3.051/BE.340 第四讲生物材料表面性能:化学性质(续) 对于金属植入物的腐蚀方面,生物流体的复杂性引起了进一步的思考 体內环境 pH 7.4 T=37℃ 阳离子:C1-,PO-,HCO-(重碳酸盐) 阴离子:Na+,K+,Ca2",Mg2 麻点扰腐蚀和裂腐的:区域的进攻导致腐蚀点处的金属离子M快速释放 引发惰性膜的局部失效 麻点:表面缺陷;裂缝:限制传输的区域 残留表面作为阴极→在缺损处快速渗透(氧化=还原) 存在的C1起了催化的作用,取代了束缚水 通过提高在封闭体积中化学反应的酸度达到自催化作用 钴铬臀部修复术图,摘自J.J. Jacobs et al,“整 形外科金属植入物的腐蚀”骨关芳手术杂志80-A, 268(1998)
1 3.051/BE.340 第四讲 生物材料表面性能：化学性质（续） 对于金属植入物的腐蚀方面，生物流体的复杂性引起了进一步的思考 体内环境 ¾ pH 7.4 ¾ T=37℃ ¾ 阳离子：Cl-,PO3-,HCO3 -(重碳酸盐) ¾ 阴离子：Na+，K+，Ca2+，Mg2+ 麻点状腐蚀和裂缝腐蚀：区域的进攻导致腐蚀点处的金属离子 MZ+快速释放 ¾ 引发惰性膜的局部失效 麻点：表面缺陷；裂缝：限制传输的区域 ¾ 残留表面作为阴极 → 在缺损处快速渗透（氧化=还原） ¾ 存在的 Cl- 起了催化的作用，取代了束缚水 ¾ 通过提高在封闭体积中化学反应的酸度达到自催化作用 钴铬臀部修复术图，摘自 J.J.Jacobs et al, “整 形外科金属植入物的腐蚀”骨关节手术杂志 80-A， 268（1998）
3.051/BE.340 例子在水溶液中的不锈钢 对于铬含量低于12.5at%:Fe0OH以含水形式存在于表面:Fe0x(OH)ynH20(水合 氢氧化铁 CI^不存在情况下,显示溶解性: FeOoh+H2O→Fe3++3OH C1存在情况下 FeOoh+CI→ Feocl+OH FeoCl+ 2H,o-Fe+Cl+2OH 溶解度低的Fe沉淀为Fe(OH)(锈) 限制性传输 氧化物 SS Fe)O3 (Fe Cr)2O3 Fe-9CI 钝化层崩溃至金属 Fe→Fe++2e 进攻CI 加速腐蚀 Fe+2Cr+2H2O- Fe(OH)2+2HCI 在麻点或裂缝处局部 酸度提高
2 3.051/BE.340 例子 在水溶液中的不锈钢： 对于铬含量低于 12.5at%: FeOOH 以含水形式存在于表面：FeOx（OH）Y ynH2O(水合 氢氧化铁) Cl- 不存在情况下，显示溶解性： Cl- 存在情况下： 溶解度低的 Fe3+沉淀为 Fe(OH)3(锈) 钝化层崩溃至金属 氧化物 限制性传输 进攻 加速腐蚀！ 在麻点或裂缝处局部 酸度提高
3.051/BE.340 麻点和裂缝外围 F Fe +e →Fe-+3(OH)→Fe(OH)3 O+2HO+4e→4OH 淀,进一步限制传输 钢成份影响 铬:对于Cr>12.5at%:表面是水合的氢氧化铬,如:CrO3(OH)x·nH2O 不锈钢表面打底使表面惰性 增加对麻点隈裂缝腐蚀的敏感性(CrCl3溶液有较低/负的pH!) 钼:降低在麻点/裂缝中分散速度(机理?) 体内发现的其他离子的影啊 Ca2和Mg2+:降低腐蚀速率 在金属表面形成沉淀 (CO2+H2O→H+HCO3) Ca+HCO3 OH>CaCO3+ HO 沉淀 Mg++2OH→Mg(OH2← O2流入受到限制→抑制了阴极还原
3 3.051/BE.340 麻点和裂缝外围： 沉淀，进一步限制传输 钢成份影响： 铬：对于 Cr>12.5at%：表面是水合的氢氧化铬，如：CrOx（OH）3-2x·nH2O ¾ 不锈钢表面打底使表面惰性 ¾ 增加对麻点/裂缝腐蚀的敏感性（CrCl3 溶液有较低/负的 pH！） 钼：降低在麻点/裂缝中分散速度（机理？） 体内发现的其他离子的影响： Ca2+和 Mg2+：降低腐蚀速率 ¾ 在金属表面形成沉淀 ¾ O2 流入受到限制→ 抑制了阴极还原 沉淀
