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生物材料表界面與表面改性(精)/生物材料科學與工程叢書 版權信息
- ISBN：9787030688989
- 條形碼：9787030688989 ; 978-7-03-068898-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
生物材料表界面與表面改性(精)/生物材料科學與工程叢書 本書特色
本書在介紹國際學術前沿的同時，適當突出我國學者的相關基礎研究。內容權威、翔實、可讀性較強。
生物材料表界面與表面改性(精)/生物材料科學與工程叢書 內容簡介
生物材料植入人體以后首先與細胞接觸的是其表面。生物材料的表面改性是提升現有醫用材料的主要技術手段之一，也是研發新一代組織再生材料的重要學術基礎。本書介紹生物材料表界面的基本概念和知識，特別結合作者多年的研究成果與特長介紹生物材料表面改性的關鍵技術以及材料表面與細胞相互作用的前沿科學問題。在介紹靠前學術前沿的同時，適當突出我國學者的相關基礎研究。為響應國家從上游基礎研究至下游應用的全鏈條研究的號召，本書*后還介紹了運用表面改性技術研發相關醫療器械的例子。 本書從多個方面介紹生物材料表界面的基礎知識、新近科研動態和趨勢展望，可供相關領域的高等院校師生、科研工作者和企事業醫務人員參考學習，既可讓初入門者獲得有關生物材料表界面與表面改性的較為全面的知識，又有助于研發人員在其特定方面進行深入研究或者交叉融合。
生物材料表界面與表面改性(精)/生物材料科學與工程叢書 目錄
目錄
總序
前言
第1章 生物材料表界面概論 1
1.1 生物材料表界面及其研究意義 2
1.2 主要的生物材料表界面構筑手段概述 4
1.2.1 化學改性方法 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 表面化學信息的表征 6
1.3.2 表面物理信息的表征 7
1.3.3 計算機模擬仿真 7
1.4 生物材料表界面研究和開發的展望 8
參考文獻 10
第2章 金屬基醫用材料的常見表面改性方法 19
2.1 等離子體噴涂生物活性涂層及結構特點 19
2.1.1 離子溶出型生物活性涂層 20
2.1.2 非離子溶出型生物活性涂層 23
2.1.3 等離子體噴涂涂層的結構特點 25
2.2 等離子體浸沒離子注入與沉積技術及典型實例 26
2.2.1 等離子體浸沒離子注入與沉積技術簡介 26
2.2.2 典型實例 27
2.3 金屬表面化學和電化學處理涂層的結構及醫用性能 38
2.3.1 化學法 39
2.3.2 電化學法 42
2.4 金屬表面陽極氧化納米管及其組元負載 44
2.5 金屬表面微弧氧化涂層的結構及醫用性能 47
2.6 金屬表面水熱生長涂層的結構及醫用性能 52
2.7 金屬機械研磨表面納米化改性層的結構及醫用性能 55
參考文獻 59
第3章 高分子基醫用材料的常見表面改性方法 70
3.1 溶液處理方法 70
3.1.1 浸漬法 70
3.1.2 原子層沉積法 73
3.2 等離子體處理和等離子體聚合技術 73
3.2.1 等離子體刻蝕 75
3.2.2 等離子體植入官能團及交聯反應 76
3.2.3 等離子體沉積 77
3.2.4 等離子體聚合 78
3.3 表面接枝方法 79
3.3.1 光化學接枝 79
3.3.2 輻射接枝 81
3.3.3 臭氧法接枝 82
3.3.4 活性聚合接枝 83
3.4 層層組裝方法 86
3.4.1 靜電相互作用 87
3.4.2 氫鍵相互作用 89
3.4.3 共價鍵相互作用 91
3.5 高分子材料的金屬化 92
參考文獻 92
第4章 無機非金屬材料的常用表面改性方法 100
4.1 無機非金屬材料表面改性的意義及改性方法概述 100
4.2 物理改性方法 102
4.2.1 表面粗糙化改性 102
4.2.2 表面圖案化結構修飾 103
4.2.3 磁控濺射改性方法 105
4.2.4 等離子體處理方法 106
4.2.5 電極化和磁化處理 107
4.3 化學改性方法 108
4.3.1 仿生礦化 108
