生物医用高分子材料的表面改性

含氟高分子生物材料的表面改性研究进展

第38卷第10期2010年10月化 工 新 型 材 料N EW CH EM ICAL M A T ERIA L S Vo l 38No 10 21 作者简介:文晓文(1985-),女,在读硕士研究生,研究方向为含氟功能高分子材料。联系人:张永明,教授,博士生导师。 含氟高分子生物材料的表面改性研究进展 文晓文 李 虹 艾 飞 陈 欢 张永明* (上海交通大学化学化工学院,上海200240) 摘 要 含氟高分子材料因具有优异的稳定性和物理机械性能而成为目前研究和应用广泛的医用生物材料,但是,生物相容性的不足影响和限制了其作为体内长期植入材料的应用。因此,提高含氟高分子材料的生物相容性,尤其是通过表面改性的方法提高其生物相容性是一项有意义的研究课题。分别从改性手段和改性物质两方面综述了近年来国内外含氟高分子生物材料表面改性的研究发展。 关键词 含氟高分子材料,表面改性,生物相容性 Surface modification of fluoropolymer biomaterials Wen Xiao w en Li H o ng Ai Fei Chen H uan Zhang Yongming (Shang hai Jiao T ong U niv ersity ,Shanghai 200240) Abstract Fluoro po ly mer is w idely used as biomedical mater ials due to its o ut standing mechanical pr operty ,chemi cal st abilit y and biolog ical inertness.H owev er,the biocompatibility of fluor opolymer is not satisfied when it is used as lo ng term implant biomedical mater ial.T herefor e,to impro ve t he fluor opolymer s bio compatibility via differ ent strateg ies,especially via surface modificatio n is of sig nificant impo rtance.Recent prog r esses in surface mo dificatio n on fluor opolymers wer e review ed and wer e detailed illustr ated in tw o aspects including t he mo dif ication methods and modifier s. Key words fluor opolymer ,surface modificatio n,biocompatibilit y 含氟高分子材料具有优良的机械性能和化学稳定性,因而成为高分子生物材料中的研究热点。在现有的医用材料中,含氟高分子材料已被广泛应用于人造血管、组织充填物、人造血液、载药体、眼科修复,超声核磁检测等方面[1 3]。总体而言,含氟高分子材料无毒无害,表面能低,所制成的材料在体内呈现惰性,不被生物降解也不引起严重生理反应。但是,现有含氟高分子材料的生物相容性还不能完全令人满意。为了解决这一难题,以含氟高分子材料为基质材料,通过合适的表面改性手段,既保留了含氟材料本体的优点,又赋予其表面更好的生物相容性和特殊功能,可以获得具有理想性能的生物材料[4]。 Kang E T [5] 曾详细介绍了基于分子设计的氟材料表面改 性,但对含氟高分子生物材料研究还比较少。由于含氟材料特殊的表面性能和化学稳定性,对其进行表面改性较一般材料困难,可行方法有限。本文综述了含氟高分子生物材料的表面改性研究概况,并就改性手段和改性物质两方面进行简要介绍。 1 含氟高分子生物材料的改性手段 从改性手段上,主要分为物理吸附法和化学接枝法。物理吸附最为简便也最早使用。例如,可将一次性手术用品直接浸泡肝素溶液,在其表面形成肝素涂层,可以减少使用时与血液接触产生的凝血和不良反应,但失效快,只限临时使用[1]。与物理吸附相比,化学接枝法更为有效,可控性强,稳 定性好,可构建具有生物活性的分子结构,从而达到改变材料生物相容性的目的,目前应用较多。化学接枝法包括等离子 法、辐射法、臭氧活化法、表面A T R P 法、化学试剂法、偶联剂法等,其中前四种较为常用。 1 1 等离子体法 等离子体法是目前使用最广泛的方法。等离子体是电子、离子、自由基、紫外线等的集合体,它能在材料表面引起化学反应和聚合反应。等离子法在材料表面进行接枝聚合主要包括两步:(1)在材料表面引入活性基团;(2)单体在活性基团上开始聚合。T u C Y 等[6]用氧气等离子处理膨体四氟乙烯(eP T F E)表面,将处理后的材料浸入单体溶液进行表面接枝聚合,成功地在表面接枝聚丙烯酰胺,改变了ePT F E 的表面性能,提高了细胞与表面的结合能力。 Zou X P 等[7]通过等离子体法将甲基丙烯酸聚乙二醇酯(P EGM A )接枝到聚四氟乙烯(P T F E)表面:预先将PT F E 表面进行氢气等离子处理,再利用氩气等离子引发PEG M A 在该表面接枝聚合,可以通过控制氩气等离子的射频电源功率和辉光放电时间来控制表面接枝密度。蛋白吸附实验证明,通过表面接枝PEG M A ,可有效降低PT FE 表面对蛋白质的吸附从而提高生物相容性,如图1所示。 K onig U 等[8]用水等离子体处理PT FE 膜,产生自由基,然后进行丙烯酸气相表面接枝反应,在P T FE 膜表面形成稳定均相的聚丙烯酸层,厚度约70nm,用于固定蛋白质。Ko nig U [9]还研究了几种常用等离子体对PT F E 表面的处理效果,结

