1、生生物物材材料料的的表表面面与与界面界面 宿宿主主反反应应的的定义定义ThTh物物医医用用材材料料植植入入T Th h物物体内，体内，会会引引起起活活体体系统系统 对对材材料料的的反应，反应，包包括括植植入入材材料料附附近近的的局局部部组织组织反反应应及及整整个个活活体全体全身身的的反反应应。宿宿主主反反应应通通过过材材料料和和组组织织间间的的界界面面开开始始（二二）宿宿主主反反应应急急性全性全身身反应反应慢慢性性全全 身身反反应应急急性局性局部部反应反应慢慢性性局局 部部反反应应毒性、致畸毒性、致畸、免疫、功免疫、功能能 障障碍碍等等。过敏、过敏、毒毒性性、溶血、溶血、发发热热、神经神经麻麻
2、痹痹等等。致癌、钙化致癌、钙化、炎症、溃炎症、溃疡疡 等等。炎炎症症、血血栓栓、坏坏死死、排异排异 等等。ThTh物物体对体对ThTh物反物反应应的的变变化化补补体体激激活活；体体液液免免疫疫反反应应（抗抗原原抗抗体体反反 应应）；）；细细胞胞免免疫疫反反应应血液血液反应反应免免疫疫反反应应炎炎症症反反应应；细细胞胞粘粘附附 细细胞胞增增殖殖（异（异常常分分化化）形形成成囊囊膜膜 细细胞胞质质的的转转变变组组织织反反应应血血小小板板血血栓栓；凝凝血血系系统统激激活活；纤纤溶溶系系统统激激活活；溶溶血血反反应应；白白细细胞胞反反应应；细细胞胞因因子子反反应应；蛋蛋白白粘附粘附 宿宿主主反应反应的
3、的类型类型第第三三部部分分生生物物材材料料的的表面研表面研究究生生物物材料材料表表面改面改性方性方法法表表面形面形 态态改性改性生生物化物化 学学改性改性物物理理化化 学学改改性性表面表面微纳米结微纳米结构构表表 面面 粗粗 糙糙 度度表表 面面 覆覆 膜膜表表 面面 接接 枝枝。固固 定定 生生 物物 大大 分分 子子构构 造造 细细 胞胞 外外 基基 质质。润润湿湿性性材料表面的材料表面的重重要要特特征征之一之一描述指标为与水的接触角 接触角小于90为亲水表面 接触角大于90为疏水表面 接触角大于150为超疏水表面应应用用广广泛泛存在于自然界中许多无污染、自清洁的动植 物表面（如荷叶、水稻
4、、芋头叶、蝴蝶、水黾脚等）3 3.1 1表表面面的的微微纳结纳结构构自自然然界的特界的特殊殊表表面面形形态态自自清清洁洁特特征征源源自自粗糙粗糙表表 面面上上的的微微米米结结构构的乳的乳突突和和表表面面蜡蜡状状物物（1 19 99 99 9年年 BarthlottBarthlott）乳乳突突平平均均直直径径：59um59um接接触触角：角：165165，倾斜，倾斜2 2 水水滴滴在在表表面滚动面滚动：防防止止因因水水覆覆盖盖而而抑抑制制植植物物的的蒸蒸腾腾作作用用与与光光合合作作用用超超疏疏水水各各向向异异性的性的水水稻稻叶叶子子乳乳突突分分布布：平行于叶边缘 方向（有序排列）垂直于叶边缘 方
5、向（无序）水水稻稻叶叶表表面面存存在在滚滚动的动的各各向向异异性性，水水滴滴更容更容 易易沿沿着着平平行行叶叶边边缘缘的的方方向向流流动动超超疏疏水水的的蝉翼蝉翼表面表面 蝉蝉翼翼表面表面由由规规则则排排列列的的纳纳米米柱柱状状结结构构组组成成纳纳米米柱柱直直径径约约 80nm80nm，间间距距约约180nm180nm所所构构建建的的粗粗糙糙度度使使表表面面稳稳定定吸附吸附一一 层层空空气膜，诱导气膜，诱导其其超超疏疏水水的的性性质质，从从而而确确保保了了自自清清洁洁功功能能。超超疏疏水水的水的水黾腿黾腿水黾：通水黾：通过其腿过其腿部部独独特特的微纳的微纳米米复复合合阶阶 层层结结构构实现超实
6、现超疏疏水水和和高高表面张力表面张力 接触角接触角：167167腿部腿部所所受受的表的表面面张张力力足足 以以承承受受本本身重量身重量的的数数十十倍倍影影响材响材料料表表面面润润湿湿性性的的主主要要因因素素 材料表面能（基（基本本条条件件）表面粗糙度（决决定定性性因因素素）表面微-纳结构（决（决定定性性因素因素）制制备备超超疏疏水水表表面面的两的两类类技技术术：控控制制材材料料表表面面能能硅氧烷、含氟材料（自自然然界界中中表表面面能能最最低低的的材材料料）典典型型的的低低表表面面能能材材料料：有机硅氟树脂以及相应改性树脂 修修饰饰微微细细结结构构表面表面激光和等离子体处理法、模板法、蒸汽诱导相
