材料表面改性(刘宣勇)

生物医用材料表面改性刘宣勇中国科学院上海硅酸盐研究所2011-11-28生物医用材料概念•生物医用材料，有时也称生物材料，指用于生理系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体组织或器官，增进或恢复其功能的材料。研究领域涉及到材料学、医学、生命科学等多个学科生物医用材料分类根据使用要求，生物材料分为：硬组织替换材料（包括骨替换材料、齿科材料），软组织替换材料（包括软骨、脏器用材料），心血管材料（包括心血管以及导管材料），血液代用材料（包括人工红血球、血浆等），分离、过滤、透析膜材料（包括血液净化、肾透析以及人工气体透过材料）;疾病（肿瘤）诊断、药物载体、基因载体等。提纲生物医用材料市场需求生物医用材料研究涉及的基本概念生物医用材料表/界面行为及特点生物医用材料表面改性技术全球生物医用材料细分市场发展矫形外科修复材料和制品心血管系统修复材料、血液净化材料工程化组织和器官人造皮肤、组织粘合剂及术后防粘连制品药物缓释材料其他生物材料和制品其他医疗器械制品增长率26%增长率45%市场将达800亿美元高速增长高速增长•我国生物医用材料产业的市场增长率高达28％(全球市场增长率20%),居全球之首。•我国人工关节替换年增长率高达30％，远高于美国的4％。----------------国家科技部资料中国生物医用材料市场国家科技部和自然科学基金委每年都设立了关于生物材料研究的重点和重大项目，如863、973和自然科学基金重点项目，投入了大量的财力和人力进行研究和开发我国生物医用材料市场况状巨大需求产品供应国产高端产品严重依赖进口医疗费用昂贵企业面临严重冲击“看病贵”的根源之一前端科学基础薄弱，制造技术不足自主研发高性能生物医用材料巨大的经济效益重大的社会效益根本出路世界关节和骨再生产品：2005年（约140亿美元）2006年（约150亿美元）2007年（约170亿美元）2012年（预计可达270亿美元）世界关节和骨再生产品市场[]我国人工关节市场:目前：约每年10万套，预计2020年我国人工关节销售量将达40万套。目前，世界上人工关节生产技术领先的五大医疗器械公司Zimmer公司、DePyuy、Strykor集团、Biomet公司和Smith&Nephew公司的产品占全球市场90%。人工关节市场未来10年内种植牙市场可达200万颗/年。种植牙市场绝大部分国外大公司占据2007年我国共使用进口种植体约5.55万套，市场销售总额接近4.5亿元人民币。截止2006年底，美国：注册98个厂家，提供160个种植系统；欧盟：认证151个厂家，提供198个种植系统；中国：注册4个国产种植系统，7个进口种植系统。齿根齿冠图3.人造牙齿（信息来源：中研网）世界关节和骨再生产品市场[]种植牙市场提纲生物医用材料市场需求生物医用材料研究涉及的基本概念生物医用材料表/界面行为及特点生物医用材料表面改性技术生物医用材料研究程序MaterialselectionMicrostructureanalysisIn-vitrotestIn-vivotestClinicalanalysisFinalproduct体外测试体内测试临床试验+Protein,Cell+++Bacteria…++SmallanimalBiganimalPropertyevaluationMaterialmodification生物相容性是生物医学材料在特定应用中，引起适当的宿主反应和产生有效作用的能力。生物相容性表征生物医学材料的生物学性能，决定于材料和活体系统间的相互作用。这种相互作用包括两个方面：宿主反应：材料对活体系统的作用或活体系统对材料的反应；宿主反应包括局部和全身反应，如炎症、细胞毒性、溶血、刺激性、致敏、致癌、致诱变、致畸和免疫等反应，其结果可能导致对机体的毒副作用和机体对材料的排斥作用；材料反应：活体系统对材料的作用或材料对活体系统的反应。