生物医用材料

生物医用高分子材料课程总结 一、生物医用材料定义 生物医用材料：对生物系统的疾病进行诊断、治疗、外科修复、理疗康复、替换生物体组织或器官（人工器官），增进或恢复其功能，而对人体组织不会产生不良影响的材料。生物医用材料本身并不必须是药物，而是通过与生物机体直接结合和相互作用来进行治疗;生物医用材料是一种植入躯体活系统内或与活系统相接触而设计的人工材料。 研究内容包括：各种器官的作用；生物医用材料的性能；组织器官与材料之间的相互作用 分类方法：按材料的传统分类法分为： (1)合成高分子材料（如聚氨酯、聚酯、聚乳酸、聚乙醇酸、） (2)天然高分子材料（如胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖） (3)金属与合金材料(4)无机材料(5)复合材料 按材料的医用功能分为： (1)血液相容性材料(2)软组织相容性材料(3)硬组织相容性材料 (4)生物降解材料(5)高分子药物 二、生物相容性与安全性 生物相容性，是生物医用材料与人体之间相互作用产生各种复杂的生物、物理、化学反应的一种概念。生物医用材料必须对人体无毒、无致敏、无刺激、无遗传毒性、无致癌性，对人体组织、血液、免疫等系统不产生不良反应。 主要包括：1.组织相容性：指材料用与心血管系统外的组织和器官接触。要求医用材料植入体内后与组织、细胞接触无任何不良反应。典型的例子表现在材料与炎症，材料与肿瘤方面。影响组织相容性的因素：1）材料的化学成分；2）表面的化学成分；3）形状和表面的粗糙度： 2.血液相容性：材料用于心血管系统与血液直接接触，主要考察与血液的相互作用材料，影响因素：材料的表面光洁度；表面亲水性；表面带电性，具体作用机理表现在：血小板激活、聚集、血栓形成；凝血系统和纤溶系统激活、凝血机能增强、凝血系统加快、凝血时间缩短；红细胞膜破坏、产生溶血；白细胞减少及功能变化；补体系统的激活或抑制；对血浆蛋白和细胞因子的影响。主要发生在凝血过程，生物材料与血小板，生物材料与补体系统的作用过程。 三、生物医用材料表面改性 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、血栓等生物反应，这取决于材料表面与生物体环境的相互作用。研究表明：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、表面电荷等表面化学、物理及力学特性均会影响材料与生物体之间的相互作用。通过物理、化学、生物等各种技术手段改善材料表面性质，可大幅度改善生物材料与生物体的相容性。 主要体现在： 1表面形貌与生物相容性：表面平整光洁的材料与组织接触容易形成炎症和肿瘤，粗糙的材料表面则促使细胞和组织与材料表面附着和紧密结合。不仅增加了接触面积，更会在粗糙表面择优粘附成骨细胞、上皮细胞。粗糙表面的形态对细胞生长有“接触诱导”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： 1），与骨接触的医用生物材料表面要求粗糙，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。 2）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。因为光滑的表面产生的激肽释放酶少，从而使凝血因子转变较少。但孔表面有促进内皮细胞生长的作用。

材料表面的硅烷化改性

实验64 材料表面的硅烷化改性 一．实验目的 1.利用硅烷偶联剂改性有机或无机材料。 2.制备无机-有机杂化粉体或薄膜材料。 二．实验原理 很多纳米材料都是重要的无机化工产品，是橡胶.塑料.油漆.油墨.造纸.农药及牙膏等行业不可缺少的优良原料。以SiO2纳米颗粒为例，纯粹制备的SiO2颗粒表面上存在着大量的羟基基团，呈极性.亲水性强，众多的颗粒相互联结成链状，链状结构彼此又以氢键相互作用，形成由聚集体组成的立体网状结构，在这种立体网状结构中分子间作用力很强，应用过程中很难均匀分散在有机聚合物中，颗粒的纳米效应很难发挥出来。如何将纳米SiO2均匀分散在高分子材料中，以提高聚合物材料的各项性能是一个重要的研究方向。 硅烷偶联剂发展至今已有一百多种产品，按Y有机官能团的不同，可分为链系基类硅烷偶联剂.氨基硅烷偶联剂.环氧基类硅烷偶联剂.烷基丙烯酰氧基类硅烷偶联剂及双官能基型硅烷偶联剂等。 硅烷偶联剂处理技术原理简单.操作方便，其与材料表面的作用机理一直是研究的重点，目前关于硅烷在材料表面行为的理论有很多假设，主要有化学键理论.物理吸附理论.表面浸润理论.可逆水解平衡理论和酸碱相互作用理论等。 硅烷偶联剂分子含有两种反应性基团，化学结构可以用X3SiRY来表示，其中，X是可进行水解反应并生成硅烃基(Si-OH)的基团，如卤素.氨基.烷氧基和乙酰氧基等，硅醇基团可和无机物（如无机盐类.硅酸盐.金属及金属氧化物等）发生化学反应，生成稳定的化学键，将硅烷与无机材料连接起来。Y是非水解基团，可与有机基团如乙烯基.氨基.巯基.环氧基等起反应，从而提高硅烷与聚合物的粘连性。R是具有饱和键或不饱和键的碳链，将官能团Y 和Si原子连接起来。因此硅烷偶联剂分子被认为是连接无机材料和有机材料的“分子桥”，能将两种性质悬殊的材料牢固地连接在一起，形成无机相/硅烷偶联剂/有机相的结合形态，从而增加了后续有机涂层与基地材料的结合力。 一般来说，硅烷分子中的两个端基团既能分别参与各自的反应，也能同时起反应。通过适当的控制反应条件，可在不改变Y官能团的前提下取代X官能团，或者在保留X官能团的情况下，使Y官能团改性。若在水性介质中对Y官能团改性，那么X基团同时水解。则硅烷的作用过程依照四步反应模型来解释： ①与硅相连的3个Si-X基团水解成Si-OH; ②Si-OH之间缩合反应，脱水生成Si-OH的低聚硅烷； ③低聚物中的Si-OH与基体表面的-OH形成氢键； ④加热固化过程中发生脱水反应，与基材以共价键连接。 界面上硅烷偶联剂只有一个硅与基材表面键合，剩下两个Si-OH可与其他硅烷中的Si-OH 缩合形成Si-O-Si结构。 常用的硅烷偶联剂主要有; (十二烷基三甲氧基硅烷） （乙烯基三乙氧基硅烷）

