9表面改性的方法和目的

13.051/BE.340第九讲生物材料的表面修饰目标：保留装置整体性能的基础上，改变材料的表面特性以增强材料在生物环境中的性能。特殊目的：1．清洁表面2．减少/去除表面的蛋白吸附z降低对植入物和体外装置不希望和不可控的响应z降低在生物传感器和生物检测过程中非特异性吸附（噪音和污垢）z目前的方法：与水结合，亲水性表面PEO是当前的“金标准”3．减少/去除细胞粘附z创造一种表面，该表面模拟了生物体天然抗细胞粘附特性如：生命体血浆白蛋白：本能地对体液和组织中的成份的亲和性低（考虑到它在血液中的高浓度—60wt%的蛋白！）C3b/IgG吸附⇒WBCs的活化23.051/BE.3404．促进细胞附着/粘附z改善γ1（改变化学性质⇒增强蛋白吸附）z表面产生正电荷-许多蛋白都带有表面纯负电荷⇒增强蛋白吸附-细胞多糖-蛋白质复合物带有负电荷⇒非特异性吸附z增加表面粗糙度/孔隙率-促进细胞粘附（增加键合的表面积）-能抑制细胞生长z表面键合细胞粘附配合体-粘附蛋白（血清纤维结合蛋白）-粘附蛋白抗原决定基：RGD（血清纤维结合蛋白,胶原….）YIGSR(层粘蛋白B1)提示：很强的++表面能抑制细胞生长33.051/BE.3405．降低血栓形成z亲水性表面-去除蛋白吸附z疏水性表面z表面结合肝素-覆盖血管的内皮细胞自然表面-结合抗凝血酶使得因子Xa和凝血酶失活z表面键合白蛋白-血小板无配位体（若HAS变性能粘附吗？如何？）z白蛋白亲和性涂层z内皮细胞粘附-天然血管衬胆⇒溶血纤的活性（纤维蛋白水解）-固有的弱表面/细胞界面-利用血流产生的剪切力-大量吸附了血液中白蛋白的表面产生了惰性涂层，如胆红素Kd～10-8l/mol43.051/BE.3406．减少细菌粘附细菌粘附¾通过细胞壁的蛋白和多聚糖(非特定性)¾血浆蛋白中的特殊受体（如：S.aureus与纤维蛋白原/纤维蛋白结合，FN，VN）¾纤毛促进了昀初的表面粘附细菌细胞壁如：大肠杆菌细菌细胞壁（革兰氏阴性）（革兰氏阳性）z惰性涂层亲水性聚合物，HSAz杀菌剂-含Ag涂膜-抗生素（如：庆大霉素洗脱膜）伞或纤毛（~1um）如：葡萄状球菌,S．表皮脂多糖肽聚糖蛋白质53.051/BE.340-细胞壁-干扰剂（阳离子）ⅰ)非哺乳动物抗细菌的肽：两亲性的螺旋型结构（如：LKLLKKL）ⅱ）阳离子聚合物(如：亲脂侧链)7．改变传输性能-调整水、治疗剂的传输，等等如：交联剂（惰性）或pH值（活性）8．增强润滑性（降低摩擦/磨损）体内：亲水性表面9．提高硬度增强耐磨性10.增强耐腐蚀/耐降解性63.051/BE.340表面修饰方法A．等离子体处理等离子体：在施加电场作用下离子/电子产生的离子化的气体（离子，电子，自由基，原子，分子）A+eA++2e用途：1．表面刻蚀¾使用惰性气体（如，Ar）¾目的：去除杂质，增加粗糙度2．表面反应¾交联聚合物表面改善传输性能，降低表面迁移性¾表面产生功能性基团提高或降低γ1，产生活性表面氧化一氮加以上的氨六氟乙烷加以上的73.051/BE.340缺点：a.尚不了解的表面化学性能b.无效处理的重建3．涂层沉积¾接枝聚合层等离子体+单体⇒自由基聚合的表面层亲水性单体：羟乙基甲基丙烯酸盐（HEMA），N-乙烯基-2-吡咯烷酮（NVP），甲基丙烯酸（MAA），丙烯酰胺（AAm)，等等¾等离子喷涂（无机）超细粉末注入等离子体装置⇒部分熔融使得表面具有粘附性HA（羟基磷灰石）：骨键合Al2O3：提高硬度CoCr,Ti：提高表面粗糙度/孔隙率⇒骨键合时间O2-等离子体处理HDPE---PDMS—83.051/BE.340B．聚合物/有机涂层1．溶剂涂层/浇铸表面浸没、喷涂或辊涂聚合物，该聚合物溶解在VOC（易挥发溶剂中）中2．接枝聚合物¾表面接枝聚合：等离子体（包括电晕放电）或辐射（γ或UV）使材料表面产生自由基，从而引发链聚合反应缺点：-不易控制厚度和分子量-有未反应的单体-有未键合的均聚物¾缩合冷凝化学反应：聚合物或生物分子键合到表面的功能性基团上（-OH，-COOH，-NH2）-OH基团：金属，玻璃，陶瓷表面直接共价键与-OH键合硅烷使用偶联剂丁二酸酐能与蛋白末端的-NH2反应93.051/BE.340使用偶联剂（-COOH与-NH2键合）：3．溶液吸附¾两性大分子：嵌段共聚物如：聚丙二醇与环氧乙烷的加聚物(聚醚)PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物缺点：-覆盖率低（原子或分子的空间限制）-非共价键合—细胞可以重新排列！交替两性结构梳状（蓬松地毯）洗瓶圆刷状（(细胞外被的)（MIT）多糖-蛋白质复合物模拟物）二元胺类试剂103.051/BE.340¾聚合电解质复合层（PEMs）（MIT）静电组装：聚阳离子和聚阴离子单分子层交替吸附优点：—制造的表面涂层是多种成份的有机结合体（蛋白，DNA，药物....）—以化学性质改变或形态改变的方式沉积在材料表面如：PEM细胞微囊藻酸盐（一种多聚糖，—）/多熔素（+）—水性无有机成份残余，生物相容性好¾自组装单分子层（化学吸附）：有序（紧密堆砌）的单分子有机层（主要基团具有短的烃末端）铜表面的烷烃硫醇（生物传感器/排列的表面模式）113.051/BE.3404．模型化表面¾微接触印饰：—通过交联的方式用传统的平板印刷术制备PDMS“邮票”—“墨”是选择性沉积的一种SAM（或其它分子）（G.Whitesides—Harvard）交替性区域表面细胞粘附/抗细胞表面图片由MichaelRubner提供¾分子印刻-生物元件被用作模板以制成特定的化学性质和结构形貌的表面键合点-过程：在模板周围聚合，提取模板分子⇒利用互补的化学性质印刻模板-印刻显示出对模板分子的选择性吸附123.051/BE.340图1和图3来自Ratner,B.D.etal.“具于蛋白识别功能的模板印刻纳米结构表面”Nature398(15April1999),PP.593-597.与IgG竞争性吸附中，BSA被选择性吸附在BSA-印刻表面133.051/BE.340C．其它方法¾表面隔离-期望的表面介质被加入到填充材料中并且选择性地与表面隔离如：两亲梳妆聚合物/PLA支架（MIT）¾离子注入：高能量离子束使原子进入材料表层（达到106eV）(金属)如：Ti钛表面注入Nz提高硬度和耐磨性z增强抗腐蚀能力#在70℃水中退火+未经退火处理z在120℃真空下退火---无表面过剩