3.051/BE.340 影响腐蚀度的生物因素: ●O2水平(提高O2→增强腐蚀;阳极≡阴极) pH变化(发炎{感染→降低pH) ●细胞活性(如:噬菌细胞→局部氧化剂浓度的提高) 蛋白M键合(M被带走→局部氧化剂浓度的提高) 如:细胞色素氧化酶,过氧(化物酶,过氧化氢酶键合Fe ●蛋白吸附(降低O2到表面) Fe2转成Fe的细菌氧化作用(增强阳极的化学反应/Fe2的溶解) ●机械性产生应力 局部应力→加快M的溶解 缺陷(台阶):较弱的结合→M的溶解 腐蚀对体内性能的影响: 免疫敏感作用:如,镍和铬过敏反应 磨损碎片一引起生物学阶叠 (对外来物的反应,骨缺损) 植入物结构完整性的丧失(机械故障) >金属离子的毒性:Al,Ni,Cr,V,Co,Ti;提高在血液组织中的水平 致癌性(植入部位的肿瘤,白血病/淋巴瘤与钴铬植入物之间的关系)
4 3.051/BE.340 影响腐蚀度的生物因素： z O2 水平（提高 O2 ⇒ 增强腐蚀；阳极≡阴极） z pH 变化（发炎/感染 ⇒ 降低 pH） z 细胞活性（如：噬菌细胞⇒ 局部氧化剂浓度的提高） z 蛋白-Mz+键合（Mz+被带走 ⇒ 局部氧化剂浓度的提高） ¾ 如：细胞色素氧化酶，过氧(化)物酶，过氧化氢酶键合 Fe2+ z 蛋白吸附（降低 O2 到表面） z Fe2+转成 Fe3+的细菌氧化作用（增强阳极的化学反应/Fe2+的溶解） z 机械性产生应力 ¾ 局部应力⇒ 加快 Mz+的溶解 ¾ 缺陷（台阶）：较弱的结合⇒ M z+的溶解 腐蚀对体内性能的影响： ¾ 免疫敏感作用：如，镍和铬过敏反应 ¾ 磨损碎片—引起生物学阶叠 （对外来物的反应，骨缺损） ¾ 植入物结构完整性的丧失（机械故障） ¾ 金属离子的毒性：Al, Ni, Cr, V, Co, Ti；提高在血液/组织中的水平 ¾ 致癌性（植入部位的肿瘤，白血病/淋巴瘤与钴铬植入物之间的关系）
3.051/BE.340 如同金属植入物,有些用作生物材料的聚合物易发生化学反应,从而发生降解,其中某些是 有目的性的。 3.菜合物的水解 聚合物水解包括通过与水反应导致的分子基团的分裂 可以是酸、碱或酶催化 如果水渗入材料本体,水解不局限于表面 a)分子和结构因素影响水解 键合的稳定性 疏水性:提高疏水性→降低水解 分子量和结构:分子量越高→越不易水解 形态 结晶可降低水解 孔隙率提高可加快水解 Tg:运动性低→降低水解 健的稳定性 共振稳定的键合点中易受影响的键可能 ●酯:R-C-O-R+H2O→>R-C-OH+HO-R
5 3.051/BE.340 如同金属植入物，有些用作生物材料的聚合物易发生化学反应，从而发生降解，其中某些是 有目的性的。 3．聚合物的水解 聚合物水解包括通过与水反应导致的分子基团的分裂 ¾ 可以是酸、碱或酶催化 ¾ 如果水渗入材料本体，水解不局限于表面 a) 分子和结构因素影响水解 ¾ 键合的稳定性 ¾ 疏水性：提高疏水性⇒ 降低水解 ¾ 分子量和结构：分子量越高⇒ 越不易水解 ¾ 形态： z 结晶可降低水解 z 孔隙率提高可加快水解 ¾ Tg：运动性低⇒ 降低水解 键的稳定性 共振稳定的键合点中易受影响的键可能… z 酯：
3.051/BE.340 例1:聚(丙交乙交酷)共聚物 性能:快速降解,无定形,Tg~45-55℃ 用途:生物可吸收性缝合线,控制释放基材,组织工程支架 (O-CH(CH3)-C-x-7-(O-CH2-C-) 乙酸 羟基乙酸 例2:聚对苯二甲酸乙二醇酯(的确良) 性能:降解速度非常慢,半结晶性,Tg~69℃ 用途:血管移植,动脉贴片,人工心脏泵 O [-O-CO-C-O-CH2-CH2-IN 碱催化聚酷水解 O OH O +HOR’+OH R OH