材料改性与表面工程

材料改性与表面工程 镁合金被誉为“21世纪最具发展潜力和前途的绿色工程材料”。他是金属结构材料中最轻的一种，镁合金从早期被应用于航空航天工业到目前在汽车材料、光学仪器、电子电信、军工工业等方面的应用有了很大发展。但是镁合金的耐蚀性耐磨性硬度及耐高温性能较差，在某种程度上又制约了镁合金材料的广泛应用。采用冷喷涂技术在镁合金表面喷涂覆盖上一层致密的保护膜，是解决镁合金腐蚀和磨损问题，提高镁合金铸件使用寿命，拓宽镁合金应用范围的关键之一。 1．冷喷涂原理和特点 超音速冷喷涂（简称冷喷涂）是近年发展起来的一种新型涂层制备工艺，常以金属材料（如钛、镍、钨、钴、铜、合金等）[1-5]为喷涂材料进行金属表面改性和功能涂层的制备。 冷喷涂技术[6]就是将经过一定低温预热的高压（1.5～3.5MPa）气体（N2、He 或压缩气体）分两路，一路通过送粉器，携带经预热（100～600℃）的粉末粒子（1～50 m）从轴向送入高速气流中；另一路通过加热器使气体膨胀，提高气流速度（300～1200 m／s），最后两路气流进入喷枪，在其中形成气─固双相流，在完全固态下撞击基体，通过较大的塑性变形而沉积于基体表面形成涂层。在喷涂过程中，喷枪距离为5～30 mm。 冷喷涂实现低温状态下的金属涂层沉积，具有如下主要优点：其一，喷涂粉末在加工过程中工作温度低，几乎无氧化现象，涂层表面组织均匀；其二，涂层密度大、结合强度高；其三，涂层材料适用广泛，可制备硬度大、耐磨性高、强度高的涂层；其四，可以加工具有特殊物理化学性质的涂层；其五，组织稳定；其六，涂层表面具有残余的压应力，使耐疲劳性增加；其七，喷涂粉末可以回收再利用。 2.国内外用冷喷涂技术在镁合金基体上喷涂铝合金涂层的研究现状 Yongshan Tao[7]等人用冷喷涂的方法在AZ91D镁合金表面沉积一层纯铝涂层，发现涂层中存在微米尺寸的裂纹和孔洞，涂层颗粒边界处中形成了新的界面和亚晶相；在质量分数为3.5%的中性NaCl溶液中浸渍后发现涂层的抗点蚀性能比具有相似纯度的铝块好。在浸渍过程中，由于在涂层中存在着相互独立的微米级或纳米级的孔洞而发生了传质现象。在浸渍十天之后，由于涂层致密细颗粒的结构，它仍然可以为AZ91D 镁合金基体提供良好的耐蚀性保护。 他们还在铝粉中加入α-Al2O3作为增强颗粒，发现涂层和纯铝涂层相比有较小的气孔率，由于α-Al2O3在基体上的渗透和侵蚀，涂层和基体之间的结合力也增强；α-Al2O3在铝基体上的捣固和增强作用涂层具

表面改性剂总结

表面改性剂：涂料油墨的点睛之笔 简介 为什么改变涂料表面特性 改变表面能 优化表面 消光蜡 蜡在涂料油墨中起什么作用 蜡的消光性能 回到改变表面能 怎样加入添加剂 实际应用 结论 简介 涂料和油墨的表面暴露在“外面的世界”里，必须经受一些严峻的环境考验，很可能导致体系本身的快速老化。除了这一点，表面还是形成涂料外观的主要原因，比如光泽和“质感”，这些都来自于表面。 绝大多数情况下，不加入改变涂料表面性能的特定添加剂――也就是表面改性剂，就无法得到优越的表面性能。加入不同种类的添加剂，现在我们可以改变以下性能： ?斥水性 ?耐刮擦、片落、损伤性能 ?耐磨性能 ?提高，或降低光泽 ?流动和流平性 ?柔和，平滑的质感 ?抗粘联性能 ?表面纹理 为什么要改变涂料的表面性能？

改变涂料的表面基本上有两个原因。第一个是需要降低表面张力/表面能，以便获得与此相关的特定性能。第二个原因，是获得不同的光学效果，比如消光，或者表面纹理。后一种添加剂不一定需要影响体系的表面能――不过这要根据化学结构来看――也有很多种类的添加剂，同时改变了这项特性。 改变表面能 设计涂料油墨配方时，必须明白表面张力和表面能的规律和关系，因为这个现象控制着很多我们需要的涂膜特性，比如流平性、润湿性、耐刮擦和损伤能力、斥水性以及表面“质感”等等。所有这些特性，都严重依赖涂膜的表面张力。 涂料和油墨中使用的大多数介质表现出高表面能。最常用的介质――比如以环氧为例――表面能是47达因/厘米（参见图表）。涂料油墨中使用的大多数其他介质――除了硅树脂以外――数值都在差不多的水平。由于一般涂膜具有这个相对较高的表面能数值，所以很难得到优越的流平性、质感和耐刮擦、损伤性能。硅树脂、各种蜡产品以及特定的表面活性剂，都是专门设计，用来提高这些性能的。我们将进一步讨论这些产品的优劣。尽管它们都能用来改变表面能，但它们的化学性质差别却很大。 优化表面 很多情况下，必须改变涂料或者油墨的表面光学效果，比如降低光泽或者特定纹理。要降低体系的光泽，可以通过引进一种“微观粗糙”的表面，来“破坏”高光涂膜的光滑表面，这样入射光线就会被反射到各个不同的方向（如图）