4.3.2 微納結構改性 109
4.3.3 活性涂層修飾技術 111
4.3.4 功能元素摻雜技術 113
4.4 生物學改性方法 114
4.5 不同改性方法的聯合運用 116
4.5.1 表面結構修飾聯合功能元素改性 116
4.5.2 表面結構修飾聯合表面功能化改性 116
4.5.3 化學成分聯合表面功能化改性 117
參考文獻 117
第5章 金屬醫用材料表面在人體環境中的腐蝕與控制 124
5.1 金屬生物醫學材料腐蝕與控制的特征及意義 125
5.2 腐蝕基本原理 128
5.2.1 腐蝕的必然性 128
5.2.2 腐蝕熱力學 129
5.2.3 腐蝕動力學 133
5.3 金屬生物醫學材料的腐蝕形式及規律 138
5.3.1 全面腐蝕 138
5.3.2 點腐蝕 139
5.3.3 電偶腐蝕 140
5.3.4 縫隙腐蝕 141
5.3.5 應力腐蝕開裂 142
5.3.6 摩擦腐蝕 142
5.4 腐蝕電化學研究方法 143
5.4.1 電極電位法 143
5.4.2 極化曲線 144
5.4.3 電化學阻抗譜 145
5.4.4 電化學噪聲 146
5.4.5 體外測試與體內腐蝕電化學研究 146
5.5 腐蝕的防護與控制 147
5.5.1 正確選材 147
5.5.2 材料設計及優化 147
5.5.3 表面處理與改性 148
5.5.4 表面涂層及功能化 149
5.6 典型金屬生物醫用材料的腐蝕與控制 150
5.6.1 鈦及鈦合金 150
5.6.2 鎂及鎂合金 152
參考文獻 154
第6章 高分子水凝膠復合微球的制備、表界面修飾及在生物醫學領域的應用 159
6.1 生物醫用水凝膠微球概述 160
6.2 高分子納米水凝膠及磁性復合凝膠微球的設計制備及其表界面修飾技術 161
6.2.1 高分子納米水凝膠的制備方法 161
6.2.2 磁性納米粒子及磁性納米粒子簇的制備方法 165
6.2.3 功能復合凝膠微球的制備及表界面修飾技術 169
6.3 表界面功能修飾的納米水凝膠和磁性復合凝膠微球在智能藥物體系中的應用 171
6.3.1 簡單環境響應凝膠微球載藥系統 172
6.3.2 多重環境響應凝膠微球載藥系統 179
6.4 高分子凝膠微球及磁性復合微球的表界面修飾技術及在疾病診斷中的應用 181
6.4.1 在超聲成像體系中的應用 181
6.4.2 在磁共振成像中的應用 183
6.4.3 在診治一體化體系中的應用 184
6.5 磁性復合微球的表界面修飾及在生物分子富集分離中的應用研究 185
6.5.1 選擇性分離富集磷酸蛋白/磷酸肽 186
6.5.2 選擇性分離富集糖蛋白/糖肽 188
6.5.3 選擇性分離富集His-tag蛋白 190
6.5.4 全蛋白提取研究 191
6.6 總結與展望 191
參考文獻 192
第7章 生物材料表界面的振動光譜研究 204
7.1 振動光譜簡介 205
7.1.1 分子振動 205
7.1.2 紅外光譜和拉曼光譜 206
7.1.3 和頻振動光譜 207
7.1.4 表界面振動光譜基本工作模式 207
7.2 紅外光譜在生物材料表界面研究中的應用 209
7.3 拉曼光譜在生物材料表界面研究中的應用 212
7.4 和頻振動光譜在生物材料表界面研究中的應用 215
7.5 總結與展望 218
參考文獻 220
第8章 生物材料表面蛋白質吸附 225
8.1 蛋白質簡介 226
8.2 蛋白質吸附研究方法 228
8.2.1 紅外光譜法和拉曼光譜法 228
8.2.2 圓二色譜法 230
8.2.3 橢圓偏振光譜法 230
8.2.4 表面等離子共振法 231
8.2.5 光波導模式譜法 233
8.2.6 紫外-可見光譜法 233
8.2.7 熒光光譜法 234
8.2.8 石英晶體微天平 235
8.2.9 原子力顯微術 236
8.2.10 光電子能譜法 237
8.2.11 小角X射線散射法 238
8.2.12 放射性標記法 238
8.2.13 等溫滴定量熱法 238
8.2.14 飛行時間二次離子質譜法 239
8.2.15 多種研究方法的聯用 240
8.3 影響蛋白質吸附的因素 240
