第八章生物材料表面改性
生物材料表面的改性及其应用
生物材料表面的改性及其应用生物材料是一类具有生物活性和相对稳定性的材料，常用于医学和生物科学领域中的生物系统。
然而，生物材料表面的改性是实现其更广泛应用的关键。
本文将探讨生物材料表面改性的技术和应用。
一、表面改性的技术表面改性是一种利用不同方法改变材料表面结构和化学性质的技术。
在生物材料上应用表面改性的目的是加强其生物相容性和生物活性，进而提高其在医学和生物科学领域中的应用。
1. 化学修饰化学修饰是一种将化学分子或生物分子连接到材料表面的技术。
通常使用有机化学方法制备特定的修饰分子，然后通过官能团之间的反应实现修饰。
例如，聚乳酸（PLA）的表面可以用氢氟酸、氯仿等物质进行化学修饰，使其获得较好的细胞亲和力和机械性能。
2. 生物修饰生物修饰是利用细胞外基质（ECM）蛋白质封装材料表面，从而改善其生物相容性和生物活性的技术。
ECM是人体内主要的细胞附着层，包括胶原蛋白、纤维蛋白和卵白素等。
通过将材料表面封装到ECM中，可提高其生物相容性和生物活性，例如聚乳酸（PLA）经过电化学处理后，可以封装胶原蛋白和其他细胞外基质分子，改善其生物相容性和降解性能。
3. 物理表面改性物理表面改性是将激光、等离子和电弧等方式对材料表面进行处理从而形成新的表面结构的技术。
例如，利用激光进行表面处理甚至诱导生长具有菊花状纳米13的生物材料的表面。
菊花状纳米结构具有高效的细胞吸附和增殖能力，可以应用于生物医学、生物传感和组织工程。
二、应用生物材料表面改性可以改善其生物相容性和生物活性，提高其在医学和生物科学领域中的应用。
以下是一些实际应用：1. 植入物表面改性的材料可以被应用于人体植入物，例如人工心脏瓣膜、骨架和支架等。
改善生物相容性和生物活性的表面改性减少了植入物的过敏反应和排斥反应，从而延长了其使用寿命。
2. 组织工程生物材料表面改性可以用于组织工程，例如使用特定的化学和物理方法修饰特定的材料表面，以增加植入物和细胞之间的互作。
生物材料表面改性的研究与应用
生物材料表面改性的研究与应用一、引言生物材料表面改性是一种重要的技术手段，可以改变材料表面的特性，以满足特定应用需求。
通过不同的表面改性方法，可以调控材料的表面化学组成、形貌结构、表面能以及生物相容性等方面，从而拓展材料的应用范围。
本文将介绍生物材料表面改性的研究与应用，包括表面改性方法、改性效果以及应用领域。
二、生物材料表面改性方法1. 化学改性方法化学改性是常见的生物材料表面改性方法之一。
其基本原理是通过化学反应在材料表面引入新的官能团，从而改变表面的性质。
常用的化学改性方法包括表面修饰、功能化修饰、溶液法改性等。
其中，表面修饰通过将化学试剂直接与表面反应，形成新的化学键或键合臂，从而改变材料的性质。
功能化修饰是通过引入具有特定功能的官能团，如抗菌活性、生物识别分子等，使材料具有特定的应用功能。
2. 生物改性方法生物改性是利用生物体或其衍生物对材料进行改性的方法。
例如，利用细胞外基质、细胞黏附蛋白等生物分子对材料进行涂覆，可以提高材料的细胞相容性和生物相容性。
此外，还可以利用细胞或细胞外体系对材料进行生物辅助修饰，如细胞膜修饰、细胞内胞囊化等，以改变材料的性质。
3. 物理改性方法物理改性是利用物理手段对材料表面进行改性的方法。
常见的物理改性方法包括离子注入、激光照射、离子束辐照等。
这些方法通过调控表面形貌、晶体结构以及表面活性等，来改变材料的性能。
例如，利用离子注入可以改善材料的表面硬度、抗磨损性能，提高材料的机械性能。
三、生物材料表面改性效果通过生物材料表面改性，可以实现多种改性效果，包括增强材料的力学性能、调控材料的表面粗糙度、提高材料的生物相容性等。
