材料的骨生物活性，衡量材料骨生物活性的特异性指标是类骨磷灰石在材料表面成核与生长。

具有骨生物活性的材料浸泡在模拟体液中能诱导类骨磷灰石的生成，如磷酸钙陶瓷、硅酸钙陶瓷和生物活性玻璃等。

1990年Kokubo等首次报道了能在生物活性玻璃表面促进磷灰石形成的类似于人体血浆的模拟体液（Simu-lationbodyfluid,SBF）。

生物活性2025303540Intensity2-Theta（o）Apatite特定生物化学信号分子前体细胞特定组织细胞特定组织形成细胞外基质形成组织形成的微环境间充质干/前体细胞多分化潜能组织诱导发生示意图组织诱导性组织诱导性生物医用材料：

可诱导体内具有多分化潜能的间充质干细胞分化为组织诱导性生物医用材料：

可诱导体内具有多分化潜能的间充质干细胞分化为特定组织细胞，进而形成特定组织的生物医用材料特定组织细胞，进而形成特定组织的生物医用材料。

发生组织诱导性，一般要。

发生组织诱导性，一般要求材料具有富集相关生长因子的能力，或者具有能够刺激细胞分泌相关生长因求材料具有富集相关生长因子的能力，或者具有能够刺激细胞分泌相关生长因子的能力。

子的能力。

药物治疗:

引起耐药性（形成超级病毒）采用翻修手术置换受感染植入体增加患者痛苦高的医疗费用WHO:

中国是滥用抗生素现象最严重的国家之一抗菌性抗菌性生物医用材料：

自身具有杀灭或抑制微生物功能的一类生物医用材料。

抗菌性生物医用材料：

自身具有杀灭或抑制微生物功能的一类生物医用材料。

在自然界中有许多物质本身就具有良好的杀菌或抑制微生物的功能，主要包括在自然界中有许多物质本身就具有良好的杀菌或抑制微生物的功能，主要包括无机抗菌剂（银、铜、锌等）和有机抗菌剂（季铵盐类、双呱类、酚类等），无机抗菌剂（银、铜、锌等）和有机抗菌剂（季铵盐类、双呱类、酚类等），目前抗菌材料更多的是指通过添加抗菌剂，目前抗菌材料更多的是指通过添加抗菌剂，从而使材料具有抑制或杀灭表面从而使材料具有抑制或杀灭表面细菌能力的一类材料细菌能力的一类材料提提纲纲生物医用材料市场需求生物医用材料市场需求生物医用材料研究涉及的基本概念生物医用材料研究涉及的基本概念生物医用材料表生物医用材料表/界面行为及特点界面行为及特点生物医用材料表面改性技术生物医用材料表面改性技术金属植入体表金属植入体表/界面行为界面行为http:

/drbai.info/植入体首先通过表面与人体环境相互作用，形成植入体首先通过表面与人体环境相互作用，形成植入体植入体/体液、骨、软体液、骨、软组织和微生物组织和微生物等界面，其界面行为直接影响植入效果和使用寿命等界面，其界面行为直接影响植入效果和使用寿命2008世界生物材料会议论文中关键词排序世界生物材料会议论文中关键词排序BiomaterialsSurface排第一排第一TissueEngineering排第二排第二Scaffolds排第三排第三Compositebiomaterials排第八排第八Nanostructuredbiomaterials排第九排第九Biomaterials,2008,29:

3047-3052纳米尺寸效应Naturebiotechnology,2003,21:

1161纳米结构与硬组织结构匹配纳米结构可对细胞施加应力微观结构的“生物效应”ConRod纳米结构对干细胞的分化具有显著特异性细胞行为与纳米结构细胞行为与纳米结构234周10周从细菌培养的结果可以看出，不同结构表面的细菌粘附能力不同，表明通过控制材料表面结构可调控细菌的粘附行为。