硅烷偶联剂改性

改性剂用量对沉降体积的影响改性剂用量与沉降体积的关系曲线，见图1。从图1可看出，沉降体积随着改性剂用量的增加而增加，但是提高幅度不是很大。在实际应用中真正起到改性作用的是少量的改性剂所形成的单分子层，因此过多的增加改性剂的用量是不必要的，不仅会在粒子间搭桥导致絮凝，使稳定性变差，而且还增加不必要的经济付出。实验所选择的硅烷偶联剂的用量在1%~2%。 2.2 改性时间对沉降体积的影响实验结果见图2。从图2可看出，当改性时间为10min时，沉降体积达到极大值，然后随着改性时间的增加，沉降体积缓慢下降。在改性时间为30min 和60min时，均保持在一个相对稳定的水平。但是改性时间为40min时出现异常，沉降体积大幅度下降。硅烷偶联剂对高岭土进行表面改性，理论上以化学键合作用为主，改性效果不会出现较大的变化，出现异常的原因还有待进一步的研究。 2.3 改性温度对沉降体积的影响采用硅烷偶联剂作为改性剂时，为了保证较好的改性效果，需要确定适宜的表面改性温度。改性温度对沉降体积的影响，见图3。从图3可看出，沉降体积随改性温度的增加而增加。当温度升高至90℃时，沉降体积达到最大值14.4ml。继续提高温度，则沉降体积下降。因此，改性剂对高岭土的最佳改性温度为90℃。 沉降性能分析称取2g改性前后的纳米高岭土，置于50ml液体石蜡中，磁力搅拌10min，倒入刻度试管，静置观察沉降性能。纳米高岭土在液体石蜡中的沉降体积随时间的变化关系，见图4。从图4可看出，未经改性的纳米高岭土由于表面具有亲水性，在有机相中倾向于团聚，大粒子沉降较快，小粒子被沉降较快的大粒子所夹带，所以在开始的时间内沉降很快，沉降速度随时间增加逐渐减慢；而高岭土经过改性处理后，表面呈现亲有机性，在有机相中倾向于分散均匀，所以在开始的时间内沉降速度较未改性高岭土慢。 随着沉降时间的增加，沉降体积均达到平衡。未改性高岭土的平衡沉降体积为13.4ml，而经过硅烷偶联剂改性处理后，样品的平衡沉降体积为21.3ml。在相同的实验条件下，沉积物的体积变大，说明改性高岭土在液体石蜡中的分散性和稳定性提高。 2.5 FT-IR分析硅烷偶联剂改性前后的纳米高岭土的红外吸收光谱，见图5。从图5可看出，改性处理后，高岭土在2800cm-1~3000cm-1之间出现的微弱峰是-CH3 和-CH2 的伸缩振动吸收峰；在1120cm-1 ~1000cm-1之间的Si-O和Si-O-Si振动吸收区变宽，这是由于硅烷偶联剂与高岭土表面形成的R-Si-O-Si与高岭土的Si-O-Si振动吸收带重合所致；出现在1034cm-1处的Si-O的伸缩振动吸收峰移至1036cm-1处；在3670cm-1处的微弱的OH吸收峰消失，这是表面官能团化学键的振动模式受到影响的结果。上述吸收峰的变化均说明硅烷偶联剂与高岭土发生了化学键合作用。 从表1可看出，硅烷偶联剂改性后，高岭土表面O元素的含量下降15.92%，C元素的含量为17.03%，而Si和Al元素的含量变化不大。硅烷偶联剂改性前后纳米高岭土的C1s价带谱图，见图7。从图7可知C1s峰发生偏移，在287.5eV附近出现C-O峰，另外，硅烷偶联剂引入了Si元素，其特征峰发生偏移，从102.35eV移至102.85eV，上述现象均说明硅烷偶联剂对于纳米高岭土的改性不是一种物理吸附而是一种化学键合作用。

表面改性剂

一粉体表面改性概念 粉体表面改性, 是指用物理、化学、机械等方法对粉体材料表面或界面进行处理,有目的地改变粉体材料表面的物理化学性质,如表面能、表面润湿性、电性、吸附和反应特性、表面结构和官能团、等等,以满足现代新材料,新工艺和新技术发展的需要。 二表面改性的目的 （1）改善粉体颗粒的分散性、稳定性和相容性。 （2）提高粉体颗粒的化学稳定性，如耐药性、耐 光性、耐候性等。 （3）改变粉体的物理性质，如光学效应、机械强 度等。 （4）出于环保和安全生产目的。 三粉体表面改性技术的应用 ?(1)有机/无机复合材料(塑料、橡胶等） ?改善无机填料（包括增量无机填料和功能性无机填料）与有机（高聚物）基料的相容性，提高其分散性及复合材料的综合性能 ?(2)油漆、涂料 ?提高涂料、油漆中颜料的分散性并改善涂料的光泽、着色力、遮盖力和耐候性、耐热性、保光性、保色性等 ?(3)无机/无机复合材料 ?提高无机组分，特别是小比例无机组分在大比例无机组分中的分散性，如陶瓷颜料和多相陶瓷材料 ?(4)吸附与催化材料 ?提高选择性、活性和机械强度 ?(5)健康与环境保护 ?(6)超细和纳米粉体制备中的抗团聚 ?(7) 其它（插层改性） 四粉体表面改性的主要研究内容 ?(1)粉体表面改性的原理和方法 ?表面或界面性质与其应用性能的关系 ?表面或界面与表面改性剂或处理剂的作用机理和作用模型 ?各种表面改性方法的基本原理或理论基础，包括表面改性处理过程的热力学和动力学，模拟和化学计算等 ?(2)表面改性剂及其配方 ?种类、结构、分子量、活性基团与其应用性能或功能的关系 ?与粉体表面及复合材料的作用机理和作用模型 ?用量和使用方法 ?新型和专用表面改性剂的制备或合成 ?(3)表面改性工艺与设备 ?不同种类和不同用途粉体表面改性的工艺流程和工艺条件