1. 力学性能改善生物材料表面改性可以增强材料的力学性能，提高其强度、硬度和耐磨性。
例如，通过化学改性方法引入新的交联点或键合臂，可以增强材料的机械强度。
物理改性方法如离子注入和离子束辐照可以改变材料的晶体结构，提高材料的硬度和耐磨性。
2. 表面粗糙度调控生物材料的表面粗糙度对细胞黏附和生物反应具有重要影响。
第八章表面改性和功能材料精品文档
第二节 表面层压改性
表面层压
表面层压有湿式层压和干式层压，又分为： 挤出层压 热熔层压 共挤出层压 热压粘结层压
1、湿式和挤出层压
（1）湿式层压
以液体胶粘剂将两片膜压合的一种技术。
所使用的胶粘剂有：聚乙烯醇水溶液和聚醋酸乙烯乳液。
（3）容易剥离的涂层
为保护塑料制品表面不受污染和伤害而涂布的体层，不需要 时即可剥离。如印刷电路版制作或平版印刷。
第四节 表面非电解镀改性
通过化学的氧化还原反应，使用还原剂将金属离子变成 金属原子并在坯料上析出而形成镀层，称为非电解镀。
一般，离子化倾向小的金属（金，银，铜）等用还原能力 弱的葡萄糖、甲醛等进行化学镀。比铜难析出的Ni,Co等 离子，要使用还原能力强的次亚磷酸（HPO2H2)、氢化硼 等作还原剂进行化学镀。
4、界面活性剂处理
外部处理：将塑料浸渍在界面活性剂溶液中，形成界面活性剂层。
添加处理：在不改变塑料本性特性的条件下，添加界面活性剂。
5、表面接枝处理
（1）接枝反应
光、高能射线或低温等离子体可引发表面接枝反应。如用 Γ射线照射Al2O3表面，可产生自由基，它能使苯乙烯在 表面聚合，以致改变Al2O3的表面性质。 辐射接枝法有：直接接枝法；预辐射接枝法；和过氧化物接枝法。 A：直接接枝法：
（2）挤出层压
又称挤出涂布或多层重叠结构层压。将聚乙烯、聚丙烯、 乙烯-醋酸乙烯共聚体、离子型聚合物等从挤出机模具内 挤出。利用其所形成的膜呈熔融状态与基材压合粘接， 冷却后为层压制品。
2、共挤出层压
将一种或不同种类的树脂进行加热，使之成为熔融状态， 并在模内部的开口部位挤合而制取多层薄膜的一种方法。
生物材料的表面改性研究
生物材料的表面改性研究随着生物技术的发展，生物材料在医学领域中得到越来越广泛的应用。
然而，生物体内环境十分复杂，为了让生物材料在人体中具有更好的生物相容性和药物释放效果，需要对生物材料的表面做出改性，以满足不同的需求。
本文将介绍生物材料表面改性的研究进展。
1. 表面改性的意义生物材料在人体内的应用有一些限制。
例如，当材料接触到血液时，会导致凝血反应，产生血栓，阻塞血管。
因此，需要对材料进行表面改性，以保证其生物相容性和生理性能。
此外，生物材料的表面还可以通过改性来实现药物的控制释放，或改善生物修复的效果。
2. 表面改性的方法表面改性可以通过一系列方法实现。
以下是几种常见的方法：（1）生物模拟涂层生物模拟涂层是一种涂覆在生物材料表面的人工涂层，可以模拟生物体内的表面结构，以达到改善材料与生物组织的相容性的目的。
这种方法的优点是可以有效增强生物材料的生物相容性，缺点是操作复杂且不易实现规模化生产。
（2）物理改性物理改性通过一系列的物理处理来改变材料的表面形态和结构，以达到增强其生物相容性的目的。
物理改性的方法包括等离子体共价键修饰、高能离子辐照、超声波处理等。
这种方法成本较低，但其使用中的影响因素比较多，需要进行专业的操作，并且效果也不稳定。
（3）化学改性化学改性是指利用化学反应将生物材料表面的化学结构进行改变，以达到增强其表面性能的目的。
化学改性的方法包括化学连接法、共价键修饰法、化学吸附法等。