7、分离法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、电纺法和电化学法等3.23.2 表表面面拓扑拓扑结构结构Th物材料表面拓扑结构对对细细胞胞行行为为的的影影响响早在一个世纪前就 被发现。细细胞胞根根据据下下层材层材料料的的拓拓扑扑形形貌貌而而取取向向ThTh长长。纳米纳米尺尺度度的的拓拓扑扑结结构构与与机机体体内内细细胞胞ThTh长长的的自自然然 环环境境更更为为相相似似。表表面面的的粗粗糙糙度度孔孔洞洞的的大大小小及及分分布布 沟沟槽槽的的尺尺寸寸和和取取向等向等拓拓扑结构扑结构3.2.13.2.1 表表面面拓拓扑扑结结构构的的构构建建方方法法微微接接触触印刷印刷(Microcontact printi
8、ng)毛毛细细微微模塑模塑(Micromolding in capillaries)复复制制模模塑塑(Replica molding)转转移移微微模塑模塑(Microtransfer molding)溶溶剂剂辅辅助助微微模塑模塑(Solvent assisted micromolding)操操作作便便捷捷，无无需需复复杂杂昂昂贵贵的的设设备备；可可大大面积制面积制作作图图案案，适宜适宜成成批批量量生生产；产；可可在在平平/曲曲面面表表面面制制作作微微细细结结构构；可可制制造造二二维维图图案案或或三三维维微微结结构构；可可控控制制图图案案表表面面的的化化学学性性质质方方便便地地形形 成成带带特特
9、定定官官能能团团的的图图形形表表面面等等。软软刻刻蚀蚀使用一个弹性印章来进行图形的复制与转移或采用印章当作掩模。电电子子束刻束刻蚀蚀制制作作高精度高精度弹弹性性印印章章（表（表面面带带有有凸凹微凸凹微结结构）构）、浇注浇注、复、复制制、转移图案转移图案one of the10 emerging technologies that will change the worldA faculty member at the University of Minnesota(1989-1991,Assistant Prof,1991-1994,Associate Prof,and 1994-1997 F
10、ull Prof),and joined Princeton University in 1998.低低成成本，本，高高产产量量，高高分分辨辨率率Prof.Stephen Y.Chou，周周 郁郁纳纳米压米压印印技技术术材材料表料表面面的的功功能能化化研研究究Reactive Imprint Lithography(RIL)Prof.G.Julius Vancso,Head,Department of Chemical Technology，University of TwenteAdv.Funct.Mater.2010,20,460468反反应应性性纳纳米米压压印印技技术术的的提提出出，为，
11、为材材料料表表面面的的进进一一步步功功能能化化提提供供 了了可可能能！Prof.Vincent M,Rotello,University of Massachusetts AmherstR RI IL L对材对材料料表表面面的的功功能能化化途径途径Advanced Functional Materials,2009,19:2937Advanced Materials,2010,22:3608 Advanced Materials,2011,23,3165.Biomaterials,2002,23(14):2945纳纳米米岛岛和纳米和纳米柱柱结构结构Atomic force microscopi
12、cal images of test topographies(a)PS flat control (b)PBrS flat control (c)13nm high islands(d)35nm high islands(e)95nm high islands3.2.23.2.2 表表面面拓扑结构拓扑结构对对细细胞胞行行为的影为的影响响Atomic force microscopical image of the 160nm high nanocolumns.3.2.23.2.2 表表面面拓拓扑扑结结构构对细对细胞胞行行为为的的影响影响纳纳米米岛岛诱诱导导细细胞胞伸伸展展的的形形态态 与与高
