1、生物材料的表面与界面四、材料表界面的表征方法材料-界面结合形式1、暂时附着界面材料植入体内后，机体组织立即产生强烈的异物 反应或毒性反应，只是暂时性的附着。失败的界面附着形式不良的界面附着形式不良的界面附着形式2、纤维结合界面植入体内后，在材料表面形成很厚的结缔组织包 裹层，且随时间加长，包裹层不变薄不消失，逐渐变 致密、钙化，阻碍材料与机体组织间的物质代谢，最 终因积液、炎症、坏死而被排异。3、骨接触界面、骨接触界面材料与骨组织形成的接触界面有薄层纤维组织存 在，或伴有不同程度的钙盐沉积；但随时间加长，纤 维层逐渐变薄或消失，还可能在界面上出现薄层骨。有效的界面结合形式4、骨结合界面钙磷成分
2、的材料因具有类骨的无机成分和结构，亲 骨性好，新生骨细胞活跃，骨生长明显，材料与组织间 很快形成稳定的骨结合界面。较理想的界面结合形式5、生物性结合界面理想的界面结合形式5物理检测法化学检测法生物学检测法机械检测法临床效应分析法材 料-细 胞 界 面 检 测 方 法检测方法 微观观察-目前最常用、最有效的方法扫描电镜 立体显微镜 图像分析仪透射电镜材料和细胞的形貌结构变化细胞生长速度 结合状态细胞种类、数量的变化 界面能测定了解不同材料与机体组织细胞的反应规律和细胞界面性质。从固体表面润湿临界张力及液体在固体上的接触角来测定。界面应力测定检测材料与细胞界面的力学性能、应力传导方式和途径。常规方
3、法：光弹应力分析法、有限元计算法、等高线描绘法、激光全息及各种传感技术 界面pH测定材料周围的pH影响材料与组织细胞的结合，通过测定pH预 测细胞界面的反应和作用。流变学测定利用生物流变学原理和方法分析生物材料和细胞界面的流 变特性。用于确定材料形态、表面性态对细胞吸附的作用和影响。微电流检测通过对生物压电材料所产生的微电流量进行检测，来评 价微电流作用对细胞界面形成的影响作用。微量元素分析对材料与组织细胞界面及周围的微量元素及其变化进 行测定，从而对细胞生长发育状态以及界面结合的动态变化 进行判定。几种常用的仪器X射线光电子能谱扫描电子显微镜激光共聚焦显微镜透射电子显微镜红外光谱原子力显微镜
4、。红外光谱通过红外光照射到物质分子只能激发分子内原子核之间的振 动和转动能级的跃迁，因此红外光谱是通过测定这两种能级跃 迁的信息来研究分子结构。红外辐射光的波数可分为近红外区(10000-4000cm-1)中红外 区(4000-400cm-1)和远红外区(400-10cm-1)。中红外区是红外 光谱应用最广的部分，有机化合物的红外吸收光谱都在此范围。红外光谱的分类面内弯曲振动面外弯曲振动弯曲振动()伸缩振动 ()伸缩振动非对称伸缩振动反射红外光特别是衰减全反射红外光谱是最常见的表面分 析方法。尤其是在表层厚度大，而底层信号弱又单纯时是 相当有效的方法。聚均苯四酰亚胺涂在氟化乙丙烯薄膜上。X射线
5、光电子能谱X射线光电子能谱仪结构示意图X射线光电子能谱仪简称XPS，是用X射线作激发源，由以下几部分组成：真空 室及与其相应的抽气系统；样品引进和操纵系统；X射线源；电子能量分析器及与 其相连的输入(或传输)电子光学透镜系统；电子检测系统及基于PC机或工作站的 服务性数据处理系统，两者同时控制能谱仪操作并提供处理数据的手段。XPS的基本原理是光电效应。如果以光电子的动能分布为横坐 标，相对强度为纵坐标，那么所记录的谱峰为光电子能谱图。图1.4聚四氟乙烯(PTFE)XPS谱。聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（PTFE）的）的XPS扫描电子显微镜扫描电子显微镜，简称SEM，它的成像过程不是利用电磁透 镜的会
6、聚放大功能一次成像，其图像是按一定时间空间顺序 逐点扫描形成，并在镜体外的显像管上显示出来。二次电子 成像是用扫描电镜所获得的各种图像中应用最广泛、分辨率最高的一种图像，成像过程如图所示。扫描电镜可将微小物体放大几十万倍甚至上百万倍，可以分辨零点几个纳米的结构，无疑是研究聚合物形态结构的最有力工具。自1957 年AKeller等人应用扫描电镜观察到PE的单晶体以来，扫描电镜在 阐述高分子的聚集态结构本质上做出了重要贡献。不仅能够给出聚 合物结晶体的外形，而且还可以应用高分辨电子显微学，直接观察 到一维晶格像和二维结构像，直接给出分子和原子在空间排列的二 维投影。a 2m 20ma.静电纺丝法制
