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)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。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。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。临床存在的问题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。按材料与生物体接触部位分类考察力学性能与生物体的一致性力学相容性血液相容性组织相容性主要考察与血液的相互作用考察与血管外组织的作用血液相容性（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。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。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亲疏水性表面化学结构……表面拓扑结构活性因子表面电荷状况影响生物材料相容性的表面性质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。3.3生物相容性的研究意义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！？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4.生物材料表面工程的概念材料表面工程使其适应与组织的“接纳”赋予动态整合性；材料学角度组织工程临床应用角度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。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复旦大学丁建东教授课题组细胞与生物材料相互作用的基础研究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Advancedmaterials25(37):5257-5286,2013;Biomaterials,34(12)2865-2874(2013)Biomaterials,33,1730-1735,2012;Biomaterials,32,8048-8057,2011国内从事生物材料表界面研究的课题组苏州大学陈红教授课题组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；Combiningsurfacetopographywi生polymerchemistry:exploringnewinterfacialbiologicalphenomena.Polym.Chem.,2013,DOI:10.1039/C3PY00739AAptamer-ModifiedMicro/NanostructuredSurfaces:EfficientCaptureofRamosCellsinSerumEnvironment.ACSAppl.Mater.Interfaces,2013,5,3816.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ACSAppliedMaterials&Interfaces5(10):4136-4143，2013Biomaterials34(13):3345-3354，2013国内从事生物材料表界面研究的课题组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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国内从事生物材料表界面研究的课题组中国科学院上海硅酸盐研究所刘宣勇教授课题组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/薄膜国内从事生物材料表界面研究的课题组生物界面材料/智能材料AdvancedMaterials2013,25,749-754.AngewandteChemie-InternationalEdition2012,21,5147-5151.ChemicalSocietyReviews,2012,41,1972-1984.武汉理工大学孙涛垒教授课题组国外从事生物材料表界面研究的代表性课题组？他们的研究方向和研究特色是什么？作业：第二部分：生物材料与体内的相互作用材料和生物体间的相互作用及关系1.膨胀浸析膨胀:物质从组织进入材料，使完全致密的材料体积增大的过程.浸析:液体进入材料内部或材料的某些成分溶解在组织液相中，使材料产生孔隙的过程阀式心脏瓣膜简图因球芯吸收了某些材料而发生了膨胀，使阀球脱出或塞入框架中。溶胀与浸蚀的作用有利作用：药物缓释有害吸收例子—变形的心脏瓣膜阀约束框架球芯环性阀座缝纫环腐蚀：体内的重要反应，本质是电子迁移的电化学反应。2.腐蚀和降解腐蚀(Corrosion)：聚合物分子断裂形成的齐聚物和小分子单体脱离聚合物引起材料损失的过程。降解(Degradation)：聚合物分子断裂分解为齐聚物，最终成为小分子单体的过程。区别金属材料在生物学环境中的变化A、金属材料的腐蚀化学腐蚀金属直接与周围介质发生化学反应，不产生电流。腐蚀产物沉积，形成一层膜。电化学腐蚀在电解质溶液中因原电池作用产生电流；成分或组织形态的差别及杂质存在都会引起电极电位差，即产生电化学腐蚀。B、金属材料的溶出腐蚀导致金属植入物中阳离子的释放，其他离子也进入人体，其浓度比正常人体内的标准高出几个数量级。影响金属腐蚀速率的因素工程因素:组成差异、加工方式、应力差异。生物环境因素：金属络合物的形成、电荷、钝化膜、磨损。非降解材料：降解时间比使用时间长得多的材料。降解材料：使用过程中不断降解或在使用后快速降解的材料。划分降解和非降解聚合物唯一指标：时间尺度生理环境对高分子材料的影响①体液所引起的聚合物降解、交联或相变。②自由基所引起的氧化降解。③酶所引起的分解作用。材料的降解聚合物生物降解过程的大致顺序酶主要通过加速水解来完成自由基会参与引发聚合物的降解过程，如自动氧化等水解特性和对水分吸收特性A、植入陶瓷的降解受化学成分、显微结构(孔径和孔隙率等）影响作用机制生理化学溶解：溶解速率决定于体液成分、pH值、结晶度、杂质及材料的溶度积。物理解体：体液浸入微孔使连接晶粒的“细颈”溶解而解体为微粒生物因素：细胞介导过程，如吞噬或迁移被解体的陶瓷微粒。陶瓷材料在生物学环境中的变化B、植入材料在体内的钙沉积B、植入材料在体内的钙沉积影响材料钙化的因素：①有应力存在处先发生钙化。②缺陷、破损加速细胞的沉积和破坏。③材料折叠、挠曲处剪切应力较大，局部发热，导致细胞死亡。④凝血形成的血块有更多的细胞沉积、细胞死亡和血小板的吸附，最后都将导致钙化。⑤体液中钙、磷酸根含量的多少影响材料钙化。材料的体内钙化对骨修复材料有益，但对人工心脏瓣膜是非常不利的（钙沉积导致瓣叶开合困难）A.变性B.有机金属化合物的形成C.界面发生分子粘附D.带电界面的影响3.生物分子与材料表面的反应