医用钛合金表面改性及其生物摩擦学的研究进展_陈昌佐

第26卷第1期2014年1月 腐蚀科学与防护技术 CORROSION SCIENCE AND PROTECTION TECHNOLOGY V ol.26No.1 Jan.2014 专题介绍 医用钛合金表面改性及其生物摩擦学的 研究进展 陈昌佐1,2丁红燕2周广宏2庄国志1印风2 1.江苏大学材料科学与工程学院镇江212013; 2.淮阴工学院江苏省介入医疗器械研究重点实验室淮安223003 摘要：综述了医用钛合金常用的化学改性和物理改性方法，介绍了改性后涂层的生物摩擦学性能，并对医用钛合金在提高耐磨性方面的改性技术进行了展望。提出了工艺改进和新材料开发等方面的建议。 关键词：医用钛合金表面改性耐磨性 中图分类号：TH171.1,TG146.2文献标识码：A文章编号：1002-6495(2014)01-0069-04 1前言 目前临床骨科应用最广泛的生物材料多为金属材料，其主要包括不锈钢、钴基合金、钛合金以及形状记忆合金等[1,2]。不锈钢、钴基合金等在临床应用中还存在着诸多问题，如：生物相容性差、组织反应严重、强烈的致敏、致癌反应和易产生应力遮挡等[3]。Ti及钛合金具有低的弹性模量、良好的生物相容性和耐蚀性等优点，在临床应用上得到了广泛使用，如：硬组织替换、血管支架、心脏瓣膜以及各种矫形器械等。 医用钛合金虽然具有优良的耐蚀性和比强度，但其耐磨性相对较差。植入物在磨损条件下容易产生大量的含Ti，Al和V的黑色磨屑，从而导致无菌松动直至关节置换失败。此外，Al，V元素具有潜在的细胞毒性，可能导致表面磷灰石无法生成，特别是Al易引起老年痴呆症。通过钛合金的表面改性或优化材料的成分，减少人工关节在使用过程中的磨粒产生，改善磨损粒子的尺度分布，减轻磨粒的生物学反应是延长人工关节使用寿命的关键[4,5]。表面改性技术可在保留医用钛合金原有的优良性能基础上改善其临床使用性能。本文评述了目前常用的钛合金表面改性方法及其生物摩擦学的研究现状，并对其未来发展趋势进行了展望。 2常用的钛合金表面改性技术及其生物摩擦学性能 2.1化学改性方法 2.1.1微弧氧化法微弧氧化(MAO)技术，或称为等离子氧化技术，是一种在材料表面获得陶瓷涂层的技术。该技术可以在Al，Mg，Ti等金属及其合金表面原位生长一层陶瓷薄膜[6]。MAO陶瓷膜不仅耐磨、耐蚀性好，而且Ca，P元素可直接进入到氧化膜层中，从而提高了生物相容性，在临床植入体手术中已有少量的探索性应用[7]。 Zhou等[8]在TC4合金上通过微弧氧化方法合成了TiO2涂层，并在SBF模拟体液中考察了MAO涂层的摩擦学性能，结果表明，与未经处理的TC4比较，涂层在模拟体液中的摩擦系数降低，磨损体积减少。王凤彪等[9]利用微弧氧化工艺在钛合金表面制备了羟基磷灰石(HA)膜，研究了薄膜在模拟体液中浸泡后的耐磨性。结果表明，膜层随浸泡时间延长而逐渐变厚；浸泡后膜层的摩擦系数随摩擦时间延长先升高后降低，耐磨性呈升高趋势。 2.1.2溶胶凝胶法溶胶-凝胶法(sol-gel)一般以钛醇盐及其相应的溶剂为原料，加入少量水及不同的酸和络合剂等，经搅拌和陈化制成稳定的溶胶，然后用浸渍提拉、旋转涂层或喷涂等方法将溶胶施于经过清洁处理的基体表面，最后经干燥焙烧，在基体表面形成一层薄膜[10]。 刘颖等[11]通过溶胶凝胶工艺和浸渍提拉技术，以钛酸丁酯为前躯体，加入聚乙二醇作为模板剂，在TC4合金基片上制备了TiO2微纳图案化薄膜，并对薄膜的摩擦学性能进行了研究。结果表明，制备的薄膜明显改善了钛合金的摩擦磨损性能。张文光等[12]利用静动摩擦系数测定仪评价了TC4合金经碱液热处理、溶胶-凝胶和热氧化3种不同方法处理后的摩擦学性能，结果表明，TiO2溶胶-凝胶薄膜在较高载荷下的耐磨性能较差，而在较低载荷下的耐磨性能较好。 定稿日期：2013-03-29 基金项目：国家自然科学基金项目(51175212)资助 作者简介：陈昌佐，1989年生，硕士生，研究方向为材料的生物摩擦学 通讯作者：丁红燕，E-mail： nanhang1227@https://www.360docs.net/doc/889554522.html,.