化学改性方法费用相对较低，操作较简单，但存在一定的安全隐患，需要进行一定程度的安全防范。
3. 表面改性的应用表面改性在生物医学领域中应用广泛，以下是几种常见的应用：（1）药物控制释放药物控制释放是指在生物材料表面施加药物控释膜，以实现对药物释放的可控性。
这种方法通常被用于提高药物在病变部位的浓度，从而提高治疗效果。
（2）生物组织修复生物组织修复需要使用到生物材料，并且需要让生物材料与组织良好地结合在一起。
通过表面改性，可以增强生物材料表面的生物相容性和组织结合能力，从而提高修复效果。
生物医学工程中的生物材料表面改性
生物医学工程中的生物材料表面改性随着现代医学的不断发展，生物医学工程作为一个新兴的领域逐渐得到人们的关注。
生物医学工程已经广泛应用于医疗器械、医用材料以及疾病的治疗等方面。
在这些应用中，生物材料作为生物医学工程的重要组成部分，其表面性能对生物医学工程的性能起着至关重要的作用。
生物材料的表面改性技术，即通过不同的手段对材料表面进行改良，以改善其物理、化学和生物性能，达到更好的医疗效果。
其中最受关注的是生物材料表面的生物相容性和生物活性，这是确保生物医学材料安全性和生效性的关键因素。
生物材料表面改性包括物理改性、化学改性、生物改性等多种方法。
其中物理改性主要是利用物理手段改善生物材料表面的性能，比如表面附加纳米线、纳米颗粒、生物纳米组织等；化学改性则是在生物材料表面引入有机或无机化合物，比如疏水性、亲水性或生物活性小分子等；最常用的生物改性则是改善生物材料表面的结构和形态，以增强其生物相容性和生物活性。
在这其中，化学改性被广泛应用于生物医学工程中。
以疏水性改性为例，静电纺丝法可以制备疏水性纳米纤维膜，刻蚀法可以改变表面形貌制备出疏水性纹理，仿生的方法通过制备疏水性材料获得抗菌等性能。
生物医学工程中还有一种应用的最广泛的、最成功的生物材料表面化学改性是通过一种叫做“生物表面荧光染料”（Bioactive Surface Dyes）的溶液，在生物材料表面引入蓝色颜料。
在生物医学工程中的实际应用，比如人工心脏瓣膜和人工耳蜗等领域中的材料与设计问题需要解决的一个主要挑战就是在材料表面与生物组织之间实现良好的相容性和亲和性。
生物表面荧光染料可以提高材料对细胞的亲和力，从而促进细胞在其表面上的生长和增殖，还能有效地预防所谓的“滞留性载体”的发生，即在材料表面上滞留的大量细菌和其他有害生物。
这种便捷、高效、清晰地可视化的可控制的表面改性方法为生物医学工程界提供了一种全新的方法，可以在设计和开发这些高级制品时实现更好的医疗效果。
生物材料的表面改性与功能化
生物材料的表面改性与功能化哎呀，说起生物材料的表面改性与功能化，这可真是一个超级有趣又充满惊喜的领域！先来讲讲什么是生物材料的表面改性吧。
简单说，就是给生物材料的表面“做美容”“换装备”，让它具备更厉害的性能。
就像我们平时穿衣服，不同的衣服有不同的功能，有的保暖，有的防晒。
生物材料也一样，通过表面改性，能让它在人体内更好地发挥作用。
比如说，有一种常用的生物材料叫钛合金，经常被用来制作人工关节。
但一开始，它的表面和人体组织的相容性并不是特别好。
这就好像一个陌生人突然闯进了你的家，身体会有点儿“不乐意”。
那怎么办呢？科学家们就想办法对它的表面进行改性，让它变得更“友善”，更容易和人体组织融合在一起。
我曾经在实验室里亲眼看到过这样的实验。
那是一个阳光明媚的上午，我像往常一样走进实验室。
实验台上摆放着各种仪器和材料，其中就有准备进行表面改性的钛合金片。
我们先把钛合金片放进一个特殊的溶液里，然后施加一定的电压，就看到溶液里有一些小气泡冒出来，就像小鱼在吐泡泡。
