生物医用材料表面改性综述

•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。
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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 100um时有利于形成骨芽细胞和骨组织长入。
•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。
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➢技术要点和方法：
➢ 现状:已建立材料表面形貌与细胞、组织黏 附行为之间的关系；
➢ 方向 ✓ 从分子水平上研究材料表面形貌对细胞形态
与功能的影响； ✓ 研究材料表面形貌对基因表达的影响。
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2 .生物医用材料的表面修饰
• 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 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。
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。
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控制材料表面的粗糙化主要有以下方法：
1) 用 精 密 的 机 械 加 工 方 法 在 材 料 表 面 加 工 出 约 500um尺寸的螺线、台阶和孔等。
• 另外在人工血管表面预涂纤维蛋凝胶、纤维连结素或碳
膜等，也均可增加内皮细胞种植的牢固性。
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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。
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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：
2) 用微机械和微刻蚀技术获得3um~10um深度且距 离和形状均可精确控制的粗糙表面；
3) 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。
4) ?
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组织工程对高分子支架及材
料的要求
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孔ຫໍສະໝຸດ Baidu和形态
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(左）材料表面的拓扑结构 （右）材料表面的生物特异性识别
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研究现状和方向
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。
• 常采用融合法进行内皮细胞种植。
将从自体获得的内皮细胞培养、繁殖2~3代 与血液 混合，注入人工血管腔内 在37℃、50％CO2及旋转条件 下培养3h 细胞培养液融合培养7~10天 内皮细胞在材 料表面融合成单层 进行外科植入手术，可保证种植的内 皮细胞粘合牢固。
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。
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因此，用白蛋白涂层或改善材料的表面 结构的方法，使材料选择性地吸附白蛋白涂 层来提高材料的血液相容性，就成为重要的 研究内容。
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白蛋白在材料表面的结合状态是白蛋白可否 发挥作用的关键。 物理吸附法获得的白蛋白涂层结合力较差， 在与血液接触中容易与其他蛋白质发生交换作用， 从而使抗凝血性能逐渐下降。
❖ 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。
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影响材料与生物体之间的相互作用的因素有：
生物材料表面的成分、 结构、 表面形貌、 表面的能量状态、 亲（疏）水性、 表面电荷、 表面的导电特征等表面化学、物理及力学特性
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。
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对于与血液接触的医用生物材料
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。
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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
生物医用材料 表面改性综述
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内容：
1. 表面形貌与生物相容性 2. 生物医用材料表面修饰 3. 等离子体表面改性 4. 等离子体注入表面改性 5. 表面涂层与薄膜合成法 6. 自组装分子单层
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❖ 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.
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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。
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“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、 • 成骨细胞等均存在“接触诱导”效应。
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在随后的组织生长过程中，材料的表面粗糙度为 1um～3um时，
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
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(II)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行
为。
•表面吸附层主要是纤维蛋白原或球蛋白并且蛋白质
的构象发生改变 激活凝血因子与血小板 凝血
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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。
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进行表面修饰的几种方法：
(I)种植内皮细胞
➢理论依据：