硅烷偶联剂对碳化硅粉体的表面改性

硅酸盐学报 · 409 ·2011年 硅烷偶联剂对碳化硅粉体的表面改性 铁生年，李星 (青海大学非金属材料研究所，西宁 810016) 摘要：采用KH-550硅烷偶联剂对SiC粉体表面进行改性，得到了改性最佳工艺参数，分析了表面改性对SiC浆料分散稳定性的影响。结果表明：SiC微粉经硅烷偶联剂处理后没有改变原始SiC微粉的物相结构，只改变了其在水中的胶体性质；减少了微粉团聚现象。与原始SiC微粉相比，改性SiC微粉表面特性发生了明显变化，Zeta电位绝对值提高，浆料的分散稳定性得到了明显改善。 关键词：碳化硅；表面改性；硅烷偶联剂；分散性 中图分类号：TQ174 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2011)03–0409–05 Surface Modification of SiC Powder with Silane Coupling Agent TIE Shengnian，LI Xing (Non-Metallic Materials Institute of Qinghai University, Xining 810016, China) Abstract: The surface characteristics of SiC powder were modified by a KH-550 silane coupling agent. The process parameters of the modification were optimized, and the effect of surface modification on the dispersion stability of SiC slurry was analyzed. The results show that the SiC powder modified by silane coupling agent can not change the original phase structure of SiC micro-powders but reduce the aggregation of SiC particles in the powders. Compared to the original SiC powder, the surface characteristics of the modi-fied SiC powder change significantly. Zeta potential of SiC increases, and the dispersion stability of SiC slurry is improved. Key words: silicon carbide; surface modification; silane coupling agent; dispersibility 在半导体制造和煤气化工程领域，许多工程都在使用SiC陶瓷[1–2]。然而经机械粉碎后的SiC粉体形状不规则，且由于粒径小，表面能高，很容易发生团聚，形成二次粒子，无法表现出表面积效应和体积效应，难以实现超细尺度范围内不同相颗粒之间的均匀分散以及烧结过程中与基体的相容性，进而影响陶瓷材料性能的提高[3]。加入表面改性剂，改善SiC粉体的分散性、流动性，消除团聚，是提高超细粉体成型性能以及制品最终性能的有效方法之一。 SiC微粉的表面改性方法主要有酸洗提纯法、无机改性法和有机改性法等。国外SiC表面改性主要采用无机包覆改性方法[4–6]，在国内，SiC表面改性采用的方法主要为有机改性法[7]，有机体系的包覆改性大多是在粉体表面直接包覆有机高聚物。一般情况下，有机高聚物与无机粉体表面之间只产生物理吸附而不是牢固的化学吸附，改性效果不明显，而硅烷偶联剂是具有两性结构的化学物质，其分子的一端基团可与粉体表面的官能团反应，形成强有力的化学键合，另一部分可与有机高聚物基料发生化学反应，在粉体表面形成牢固的包覆层。 在机械力粉碎的基础上，采用KH-550硅烷偶联剂对粉碎后的SiC粉体表面进行有机包覆，提出了表面包覆的最佳工艺参数，并对改性SiC粉体进行表征，分析了改性对SiC陶瓷浆料分散性和流动性的影响。 1 实验 1.1 原料 实验选用自行加工的SiC粉体，D50=0.897μm，SiC含量为98.98% (质量分数，下同)；硅烷偶联剂(KH–550，化学纯，北京申达精细化工有限公司产)； 收稿日期：2010–09–25。修改稿收到日期：2010–10–30。 基金项目：青海省外经贸区域协调发展促进资金项目(2009–2160604)资助。第一作者：铁生年(1966—)，男，教授。Received date:2010–09–25. Approved date: 2010–10–30. First author: TIE Shengnian (1966–), male, professor. E-mail: Tieshengnian@https://www.360docs.net/doc/889554522.html, 第39卷第3期2011年3月 硅酸盐学报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol. 39，No. 3 March，2011

表面改性剂

第五章表面改性剂 粉体的表面改性，主要是依靠表面改性剂(或处理剂)在粉体颗粒表面的吸附、反应、包覆或包膜来实现的。因此，表面改性剂是粉体表面改性技术的重要内容之一，对于粉体的表面改性或表面处理具有决定性作用。 粉体的表面改性一般都有其特定的应用背景或应用领域。因此，选用表面改性剂必须考虑被处理物料的应用对象。例如，用作塑料、橡胶、胶粘剂等高聚物基复合材料的无机填料的表面改性所选用的表面改性剂既要能够与表面吸附或反应、覆盖于填料颗粒表面，又要与有机高聚物有较强的化学作用和亲和性，因此，从分子结构来说，用于无机填料表面改性的改性剂应是一类具有一个以上能与无机颗粒表面作用较强的官能团和一个以上能与有机高聚物基分子结合的基团并与高聚物基料相容性好的化学物质；而用作多相陶瓷、水性涂料体系的无机颜料的表面改性剂既要能与无机颜料有较强的作用，显著提高尤机颜料的分散性，还要与无机相或水相有良好的相容性或配伍性。 表面改性剂的种类很多，目前还没有一个权威的分类方法，常用的改性剂有偶联剂、表面活性剂、有机低聚物、不饱和有机酸、有机硅、水溶性高分子、超分散剂以及金属氧化物及其盐等，以下分别子以介绍。 5，1 偶联剂 偶联剂是具有两性结构的化学物质。按其化学结构和成分可分为硅烷类、钛酸酯类、铝酸酯类、锆铝酸盐及有机络合物等几种。其分子中的一部分基团可与粉体表面的各种官能团反应，形成强有力的化学键合，另一部分基团可与有机高聚物基料发生化学反应或物理缠绕，从而将两种性质差异很大的材料牢固的结合起来，使尤机粉体和有机高聚物分子之间建立起具有特殊功能的“分子桥”。 偶联剂适用于各种不同的有机高聚物和无机填料的复合材料体系。经偶联剂进行表面改性后的无料[填料，既抑制了填充体系“相”的分离，又使无机填料有机化，与有机基料的亲和性增强，即使增大填充量，仍可较好的均匀分散，从而改善制品的综合性能，特别是抗张强度、冲击强度、柔韧性和挠曲强度等。 5．1．1 钛酸酯偶联剂 钛酸酯偶联剂是美国KENRICH石油化学公司在20世纪70年代开发的一种新型偶联剂，至今已有几十个品种，是无机填料和颜料等广泛应用的表面改性剂。 第51页 (1)钛酸酯偶联剂分子结构及6个功能区的作用机理 钛酸酯偶联剂的分子结构可划分为6个功能区，每个功能区都有其特点，在偶联剂中发挥各自的作用。 钛酸酯偶联剂的通式和6个功能区： 功能区1，(RO)M为与无机填料、颜料偶联作用的基团。钛酸酯偶联剂通过该烷氧基团与无机颜料或填料表面的微量羟基或质子发生化学吸附或化学反应，偶联到无机颜、填料表面形成单分子层，同时释放出异丙醇。由功能区1发展成偶联剂的三种类型，每种类型由于偶联基团上的差异，对颜料或填料表面的含水量有选择性。一般单烷氧基型适用于干燥的仅含键合水的低含水量的无机颜料或填料；螯合型适用于高含水量的无机颜料或填料。 功能区2，Ti—O……酯基转移和交联基团。某些钛酸酯偶联剂能够和有机高分子中的酯基、羧基等进行酯基转移和交联，造成钛酸酯、填料或颜料及有机高分子之间的交联，促使体系粘度上升呈触变性。 功能区3，X-联结钛中心的基团。该基团包括长链烷氧基、酚基、羧基、磺酸基、磷酸基、焦磷酸基等。这些基团决定钛酸酯偶联剂的特性与功能，如磺酸基赋予一定的触变性，焦磷酸基具有阻燃、防锈、增加粘结性功能，亚磷酸配位基具有抗氧化功能等。通过这部分基团的选择，可以使钛酸酯偶联剂兼有多种功能。 功能区4，R`为长链的纠缠基团。长的脂肪族碳链比较柔软，能和有机基料进行弯曲缠绕，增强和基料的结合力，提高它们的相容性，改善无机填、颜料和基料体系的熔融流动性和加工性能，缩短混料时间，增加无机填料的填充量，并赋予柔韧性及应力转移功能，从而提高延伸、撕裂和冲

