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 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 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 K d ～ 10 -8 l/mol 4 3.051/BE.340 6． 减少细菌粘附 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： S.aureus 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） 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 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 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 ? 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 γ1，产生活性表面 氧化一氮 加以上的 氨 六氟乙烷 加以上的 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 ? 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 Al 2 O 3 ： 提高硬度 CoCr, Ti：提高表面粗糙度 /孔隙率 ? 骨键合 时间 O 2 -等离子体处理 HDPE--- PDMS— 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 ? 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 2 ） -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 -NH 2 反应 9 3.051/BE.340 使用偶联剂（ -COOH 与 -NH 2 键合） ： 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—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 10 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： —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 ? 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） 11 3.051/BE.340 4． 模型化表面 ? 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 Michael Rubner 提供 ? 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 12 3.051/BE.340 图 1 和图 3 来自 Ratner,B.D.et al.“具于蛋白识别功能的模板印刻纳米结构表面” Nature 398(15 April 1999),PP.593-597. 与 IgG 竞争性吸附中， BSA 被选择性吸附在 BSA-印刻表面 13 3.051/BE.340 C． 其它方法 ? 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） ? 离子注入 ：高能量离子束使原子进入材料表层（达到 10 6 eV） (金属 ) 如： Ti 钛表面注入 N z 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