这个过程可不简单，每一个参数都要控制得恰到好处，时间、电压、溶液的浓度等等，稍有偏差，改性的效果就会大打折扣。
经过几个小时的等待，终于完成了改性。
当把改性后的钛合金片拿出来观察时，能明显看到它的表面变得更加粗糙了，这就是为了让人体组织能够更好地“抓住”它。
再来说说功能化。
这就像是给生物材料赋予“超能力”。
比如说，在生物材料的表面加上一些能够抗菌的物质，这样就能减少感染的风险；或者加上能够促进细胞生长的因子，帮助伤口更快地愈合。
就像有一次，我们在研究一种用于心脏支架的生物材料。
为了让它能够防止血管再次狭窄，我们在它的表面涂上了一层特殊的药物。
这个涂药的过程可精细了，得用一种超级小的喷头，一点点地均匀喷涂，就像在给一件珍贵的艺术品上色。
涂完之后，还要进行各种检测，看看药物的附着情况、释放速度等等。
生物材料的表面改性与功能化在医疗领域的应用那可真是太广泛了！从人工器官到药物输送载体，从组织工程到伤口敷料，到处都能看到它们的身影。
生物材料的表面改性与应用
生物材料的表面改性与应用生物材料这玩意儿，在咱们生活里那可是越来越重要啦！就说那骨折了要打个钢板，牙齿坏了要装个烤瓷牙，这些都离不开生物材料。
而生物材料的表面改性呢，更是让这些材料变得更牛更厉害的关键一招。
咱先来讲讲啥是生物材料的表面改性。
简单说，就是给生物材料的表面“整整容”“变变身”，让它能更好地和咱们身体里的细胞、组织啥的相处。
比如说，有的生物材料表面太粗糙，细胞不愿意往上待，那咱就给它打磨打磨，变得光滑点；有的材料表面化学性质不合适，容易引起身体的排斥反应，那咱就给它改改化学成分，让身体把它当“自己人”。
我记得有一次去医院看望一个骨折的朋友，他刚做完手术，打着钢钉。
医生就跟我们说，这钢钉可不是随便什么材料都能行的，得经过表面改性处理。
不然，身体可能会对它产生排斥，引发炎症啥的。
那时候我就特别好奇，这小小的钢钉，表面到底是咋改性的呢？经过一番了解，我发现这改性的方法那可真是五花八门。
有一种方法叫等离子体处理，听着是不是特别高大上？其实就是用一种特殊的“气体魔法”，让材料表面的性质发生改变。
还有一种叫涂层技术，就像是给材料表面穿上一层“保护衣”，这层衣服可以有各种功能，比如抗菌、促进细胞生长等等。
再来说说生物材料表面改性的应用。
那可真是广泛得不得了！比如说在人工关节方面，经过改性后的表面可以减少磨损，延长关节的使用寿命。
我听说有个老爷爷，换了人工关节后，又能自由自在地散步、跳舞了，这可多亏了表面改性技术呀！在心血管领域，心脏支架的表面改性也至关重要。
改性后的支架可以更好地防止血栓形成，降低心血管疾病的风险。
就像我邻居家的叔叔，之前因为心血管问题装了支架，经过表面改性处理的支架让他的病情得到了很好的控制，现在每天都精神抖擞的。
还有牙科领域，种植牙的表面改性可以让牙齿和牙槽骨结合得更牢固，让你的新牙稳稳当当的。
我有个同学，之前因为蛀牙掉了颗牙，种了颗新的，经过表面改性处理的种植牙用着可顺溜了，吃嘛嘛香。
生物材料的表面改性与性能优化
生物材料的表面改性与性能优化生物材料的表面改性是生物材料科学中的重要研究方向。
通过表面改性可以优化生物材料的性能，提高其生物亲和性、生物相容性、抗菌性能和生物传感等特性。
表面改性是一种有效的手段，可用于创造特殊功能的生物材料，对于医学领域的应用尤为重要。
1. 生物材料表面改性的方式生物材料表面改性的方式包括物理方法、化学方法和生物学方法。
物理方法包括等离子喷涂、离子注入、溅射和纳米处理等，通过这些方法可以改变物质的表面和界面性质。
化学方法包括表面修饰、表面覆盖和交联等，这些方法可以在生物材料表面引入活性基团，改变表面水力学特性和生物相容性。
