生物材料表界面与表面改性

生物材料植入人体以后首先与细胞接触的是其表面。生物材料的表面改性是提升现有医用材料的主要技术手段之一，也是研发新一代组织再生材料的重要学术基础。《生物材料表界面与表面改性》介绍生物材料表界面的基本概念和知识，特别结合作者多年的研究成果与特长介绍生物材料表面改性的关键技术以及材料表面与细胞相互作用的前沿科学问题。在介绍国际学术前沿的同时，适当突出我国学者的相关基础研究。为响应国家从上游基础研究至下游应用的全链条研究的号召，《生物材料表界面与表面改性》*后还介绍了运用表面改性技术研发相关医疗器械的例子。

目录
总序
前言
第1章　生物材料表界面概论　1
1.1　生物材料表界面及其研究意义　2
1.2　主要的生物材料表界面构筑手段概述　4
1.2.1　化学改性方法　4
1.2.2　物理改性方法　5
1.3　主要的生物材料表界面表征方法　6
1.3.1　表面化学信息的表征　6
1.3.2　表面物理信息的表征　7
1.3.3　计算机模拟仿真　7
1.4　生物材料表界面研究和开发的展望　8
参考文献　10
第2章　金属基医用材料的常见表面改性方法　19
2.1　等离子体喷涂生物活性涂层及结构特点　19
2.1.1　离子溶出型生物活性涂层　20
2.1.2　非离子溶出型生物活性涂层　23
2.1.3　等离子体喷涂涂层的结构特点　25
2.2　等离子体浸没离子注入与沉积技术及典型实例　26
2.2.1　等离子体浸没离子注入与沉积技术简介　26
2.2.2　典型实例　27
2.3　金属表面化学和电化学处理涂层的结构及医用性能　38
2.3.1　化学法　39
2.3.2　电化学法　42
2.4　金属表面阳极氧化纳米管及其组元负载　44
2.5　金属表面微弧氧化涂层的结构及医用性能　47
2.6　金属表面水热生长涂层的结构及医用性能　52
2.7　金属机械研磨表面纳米化改性层的结构及医用性能　55
参考文献　59
第3章　高分子基医用材料的常见表面改性方法　70
3.1　溶液处理方法　70
3.1.1　浸渍法　70
3.1.2　原子层沉积法　73
3.2　等离子体处理和等离子体聚合技术　73
3.2.1　等离子体刻蚀　75
3.2.2　等离子体植入官能团及交联反应　76
3.2.3　等离子体沉积　77
3.2.4　等离子体聚合　78
3.3　表面接枝方法　79
3.3.1　光化学接枝　79
3.3.2　辐射接枝　81
3.3.3　臭氧法接枝　82
3.3.4　活性聚合接枝　83
3.4　层层组装方法　86
3.4.1　静电相互作用　87
3.4.2　氢键相互作用　89
3.4.3　共价键相互作用　91
3.5　高分子材料的金属化　92
参考文献　92
第4章　无机非金属材料的常用表面改性方法　100
4.1　无机非金属材料表面改性的意义及改性方法概述　100
4.2　物理改性方法　102
4.2.1　表面粗糙化改性　102
4.2.2　表面图案化结构修饰　103
4.2.3　磁控溅射改性方法　105
4.2.4　等离子体处理方法　106
4.2.5　电极化和磁化处理　107
4.3　化学改性方法　108
4.3.1　仿生矿化　108
4.3.2　微纳结构改性　109
4.3.3　活性涂层修饰技术　111
4.3.4　功能元素掺杂技术　113
4.4　生物学改性方法　114
4.5　不同改性方法的联合运用　116
4.5.1　表面结构修饰联合功能元素改性　116
4.5.2　表面结构修饰联合表面功能化改性　116
4.5.3　化学成分联合表面功能化改性　117
参考文献　117
第5章　金属医用材料表面在人体环境中的腐蚀与控制　124
5.1　金属生物医学材料腐蚀与控制的特征及意义　125
5.2　腐蚀基本原理　128
5.2.1　腐蚀的必然性　128
5.2.2　腐蚀热力学　129
5.2.3　腐蚀动力学　133
5.3　金属生物医学材料的腐蚀形式及规律　138
5.3.1　全面腐蚀　138
5.3.2　点腐蚀　139
5.3.3　电偶腐蚀　140
5.3.4　缝隙腐蚀　141
5.3.5　应力腐蚀开裂　142
5.3.6　摩擦腐蚀　142
5.4　腐蚀电化学研究方法　143
5.4.1　电极电位法　143
5.4.2　极化曲线　144
5.4.3　电化学阻抗谱　145
