3.051/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 特殊目的: 1.清洁表面 2.减少/去除表面的蛋白吸附 降低对植入物和体外装置不希望和不可控的响应 C3b/gG吸附→WBCs的活化 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) 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 ●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 液中的高浓度一60t%的蛋白!)
1 3.051/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
3.051/BE.340 促进细胞附着粘附 改善γ(改变化学性质→增强蛋白吸附) 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 提示:很强的++表面能抑制 细胞生长 ++++++++++++++ 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 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 YGSR(层粘蛋白B1)
2 3.051/BE.340 4． 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
3.051/BE.340 5.降低血栓形成 亲水性表面 去除蛋白吸附 疏水性表面 固有的弱表面/细胞界面 利用血流产生的剪切力 ●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 表面键合白蛋白 血小板无配位体(若HAS变性能粘附吗?如何 白蛋白亲和性涂层 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Ka~1031/mol 2 ●内皮细胞粘附 天然血管衬胆→溶血纤的活性 (纤维蛋白水解)
3 3.051/BE.340 5．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/mol
3.051/BE.340 6.减少细菌粘附 伞或纤毛 细菌粘附 通过细胞壁的蛋白和多聚糖 非特定性) 血浆蛋白中的特殊受体 (如: saureus与纤维蛋白原纤维蛋白结合,FN,VN) 纤毛促进了最初的表面粘附 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) 如:葡萄状球菌 S.表皮 脂多糖 102 99999 。。。 蛋白质 惰性涂层 亲水性聚合物,HSA ●杀菌剂 含Ag涂膜 -抗生素(如:庆大霉素洗脱膜
4 3.051/BE.340 6． 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 纤毛促进了最初的表面粘附 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，HSA z 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
3.051/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) i)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
5 3.051/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
3.051/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+e→A+2e 用途 表面刻蚀 使用惰性气体(如,Ar) 目的:去除杂质,增加粗糙度 2.表面反应 交联聚合物表面 改善传输性能,降低表面迁移性 表面产生功能性基团 提高或降低v1,产生活性表面 O, CO, CO: -C-O-.-C=0.-0-C=O.-C-O-0 N2,NO2,NO(氧化一氮):C-N,-C=N,-C≡N(加以上的) NH3(氨):-NH,-NH2(加以上的) CF4,C2F6(六氟乙烷):-CF,-CF2,-CF3
6 3.051/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+e A+ +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
3.051/BE.340 a.尚不了解的表面化学性能 b.无效处理的重建 O2-等离子体处理 HDPE PDMS 90 40 时间 HC=CH 3.涂层沉积 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 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
7 3.051/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—
3.051/BE.340 B.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 接枝聚合物 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 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 nh, OH基团:金属,玻璃,陶瓷表面 直接共价键与-OH键合 LOH SiX3R -O-SiX2-R X=-CI.-OCH3, -OCH, CH3 硅烷 使用偶联剂 (OH to-COOH) O Peo-oh+ 酸酐 -PEO-0-C-(CH2)2-COOH 能与蛋白末端的-NH2反应
8 3.051/BE.340 B．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
3.051/BE.340 使用偶联剂(-COOH与NH2键合): LCOOH + H2N(CH2)7NH2 >-CO-NH-(CH2)NH2+ RCOOH 二元胺类试剂 →CONH(H2) NH-CO-R 3.溶液吸附 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) 非共价键合一细胞可以重新排列! 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)
9 3.051/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
3.051/BE.340 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 一制造的表面涂层是多种成份的有机结合体(蛋白,DNA,药物.) 一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,一)/多熔素(+) 一水性 无有机成份残余,生物相容性好 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) Au+ HS-R AAu(①)SR+H个
10 3.051/BE.340 ¾ 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）