生物学方法包括蛋白质酵素修饰、细胞培养和组织工程等，通过这些方法可以在生物材料表面引入生物链分子，提高其生物亲和性和生物相容性。
2. 生物材料表面改性的作用生物材料表面改性可以改变材料的特性和性能，从而满足生物医学应用的需要。
例如，利用表面改性可以增强生物材料的生物亲和性和生物相容性，从而减少生物材料对机体的免疫反应和排异反应。
此外，表面改性还可以增强生物材料的抗菌性能，减少病菌的滋生和繁殖。
在生物传感技术中，表面改性也可以使生物材料对目标分子的选择性和灵敏性得到增强，从而实现对目标分子的高灵敏度检测。
3. 生物材料表面改性的应用生物材料表面改性的应用涉及医学、生物传感、食品包装等领域。
在医学领域，表面改性的生物材料可以作为生物支架、生物传感器和药物缓释材料等，广泛应用于组织工程、生物诊断和药物疗效等方面。
在生物传感领域，表面改性的生物材料可以用于检测DNA、蛋白质和小分子等分子的存在和浓度，有助于开发新型的生物传感器和检测方法。
在食品包装领域，表面改性的生物材料可以用于生物降解性食品包装材料的研发，减少环境污染和资源浪费。
总之，生物材料表面改性的研究对于推动生物医学科技的发展具有重要意义。
随着生物材料研究的不断深入，表面改性的技术将会在未来的生物医学领域发挥越来越大的作用。
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➢ 钛合金表面等离子体喷涂羟基磷灰石表面改性
• 等离子喷涂技术是较早用于钛及钛合金表面改性 的，由高温等离子火焰（温度高达10000℃以 上），将待喷涂的粉料瞬间熔化，然后高速喷涂 在冷态的基体上形成涂层。涂层厚度通常约 0.05～0.1mm。
等离子喷涂设备结构示意图
2 离子束表面改性技术
• 基本原理：通过离子注入机使中性原子电离，通 过引出电场和加速电场的作用，产生具有一定能 量的带电粒子束，照射各种材料的表面，根据产 生离子能量的大小，可以沉积在材料表面，也可 穿过表面进入材料内部。
Al,Sn,In,Ag Cr,Ni,Pd,Pt,Al Cr+Mo,Ta,Cr+P
稀土
轴承钢，型钢
精密机械零件
型钢，碳钢，M50 钢
52100钢，M50钢
海上飞机零件，机械零 件
海上飞机轴承，各种轴Mo,W Al,Mo,W,Nb,Ta,Cr
模具钢 耐热钢，型钢
模具
飞机和汽车发动机排气 管
3. 材料表面化学活性基团或活性物质的结合
• 利用基体材料本身具有的基团或通过某些反应活 性高的基团和原子，可以使材料表面产生功能基 团，发挥其生物学作用。例如，在惰性生物材料 表面引入活性药物如肝素、尿激酶、前列腺素等 或类肝素化。
• 材料表面引入生物活性分子可以促进细胞的粘附 和生长，因此将生物活性分子固定到材料表面是 提高其细胞相容性的重要方法。
• 等离子体作为物质的第四态，是指部分或完全电 离的气体。
• 等离子体：在直流电弧放电、辉光放电、微波放 电、电晕放电、射频放电等条件下所产生的部分 电离气体。
• 在等离子体中包含有多种粒子：电离所产生的电 子和离子，大量的中性粒子如原子、分子和自由 基等，称为等离子体.
等离子体可分为三大类：①高温高压等离子体， 电离度100%，温度可达几亿度，用于核聚变的 研究；②低温低压等离子体，电离度不足1%， 温度仅为50～250度；③高温低压等离子体，约 有1%以上的气体被电离，具有几万度的温度。 离子、自由电子、未电离的原子的动能接近于 热平衡。热喷涂所利用的正是这类等离子体。 等离子体在材料科学方面的应用：材料焊接、 金属熔化、材料合成及材料表面改性等方面.