5.4.4　电化学噪声　146
5.4.5　体外测试与体内腐蚀电化学研究　146
5.5　腐蚀的防护与控制　147
5.5.1　正确选材　147
5.5.2　材料设计及优化　147
5.5.3　表面处理与改性　148
5.5.4　表面涂层及功能化　149
5.6　典型金属生物医用材料的腐蚀与控制　150
5.6.1　钛及钛合金　150
5.6.2　镁及镁合金　152
参考文献　154
第6章　高分子水凝胶复合微球的制备、表界面修饰及在生物医学领域的应用　159
6.1　生物医用水凝胶微球概述　160
6.2　高分子纳米水凝胶及磁性复合凝胶微球的设计制备及其表界面修饰技术　161
6.2.1　高分子纳米水凝胶的制备方法　161
6.2.2　磁性纳米粒子及磁性纳米粒子簇的制备方法　165
6.2.3　功能复合凝胶微球的制备及表界面修饰技术　169
6.3　表界面功能修饰的纳米水凝胶和磁性复合凝胶微球在智能药物体系中的应用　171
6.3.1　简单环境响应凝胶微球载药系统　172
6.3.2　多重环境响应凝胶微球载药系统　179
6.4　高分子凝胶微球及磁性复合微球的表界面修饰技术及在疾病诊断中的应用　181
6.4.1　在超声成像体系中的应用　181
6.4.2　在磁共振成像中的应用　183
6.4.3　在诊治一体化体系中的应用　184
6.5　磁性复合微球的表界面修饰及在生物分子富集分离中的应用研究　185
6.5.1　选择性分离富集磷酸蛋白/磷酸肽　186
6.5.2　选择性分离富集糖蛋白/糖肽　188
6.5.3　选择性分离富集His-tag蛋白　190
6.5.4　全蛋白提取研究　191
6.6　总结与展望　191
参考文献　192
第7章　生物材料表界面的振动光谱研究　204
7.1　振动光谱简介　205
7.1.1　分子振动　205
7.1.2　红外光谱和拉曼光谱　206
7.1.3　和频振动光谱　207
7.1.4　表界面振动光谱基本工作模式　207
7.2　红外光谱在生物材料表界面研究中的应用　209
7.3　拉曼光谱在生物材料表界面研究中的应用　212
7.4　和频振动光谱在生物材料表界面研究中的应用　215
7.5　总结与展望　218
参考文献　220
第8章　生物材料表面蛋白质吸附　225
8.1　蛋白质简介　226
8.2　蛋白质吸附研究方法　228
8.2.1　红外光谱法和拉曼光谱法　228
8.2.2　圆二色谱法　230
8.2.3　椭圆偏振光谱法　230
8.2.4　表面等离子共振法　231
8.2.5　光波导模式谱法　233
8.2.6　紫外-可见光谱法　233
8.2.7　荧光光谱法　234
8.2.8　石英晶体微天平　235
8.2.9　原子力显微术　236
8.2.10　光电子能谱法　237
8.2.11　小角X射线散射法　238
8.2.12　放射性标记法　238
8.2.13　等温滴定量热法　238
8.2.14　飞行时间二次离子质谱法　239
8.2.15　多种研究方法的联用　240
8.3　影响蛋白质吸附的因素　240
8.3.1　蛋白质吸附与蛋白质吸入　241
8.3.2　蛋白质吸附实验的细节　241
8.3.3　蛋白质吸附研究方法　242
8.3.4　蛋白质种类的影响　242
8.3.5　水分子的影响　243
8.3.6　材料的影响　243
8.3.7　其他影响因素　248
8.4　总结与展望　248
参考文献　249
第9章　蛋白质/细胞与材料表界面相互作用的数值模拟　256
9.1　蛋白质与材料表界面吸附的分子动力学和蒙特卡罗方法模拟　257
9.1.1　分子动力学方法概述　257
9.1.2　分子动力学的基本原理　258
9.1.3　分子动力学的积分方法　259
9.1.4　分子动力学的力场与系综　260
9.1.5　蛋白质结构变化相关指标　260
9.1.6　蛋白质与表界面相对位置的影响　263
9.1.7　蛋白质残基与表界面基团对蛋白质吸附的影响　263
9.1.8　吸附过程中蛋白质结构变化　265
9.1.9　蒙特卡罗方法　268
9.2　耗散粒子动力学方法在蛋白质、细胞与材料表界面作用的模拟　268
9.2.1　DPD方法简单介绍　268
9.2.2　DPD方法在细胞、蛋白质和材料相互作用领域的应用　269