8.3.1 蛋白質吸附與蛋白質吸入 241
8.3.2 蛋白質吸附實驗的細節 241
8.3.3 蛋白質吸附研究方法 242
8.3.4 蛋白質種類的影響 242
8.3.5 水分子的影響 243
8.3.6 材料的影響 243
8.3.7 其他影響因素 248
8.4 總結與展望 248
參考文獻 249
第9章 蛋白質/細胞與材料表界面相互作用的數值模擬 256
9.1 蛋白質與材料表界面吸附的分子動力學和蒙特卡羅方法模擬 257
9.1.1 分子動力學方法概述 257
9.1.2 分子動力學的基本原理 258
9.1.3 分子動力學的積分方法 259
9.1.4 分子動力學的力場與系綜 260
9.1.5 蛋白質結構變化相關指標 260
9.1.6 蛋白質與表界面相對位置的影響 263
9.1.7 蛋白質殘基與表界面基團對蛋白質吸附的影響 263
9.1.8 吸附過程中蛋白質結構變化 265
9.1.9 蒙特卡羅方法 268
9.2 耗散粒子動力學方法在蛋白質、細胞與材料表界面作用的模擬 268
9.2.1 DPD方法簡單介紹 268
9.2.2 DPD方法在細胞、蛋白質和材料相互作用領域的應用 269
9.2.3 蛋白質在生物材料上黏附的DPD模擬 272
9.2.4 剪切受損血小板在膠原蛋白上黏附的DPD模擬 278
9.3 格子玻爾茲曼方法用于細胞與材料界面作用的模擬 285
9.3.1 格子玻爾茲曼方法簡介 285
9.3.2 格子玻爾茲曼方法的典型算例 287
9.4 血細胞與血液流動的宏觀數值模擬 288
9.4.1 概論 288
9.4.2 紅細胞的變形模型 289
9.4.3 紅細胞的聚集模型 291
9.4.4 宏觀數值模擬方法 293
9.4.5 一些典型算例 294
9.4.6 小結 297
參考文獻 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 兩性離子聚合物接枝改性 307
10.2.1 磷酸甜菜堿 308
10.2.2 磺酸甜菜堿 311
10.2.3 羧酸甜菜堿 313
10.2.4 類似兩性離子聚合物改性 315
10.3 多糖接枝 316
10.3.1 肝素 316
10.3.2 透明質酸 317
10.3.3 殼聚糖 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 明膠 322
10.4.2 膠原蛋白 325
10.4.3 白蛋白 328
10.4.4 抗體 330
10.4.5 適配體 333
10.5 抗凝劑接枝 335
10.5.1 凝血酶抑制劑接枝 335
10.5.2 凝血調節蛋白接枝 338
10.5.3 抗血小板藥物接枝 341
10.6 靶向配體接枝以促進生物材料表面內皮化 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 多肽修飾基因載體以促進EC轉染和內皮化 354
參考文獻 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 生物材料表面的細菌黏附 376
11.2.2 抗菌材料的分類 376
11.3 生物材料抗菌與組織整合 387
11.4 安全抗菌表面展望 391
參考文獻 391
第12章
總序
前言
第1章 生物材料表界面概論 1
1.1 生物材料表界面及其研究意義 2
1.2 主要的生物材料表界面構筑手段概述 4
1.2.1 化學改性方法 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 表面化學信息的表征 6
1.3.2 表面物理信息的表征 7
1.3.3 計算機模擬仿真 7
1.4 生物材料表界面研究和開發的展望 8
參考文獻 10
第2章 金屬基醫用材料的常見表面改性方法 19
2.1 等離子體噴涂生物活性涂層及結構特點 19
2.1.1 離子溶出型生物活性涂層 20
2.1.2 非離子溶出型生物活性涂層 23
2.1.3 等離子體噴涂涂層的結構特點 25
2.2 等離子體浸沒離子注入與沉積技術及典型實例 26
2.2.1 等離子體浸沒離子注入與沉積技術簡介 26