13、高度度有有关关。13nm13nm岛岛能能诱导诱导出出最最大的大的细细胞胞 反反应应，最最先先诱诱导导细细胞胞产产生生张张力力 纤纤维维，加加速速细细胞胞伸伸展展，从从而而显显 著著刺刺激激细细胞胞增增殖殖为为多多层层结结构构3.2.23.2.2 表表面面拓拓扑扑结结构构对细对细胞胞行行为为的的影响影响(b)cells becoming well spread,but still with a polarised morphology;(c)a rounded cell that is clearly polarised with lamellipodia at the leading edge
14、(L)and a trailing tail(T);(d)spreading cell,which is still notably smaller,and has fewer stress fibres that the cells seen in(a and b)(arrows point to faint filopodia).荧光肌动蛋白染色(a)A well spread cell with many stress fibres(s);成纤维细胞纳米柱上的 成纤维细胞3.2.23.2.2 表表面面拓拓扑扑结结构构对细对细胞胞行行为为的的影响影响Electron micrographs
15、 of filopodia reacting to nano-columns.(a)TEM section of a rounded cell with many filopodia,arrow shows filopodia/nano-column interaction.(b and c)High magnification SEMs of filopodia bending upon contacting nanocolumns(nano-columns shown by arrow head).(df)More TEMs of filopodia/nano-column interac
16、tions.(g and h)Low magnification SEMs of filopodia/nano-column interactions.Biomaterials 25(2004)：541554223.2.23.2.2 表表面面拓拓扑扑结结构构对细对细胞胞行行为为的的影响影响Biomaterials,2011,32:3931-3938细胞在具有黏附反差的图案化表面的 黏附具有“临界面积”的概念，低于 某个面积则细胞凋亡，高于某个面积 细胞开始黏附，继续高于某个面积，则出现两个细胞同时黏附，直至第N 个细胞开始黏附。Schematic presentation of the pro
17、cess of fabrication of an RGD micropattern on a PEG background.Three basic stages are included:(a)fabrication of gold micropatterns onglass via lift-off photolithography;(b)transfer of gold patterns from glass(hard)to a PEG hydrogel(soft);(c)formation of SAMs of RGD peptides on gold micropattern via
18、 post-modification by c(-RGDfK-)-thiol ligands.3.2.23.2.2 表表面面拓拓扑扑结结构构对细对细胞胞行行为为的的影响影响Biomaterials,2011,32:3931-3938(a)Optical micrographs of as-fabricated micropatterns of RGD-grafted gold microislands on a PEG hydrogel.We generated microislands of 25 diameters including 4,6,8,10,12,14,16 mm(line 4