9.2.3　蛋白质在生物材料上黏附的DPD模拟　272
9.2.4　剪切受损血小板在胶原蛋白上黏附的DPD模拟　278
9.3　格子玻尔兹曼方法用于细胞与材料界面作用的模拟　285
9.3.1　格子玻尔兹曼方法简介　285
9.3.2　格子玻尔兹曼方法的典型算例　287
9.4　血细胞与血液流动的宏观数值模拟　288
9.4.1　概论　288
9.4.2　红细胞的变形模型　289
9.4.3　红细胞的聚集模型　291
9.4.4　宏观数值模拟方法　293
9.4.5　一些典型算例　294
9.4.6　小结　297
参考文献　297
第10章　生物材料表面改性提高血液相容性的研究　304
10.1　聚乙二醇和聚乙二醇丙烯酸酯的接枝改性　305
10.2　两性离子聚合物接枝改性　307
10.2.1　磷酸甜菜碱　308
10.2.2　磺酸甜菜碱　311
10.2.3　羧酸甜菜碱　313
10.2.4　类似两性离子聚合物改性　315
10.3　多糖接枝　316
10.3.1　肝素　316
10.3.2　透明质酸　317
10.3.3　壳聚糖　319
10.3.4　葡聚糖　320
10.3.5　海藻酸　321
10.4　生物活性大分子接枝　321
10.4.1　明胶　322
10.4.2　胶原蛋白　325
10.4.3　白蛋白　328
10.4.4　抗体　330
10.4.5　适配体　333
10.5　抗凝剂接枝　335
10.5.1　凝血酶抑制剂接枝　335
10.5.2　凝血调节蛋白接枝　338
10.5.3　抗血小板药物接枝　341
10.6　靶向配体接枝以促进生物材料表面内皮化　343
10.6.1　RGD多肽　344
10.6.2　REDV多肽　347
10.6.3　CAG多肽　351
10.6.4　YIGSR多肽　352
10.6.5　多肽修饰基因载体以促进EC转染和内皮化　354
参考文献　357
第11章　生物材料表面抗菌功能化　374
11.1　生物材料抗菌的需求　375
11.2　抗菌材料　376
11.2.1　生物材料表面的细菌黏附　376
11.2.2　抗菌材料的分类　376
11.3　生物材料抗菌与组织整合　387
11.4　安全抗菌表面展望　391
参考文献　391
第12章　

第1章　生物材料表界面概论
　　摘要：生物材料一旦植入人体，与机体的相互作用通常首先发生在表面。材料的表面改性是改进现有生物材料的有效手段，也是研发新一代组织再生材料的科学基础之一。本章总体介绍生物材料表界面的科学内涵、生物材料表界面的主要表征手段以及表面改性的主要策略。在概述该领域研究现状的基础上，对生物材料表界面和表面改性研究未来的主要突破口进行了展望。
　　Abstract：The interactions of a biomaterial，once implanted，with human body occur first on the material’s surface as usual. Surface modification is an efficient way to improve the present medical materials，and also constitutes a basis to develop new regenerative biomaterials. This chapter introduces the scientific meanings of surfaces and interfaces，the main approaches to characterize a biomaterial surface，and the main strategies to modify a biomaterial surface. Besides outlining of the recent progress of this field，the perspective breakthroughs are predicted towards research and development of biomedical materials taking advantage of surfaces modifications.