2.2.2 典型實例 27
2.3 金屬表面化學和電化學處理涂層的結構及醫用性能 38
2.3.1 化學法 39
2.3.2 電化學法 42
2.4 金屬表面陽極氧化納米管及其組元負載 44
2.5 金屬表面微弧氧化涂層的結構及醫用性能 47
2.6 金屬表面水熱生長涂層的結構及醫用性能 52
2.7 金屬機械研磨表面納米化改性層的結構及醫用性能 55
參考文獻 59
第3章 高分子基醫用材料的常見表面改性方法 70
3.1 溶液處理方法 70
3.1.1 浸漬法 70
3.1.2 原子層沉積法 73
3.2 等離子體處理和等離子體聚合技術 73
3.2.1 等離子體刻蝕 75
3.2.2 等離子體植入官能團及交聯反應 76
3.2.3 等離子體沉積 77
3.2.4 等離子體聚合 78
3.3 表面接枝方法 79
3.3.1 光化學接枝 79
3.3.2 輻射接枝 81
3.3.3 臭氧法接枝 82
3.3.4 活性聚合接枝 83
3.4 層層組裝方法 86
3.4.1 靜電相互作用 87
3.4.2 氫鍵相互作用 89
3.4.3 共價鍵相互作用 91
3.5 高分子材料的金屬化 92
參考文獻 92
第4章 無機非金屬材料的常用表面改性方法 100
4.1 無機非金屬材料表面改性的意義及改性方法概述 100
4.2 物理改性方法 102
4.2.1 表面粗糙化改性 102
4.2.2 表面圖案化結構修飾 103
4.2.3 磁控濺射改性方法 105
4.2.4 等離子體處理方法 106
4.2.5 電極化和磁化處理 107
4.3 化學改性方法 108
4.3.1 仿生礦化 108
4.3.2 微納結構改性 109
4.3.3 活性涂層修飾技術 111
4.3.4 功能元素摻雜技術 113
4.4 生物學改性方法 114
4.5 不同改性方法的聯合運用 116
4.5.1 表面結構修飾聯合功能元素改性 116
4.5.2 表面結構修飾聯合表面功能化改性 116
4.5.3 化學成分聯合表面功能化改性 117
參考文獻 117
第5章 金屬醫用材料表面在人體環境中的腐蝕與控制 124
5.1 金屬生物醫學材料腐蝕與控制的特征及意義 125
5.2 腐蝕基本原理 128
5.2.1 腐蝕的必然性 128
5.2.2 腐蝕熱力學 129
5.2.3 腐蝕動力學 133
5.3 金屬生物醫學材料的腐蝕形式及規律 138
5.3.1 全面腐蝕 138
5.3.2 點腐蝕 139
5.3.3 電偶腐蝕 140
5.3.4 縫隙腐蝕 141
5.3.5 應力腐蝕開裂 142
5.3.6 摩擦腐蝕 142
5.4 腐蝕電化學研究方法 143
5.4.1 電極電位法 143
5.4.2 極化曲線 144
5.4.3 電化學阻抗譜 145
5.4.4 電化學噪聲 146
5.4.5 體外測試與體內腐蝕電化學研究 146
5.5 腐蝕的防護與控制 147
5.5.1 正確選材 147
5.5.2 材料設計及優化 147
5.5.3 表面處理與改性 148
5.5.4 表面涂層及功能化 149
5.6 典型金屬生物醫用材料的腐蝕與控制 150
5.6.1 鈦及鈦合金 150
5.6.2 鎂及鎂合金 152
參考文獻 154
第6章 高分子水凝膠復合微球的制備、表界面修飾及在生物醫學領域的應用 159
6.1 生物醫用水凝膠微球概述 160
6.2 高分子納米水凝膠及磁性復合凝膠微球的設計制備及其表界面修飾技術 161
6.2.1 高分子納米水凝膠的制備方法 161
6.2.2 磁性納米粒子及磁性納米粒子簇的制備方法 165
6.2.3 功能復合凝膠微球的制備及表界面修飾技術 169
6.3 表界面功能修飾的納米水凝膠和磁性復合凝膠微球在智能藥物體系中的應用 171
6.3.1 簡單環境響應凝膠微球載藥系統 172
6.3.2 多重環境響應凝膠微球載藥系統 179
6.4 高分子凝膠微球及磁性復合微球的表界面修飾技術及在疾病診斷中的應用 181
6.4.1 在超聲成像體系中的應用 181
6.4.2 在磁共振成像中的應用 183
6.4.3 在診治一體化體系中的應用 184
6.5 磁性復合微球的表界面修飾及在生物分子富集分離中的應用研究 185
