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生物材料的表面与界面 材料表界面课件

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材料表面与界面-第一章

材料表面与界面-第一章

润湿性
指液体在固体表面上扩散 和附着的能力。
影响因素
表面吸附和润湿性受表面 张力、表面能、物质性质 等因素的影响。
表面形貌与结构
表面形貌
指固体表面的几何形状和 外观特征。
表面结构
指固体表面的化学组成和 分子排列结构。
影响因素
表面形貌和结构受物质性 质、制备方法和环境条件 等因素的影响。
03 材料界面的基本概念
材料表面与界面-第一章
目录
• 引言 • 材料表面的基本性质 • 材料界面的基本概念 • 材料表面与界面的应用 • 总结与展望
01 引言
表面与界面的定义与重要性
定义
表面是指物质的最外层，而界面 则是指两种不同物质之间的接触 面。
重要性
表面与界面在许多物理、化学和 生物过程中起着关键作用，如催 化反应、电子传输、生物分子相 互作用等。
04 材料表面与界面的应用
表面技术在材料制备中的应用
表面涂层技术
通过在材料表面涂覆一层具有特 殊性能ห้องสมุดไป่ตู้涂层，以提高材料的耐
腐蚀、耐磨、隔热等性能。
表面合金化技术
通过改变材料表面的元素组成和 相结构，使其具有优异的耐高温、
抗氧化、抗疲劳等性能。
表面微纳结构制备
利用微纳加工技术，在材料表面 制备出具有微纳尺度结构的表面， 以提高材料的表面能、润湿性、
摩擦学性能等。
界面技术在复合材料中的应用
界面设计
01
通过优化界面结构和性质，提高复合材料的力学性能、电性能、
热性能等。
界面增强
02
利用界面层对复合材料的增强作用，提高复合材料的强度、韧
性、耐疲劳等性能。
界面相容性

材料表面与界面(精心)优秀课件

材料表面与界面(精心)优秀课件

对各向同性材料，上式可写为：
f
19
2．固体表面 2.1 表面结构的驰豫与重构 －表面力使系统表面处于高能态。 液体以降低表面积来降低系统的表面能； 固体以离子重排、变形、极化、晶格畸变来降 低表面能。
－理想表面：体内结构不变地延续到表面层， 是理论完整的二维点阵平面。
－真实清洁表面：有表面结构的弛豫和重构。
wσ
d dwσ
A
dA
U形液膜模型有：
dw fdx l dx f l f
l
11
由热力学知:
dF SdT PdV dA
F ( A )T ,V
dG SdT VdP dA
( G A
)T ,P
由以上得出液体表面张力：
①恒温恒容或恒温恒压下形成单位表面的自
由能变化（J/m2） ②界面所具有的单位长度上的收缩力 （N/m）
20
－表面结构弛豫： 在几个原子层范围上点阵参数与体内有差异， 特别表现在垂直于表面原子层方向上的变化， 即法向弛豫。
驰豫表面示意图
21
－表面重构：表面层的晶体结构和体内不 同。
重构表面示意图
22
－极化重排:离子晶体在表面力作用下，离子 发生极化与重排形成表面双电层。导致表面 层离子键性消弱，共价键性增强，组成上倾 向于非化学计量，使晶体表面能更为稳定。
dA A ij d ij
式中：δ 为克罗内克符号。
ij
（实际上剪切应变不改变面积）
得到：
A ij d ij Ad Afij d ij
f ij
ij
ij
18
f xx
d d xx
f yy
d d yy
f xy
d d xy