　　生物材料一词并非专指来源于生物体的材料，而是指应用于生物医学的材料，通常是用来对疾病进行治疗、对病变组织器官进行修复或替代的材料；广义的生物材料还包括增强组织器官功能和对疾病进行诊断所使用的材料。基于生物材料巨大的市场需求和潜力以及生物材料研究的高度复杂性，生物材料学成为当代材料科学的一个前沿分支。生物材料涉及学科广泛（如化学、细胞生物学、分子生物学、工程科学、医学等），且学科交叉融合较深，不仅是研究整形美容、组织工程、人工器官和若干医疗器械的重要基石，而且对功能材料学、医学和生物学等相关学科的发展也具有积极的推动作用[1-3]。
　　在实际使用过程中，生物材料首先通过其表界面与体液、蛋白质、细菌、细胞或组织等生理环境发生接触和相互作用，因而植入材料的表界面是其与生理环境“面对面交流”的重要场所。作为一类特殊的功能材料，理想的生物材料既需具备良好的生物相容性，也需具备与相关组织器官匹配的生物功能性[4-6]。材料的性能由本体性能与表面性能共同决定。由于生物材料在应用中大多与机体直接接触，因此，不仅材料本体需具备对应的功能与力学性能要求，材料的生物功能性的体现在很大程度上还取决于其表界面与机体的相互作用。植入材料表面的物理结构和化学特征均可直接影响细胞的信号传导通路及膜受体适配位点的识别，或是细菌的外膜蛋白质分子活性等，并进一步影响细胞或细菌的相关行为[7-12]。目前，临床应用的生物材料大多为金属、高分子、陶瓷等人造材料，还有一些采用了生物大分子，甚至生物衍生材料等，其生物相容性和功能性均有进一步优化和提升的空间。
　　生物材料的表界面改性是提升现有医用材料服役效能的重要技术手段之一，也是研发新一代组织修复材料的重要科学基础。生物材料表界面研究属于交叉学科领域，涉及表面结构设计与制备技术、材料结构和性能及功能表征、表面功能化相关的化学反应、表面与生物体接触所导致的生物响应等多个方面。近年来，随着化学、材料学、生物学和医学的发展以及仪器加工与表征技术手段的突破，生物材料表界面改性领域的创新性研究成果不断涌现。
　　1.1　生物材料表界面及其研究意义
　　“界面”是指从一个相到另一个相的过渡区域。若其中的一相为气体，这种界面通常也被称为表面。一般意义上的表界面通常包括如下五类：气-液界面（表面）、气-固界面（表面）、液-液界面、液-固界面、固-固界面。生物医用材料的表面不仅包括植入材料的外表面，还包括生物功能微球的外表面以及组织工程支架等多孔材料的内表面，当然，多数情况下指大块医用材料的外表面。由于生物材料一般为固体材料，其在机体内的具体使用过程中通常涉及的表界面为液-固界面或固-固界面。
　　植入机体后，生物材料通过表界面与机体接触。材料表界面与其周围的生物分子、细胞以及可能引入的细菌等微生物之间的微观相互作用决定着材料生物相容性及其后续功能。因此，调控材料表界面与机体的相互作用是绝大部分生物材料研究中需要首先面对的关键共性科学问题。材料与机体相互作用的表界面问题是研究生物材料的基础和核心问题之一。在组织工程、药物缓释、蛋白分离纯化及生物传感等领域，材料首先都是通过其表界面与机体发生相互作用，进一步诱导生物过程的发生和促使材料功能的发挥。