小厚度，而不是增厚。修饰层太厚会改变材料固有的 机械和功能性，而且厚的涂层易剥离和破碎。理想情 况下，一个单分子层（3-10 埃）就足够了。 2）抗剥离 3）商品化：不能过于复杂或成本太高。
二. 几种表面改性技术简介 1. 等离子体技术
• 等离子体技术是20世60年代以来，在物理学、化 学、电子学、真空技术等学科交叉基础上发展形 成的一门新兴学科。
蚀性。离子注入钙离子可提高生物活性。
改性效果
抗磨损
耐腐蚀 抗氧化 抗冲击
耐热
表6-1 离子注入钢改性结果
注入离子
基体材料
用途
Ti,Mn,Al,Cu,Ni
型钢，软钢
机械零件，工具
W,Mo,V,Co,Cr Ti+C,Ti+N Ti+B,Cr+N
工具钢 同上 不锈钢
工具
同上，汽车零件，机械 零件
表壳，模具
• 通过羟基化处理在医用钛合金表面引入活性 羟基，可利用该活性官能团共价键接生物功 能大分子如肝素、白蛋白、 血栓改性蛋白 等，提高材料的生物相容性，进一步改善植 入、介入材料的组织相容性和血液相容性。
例如用于带药血管内支架和牙种植体等人体 植入、介入医疗器械的表面改性处理。
羟基化方法：
方法1：将医用钛合金试样在双氧水溶液中浸 泡处理约20分钟。
2. 表面改性的作用
1).改善血液相容性：例如化学修饰得到肝素 2).改进润滑性能：例互穿聚合物网络 3). 改进抗磨性和抗腐蚀性：例离子注入N、C 4). 改变电性质：例如聚电解质接枝。 5).控制蛋白质的吸附：例表面固定化聚乙二醇
（减少吸附）
3.表面改性一般原则
1）修饰层厚度要尽量薄： 表面修饰应该是达到均匀性、耐用性和功能性所需的最
第八章 生物材料表面改性
8.1 概述
在生物环境与植入体材料的反应中，材料的表面起着重要作 用。宿主首先对材料表面做出相应的生理反应，并根据反应 结果决定对材料是亲和还是排斥。因此控制材料表面特性可 有效改善植入效果。
表面改性方法
• 1.物理化学法 • 2 机械法 本章重点介绍物理化学法表面改性
代表性的表面改性（修饰）方法
方法2：将医用钛合金试样在碱溶液（KＯＨ 或ＮａＯＨ）中浸泡处理约20分钟。
8.2 物理化学方法表面改性
一 概述
1.分类：
1）非共价涂覆： 例：溶剂涂覆，碳和金属的气相沉积 2）共价涂覆： 例：辐射接枝（利用电子加速器和Ɣ辐射）
光接枝（利用紫外光） 气相沉积（离子束溅射、化学气相沉积） 化学接枝 硅烷化 生物修饰（生物分子固定）
1.未修饰的表面 2.覆盖： 溶剂涂覆、表面接枝、金
属喷涂、喷射HA 3.表面梯度化：接枝、形成
互穿网、离子注入 4.自组装膜表面 5.添加剂的表面活化 6. 表面化学反应：
氧化、氟化、硅烷化 7.刻蚀和打磨 8.聚电解质多层膜
钛合金表面羟基化预处理
• 用于植入人体的医用钛及钛合金材料在空气 中或与氧气接触就会迅速在其表面原位生长 一层Ti02薄膜，该薄膜一般厚度为几十 个 纳米，这是钛及钬合金材料具有良好生物相 容性的一个主要原因。但是由于Ti02 薄膜 是生物惰性的，缺少活性官能团，生物大分 子很难结合在材料 表面。
• 离子束技术的应用包括离子束注入、离子束沉积 和离子束辅助沉积等。
• 应用离子束技术可实现对医用生物陶瓷涂层材料 表面的改性。生物陶瓷涂层分为氧化物陶瓷和非 氧化物陶瓷涂层。
➢ 氧化物涂层材料：Al2O3、ZrO2、TiO2等。 ➢ 非氧化物涂层：氮化物、碳化物、硅化物和硼化
物等。 ➢ 采用离子注入技术可提高本体材料的抗磨损和腐
• 蛋白质在聚合物表面的固定主要有物理吸附和 化学固定二种。
• 物理吸附：通过静电吸附作用可将含有多个负 电荷的生物活性分子固定于材料中带正电荷的 部位；
• 化学固定：将生物活性分子中的某些基团与基 质表面的反应性基团通过化学键合使其牢固地 固定于材料表面，可获得长期的组织相容性。
➢材料表面肝素化：提高抗凝血性