生物材料的表面与界面材料表界面ppt课件

生物材料的表面与界面材料表界面ppt课件

3.3 生物相容性的研究意义
生物相容性是生物材料极其重要的性能，是区 别于其他材料的标志，是生物医用材料能否安 全使用的关键性能。
控制和改善生物材料的表面性质，是促进材料 表面与生物体间的有利相互作用、抑制不利相 互作用的关键途径。
如何提高材料的生物相容性
？
生物材料的表面工程是一种非常重要的方法！
国内从事生物材料表界面研究的课题组
生物材料的表面改性与功能化；
蛋白质、细胞与材料表面的相互作用；
苏州大学陈红教授课题组
➢Combining surface topography wi生 polymer chemistry: exploring new interfacial biological phenomena. Polym. Chem., 2013, DOI: 10.1039/C3PY00739A ➢Aptamer-Modified Micro/Nanostructured Surfaces: Efficient Capture of Ramos Cells in Serum Environment. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5, 3816.
第一部分：生物材料表界面学科的诞生
1. 生物材料的概念（Biomaterials):
与生物体相接触的、或移入生物体内起某种取代、 修复活组织，增进或恢复其功能的特殊材料。
2. 生物材料的发展阶段
➢最初：一些临床应用的生物材料并不专门针对医用设计 （实现基本临床功能，也带来了不良的生物反应)
➢20世纪60-70年代：第一代生物材料（惰性生物材料） （物理性能适宜、对宿主反应较小；寿命延长5-25年）
其他领域的表面工 程技术和材料引入 生物材料领域或基 于体内物质的初步 模仿

材料表面与界面 6 图文

材料表面与界面 6 图文
有重要作用。
• 具有d能带的过渡金属Ni和Cu的表面电子结构
计算表明，在Ni中存在比EF能级低4~5eV的表 面态。在Cu中存在比EF能级低5~6eV的表面态, 具有Schockley态的特征。
第三节 清洁表面的电子结构
3.2 半导体清洁表面的电子结构
(1) Si(111)1×1表面态
• Si(111)1×1非重构表面形成原因：（a）表面
材料表面与界面
第二节 表面态
第二节 表面态
• 在表面或界面处，晶体的周期性势场突然发生
中断或明显的畸变，产生了明显区别于体内的 特殊势场。
• 经薛定鄂方程计算，这样的特殊势场，会形成
特殊的解，即产生了特殊电子状态，这些区别 于体内的电子状态称为表面态或界面态。
第二节 表面态
(2) 表面电子态
• 当表面形成后，体内周期性势场中断，波函数
第二节 表面态
(3) 本征表面态的类型
• 定域表面态可能是以能级或能带形式存在，可
处在禁带内，也可延伸到导带或价带之中。
(a)两个不连续的能级; (b)两个能带; (c)两带交迭; (d)类sh带；(e)类离子 带；(f)分布有各种可能的非本征表面态;
第三节 清洁表面的电子结构
第三节 清洁表面的电子结构
各种各样的附加能级(如电子和空穴的陷阱、 色心等)，表面态也很难从以上的附加能级中 区别开。
• 半导体具有适当宽度的禁带，可形成纯度和完
整性非常高的材料，只有极少量的体内缺陷， 因此在半导体中的表面态很容易检测。
第二节 表面态
(2) 本征表面态与外诱表面态
• 清洁表面上所存在的电子态称为本征表面态
第三节 清洁表面的电子结构
金刚石结构氧化物(TiO2)

生物材料的表面与界面-宿主反应生物材料的表面研究材料表界面课件

生物材料的表面与界面-宿主反应生物材料的表面研究材料表界面课件
氟树脂以及相应改性树脂 ➢ 修饰微细结构表面 激光和等离子体处理法、模板法、蒸汽诱导相分离法、 溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、电纺法和电化学法等
3.2 表面拓扑结构
表面的粗糙度
拓扑结构
孔洞的大小及分布 沟槽的尺寸和取向
等
Th物材料表面拓扑结构对细胞行为的影响早在一个世纪前就 被发现。
细胞根据下层材料的拓扑形貌而取向Th长。 纳米尺度的拓扑结构与机体内细胞Th长的自然
超疏水的水黾腿
接触角：167° 腿部所受的表面张力足
以承受本身重量的数十倍
水黾：通过其腿部独特的微纳米复合 阶 层结构实现超疏水和高表面张力
影响材料表面润湿性的主要因素
材料表面能（基本条件） 表面粗糙度（决定性因素） 表面微-纳结构（决定性因素）
制备超疏水表面的两类技术：
➢ 控制材料表面能
纳米压印技术
Prof. Stephen Y.Chou，
周郁
低成本，高产量， 高分辨率
one of the"10 emerging technologies that will
change the world"
A faculty member at the University of Minnesota (1989-1991,Assistant Prof, 1991-1994, Associate Prof, and 1994-1997 Full Prof), and joined Princeton University in 1998.
(g and h) Low magnification SEM’s of filopodia/nano-column interactions.
Biomaterials 25 (2004)： 5415–5422

