生物材料的表面与界面 材料表界面课件

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)
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！
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
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
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
血液相容性
主要考察与血 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。
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
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
?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。
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Fra Baidu bibliotek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.
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。
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
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。
? 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