例如，当材料植入体内后，细胞膜表面的识别分子会对与之接触的材料表面所能提供的物理或化学信号产生快速响应，并对该材料的属性加以识别和区分，这一相互作用过程将关系到材料是否被生物体所认可，即是否生物相容[4]。除生物相容性外，生物材料的表界面还关系到后续的功能诱导能力，即材料的表面性质和本体性质共同决定了材料的生物功能性。作为连接无生命材料和机体的“桥梁”，生物材料表界面成为了生命体与材料相互识别和作用的关键场所。深入理解材料表界面和生物体的相互作用规律，探寻合适的表面设计和修饰策略对于下一代先进生物材料的开发举足轻重。
　　随着人民对美好生活向往的持续追求，医疗器械的发展已经成为建设一个健康社会所不可或缺的重要组成部分，也将会带来巨大的经济效益和社会效益。器械表面修饰改性是决定医疗器械应用效果的关键因素之一，因而成为绝大多数植介入器械生产的核心工艺环节之一。先进的医用表面修饰技术不足就会成为限制高端医疗器械产业的卡脖子难题。
　　在生物材料表界面的研究开发中，可以依据其具体的目的进行相关细分，如提高一般意义上的材料生物相容性的表界面[13-15]、促进细胞特异性黏附及组织再生的表界面[16-20]、提高材料血液相容性的表界面[21-23]、抗菌性表界面[9-11]、其他生物功能化表界面[24， 25]等。蛋白质是构成生命体的重要物质之一，在生物体的生命活动中扮演着基础性的作用。蛋白质是由氨基酸组成的具有特定结构和活性的生物大分子，此类生物大分子与生物材料表面的相互作用研究十分重要，其对生物医学和生物技术的发展也有指导意义[26]。细胞是生命活动的基本单元。人们可以通过增大材料表面蛋白质吸附提升细胞在材料表面的黏附和聚集，也可以通过固定生物活性配体用于识别和捕捉特定种类的细胞发生黏附[27]。然而，血液接触材料则需要具备抗血栓形成的功能；这可通过赋予材料表面对非特异性蛋白质吸附的排斥能力，进而提高其血液相容性，予以实现。已有相关生物材料表界面的研究表明，可以通过表面接枝聚乙二醇和两性聚合物等生物惰性物质来排斥非特异性的蛋白吸附。除了凝血和血栓形成，细菌感染也是生物材料应用中面临的问题。黏附到生物材料表界面的细菌会扩增和分泌基质，发展到后期会形成生物膜（biofilm）。一旦细菌生物膜形成，各类杀菌剂、抗生素和自身免疫系统就难以穿透这层生物膜。因此，赋予生物材料表界面抗菌性能，防止细菌生物膜的形成，对于降低植介入器械的持续细菌感染风险极为重要。原则上，可以通过改变生物材料表面物理化学性质、引入抗菌性官能团等在植介入初期就防止细菌感染，以从根本上避免发展成生物膜。
　　总体而言，生物材料表界面领域的研究内容主要涉及：化学与物理功能化表界面的构建与表征，功能化表界面与各种生物基元（蛋白质、细胞、细菌等）之间的相互识别和作用，以及利用独*的材料表界面排除多种共存因素干扰进而揭示某一因素独立对生物基元的影响。通过对这些相互作用机理的深入探讨实现相关作用的有效调控正是此类研究的重要目的。具体来讲，材料表面主要通过化学组成（元素组成与结构、官能团、电荷、分子手性特征等）和物理结构（拓扑结构、粗糙度、软硬度等）两大类性质来影响其与生物分子以及细胞和细菌之间的相互作用。本章将概要介绍典型的化学和物理功能表界面的构建方法及其表征手段。而针对不同生物材料本体（如金属基、高分子基、无机非金属基）表界面构建的具体方法及其与各种生物基元之间的相互识别和作用，以及利用独*设计的材料表界面排除多种共存因素干扰进而揭示材料某一因素独立对生物基元的影响等研究进展，将在本书后续各章展开介绍。