7、备的可生物降解聚合物超细纤维静电纺丝法制备的可生物降解聚合物超细纤维b.携载生物活性大分子的核壳结构超细纤维携载生物活性大分子的核壳结构超细纤维c.成纤维细胞在聚合物纤维支架上的粘附生成纤维细胞在聚合物纤维支架上的粘附生状态状态bc生物活性TiO2纳米管TiO2纳米管制备条件：NH4H2PO4和 HF为电解液，20V，60min，阳极氧化。SEM 照片TiO2纳米管层表面成骨细 胞培养1天后的形貌.已开展具有取向性和压电性纳米胶原纤维-纳米 羟基磷灰石复合材料研究，合成的针状纳米磷 灰石晶体（10纳米到100纳米）。聚己内酯支架的制备支架的孔结构大中小孔大小孔中小孔孔壁上的中孔孔洞中的小孔激光
8、扫描共聚焦显微镜发展历史1957年，Marvin Minsky提出了共聚焦显微镜技术的某些 基本原理，获得了美国的专利。1967年，Egger和Petran成功地应用共聚焦显微镜产生了 一个光学横断面。1977年，Sheppard和Wilson首次描述了光与被照明物体 的原子之间的非线性关系和激光扫描器的拉曼光谱学。1984年，Biorad为公司推出了世界第一台商品化的共聚焦 显微镜，型号为SOM-100，扫描方式为台阶式扫描。1986年MRC-500型改进为光束扫描，用作生物荧光显微 镜的共聚焦系统。激光扫描共聚焦显微镜生物医学领域的主要应用：通过一种或者多种荧光探针标记后，可对固定的组织或
9、活体样本进行亚细胞水平结构功能研究高空间分辨率、非介入无损伤 连续光学切片、三维图像、实时动态等细胞结构和功能的分析 检测Conventional fluorescence microscopeConfocal microscopeAB0d7d1 4 d2 1 d2 8 dMicrobeadCellsSpinner flaskCMicrotissuesDPerfusion bioreactorMacrotissues微构重塑技术构建工程化组织示意图骨微组织制备过程中细胞活性（A：100；B：1400）和电 镜扫描照片（C：200；D：1000）采用“微构重塑技术”体外 构建厘米级工程化骨组织在
10、动态搅拌培养体系中采用细胞增殖和成骨诱导两步法制备骨微组织，形成的骨微组织呈现良好的细胞活性和丰富的胞外基质，细胞分布均匀且无明显坏死区成骨诱导后能表达 型 胶 原 和 骨 钙 素 等 成 骨 分 化 相 关 基 因，碱 性 磷 酸 酶 活 性 和 钙 基 质 沉 积 随 诱 导 时 间 延 而 增 加。AB骨微组织组装形成的厘米级骨组织及碱性磷酸酯酶活性（A）和钙基质沉积（B）分析厘米级骨组织扫描电镜照片厘米级骨组织中细胞活性分析采用“微构重塑技术”体外 构建厘米级工程化骨组织利用骨微组织通过灌注培养可成功组装大型骨组织，骨微组织之间已相互连接，组织内部各处细胞密度高，细胞活 性好，大量基质
11、沉积，且分布均匀。经过7 d的灌注培养，形成的大组织仍维持碱性磷酸酶活性，并有丰富的钙基质 沉积。支架的细胞评价中孔的存在促进了细胞的迁移细胞在支架中的形态细胞:成纤维细胞细胞活性评价三类孔支架的细胞评价细胞在LMS中的行为(Live&dead 染色)CSLM images of cells in LMS after live/dead staining.2D images of cells on(a)day 1,(b)7 and(c)14 were displayed.3D stacked images of cells were also demonstrated to show the