医用金属材料表面处理

医用钛合金材料表面改性 摘要：金属材料是生物医学材料中应用最早的。由金属具有较高的强度和韧性，适用于修复或换人体的硬组织，早在一百多年前人们就已用贵金属镶牙。随着抗腐蚀性强的不锈钢、弹性模量与骨组织接近铜铁合金，以及记忆合金材料、复合材料等新型生物医学金属材料的不断出现，其应用范围也在扩大。 关键词：钛合金材料，表面涂层处理，表面改性 （一）医用金属与合金表面涂层处理 金属及其合金在生物体内的生物活性、磨损、腐蚀问题尚未解决，需对其表面进行改性。表面改性不仅要抑制有害金属离子的溶出，而且要促进组织的再生和加强材料与组织结合。 生物钛合金材料的表面改性技术主要可以分为： （1）物理化学方法（2）形态学方法（3）生物化学方法。 1 物理化学方法——改善金属生物材料表面性能的主要方法 （1）热喷涂 热喷涂是利用一种热源的火焰将粉末状的金属或非金属喷涂材料加热熔融并软化，并用热源自身的动力或外加高速气流雾化，使喷涂材料的液滴以一定的速度喷向经过预处理干净的基体表面，依靠喷涂材料的物理变化和化学反应，与基体形成结合层的工艺方法。可分为电弧喷涂、等离子喷涂、火焰喷涂、爆炸喷涂等。 （2）脉冲激光融敷 是在低输出功率、高扫描速速的脉冲激光照射下，将涂敷材料融敷在基体表面的方法。 （3）离子溅射 离子溅射以高速离子轰击靶材，使涂敷材料粉粒溅射并沉积在金属基体 （4）喷砂法 用喷砂机将涂敷材料粉末直接高速喷出镶入基体表面。 （5）电化学法 电化学法是用电化学的方法，通过调节电解液的浓度、PH值、反应温度，电场强度，电流等来控制反应的制备方法。 （6）离子注入法 离子注入改性是将所需的元素在离子气化室中进行气化，通过高频放

材料表面的硅烷化改性

材料表面的硅烷化改性 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

实验64 材料表面的硅烷化改性 一．实验目的 1.利用硅烷偶联剂改性有机或无机材料。 2.制备无机-有机杂化粉体或薄膜材料。 二．实验原理 很多纳米材料都是重要的无机化工产品，是橡胶.塑料.油漆.油墨.造纸.农药及牙膏等行业不可缺少的优良原料。以SiO2纳米颗粒为例，纯粹制备的SiO2颗粒表面上存在着大量的羟基基团，呈极性.亲水性强，众多的颗粒相互联结成链状，链状结构彼此又以氢键相互作用，形成由聚集体组成的立体网状结构，在这种立体网状结构中分子间作用力很强，应用过程中很难均匀分散在有机聚合物中，颗粒的纳米效应很难发挥出来。如何将纳米SiO2均匀分散在高分子材料中，以提高聚合物材料的各项性能是一个重要的研究方向。 硅烷偶联剂发展至今已有一百多种产品，按Y有机官能团的不同，可分为链系基类硅烷偶联剂.氨基硅烷偶联剂.环氧基类硅烷偶联剂.烷基丙烯酰氧基类硅烷偶联剂及双官能基型硅烷偶联剂等。 硅烷偶联剂处理技术原理简单.操作方便，其与材料表面的作用机理一直是研究的重点，目前关于硅烷在材料表面行为的理论有很多假设，主要有化学键理论.物理吸附理论.表面浸润理论.可逆水解平衡理论和酸碱相互作用理论等。 硅烷偶联剂分子含有两种反应性基团，化学结构可以用X3SiRY来表示，其中，X是可进行水解反应并生成硅烃基(Si-OH)的基团，如卤素.氨基.烷氧基和乙酰氧基等，硅醇基团可和无机物（如无机盐类.硅酸盐.金属及金属氧化物等）发生化学反应，生成稳定的化学键，将硅烷与无机材料连接起来。Y是非水解

生物医用材料

生物医用材料大作业 姓名： 学号： 学院： 完成日期年月日

第一部分： 提高金属表面生物相容性方法及相关研究进展 1.生物相容性简介 生物相容性是指生物材料在医疗过程中可以发挥其效用,而不会让使用者产生任何不期望的局部或系统性反应,但是在其特定的环境下,可以让细胞和组织产生最有效的反应,并且最优化该治疗的临床表现[1]。 生物材料的生物相容性按照材料与人体接触部位的不同可以分为血液相容性和组织相容性，这两种相容性必须建立在力学相容的基础上因此还有力学相容性。若材料用于心血管系统与血液直接接触，主要考虑与血液的相互作用，称为血液相容性；若与心血管系统外的组织和器官接触，主要考察与组织的相互作用，称为组织相容性或一般相容性[2]。 2.金属生物材料简介 金属在生物材料方面的应用已有比较长的你是，从最初的不锈钢材料、钴铬合金、工业纯钛到钛合金、镍钛记忆合金等一些列的金属材料被应用到生物医用材料领域[2]。 众所周知，生物金属材料中使用的比较广泛的主要是牙科和骨科用的金属材料。牙科主要是应用金、银、铂等金属合金以及不锈钢、钴基和钛基合金等；骨科主要是应用镍铬不锈钢、钴铬钼合金和钛及其合金，有时也应用价格昂贵的钽、铌、金、银、钯、铂等。 3.一些金属材料表面改性举例 a)钛合金表面改性 钛合金在20世纪40年代被引入生物医学领域；60年代后期，钛在外壳植入方面应用得到较快发展；70年代初开始在临床使用至今。 但是，钛合金的耐磨性差、生物活性较低，合金中含有V、Al等对人体有害元素，进一步提高其耐蚀性能也是此类合金使用中需要解决的重要问题 [3]。目前，在钛合金方面的研究主要是集中在利用表面改性技术提高金属表 面的稳定性和耐磨性，通过表面生物医学设计，赋予其生物活性，使新骨快