6.5.1 選擇性分離富集磷酸蛋白/磷酸肽 186
6.5.2 選擇性分離富集糖蛋白/糖肽 188
6.5.3 選擇性分離富集His-tag蛋白 190
6.5.4 全蛋白提取研究 191
6.6 總結與展望 191
參考文獻 192
第7章 生物材料表界面的振動光譜研究 204
7.1 振動光譜簡介 205
7.1.1 分子振動 205
7.1.2 紅外光譜和拉曼光譜 206
7.1.3 和頻振動光譜 207
7.1.4 表界面振動光譜基本工作模式 207
7.2 紅外光譜在生物材料表界面研究中的應用 209
7.3 拉曼光譜在生物材料表界面研究中的應用 212
7.4 和頻振動光譜在生物材料表界面研究中的應用 215
7.5 總結與展望 218
參考文獻 220
第8章 生物材料表面蛋白質吸附 225
8.1 蛋白質簡介 226
8.2 蛋白質吸附研究方法 228
8.2.1 紅外光譜法和拉曼光譜法 228
8.2.2 圓二色譜法 230
8.2.3 橢圓偏振光譜法 230
8.2.4 表面等離子共振法 231
8.2.5 光波導模式譜法 233
8.2.6 紫外-可見光譜法 233
8.2.7 熒光光譜法 234
8.2.8 石英晶體微天平 235
8.2.9 原子力顯微術 236
8.2.10 光電子能譜法 237
8.2.11 小角X射線散射法 238
8.2.12 放射性標記法 238
8.2.13 等溫滴定量熱法 238
8.2.14 飛行時間二次離子質譜法 239
8.2.15 多種研究方法的聯用 240
8.3 影響蛋白質吸附的因素 240
8.3.1 蛋白質吸附與蛋白質吸入 241
8.3.2 蛋白質吸附實驗的細節 241
8.3.3 蛋白質吸附研究方法 242
8.3.4 蛋白質種類的影響 242
8.3.5 水分子的影響 243
8.3.6 材料的影響 243
8.3.7 其他影響因素 248
8.4 總結與展望 248
參考文獻 249
第9章 蛋白質/細胞與材料表界面相互作用的數值模擬 256
9.1 蛋白質與材料表界面吸附的分子動力學和蒙特卡羅方法模擬 257
9.1.1 分子動力學方法概述 257
9.1.2 分子動力學的基本原理 258
9.1.3 分子動力學的積分方法 259
9.1.4 分子動力學的力場與系綜 260
9.1.5 蛋白質結構變化相關指標 260
9.1.6 蛋白質與表界面相對位置的影響 263
9.1.7 蛋白質殘基與表界面基團對蛋白質吸附的影響 263
9.1.8 吸附過程中蛋白質結構變化 265
9.1.9 蒙特卡羅方法 268
9.2 耗散粒子動力學方法在蛋白質、細胞與材料表界面作用的模擬 268
9.2.1 DPD方法簡單介紹 268
9.2.2 DPD方法在細胞、蛋白質和材料相互作用領域的應用 269
9.2.3 蛋白質在生物材料上黏附的DPD模擬 272
9.2.4 剪切受損血小板在膠原蛋白上黏附的DPD模擬 278
9.3 格子玻爾茲曼方法用于細胞與材料界面作用的模擬 285
9.3.1 格子玻爾茲曼方法簡介 285
9.3.2 格子玻爾茲曼方法的典型算例 287
9.4 血細胞與血液流動的宏觀數值模擬 288
9.4.1 概論 288
9.4.2 紅細胞的變形模型 289
9.4.3 紅細胞的聚集模型 291
9.4.4 宏觀數值模擬方法 293
9.4.5 一些典型算例 294
9.4.6 小結 297
參考文獻 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 兩性離子聚合物接枝改性 307
10.2.1 磷酸甜菜堿 308
10.2.2 磺酸甜菜堿 311
10.2.3 羧酸甜菜堿 313
10.2.4 類似兩性離子聚合物改性 315
10.3 多糖接枝 316
10.3.1 肝素 316
10.3.2 透明質酸 317
10.3.3 殼聚糖 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 明膠 322
10.4.2 膠原蛋白 325
10.4.3 白蛋白 328
10.4.4 抗體 330