19、),18,20,22,24,26,28,30 mm(line 2),32,35,40,45,50,55 mm(line 3),and 60,70,80,90,100 mm(line 1).(b)A typical phase contrast micrograph of MC3T3-E1cells on the icropatterned surface demonstrating the excellent localization of cells on the adhesive microislands.(c)A fluorescence image of MC3T3-E1 cells
20、by viability staining illustrating good cell viability of the adherent cells(d,e)Fluorescent micrographs with cellular nucleus stained as blue(d)and also F-actin stained as red(e)showing the possibility of determination of the number of adherent cells on each microisland.The dashed circles here indi
21、cate the contour of the underlying RGD-grafted microislands.All the bars are 50 mm.A summarized presentation of all characteristic areas for three cell types:MC3T3-E1 cells(red),BMSCs(green),NIH3T3 cells(blue)at density of 20,000 cells/well.表面表面纳纳米米图图案案诱诱导导的的平平滑滑肌肌细细胞胞的的形形态态变变化化SMC morphologyAlignme
22、nt and elongation characterizationBrdU cell proliferation assayBiomaterials，26（26）：）：5405-5413,2005可可与与ECM中中其其他他成成分分相相互互作用作用可可与与细细胞胞膜膜表表面面的的整整联联蛋蛋白结合白结合介介导导细细胞胞在在材材料料表表面面黏黏附附、铺铺展、展、增增殖、殖、分分化化等等生生理过程理过程纤纤连连蛋蛋白白(fibronectin，FN)由由细细胞胞自自身身分分泌的泌的重重要要黏黏附蛋附蛋白，白，是是胞胞外外基基质的质的重重要要成分成分之一之一。FN多功能分多功能分子子、研研究究拓拓扑
23、扑结结构构图图案与案与吸吸附附在在其表其表面面的的FNFN两两种种因素因素单单独独或或共共同同存在存在 时时对对细细胞胞黏黏附附、铺铺展展、增增殖殖行为行为的的影影响响有有助助于于理理解拓解拓扑扑结结构构图图案案表表面面化化学学组组成成这这两大两大因因素素对对细胞细胞行行为为的的影影响响。FNFN功功能能受受材料表材料表面面的的吸吸附状态附状态和和分分子子结构影响结构影响与与材材料料表面自表面自身身性性质质如如化学组化学组成成及及拓拓扑结扑结构构等等都都有有很大很大关关系系乳乳突突状状拓拓扑扑结结 构构PDMSPDMS表面表面纤纤连连蛋白蛋白F FN N修饰修饰的的乳乳突突 状状拓拓扑扑结构结
24、构L929L929细细胞胞在在各各表表面面的的ThTh长长状态状态(光光镜镜)L929细细胞胞在在各各表表面面的的生生长长状状态态(SEM)各各表表面面的的细细胞胞密密度度和和铺铺展展细细胞的胞的比比例例未未吸吸附附FNFN的的图图案案化化表表面面最最不利不利于于细细胞胞的的铺展，而铺展，而Flat+FNFlat+FN表表面面最最适适合合细细胞的铺展胞的铺展。图案化图案化表表面面的乳的乳突突状状拓拓扑结扑结构构不利不利于于黏附黏附细细胞形胞形成成黏黏着着斑斑，从，从而而 对对细细胞胞铺铺展展有有一一定的抑定的抑制制作作用用。由由于于具具有有细胞细胞结结合合位位点点(如如ArgArgGly-As