材料反应主要来自生物环境对材料的腐蚀和降解，可能使材料性质发生退化甚至破坏。——师昌绪主编，《材料大辞典》生物相容性组织相容性、细胞相容性、分子生物相容性、血液相容性、生物力学相容性等血液相容性血液相容性材料，有抗凝血或抗血栓形成的能力和不损伤血液的组成和功能，包括材料对血液不产生溶血作用（红细胞破坏），不导致血小板减少和功能下降，不影响补体激活等血液生理功能，以及不引起血浆蛋白变性和血液中各种酶的活性及电解质浓度变化，也不引起有害的免疫反应等；同时血液对材料的作用也应不损害材料的性能。组织传导性材料：具有引导组织沿材料表面或内部孔隙、通道、管道攀附延生进入材料结构的性质的材料。引导组织生长，要求材料本身需要相应的性质和结构，还要求组织与材料密切接触，使得组织才可能沿材料表面爬行生长。组织传导性涂层新骨Ti纤维组织（骨）生物活性：生物材料与活体骨产生化学键合的能力,是衡量生物材料的一个重要指标。通常采用模拟体液浸泡方法测定骨替换和修复材料的骨生物活性，衡量材料骨生物活性的特异性指标是类骨磷灰石在材料表面成核与生长。具有骨生物活性的材料浸泡在模拟体液中能诱导类骨磷灰石的生成，如磷酸钙陶瓷、硅酸钙陶瓷和生物活性玻璃等。1990年Kokubo等首次报道了能在生物活性玻璃表面促进磷灰石形成的类似于人体血浆的模拟体液(Simu-lationbodyfluid,SBF)。生物活性2025303540Intensity2-Theta(o)Apatite特定生物化学信号分子前体细胞特定组织细胞特定组织形成细胞外基质形成组织形成的微环境间充质干/前体细胞多分化潜能•组织诱导发生示意图组织诱导性组织诱导性生物医用材料：可诱导体内具有多分化潜能的间充质干细胞分化为特定组织细胞，进而形成特定组织的生物医用材料。发生组织诱导性，一般要求材料具有富集相关生长因子的能力，或者具有能够刺激细胞分泌相关生长因子的能力。药物治疗:引起耐药性（形成超级病毒）采用翻修手术置换受感染植入体增加患者痛苦高的医疗费用WHO:中国是滥用抗生素现象最严重的国家之一抗菌性抗菌性生物医用材料：自身具有杀灭或抑制微生物功能的一类生物医用材料。在自然界中有许多物质本身就具有良好的杀菌或抑制微生物的功能，主要包括无机抗菌剂（银、铜、锌等）和有机抗菌剂（季铵盐类、双呱类、酚类等），目前抗菌材料更多的是指通过添加抗菌剂，从而使材料具有抑制或杀灭表面细菌能力的一类材料提纲生物医用材料市场需求生物医用材料研究涉及的基本概念生物医用材料表/界面行为及特点生物医用材料表面改性技术金属植入体表/界面行为[]植入体首先通过表面与人体环境相互作用，形成植入体/体液、骨、软组织和微生物等界面，其界面行为直接影响植入效果和使用寿命2008世界生物材料会议论文中关键词排序BiomaterialsSurface排第一TissueEngineering排第二Scaffolds排第三Compositebiomaterials排第八Nanostructuredbiomaterials排第九Biomaterials,2008,29:3047-3052纳米尺寸效应Naturebiotechnology,2003,21:1161纳米结构与硬组织结构匹配纳米结构可对细胞施加应力微观结构的“生物效应”ConRod纳米结构对干细胞的分化具有显著特异性细胞行为与纳米结构234周10周从细菌培养的结果可以看出，不同结构表面的细菌粘附能力不同，表明通过控制材料表面结构可调控细菌的粘附行为。