6 3.051/BE.340 例 1：聚（丙交酯-乙交酯）共聚物 性能：快速降解，无定形，Tg ~ 45-55℃ 用途：生物可吸收性缝合线，控制释放基材，组织工程支架 乙酸 羟基乙酸 例 2：聚对苯二甲酸乙二醇酯（的确良） 性能：降解速度非常慢，半结晶性，Tg ~ 69℃ 用途：血管移植，动脉贴片，人工心脏泵 碱催化聚酯水解
3.051/BE.340 酸催化聚酷水解: o:→H OR BOH X H OR HH C HOR R’H H R OH ●氨基化合物 R-C-NH-R’+HO→R-C-OH+HN-R 氨基化合物或肽, 在蛋白中也可发现 举例:尼龙6,6 聚酰胺 (NH-(CH2 )6-NH-C-(CH2)4- C-N 性能:~9%吸水率,半结晶,Tg-50℃ 途:可再取出的缝合线,关节假体
7 3.051/BE.340 酸-催化聚酯水解： z 氨基化合物： 氨基化合物或肽， 在蛋白中也可发现 举例：尼龙 6，6 聚酰胺 性能：~ 9% 吸水率，半结晶，Tg~ 50℃ 用途：可再取出的缝合线，关节假体
3.051/BE.340 酐类:O R-C-O-C-R’+HO→R-C-OH+HO-C-R 举例:聚葵二酸酚 (-(CH2)8C-O-C-) 性能:快速降解(表面) 用途:药物传输基材 °醚RO-R’+HO+H→>R-CH2-OH+HO-CH2-R 举例:聚环氧乙烷(PEO) (-CH2-O-CH2-IN 性能:水溶性,半结晶,Tg--60℃ 用途:水凝胶,蛋白抗涂层 聚氨酯: RNH-C-O-R’+H2O→RNH-C-OH+HO-R 举例:氨基甲酸酯聚 [C-(CH2)4-0-xC-NHO-CHO-NHC-O-IN-D 硬嵌段 性能:SPU生物分子的软嵌段,减缓降解 用途:心脏起搏器外壳和连接器
8 3.051/BE.340 z 酐类： 举例：聚(葵二酸酐) 性能：快速降解（表面） 用途：药物传输基材 z 醚： 举例：聚环氧乙烷（PEO） 性能：水溶性，半结晶，Tg~ -60℃ 用途：水凝胶，蛋白抗涂层 z 聚氨酯： 举例：氨基甲酸酯聚醚 性能：SPU 生物分子的软嵌段，减缓降解 用途：心脏起搏器外壳和连接器 硬嵌段
3.051/BE.340 ●尿素: RNH-C-NH-R”+H2O→R-NH-C-OH+HN-R ●碳酸盐类: R-O-C-O-R’+H2O→R-O-C-OH+HO-R 水解速率:酐>酯>氨基类>醚 稳定的聚合物化学性质 烯烃类:如超高分子量聚乙烯,关节骨臼衬垫 ●卤代烃:如:PVC(聚氯乙烯):导尿管;PIFE(聚四氟乙烯):血管移植 硅氧烷:如PDMS:软组织修复 ●砜:PSF:肾透析膜
9 3.051/BE.340 z 尿素： z 碳酸盐类： 水解速率：酐>酯>氨基类>醚 稳定的聚合物化学性质： z 烯烃类：如超高分子量聚乙烯， 关节骨臼衬垫 z 卤代烃：如：PVC（聚氯乙烯）：导尿管；PTFE（聚四氟乙烯）：血管移植 z 硅氧烷：如 PDMS：软组织修复 z 砜：PSF：肾透析膜
3.051/BE.340 b)生物因素影响水解 pH波动 发炎/感染→降低pH催化水解 ●水解酶一催化水解反应的酶 蛋白酶:催化缩氨酸键的水解 酯酶:催化酯键的水解 由噬菌细胞所产生的 c)水解对体内性能的影响 结构完整性的丧失 如:i)聚氨酯:在整形重建术中快速降解(不再使用) i)PET纤维:在心血管中长期应用后退化 毒性/致突变性 如:i)聚氨酯片断:疑似降解产物致瘤 ⅱ)腈基丙烯酸酯(软组织粘合剂):水解产生甲醛
10 3.051/BE.340 b) 生物因素影响水解 z pH 波动 发炎/感染⇒降低 pH,催化水解 z 水解酶—催化水解反应的酶 ¾ 蛋白酶：催化缩氨酸键的水解 ¾ 酯酶：催化酯键的水解 ¾ 由噬菌细胞所产生的 c) 水解对体内性能的影响 ¾ 结构完整性的丧失 如：ⅰ）聚氨酯：在整形重建术中快速降解（不再使用） ⅱ）PET 纤维：在心血管中长期应用后退化 ¾ 毒性/致突变性 如： ⅰ）聚氨酯片断：疑似降解产物致瘤 ⅱ）腈基丙烯酸酯（软组织粘合剂）：水解产生甲醛