10.4.5 適配體 333
10.5 抗凝劑接枝 335
10.5.1 凝血酶抑制劑接枝 335
10.5.2 凝血調節蛋白接枝 338
10.5.3 抗血小板藥物接枝 341
10.6 靶向配體接枝以促進生物材料表面內皮化 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 多肽修飾基因載體以促進EC轉染和內皮化 354
參考文獻 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 生物材料表面的細菌黏附 376
11.2.2 抗菌材料的分類 376
11.3 生物材料抗菌與組織整合 387
11.4 安全抗菌表面展望 391
參考文獻 391
第12章
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生物材料表界面與表面改性(精)/生物材料科學與工程叢書 節選
第1章 生物材料表界面概論 摘要：生物材料一旦植入人體，與機體的相互作用通常首先發生在表面。材料的表面改性是改進現有生物材料的有效手段，也是研發新一代組織再生材料的科學基礎之一。本章總體介紹生物材料表界面的科學內涵、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。在概述該領域研究現狀的基礎上，對生物材料表界面和表面改性研究未來的主要突破口進行了展望。 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. 生物材料一詞并非專指來源于生物體的材料，而是指應用于生物醫學的材料，通常是用來對疾病進行治療、對病變組織器官進行修復或替代的材料；廣義的生物材料還包括增強組織器官功能和對疾病進行診斷所使用的材料。基于生物材料巨大的市場需求和潛力以及生物材料研究的高度復雜性，生物材料學成為當代材料科學的一個前沿分支。生物材料涉及學科廣泛（如化學、細胞生物學、分子生物學、工程科學、醫學等），且學科交叉融合較深，不僅是研究整形美容、組織工程、人工器官和若干醫療器械的重要基石，而且對功能材料學、醫學和生物學等相關學科的發展也具有積極的推動作用[1-3]。 在實際使用過程中，生物材料首先通過其表界面與體液、蛋白質、細菌、細胞或組織等生理環境發生接觸和相互作用，因而植入材料的表界面是其與生理環境“面對面交流”的重要場所。作為一類特殊的功能材料，理想的生物材料既需具備良好的生物相容性，也需具備與相關組織器官匹配的生物功能性[4-6]。材料的性能由本體性能與表面性能共同決定。由于生物材料在應用中大多與機體直接接觸，因此，不僅材料本體需具備對應的功能與力學性能要求，材料的生物功能性的體現在很大程度上還取決于其表界面與機體的相互作用。植入材料表面的物理結構和化學特征均可直接影響細胞的信號傳導通路及膜受體適配位點的識別，或是細菌的外膜蛋白質分子活性等，并進一步影響細胞或細菌的相關行為[7-12]。目前，臨床應用的生物材料大多為金屬、高分子、陶瓷等人造材料，還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進一步優化和提升的空間。 生物材料的表界面改性是提升現有醫用材料服役效能的重要技術手段之一，也是研發新一代組織修復材料的重要科學基礎。生物材料表界面研究屬于交叉學科領域，涉及表面結構設計與制備技術、材料結構和性能及功能表征、表面功能化相關的化學反應、表面與生物體接觸所導致的生物響應等多個方面。近年來，隨著化學、材料學、生物學和醫學的發展以及儀器加工與表征技術手段的突破，生物材料表界面改性領域的創新性研究成果不斷涌現。 1.1 生物材料表界面及其研究意義 “界面”是指從一個相到另一個相的過渡區域。若其中的一相為氣體，這種界面通常也被稱為表面。一般意義上的表界面通常包括如下五類：氣-液界面（表面）、氣-固界面（表面）、液-液界面、液-固界面、固-固界面。生物醫用材料的表面不僅包括植入材料的外表面，還包括生物功能微球的外表面以及組織工程支架等多孔材料的內表面，當然，多數情況下指大塊醫用材料的外表面。由于生物材料一般為固體材料，其在機體內的具體使用過程中通常涉及的表界面為液-固界面或固-固界面。 