25、pGly-Asp，RGD)RGD)以及以及协协同同位位 点点，FNFN促促进进了了细细胞胞黏附和黏附和铺铺展展。推推测测：在在Pattern+FNPattern+FN表表面面，铺铺展展细细胞胞的的比比例例显显著著增加增加，但但因因拓拓扑扑图图案案在在细细胞胞铺铺展展中中所所起起的的抑抑制制作用作用，该该表表面面 细细胞胞铺铺展展比比例例仍仍低低于于Flat+FNFlat+FN表面表面。F FN N在材在材料料表表面面的的取取向向和和构构象象直直接接决决定着定着R RG GD D片片段段的的 暴暴露露情情况况。在在本本研究研究中中图图案案化化的的表表面面可可能能引引起起吸吸附附FNFN构构象象的
26、改的改 变，变，从从而而导导致致FNFN上上细细胞胞结结合合位位点点不不能能恰恰当当暴暴露露或或者者 FNFN分分子子的的取取向向不不能能被被黏黏附附细细胞胞所所识识别别。T Th h命命元元素素协协同同调调控控细细胞胞行为行为Tca8113 cells拓扑结构拓扑结构促促进进细胞细胞增增殖殖和和ThTh长长图案图案化化生生长细长细胞胞C6 cells纳米纳米结结构构诱导诱导细细胞胞取取向向ThTh长长BIOMATERIALS,25(18)4215-4223,2004Proliferation拓拓扑结扑结构构对对细细胞胞T Th h长长的影的影响响纳纳米米结构对细结构对细胞胞骨骨架架的的影影响
27、响纳纳米米结结构构对对细细胞胞伪伪足的足的影响影响TISSUE ENGINEERING 11(5-6):825-834,2005细细胞胞运运动动方方式式:伸伸缩缩运运动动(没没有纳有纳米米结结构构)ExploringSpreadingPulling up(C6 cells on PS,V:0.74 mm/min)细细胞胞运运动范围动范围和和速度速度Direction of LIPSS细细胞胞运运动动方方式式:纳纳米米结结构构导向导向运运动动(C6 cells on TPS,V:0.29 mm/min)细胞运动细胞运动范范围围和速和速度度J BIOMED MATER RES 78A(4):746
28、-754,2006 J BIOMED MATER RES,70B(1),43-48,2004无无纳纳米米结构结构纳纳米米结结构构纳纳米米结构结构引引导导细细胞胞 和胶和胶原原定定向向排排列列纳纳米结米结构构引引起起细胞细胞周周期期的的变变化化605040302010070bControl nanostructuresPercentage of total cellsG2/MSG0/G1纳纳米结米结构构引引起起基基因因表表达达变变化化4321056CRelative amountcyclin D1keratin 18 gene expressionsemi-RT-PCR in MDCK cell
29、sControlnanostructures应应力平衡力平衡原原则则 小到原小到原子子、分子、分子、细细胞，胞，大大到到组织组织，其其空间空间 结结构构构构建建均均遵遵循循应应力力平平衡衡原原则则。细细胞胞通通过过自身自身协协调调胞胞体体内内张张力力和和压力压力的的分分布布 和和平平衡衡达达到到总总体体力力学学平平衡衡。ThTh物物材材料料的拓的拓扑扑结结构构直直接接改改变变表表面的面的应应力力分分 布布，从从而而改改变变细细胞胞的的形形态态。钛钛表面多表面多级级结构制结构制备备(水水热热技技术术)c.H H2 2O O2 2水水热热纳纳米米棒结棒结构构促进促进 BMSCsBMSCs的的粘粘附
30、附、增、增殖殖及成及成骨骨分分化化示例示例一一低温等离子体技术等等离离子子体体态态的活的活性性粒粒子子(电电子子、离离子子、原原子子、亚、亚稳态稳态 粒粒子子、光、光子子等等)对对材材料料表表面面作作用用的的物物理理和和化化学学过过程程。从从物物理理过过程程来看来看：等离子体粒子将自身的能量传递给 材料表面的原子或分子，在表面产Th刻蚀、解吸、溅射、掺杂等过程.从从化化学学过过程程来看来看：等离子体在表面产Th化学吸附、高 分子降解、表面聚合、交联、接枝等过程。(1)低温等离子体技术种类低低温温等等离离子子体体聚聚合合低低温温等等离离子子体体表表面面处处理理 低低温温等离等离子子体体接接枝枝聚