纳米结构——影响细菌粘附24表面多孔结构——影响基因表达Zhang,Lingli;Hanagata,Nobutaka;Zhang,Xingdong;etal.ScienceandTechnologyofAdvancedMaterials,Volume10,Issue2,pp.025003(2009).PorousCa-PupregulatingosteogenicgeneexpressionDenseCa-PupregulatingosteoclastgeneexpressionGeneHApBCPpHAppBCPAlkalinephophatase1.001.314.903.04Osteocalcin1.000.5524.2319.56Osteopontin1.001.303.504.78Osteonectin1.001.052.192.31Dentin1.000.972.134.49Parathyroidhormonereceptor1.000.878.648.39Osteoprotegerin1.001.053.742.63RANKL1.001.540.600.36提纲生物医用材料市场需求生物医用材料研究涉及的基本概念生物医用材料表/界面行为及特点生物医用材料表面改性技术26改善表面力学性能改善表面耐腐性改善组织相容性赋予生物活性及组织传导性改善血液相容性（抗凝血性）改善抗菌性赋予诱导组织再生和形成的生物功能选择性吸附蛋白构成可激活和调控细胞基因表达微环境……生物医用材料表面改性目的生物医用材料表面改性植入体材料改性层涂层采用表面改性技术调控生物医用材料的表面结构、组成和性能，从而改善植入体使用效果和使用寿命！涂层硬组织植入体表面改性技术等离子体喷涂火焰喷涂PIII-D化学、电化学方法热喷涂Sol-Gel机械方法仿生处理PVD/CVD冷喷涂激光刻蚀机械研磨等沉积涂层和薄膜原位表面改性离子注入涂层/薄膜基体原位改性区基体表面改性技术酸、碱处理微弧氧化阳极氧化生化处理自组装等离子体喷涂生物陶瓷涂层等离子体喷涂示意图等离子体喷涂示意图等离子体喷涂设备SamplePlasmaflameAPSVPS•～1980s：生物惰性陶瓷涂层–ZrO2，Al2O3,TiO2•1980s～2000：传统生物活性陶瓷涂层–BioactiveGlasses，HA•2000～：新型生物活性陶瓷涂层–硅酸钙涂层，纳米涂层等离子体喷涂生物陶瓷涂层的发展历程HA涂层的优缺点•良好的生物活性，和骨组织直接结合，双向生长，早期固定，缩短愈合期。•良好的骨传导作用，攀附生长，桥接作用。结晶度低(50-70%)，易降解，长期稳定性差。HA→Ca10(PO4)6O+H2OCa10(PO4)6O→Ca3(PO4)2+Ca4(PO4)2OCa4(PO4)2O→Ca3(PO4)2+CaO与钛合金基体的热膨胀系数不匹配：钛合金：8.8×10-6K-1,HA：15×10-6K-1界面处应力大，结合强度较低（20MPa），易脱落。新型生物陶瓷涂层材料第一类：高结晶度羟基磷灰石涂层第二类：硅酸钙生物活性涂层硅灰石和硅酸二钙涂层第三类：表面纳米化生物活性陶瓷涂层纳米氧化钛涂层、纳米氧化锆涂层可诱导成骨,适合老年患者!体内稳定,使用寿命长,适合年轻患者!低结晶度高结晶度高结晶度羟基磷灰石涂层HA涂层植入１个月低结晶度涂层与骨组织直接接触，成骨性能好高结晶度涂层有较多间隙，成骨性能差低结晶度高结晶度HA涂层植入3个月低结晶度涂层表面明显可见涂层碎片，稳定性差高结晶度涂层基本保持完整，稳定性好涂层与骨组织之间的接触率•植入一个月后，低结晶度涂层表面的新骨接触率约为65％；而高结晶度涂层显著降低，只有40％左右。•植入三个月后，两者并没有显著的差异1month2months3months020406080100Bone-implantcontactin%As-sprayedcoatingTreatedcoating∗结晶度对降解和成骨性能的影响低结晶度涂层:•降解较快，涂层表面容易剥落，影响涂层与骨的结合•早期成骨性能好高结晶度涂层:•降解速度较慢，长期的稳定性好•早期成骨性能略差理想的HA涂层保持结构完整提供