植入機體后，生物材料通過表界面與機體接觸。材料表界面與其周圍的生物分子、細胞以及可能引入的細菌等微生物之間的微觀相互作用決定著材料生物相容性及其后續功能。因此，調控材料表界面與機體的相互作用是絕大部分生物材料研究中需要首先面對的關鍵共性科學問題。材料與機體相互作用的表界面問題是研究生物材料的基礎和核心問題之一。在組織工程、藥物緩釋、蛋白分離純化及生物傳感等領域，材料首先都是通過其表界面與機體發生相互作用，進一步誘導生物過程的發生和促使材料功能的發揮。例如，當材料植入體內后，細胞膜表面的識別分子會對與之接觸的材料表面所能提供的物理或化學信號產生快速響應，并對該材料的屬性加以識別和區分，這一相互作用過程將關系到材料是否被生物體所認可，即是否生物相容[4]。除生物相容性外，生物材料的表界面還關系到后續的功能誘導能力，即材料的表面性質和本體性質共同決定了材料的生物功能性。作為連接無生命材料和機體的“橋梁”，生物材料表界面成為了生命體與材料相互識別和作用的關鍵場所。深入理解材料表界面和生物體的相互作用規律，探尋合適的表面設計和修飾策略對于下一代先進生物材料的開發舉足輕重。 隨著人民對美好生活向往的持續追求，醫療器械的發展已經成為建設一個健康社會所不可或缺的重要組成部分，也將會帶來巨大的經濟效益和社會效益。器械表面修飾改性是決定醫療器械應用效果的關鍵因素之一，因而成為絕大多數植介入器械生產的核心工藝環節之一。先進的醫用表面修飾技術不足就會成為限制高端醫療器械產業的卡脖子難題。 在生物材料表界面的研究開發中，可以依據其具體的目的進行相關細分，如提高一般意義上的材料生物相容性的表界面[13-15]、促進細胞特異性黏附及組織再生的表界面[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。蛋白質是構成生命體的重要物質之一，在生物體的生命活動中扮演著基礎性的作用。蛋白質是由氨基酸組成的具有特定結構和活性的生物大分子，此類生物大分子與生物材料表面的相互作用研究十分重要，其對生物醫學和生物技術的發展也有指導意義[26]。細胞是生命活動的基本單元。人們可以通過增大材料表面蛋白質吸附提升細胞在材料表面的黏附和聚集，也可以通過固定生物活性配體用于識別和捕捉特定種類的細胞發生黏附[27]。然而，血液接觸材料則需要具備抗血栓形成的功能；這可通過賦予材料表面對非特異性蛋白質吸附的排斥能力，進而提高其血液相容性，予以實現。已有相關生物材料表界面的研究表明，可以通過表面接枝聚乙二醇和兩性聚合物等生物惰性物質來排斥非特異性的蛋白吸附。除了凝血和血栓形成，細菌感染也是生物材料應用中面臨的問題。黏附到生物材料表界面的細菌會擴增和分泌基質，發展到后期會形成生物膜（biofilm）。一旦細菌生物膜形成，各類殺菌劑、抗生素和自身免疫系統就難以穿透這層生物膜。因此，賦予生物材料表界面抗菌性能，防止細菌生物膜的形成，對于降低植介入器械的持續細菌感染風險極為重要。原則上，可以通過改變生物材料表面物理化學性質、引入抗菌性官能團等在植介入初期就防止細菌感染，以從根本上避免發展成生物膜。 總體而言，生物材料表界面領域的研究內容主要涉及：化學與物理功能化表界面的構建與表征，功能化表界面與各種生物基元（蛋白質、細胞、細菌等）之間的相互識別和作用，以及利用獨*的材料表界面排除多種共存因素干擾進而揭示某一因素獨立對生物基元的影響。通過對這些相互作用機理的深入探討實現相關作用的有效調控正是此類研究的重要目的。具體來講，材料表面主要通過化學組成（元素組成與結構、官能團、電荷、分子手性特征等）和物理結構（拓撲結構、粗糙度、軟硬度等）兩大類性質來影響其與生物分子以及細胞和細菌之間的相互作用。本章將概要介紹典型的化學和物理功能表界面的構建方法及其表征手段。而針對不同生物材料本體（如金屬基、高分子基、無機非金屬基）表界面構建的具體方法及其與各種生物基元之間的相互識別和作用，以及利用獨*設計的材料表界面排除多種共存因素干擾進而揭示材料某一因素獨立對生物基元的影響等研究進展，將在本書后續各章展開介紹。 