31、合聚合低温等低温等离离子子体体技技术术A、低低温温等等离离子子体聚合体聚合利用放电把聚合性的有有机机类类气气态态单单体体等离子化，使 其产Th各类活性粒子，这些活性粒子间或活性粒子与单 体之间进行加加成成反反应应形成聚合膜。反反应应机理机理：自由基型机理：等离子体聚合过程中自由基起主要作用。离子型机理：考虑离子、电子对材料表面的作用，引入离子、电 子对材料表面的活化过程。焦焦点点：主要放在引发活性基团的形成及引发过程上。(1)低温等离子体技术种类研究始于20世纪60年代，因具有较常规聚合 膜更优良的性能而广泛用于Th物材料。导管导管微波等离子体聚合在硅橡胶上沉积丙烯酰胺的 聚合膜，用于制备具有
32、良好血液相容性的导管。A A、低温低温等等离离子体子体聚聚合合 等离子等离子体体聚聚合膜合膜 聚聚酯酯人人造血管造血管内径小于4mm时，易发Th降解、破裂，血液相容性差。在内径为4mm的聚酯人造血管内壁均匀沉积一层含氟聚合物的等离子体聚合膜，降低其表面能，使纤维蛋白的吸附量减少，提高抗凝血性，从而有效改善血液相容性。用用作作药药物控释物控释载载体体利用等离子体沉积聚合膜方法有效阻碍内层药物经载体扩散释放 的速率，直至聚合膜的破裂或融蚀。与活化的惰性气体结合法相比，等离子体聚合膜能提供一种更适 合的扩散屏障，显著降低了药物释放的速率，延长了药物的疗效。A、低低温温等等离离子子体聚合体聚合 等等离
33、子离子体体聚合膜聚合膜(1)低温等离子体技术种类B、低低温温等等离离子子体体表表面面处处理理用用非非聚聚合合性性无无机机气体气体（反反应应性性气体和气体和非非反反应性气应性气体体）产产T Th h的等离的等离 子子体体对对材料表材料表面面进进行行处处理理。反反应应性性气气体体（0 02 2、N N2 2、NHNH3 3、COCO2 2、H H2 2O O等等）：）：在反应性气体的等离子体作用下，材料表面结构发Th变化；由于等 离子态的活性粒子可直接结合到材料表面的分子键上，材料表面的化学 组成也将发Th改变。非非反反应应性气性气体体（ArAr、HeHe、H H2 2等等）：）：不能直接进入到材
34、料表面分子键中，但由于它们的等离子体中的高 能粒子轰击材料表面时传传递递了了能能量量，表面发Th化学键的断裂，Th成大分 子自由基，进一步形成大分子交联，同时表面受到刻蚀。B、低低温温等等离离子子体体表表面面处理处理常压低频放电高压中频电晕低压高频辉光放电充入无机气体并施加射频电场，可在Th物材料表面引入各种功 能活性基团(如-NH2、-SO3、-OH、-COOH等)，使材料表面的润湿性 和表面张力显著变化，从而使蛋白质、细胞在材料表面的吸附行为 发Th变化，进而对Th物材料的血液、组织相容性产Th影响。(1)低温等离子体技术种类C、低低温温等等离离子子体体接接枝枝聚合聚合两个两个 阶段阶段
35、材材料料表表面面经经等等离离子子体体处处理理产产生生自自由基由基 接接触触单单体体，利，利用用表表面面自自由由基基引引发发接接枝枝聚聚合合材材料表料表面面的的聚乙聚乙二二醇醇化化-提高提高表表面面亲亲水性水性PEPEG G与与水水的低界的低界面面自由能自由能，独特的独特的溶溶液性质液性质和和分分 子构子构象象，亲水性亲水性、表面流表面流动动性以及性以及P PE EG G的空的空间间稳稳 定定效应效应表表面面接接枝枝聚聚乙乙二二醇醇（PEGPEG）侧侧链链;(1)低温等离子体技术种类示例示例PEG的海藻状结的海藻状结构构材材料料表表面水面水溶溶性性链状链状分分子子结结构构对血对血 蛋蛋白白/血血
36、细细胞胞冲冲击的击的缓缓冲冲作作用用示例示例P PE EG G的的海海藻藻状状结结构构生生物物相相容容性性材材料料的的表表面面分分子子结结构构示例示例材材料料表表面面的聚的聚乙乙二二醇化醇化-提提高高表表面亲面亲水水性性当当接接枝枝P PE EG G低低于于一一定定数数量量时时，血血液液成分成分就就与与表表面面发发 ThTh作作用用;当接当接枝枝PEGPEG数数量太大时量太大时，PEGPEG链的运动则受到限制链的运动则受到限制。只只有阐明有阐明表表面接枝面接枝PEPEG G的的确确切切作用机作用机理理，才可才可发发展展 新新的的PEGPEG接接枝枝方方法法,并并制制备备出出长长效效抗抗凝凝材材料料。示示例例