生物材料的表面与界面-材料表界面的表征方法 材料表界面课件

生物材料的表面与界面-材料表界面的表征方法 材料表界面课件
X射线光电子能谱仪结构示意图
XPS的基本原理是光电效应。如果以光电子的动能分布为横坐 标，相对强度为纵坐标，那么所记录的谱峰为光电子能谱图。 图1.4聚四氟乙烯(PTFE)XPS谱。
聚四氟乙烯（PTFE）的XPS
扫描电子显微镜
扫描电子显微镜，简称SEM，它的成像过程不是利用电磁透 镜的会聚放大功能一次成像，其图像是按一定时间空间顺序 逐点扫描形成，并在镜体外的显像管上显示出来。二次电子 成像是用扫描电镜所获得的各种图像中应用最广泛、分辨率 最高的一种图像，成像过程如图所示。
生物材料的表面与界面
四、 材料表界面的表征方法
材料-界面结合形式
1、暂时附着界面
失败的界面附着形式
材料植入体内后，机体组织立即产生强烈的异物
反应或毒性反应，只是暂时性的附着。
2、纤维结合界面
不良的界面附着形式
植入体内后，在材料表面形成很厚的结缔组织包
裹层，且随时间加长，包裹层不变薄不消失，逐渐变
※ 微量元素分析 对材料与组织细胞界面及周围的微量元素及其变化进
行测定，从而对细胞生长发育状态以及界面结合的动态变化 进行判定。
几种常用的仪器
◆ 红外光谱
◆ X射线光电子能谱 ◆ 扫描电子显微镜 ◆ 激光共聚焦显微镜 ◆ 透射电子显微镜 ◆ 原子力显微镜 。。。。。。。
红外光谱
◆通过红外光照射到物质分子只能激发分子内原子核之间的
7 and (e) 14
透射电子显微镜
透射电子显微镜基本原理
透射电子显微镜(transmmion electronmicroscope)简称TEM。TEM既可 以观察试样的显微图像，又可以观察电子衍射花纹。
TEM的分辨本领按下式计算： d＝Vλ／nsinα
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工程化表面担当着粘 附组织与植入生物材 料的结合与过渡“人 工ECM”的作用，因而 表面修饰应该按照体 内ECM来构思。
细胞外基质: extracellularmatrix ，ECM，由细胞分泌到细胞外间质中的大分 子 物质，构成复杂的网架结构，支持并连接组织结构、调节组织的发生和细胞 的生 理活动。
?20世纪60-70年代：第一代生物材料（惰性生物材料） （物理性能适宜、对宿主反应较小；寿命延长 5-25年）
?20世纪80年代：第二代生物材料（生物降解高分子材料） （不能很好地达到应用要求）
?90年代至今：第三代生物材料（细胞和／或基因活化生物材料）
从分子上控制生物材料与细胞间的相互作用，引发特异性细胞反应， 抑制非特异反应，实现细胞黏附、增殖、分化、凋亡及细胞外基质的重 建。
生物材料的表面与界面
第一部分：生物材料表界面学科的诞生
1. 生物材料的概念（Biomaterials):
与生物体相接触的、或移入生物体内起某种取代、 修复活组织，增进或恢复其功能的特殊材料。
2. 生物材料的发展阶段
?最初：一些临床应用的生物材料并不专门针对医用设计 （实现基本临床功能，也带来了不良的生物反应)
深入研究 生物材料表面与细胞间的相互作 用是设计和改进第三代生物材料的关键。
临床存在的问题
从非医用目的开发的材料转移借用而来，产生排异反应、炎 症反应等等，因此，材料的相容性远远不能满足临床应用的 要求。
研究材料的生物相容性的必要性
3.1 生物相容性的分类
指材料在生理环境中，生物体对植入材料的反应和产 生有效作用的能力，用以表征材料在特定应用中与生 物机体相互作用的生物学行为。
4. 生物材料表面工程的概念
指维持植入体不变的情况下通过改进材料的表面性质而改变 材料和生物体的反应。 ? 以材料与生物体的相互作用的界面行为的认识为基础； ? 调控这种界面相互作用为目的；
4. 生物材料表面工程的概念
材料学角度
材料表面工程 使其适应与组 织的“接纳” 赋予动态整合 性；
组织工程临床 应用角度
国内从事生物材料表界面研究的课题组