纳米结构影响细菌粘附24表面多孔结构影响基因表达Zhang,Lingli;Hanagata,Nobutaka;Zhang,Xingdong;etal.ScienceandTechnologyofAdvancedMaterials,Volume10,Issue2,pp.025003（2009）.PorousCa-PupregulatingosteogenicgeneexpressionDenseCa-PupregulatingosteoclastgeneexpressionGeneHApBCPpHAppBCPAlkalinephophatase1.001.314.903.04Osteocalcin1.000.5524.2319.56Osteopontin1.001.303.504.78Osteonectin1.001.052.192.31Dentin1.000.972.134.49Parathyroidhormonereceptor1.000.878.648.39Osteoprotegerin1.001.053.742.63RANKL1.001.540.600.36提提纲纲生物医用材料市场需求生物医用材料市场需求生物医用材料研究涉及的基本概念生物医用材料研究涉及的基本概念生物医用材料表生物医用材料表/界面行为及特点界面行为及特点生物医用材料表面改性技术生物医用材料表面改性技术26改善表面力学性能改善表面耐腐性改善组织相容性赋予生物活性及组织传导性改善血液相容性（抗凝血性）改善抗菌性赋予诱导组织再生和形成的生物功能选择性吸附蛋白构成可激活和调控细胞基因表达微环境生物医用材料表面改性目的生物医用材料表面改性生物医用材料表面改性植入体材料植入体材料改性层改性层涂层涂层采用表面改性技术调控生物医用材料的表面结构、组成和性能，从而改善植入体使用效果和使用寿命！

涂层涂层硬组织植入体表面改性技术硬组织植入体表面改性技术等离子体喷涂等离子体喷涂火焰喷涂火焰喷涂PIII-D化学、电化学方法化学、电化学方法热喷涂热喷涂Sol-Gel机械方法机械方法仿生处理仿生处理PVD/CVD冷喷涂冷喷涂激光刻蚀激光刻蚀机械研磨等机械研磨等沉积涂层和薄膜沉积涂层和薄膜原位表面改性原位表面改性离子注入离子注入涂层涂层/薄膜薄膜基体基体原位改性区原位改性区基体基体表面改性技术表面改性技术酸、碱处理酸、碱处理微弧氧化微弧氧化阳极氧化阳极氧化生化处理生化处理自组装自组装等离子体喷涂生物陶瓷涂层等离子体喷涂生物陶瓷涂层等离子体喷涂示意图等离子体喷涂示意图等离子体喷涂示意图等离子体喷涂示意图等离子体喷涂设备等离子体喷涂设备SamplePlasmaflameAPSVPS1980s：

生物惰性陶瓷涂层ZrO2，Al2O3,TiO21980s2000：

传统生物活性陶瓷涂层BioactiveGlasses，HA2000：

新型生物活性陶瓷涂层硅酸钙涂层，纳米涂层等离子体喷涂生物陶瓷涂层的发展历程等离子体喷涂生物陶瓷涂层的发展历程HA涂层的优缺点涂层的优缺点良好的生物活性，和骨组织直接结合，双向生长，早期固定，缩短愈合期。

良好的骨传导作用，攀附生长，桥接作用。

结晶度低结晶度低（50-70%），易降解，长期稳定性差。

，易降解，长期稳定性差。

HACa10（PO4）6O+H2OCa10（PO4）6OCa3（PO4）2+Ca4（PO4）2OCa4（PO4）2OCa3（PO4）2+CaO与钛合金基体的热膨胀系数不匹配：

与钛合金基体的热膨胀系数不匹配：

钛合金：

8.810-6K-1,HA：

1510-6K-1界面处应力大，结合强度较低（HA涂层涂层具有优良的生物活性具有优良的生物活性成骨细胞能在涂成骨细胞能在涂层表面很好增殖层表面很好增殖基体基体叠层叠层最外层最外层（纳米结构，介稳相纳米结构，介稳相）无后续受热，快速冷却（106K/s）体涂层体涂层后续等离子体和熔体对其继续加热，晶粒长大（亚微米结构，稳定相）医用钛合金表面纳米化氧化物涂层构建机制医用钛合金表面纳米化氧化物涂层构建机制PIII-D技术在生物医用材料表面改性技术在生物医用材料表面改性中的应用中的应用PIII-D技术发展简介1986年,Conrad教授首次开发了等离子体基离子注入设备.他的第一个试验证实氮离子注入后的的钢和铁基合金的Knoop硬度提高了25%.之后,等离子体基离子注入在工业上得到了广泛的应用和发展，三个方面的发展如下：

（1）应用：

从最初的改善金属材料的机械性能和化学性能，到应用于半导体领域改善材料的半导体性能，甚至生物材料领域。

（2）注入离子：

由最初的气体离子注入发展到现在的各种离子注入，如金属离子注入。

（3）基材：

由最初的金属导体材料，发展至如今的半导体材料，甚至绝缘材料。

PIII-D基本配置示意图真空泵Ar气O2/N2等气体射频匹配箱阴极弧金属源（Ti、Zr等）样品台脉冲负偏压样品射频天线等离子体流等离子体鞘层Thinfilm135nmSi60nm150nmInterface离子注入（高偏压）离子注入（高偏压）薄膜沉积（低偏压）薄膜沉积（低偏压）nm-mImplantedzoneNointerfacePIII-D的优点全方位注入全方位注入：