材料表面改性方法

材料表面改性方法 材料表面改性是指不改变材料整体（基体）特性，仅改变材料近表面层的物理、化学特性的表面处理手段，材料表面改性也可以称为材料表面强化处理。 现代材料表面改性目的：是把材料表面与基体看作为一个统一的系统进行设计与改性，以最经济、最有效的方法改变材料近表面层的形态、化学成份和组织结构，赋予新的复合性能，以新型的功能，实现新的工程应用。现代材料表面改性技术就是应用物理、化学、电子学、机械学、材料学的知识,对产品或材料进行处理，赋予材料表面减磨、耐磨、耐蚀、耐热、隔热、抗氧化、防辐射以及声光电磁热等特殊功能的技术。 分类： 1、传统的表面改性技术： 表面热处理：通过对钢件表面的加热、冷却而改变表层力学性能的金属热处理工艺。表面淬火是表面热处理的主要内容，其目的是获得高硬度的表面层和有利的内应力分布，以提高工件的耐磨性能和抗疲劳性能。 表面渗碳：面渗碳处理:将含碳(0.1~0.25)的钢放到碳势高的环境介质中,通过让活性高的碳原子扩散到钢的内部,形成一定厚度的碳含量较高的渗碳层,再经过淬火\回火,使工件的表面层得到碳含量高的M,而心部因碳含量保持原始浓度而得到碳含量低的M,M的硬度主要与其碳含量有关,故经渗碳处理和后续热处理可使工件获得外硬内韧的性能. 2、60年代以来：传统的淬火已由火焰加热发展为高频加热 高频加热设备是采用磁场感应涡流加热原理，利用电流通过线圈产生磁场，当磁场内磁力线通过金属材质时，使锅炉体本身自行高速发热，然后再加热物质，并且能在短时间内达到令人满意的温度。 3、70年代以来： 化学镀：是指在不用外加电流的情况下,在同一溶液中使用还原剂使金属离子在具有催化活性的表面上沉积出金属镀层的方法。 4、近30年来： 热喷涂：热喷涂是指一系列过程，在这些过程中，细微而分散的金属或非金属的涂层材料，以一种熔化或半熔化状态，沉积到一种经过制备

化学改性处理对生物材料表面性能的影响及应用

化学改性处理对生物材料表面性能的影响及应用 河南工业大学生物工程学院裴佳龙 [摘要]介绍了影响生物材料相容性的表面性质及化学方法对生物材料表面改性处理，综述了化学改性材料应用。 [关键词] 生物材料表面性质化学改性处理改性生物材料的应用 一、前言 表面改性是指不影响材料主要特性(即利用材料本体特性的优点)而提高材料特殊表面性质的技术。生物材料是用以和生命系统结合，以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料。 最早使用的生物材料是金属。它作为人工器官的修复和代用材料已有一百多年的历史。目前用于修补骨骼系统的金属材料主要有医用不锈钢、医用钴合金、钛合金、形状记忆合金、医用磁合金等。因其具有良好的生物相容性和耐蚀性,目前已在诸如畸齿整形、脊柱矫形、断骨接合、颅骨修补、新血管支撑等方面有广泛的应用。这类材料要作为人体的一部分,所以对它要求很高;移植入人体体内不会引起急性或慢性危害,必须无毒无副作用;接触人体各种体液(如唾液、淋巴液、血液等)时,应有良好的耐腐蚀性能,不会在生物体内变质;具有必要的强度、耐磨性和耐疲劳性能等。除满足上述条件外至关重要的是材料与生物组织、与血液有相容性(不会引起血液凝固或溶血);与软组织有良好的粘连性,不会产生吸收物和沉淀物。因此进一步改善植入材料的生物相容性、抗腐蚀能力,增强其与肌体组织的结合力,提高安全使用性能仍是金属生物材料推广应用所面临的主要问题。 二、影响材料生物相容性的表面物理化学性质 材料的生物相容性除受材料本体性质影响外, 更大程度取决于材料的表面物理化学性质, 具体地表现在以下几个方面： 2.1材料表面的化学结构 高分子材料表面的化学结构对细胞的粘附、生长具有非常重要的影响一般认为矾基、硫醚、醚键等对细胞生长影响不大；刚性结构如芳香聚醚类不利于细胞粘附梭基、经基撅酸基胺基、亚胺基及酞胺基等基团可促进细胞粘附和生长磺酸基能模拟肝素的生理活性而显示出较好的促进细胞粘附和生长的性质含氮基团不仅能使材料表面带上一定的正电荷（胺的阳离子化）调节表面的亲疏水性, 而且可以与蛋白质肤链发生官能团之间的作用, 从多角度来促进细胞的生长, 这已成为促进细胞粘附和生长材料表面改性的一个重要措施。 2.2 材料表面的亲疏水性 大量的研究表明亲水性的表面比疏水性表面更有利于细胞生长。亲水性表面的吸附作用较弱,吸附可逆, 使吸附的蛋白质相对较易实现伸缩运动, 进行结构调整、重组，以适合细胞生长的需要而疏水性表面吸附作用强, 吸附不可逆, 不易发生结构重组, 而且强的相互作用对细胞有丝分裂期间的脱丝不利。 2.3 材料表面的拓朴结构 材料表面的拓朴结构, 如材料表面的粗糙度、孔洞大小及其分布、沟槽的深度和宽度、纤维的粗细等等, 都会对细胞形态、粘附、铺展、繁殖及活性有着重要的影响，其中材料的刻槽、开孔结构、纹理结构对细胞相容性的影响已有较多