12、cells within the scaffolds on(d)day 7 and(e)14Day 1Day 7Day 14Day 7Day 14三类孔结构LMS具有最佳的细胞行为透射电子显微镜透射电子显微镜基本原理透射电子显微镜(transmmion electronmicroscope)简称TEM。TEM既可以观察试样的显微图像，又可以观察电子衍射花纹。TEM的分辨本领按下式计算：dVnsin式中电子束的波长；V 使 电 子 束 加 速 的 电 压；n试样和物镜间介质的折射率，在真空条件下n1；物镜的接收角。观察的试样有一定的要求，如试样必须是对电子有高透明度的 材料，一般应做成厚度不超过
13、20nm的薄膜，放在有网眼的铜片 或镍片的支持网，才能使用电镜的专用支架上供观察。高分子材料则要用切片机切成20nm厚的切片，再固定到支持网 上。对橡胶试样，要深度冷冻至玻璃态才好切片，乳液状颗粒 则要先用2锇酸。进行处理1-2天染色，以改善试样的电子衬 度。TEM不能直接观察表面呈凹凸不平的试样，这就需要采用复型技 术，将固体的表面形貌用能够适用观察的薄膜复印下来，观察 复印的薄膜即能间接了解固体表面的形貌。纳米陶瓷及复合材料的合成与表征SEMTEMDiffractionNeedle-like nano-HARibbon-like OCPHigh resolution TEM image原子
14、力显微镜原子力显微镜(atomic force microsopy)简称AFM，用一个 小探针来“摸索”微观世界。AFM超越了光和波长对显微镜 分辨率的限制，在立体三维上观察物质的体貌，并能获得 探针与样品相互作用的信息。典型AFM的侧向分辨率(X，Y 方向)可达到2nm垂直分辨率(Z方向)小于0.1nm。AFM具有操 作容易、样品准备简单、操作环境不受限制、分辨率高等 特点。AFM的原理较为简单，当针尖接近样品时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改变。悬臂的这种变化经检测 系统检测后转变成电信号传递给反馈系统和成像系统，记 录扫描过程中一系列探针变化就可以获得样品表面信息图 像。悬臂的偏
15、转或振幅改变可以通过光反射法、光干涉法、隧道电流法、电容检测等方法检测。目前AFM系统中常用的 是激光反馈系统，它有简便灵活的特点。探针是AFM系统的关键部分，它由悬臂和悬臂末端的针尖组 成。AFM光信号检测是通过光电检测器来完成的，激光由光 源发出照在金属包覆的悬臂上，经反射后进入二极管检测 系统。然后，通过电子线路把照在两个二极管上的光量差 转换成电压信号方式来指示光点位置。AFM对样品扫描的精 确控制是靠扫描器来实现的。扫描器中装有压电转换器，压电装置在X，Y，Z三个方向上精确控制样品或探针位置。原子力显微镜AFM的应用起源于1988年，如今AFM已经成为高分子科 学的一个重要研究手段。
16、AFM对高分子的研究发展十分迅 速，主要有：高分子表面形貌和纳米结构的研究；微观尺寸下材料性质的研究；多组分样品的相分布研究；亚表面结构的研究。高分子的形貌可以通过接触式AFM、敲击式AFM来研究。接触式AFM研究形貌的分辨率与针尖和样品接触面积有关。一般说来，针尖与样品接触的尺寸为几纳米。接触面积可以 通过调节针尖与样品的接触力来改变，接触力越小，接触面 积就越小,同时也减少了针尖对样品的破坏。原子力显微镜原子力显微镜展望生物材料的表面修饰是一个复杂的系统工程需要材料学、生物学、力学和临床医学等多学科的融合与渗入。理想的表面修饰应该涉及表面拓扑结构、特异性识别、亲水疏水平衡、蛋白质吸附等各个方面更重要的是力图 趋近调控细胞在材料表面生长和凋亡这一动态双向平衡。模拟天然组织结构（生物仿生化），是生物材料表面修 饰的一个发展方向。谢 谢！参考题:1.描述一下生物材料表界面这门学科诞生的背景以及必然性；2.简述拓扑结构对于生物材料表面细胞行为的影响；3.简述常见的生物材料表面表征的方法；4.材料表面生物化学改性的意义；考试时间2014年年12月月26日上午日上午 9:50-11:50Attention!