生命体系与材料界面的生物 相容性和生物功能性研究
浙江大学计剑教授课题组
ACS Applied Materials & Interfaces 5(10): 4136-4143， 2013 Biomaterials 34(13): 3345-3354，2013
国内从事生物材料表界面研究的课题组
5.生物材料表面工程的发展阶段
其他领域的表面工 程技术和材料引入 生物材料领域或基 于体内物质的初步 模仿
基于对材料表面 改性与修饰而促 使界面生物物质 特异性识别，从 而较好地控制材 料/生物体界面 的相互作用
基于在分子水平上的材料 / 生物体界面的相互作用的 认识而发展的材料表面设 计，使材料表面可较理想 地被生物体识别为自体而 全面地接受
国内从事生物材料表界面研究的课题组
? 生物材料的表面改性与功能化；
? 蛋白质、细胞与材料表面的相互作用；
苏州大学陈红教授课题组
?Combining surface topography wi 生 polymer chemistry: exploring new interfacial biological phenomena. Polym. Chem., 2013, DOI: 10.1039/C3PY00739A ?Aptamer-Modified Micro/Nanostructured Surfaces: Efficient Capture of Ramos Cells in Serum Environment. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5, 3816.
中国科学院上海硅酸盐研究所刘宣勇教授课题 组
国内从事生物材料表界面研究的课题组
组织相容性
（Tissue-Compatibility ）
材料与活体组织及体液 接触后，不引起细胞﹑
组织的功能下降，组织
不发生炎症、癌变以及
排异反应等。
3.2 生物相容性的影响因素
取决于材料与生物体系统 的相互作用
……
表面化学结构
活性因子
影响生物 材料相容性 的表面性质
表面亲疏水性
表面电荷状况
表面拓扑结构
3.3 生物相容性的研究意义
生物相容性是生物材料极其重要的性能，是 区 别于其他材料的标志，是生物医用材料能 否安 全使用的关键性能。
控制和改善生物材料的表面性质，是促进材 料 表面与生物体间的有利相互作用、抑制不 利相 互作用的关键途径。
如何提高材料的生物相容性
？
生物材料的表面工程是一种非常重要的方法！
? 生物材料表面改性与仿生 ? 心血管人工器官与器械的表面组织诱导性
介入治疗用生物材料与器械设计与研究 ? 纳米薄膜与纳米材料表面改性
西南交通大学黄楠教授课题组 生物材料与表面工程研究所
国内从事生物材料表界面研究的课题组
? 生物材料表面/界面基本科学问题 ? 生物材料表面纳米化和功能化 ? 生物活性涂层/薄膜 ? 抗菌涂层/薄膜
血液相容性
主要考察与血Biblioteka 液的相互作用按材料与生物体 接触部位分类
组织相容性
考察与血管外 组织的作用
力学相容性
考察力学性能与 生物体的一致性
良好的生物相容性是任何生 物材料都必须遵守的最高准则。
血液相容性
（Blood-Compatibility）
材料与血液接触后，不 引起血浆蛋白的变性， 不破坏血液的有效成分 ，不导致血液的凝固和 血栓的形成。
国内从事生物材料表界面研究的课题组
细胞与生物材料相互作用的基础研究
复旦大学丁建东教授课题组
? 材料表面的微米/纳米图案化技术 ?基于图案化表面的细胞/生物材料相互作用研究 （细胞黏附、细胞迁移等） ?材料表面的干细胞分化研究 ? 细胞在材料表面行为相关的理论研究
Advanced materials 25(37): 5257-5286, 2013; Biomaterials, 34(12) 2865-2874 (2013) Biomaterials, 33, 1730-1735 ,2012; Biomaterials, 32, 8048-8057 , 2011