1.2 主要的生物材料表界面構筑手段概述 依據生物材料表界面諸因素發揮作用的屬性，可以將表界面設計和構筑的手段分為化學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變材料本體性能的情況下有效提升材料和植入器械的組織相容性、抗凝血性、抗菌性、組織誘導性或抗腫瘤等生物功能性，進而有效達到相應的診斷、治療和修復等目的。在實際應用過程中，需要依據材料的具體用途選擇適宜的表界面改性手段或策略。 1.2.1 化學改性方法 生物材料表界面的化學改性方法主要涵蓋化學接枝[19， 28-34]、離子注入[12， 35-37]、層層組裝[38-41]、牢固涂層[42-45]等方案或手段，如圖1-1所示。此外，通常所說的利用負載生物活性因子或藥物等來調控生物學行為的生物學改性以及具有抗細胞黏附反差特性表面的制備同樣也屬于化學改性范疇[8， 46， 47]。具體的化學接枝方法包括但不限于等離子體聚合接枝、光化學接枝、輻射接枝、臭氧法接枝、活性聚合常規化學改性方法包括：活性物質負載或離子注入、化學接枝、層層組裝、牢固涂層等；常規物理改性方法包括：腐蝕、刻蝕、模塑等接枝[18， 48-51]。離子注入包括功能元素摻雜、功能性活性離子注入、等離子體浸沒離子注入等[35]。層層組裝主要是借助靜電相互作用、氫鍵相互作用或共價鍵相互作用來進行，可以是單層組裝，也可以是多層組裝[38， 52， 53]。牢固涂層則包括等離子體噴涂、超聲噴涂、電化學涂層、等離子體浸沒沉積、仿生礦化等技術或手段[42， 54-61]。 依據實際應用場景，化學改性的物質可以是活性物質也可以是惰性物質。例如聚乙二醇、兩性離子聚合物等惰性物質的化學接枝可提供材料抗蛋白質吸附、抗血小板黏附的功能，進而提高材料的血液相容性；配體RGD（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸）、REDV（精氨酸-谷氨酸-天冬氨酸-纈氨酸）、CAG（半胱氨酸-丙氨酸-甘氨酸）、YIGSR（酪氨酸-異亮氨酸-甘氨酸-絲氨酸-精氨酸）等多肽的接枝可提供細胞的特異性黏附位點進而實現細胞的選擇性黏附[62-65]；多糖、膠原蛋白、纖維粘連蛋白、層粘連蛋白等生物活性大分子的接枝或涂覆可促進材料的細胞黏附性能[66]；季銨陽離子化合物、殼聚糖的接枝和無機金屬或光活性殺菌劑的涂覆可提供材料較好的抗菌功能；而具有抗細胞黏附反差的圖案（包括微米圖案和納米圖案）表面則可用于細胞-材料相互作用的基礎研究領域以準確地揭示各類單因素對細胞黏附、增殖、遷移及分化行為的影響[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蓋打磨、腐蝕、刻蝕、模塑等方案或手段[5， 95-102]，主要目的在于改變材料表界面的粗糙度、拓撲形貌及其幾何特征。打磨一般包括沙磨、球磨、精細拋光等；腐蝕包括強酸腐蝕、強堿腐蝕、食人魚洗液腐蝕等；刻蝕包括等離子體刻蝕[103， 104]、激光刻蝕[105-107]、高能離子束刻蝕[108]、磁控濺射刻蝕等
生物材料表界面與表面改性(精)/生物材料科學與工程叢書 作者簡介
丁建東，復旦大學高分子科學系教授、博士生導師，聚合物分子工程國家重點實驗室主任，教育部“長江學者”特聘教授，國家杰出青年科學基金獲得者，國家“萬人計劃”百千萬工程領軍人才，國家重大科學研究計劃項目首席科學家，靠前生物材料科學與工程學會聯合會會士。 主要從事生物醫用高分子材料的交叉學科研究與全鏈條合作開發。揭示了熱致水凝膠的物理凝膠化機理，建立了基于軟物質的新型醫用材料技術平臺，拓展了面向長效藥物載體以及組織再生、醫美和化妝品的多項關鍵技術；發現了材料表面活性配體的納米級空間分布對細胞黏附、遷移和干細胞分化的若干調控規律，揭示了細胞對材料力學的部分響應規律；發展了支架制備和改性技術，揭示了高分子多孔支架以及金屬-高分子復合支架的可控降解機理；數個合作研發的新型醫用材料器械進人臨床試驗或應用。連續多年入選Elsevier材料領域靠前高被引科學家名錄。榮獲教育部自然科學獎一等獎（完成.人）、中國青年科技獎、日內瓦靠前發明展金獎等諸多榮譽和獎勵。
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