非视线注入过程，易于对各种形状复杂的材料进行改性，甚至能很容易地对工件内壁进行改性。

高反应活性高反应活性：

气体和金属都被完全离化表面反应表面反应：

离子注入只是在材料的表面，而且注入时工件不会处于高温状态，因此不会改变材料本身的特性。

无界面：

无界面：

离子注入改性层与基体无明显界面可沉积薄膜可沉积薄膜：

不加负偏压或低偏压，可在基体上沉积薄膜，这就是所谓的PIII-D过程。

ToPumpRadioFrequencyFilamentToPumpRadioFrequencyFilamentPlasmaImmersionIonImplantation应用1：

生物材料表面活化通过离子注入或者薄膜沉积改善植入体生物活性Ca注入Ti020406080100120140020406080100AtomicConcentration（%）Depth（nm）CaOTiAcquiredbyXPS深度轮廓深度轮廓体外生物活性体外生物活性磷灰石层磷灰石层ZrO2薄膜表面结构和生物活性As-depositedThermal-treatedat600oCThermal-treatedat800oCThermal-treatedat1000oC体外生物活性体外生物活性TiO2薄膜表面结构和生物活性（a）体外生物活性体外生物活性（e）As-depositedThermal-treatedat600oCThermal-treatedat800oCThermal-treatedat1000oCSBFPO42-PO42-PO42-PO42-BioactiveLayerOHOHOHOHCa2+Ca2+Ca2+Ca2+vecharge-vechargeAmorphousCalciumPhosphateCa2+Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+Ca2+SpontaneousApatiteFormation应用2：

改善材料抗菌性Ag/N二元离子注入钛表面形貌和组成PIII-Ag-NPIII-N-AgPIII-Ag+NTiAg/N二元离子注入钛表面性能Ag/N二元离子注入钛表面生物学性能金葡菌大肠杆菌O2plasmamodifiedPVCTriclosancoatingArplasmamodificationAnti-bacterialproperty形成官能团嫁接抗菌剂加强抗菌剂结合嫁接抗菌药物C-OC=OCOOHOClClClOH增强抗菌性ControlTreatedPVCO2等离子体改性等离子体改性后形貌0102030405060708090KindofbacteriaE.coliS.aureusafter10days0dayStoringtimeAntibacterialeffects/%E.coliandS.aureustests应用应用3：

血液接触材料抗凝血性改善：

血液接触材料抗凝血性改善（结果源至参考文献）（结果源至参考文献）低温同性热解碳（LTIC）最常用的血液接触材料，如用作心脏瓣膜；其血液相容性仍然不是足够好，患者使用后必须长期服用抗凝血药物；严重时会形成大血栓心血管材料新型心脏瓣膜材料新型心脏瓣膜材料Diamond-like-carbon（DLC）类金刚石碳薄膜Titaniumoxide（Ti-O）氧化钛薄膜DLC具有优良的化学惰性、低摩擦系数和高的耐磨性Ti-O薄膜亦有好的化学和机械性能，并具有优良的生物相容性改性DLC上血小板形貌和粘附量CaP-DLCP-DLCCa-DLCLTIC020406080100120140160CaP-CP-CCa-CLTICCountsNo.ofadheredplateletsNo.ofnon-activatedplateletsKwok,S.C.H.etal.,Diam.Relat.Mater.,15,893,2006Ti-O薄膜体外血小板凝血试验薄膜体外血小板凝血试验Ti-OfilmLTICcarbonYang,P.etal.,Surf.Coat.Tech.,156,284,200267其它表面改性技术碱热处理TiO2薄膜碱热处理TiO2凝胶层Ca2+,PO43-通过凝胶层沉积表面磷灰石层优势:

过程简单;高的结合强度缺点：

残余Na有细胞毒性阳极氧化其它表面改性技术69当代生物医学材料科学的重点和前沿应用生物学原理并与生物技术结合，赋予材料生物结构和生物功能，充分调动人体自我康复的能力，重建或再生被损坏的组织或器官或恢复和增进其功能，实现病变或缺损组织或器官的永久康复