　　1.2　主要的生物材料表界面构筑手段概述
　　依据生物材料表界面诸因素发挥作用的属性，可以将表界面设计和构筑的手段分为化学改性方法和物理改性方法。生物材料的表界面改性可以在不改变材料本体性能的情况下有效提升材料和植入器械的组织相容性、抗凝血性、抗菌性、组织诱导性或抗肿瘤等生物功能性，进而有效达到相应的诊断、治疗和修复等目的。在实际应用过程中，需要依据材料的具体用途选择适宜的表界面改性手段或策略。
　　1.2.1　化学改性方法
　　生物材料表界面的化学改性方法主要涵盖化学接枝[19， 28-34]、离子注入[12， 35-37]、层层组装[38-41]、牢固涂层[42-45]等方案或手段，如图1-1所示。此外，通常所说的利用负载生物活性因子或药物等来调控生物学行为的生物学改性以及具有抗细胞黏附反差特性表面的制备同样也属于化学改性范畴[8， 46， 47]。具体的化学接枝方法包括但不限于等离子体聚合接枝、光化学接枝、辐射接枝、臭氧法接枝、活性聚合常规化学改性方法包括：活性物质负载或离子注入、化学接枝、层层组装、牢固涂层等；常规物理改性方法包括：腐蚀、刻蚀、模塑等接枝[18， 48-51]。离子注入包括功能元素掺杂、功能性活性离子注入、等离子体浸没离子注入等[35]。层层组装主要是借助静电相互作用、氢键相互作用或共价键相互作用来进行，可以是单层组装，也可以是多层组装[38， 52， 53]。牢固涂层则包括等离子体喷涂、超声喷涂、电化学涂层、等离子体浸没沉积、仿生矿化等技术或手段[42， 54-61]。
　　依据实际应用场景，化学改性的物质可以是活性物质也可以是惰性物质。例如聚乙二醇、两性离子聚合物等惰性物质的化学接枝可提供材料抗蛋白质吸附、抗血小板黏附的功能，进而提高材料的血液相容性；配体RGD（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸）、REDV（精氨酸-谷氨酸-天冬氨酸-缬氨酸）、CAG（半胱氨酸-丙氨酸-甘氨酸）、YIGSR（酪氨酸-异亮氨酸-甘氨酸-丝氨酸-精氨酸）等多肽的接枝可提供细胞的特异性黏附位点进而实现细胞的选择性黏附[62-65]；多糖、胶原蛋白、纤维粘连蛋白、层粘连蛋白等生物活性大分子的接枝或涂覆可促进材料的细胞黏附性能[66]；季铵阳离子化合物、壳聚糖的接枝和无机金属或光活性杀菌剂的涂覆可提供材料较好的抗菌功能；而具有抗细胞黏附反差的图案（包括微米图案和纳米图案）表面则可用于细胞-材料相互作用的基础研究领域以准确地揭示各类单因素对细胞黏附、增殖、迁移及分化行为的影响[67-94]。
　　1.2.2　物理改性方法
　　生物材料表界面的物理改性方法通常涵盖打磨、腐蚀、刻蚀、模塑等方案或手段[5， 95-102]，主要目的在于改变材料表界面的粗糙度、拓扑形貌及其几何特征。打磨一般包括沙磨、球磨、精细抛光等；腐蚀包括强酸腐蚀、强碱腐蚀、食人鱼洗液腐蚀等；刻蚀包括等离子体刻蚀[103， 104]、激光刻蚀[105-107]、高能离子束刻蚀[108]、磁控溅射刻蚀等