生物医用材料表面高分子基涂层的功能化构筑

生物医用材料是为生物和医用相关领域使用而设计并制备的功能材料。随着社会的快速发展,人们对生活水平的要求相应提高,并伴随着医疗水平的不断提高和材料科学领域的高速发展,生物医用材料在人类社会生活中的应用越来越广泛。例如,在过去的几十年里,人工髋关节和膝关节植入物的数量显著增加;血管支架、心脏瓣膜、血管移植物和其他植入装置被广泛用于挽救生命和提高患者的生活质量;各种非植入的、短期使用的导管和固定螺钉等生物医用装置也在临床中广泛使用。生物医用材料作为一种人类生命和健康密切相关的功能材料,应当满足良好的生物相容性和具有一定的生物功能性,例如不会引起生理系统的严重排斥等。当生物材料与生命体例如细胞、组织、微生物等相接触时,材料的表面首当其冲,因此其在生物材料的综合性能中扮演着极为关键的角色。通过对材料表面做一定的处理或特定修饰,改变材料表面物理、化学或生物性能,就有可能在材料表面引发特殊的生物反应,促进或影响材料与生物体之间的作用,从而有可能获得促进细胞活性、组织修复或再生的功能。因此,生物材料的表面功能化研究已成为生物医用材料研究和发展的一个热点和重要领域。近年来,抗菌功能、药物负载以及细胞行为调控等功能是生物材料表面功能化构筑的重要研究方向,在材料表面构筑各种功能涂层是重要的策略之一。在抗菌涂层方面,经典的研究集中在抗黏附、接触杀菌以及释放杀菌分子的设计上,但新型的抗菌策略也不断发展,例如光热杀菌以及动态响应抑菌等。在药物负载传递方面,层层组装技术是一种被用来制备各种药物涂层的重要技术手段,组装单元的多样性为层层组装构建药物控释涂层的多样化提供了良好的基础。在细胞行为调控方面,基于层层组装的材料表面理化性能调控以及生物活性分子的固定,能够对包括黏附、铺展、迁移、增殖分化等细胞行为产生关键性的影响。本文归纳了当前生物医用材料表面功能化构筑的研究进展,分别从抗菌表面、药物负载传递、细胞行为调控等三个方面进行介绍,分析了在具体的功能化应用中生物医用材料表面面临的问题以及目前的功能化修饰方法,并展望了其应用前景,以期为制备具有更优化、更高效实际应用的生物医用材料表面提供参考。     

水凝胶改性有机硅海洋防污涂料的制备与性能研究

制备了新型水凝胶改性有机硅海洋防污涂料,通过亲水高分子使涂层表面形成水化层以降低污损生物附着。利用红外光谱检测含氢硅油转化率以确定面漆粘结剂的转化率。通过设计四因素三水平正交试验,探究不同涂装体系的防污性能。通过粘附力测试、接触角测试、盐雾实验、浸泡实验、极化测试和防污性能实验等手段探究涂装体系的表面质量、耐腐蚀性能及防污性能。结果表明:制备的涂装体系在实验室沉浸实验中具有良好的防污效果。水凝胶改性有机硅防污涂层能在表面形成薄的水膜,有效地阻止了污损生物的粘附;通过调整侧链聚乙二醇烯丙基醚的分子量、反应温度、催化剂用量和硅油含氢量,可以合成相应的粘结剂调整涂层表面能;静态下涂层的防污效果比动态下更好。     

船用低表面能防污材料的研究进展

海洋生物污损会增大船舶自重,使船体腐蚀速率加快,也会增加温室气体排放,这明显增加船舶运行成本。重点综述了有机硅和有机氟等低表面能防污涂料用于船体防污减阻的研究进展,阐述了其应用中的优势和缺点;分析了基于海洋生物表面微结构防污减阻的原理和微结构表面的制备方法,综述了抗菌物质特别是抗菌多肽修饰基底表面对污损生物附着的影响,比较了表面结构与表面物质对船体表面防污的影响,最后展望了低表面能防污涂层技术的应用前景与发展方向。     

磁控溅射纳米银含量对钛种植体抗菌性的影响

纯钛因具有优良的生物相容性，被广泛应用于口腔种植相关领域，但其本身并不具备抗菌性能，为改善钛种植体表面的抗菌性，采用磁控溅射法在钛种植体表面制备Ti-Ag纳米复合涂层，研究了涂层中纳米Ag含量对具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum, Fn)抗菌性能的影响。分析了样品的表面形貌、粗糙度和水接触角；对Ag⁺释放进行了检测；采用CCK-8法检测材料的细胞毒性；将各组样品与具核梭杆菌共培养，检测材料的抗菌性能。结果表明，载Ag复合涂层成功沉积在Ti片表面，并且随着纳米Ag含量的增加，样品的表面粗糙度和水接触角均增大。该Ti-Ag纳米复合涂层对小鼠L929细胞未表现出细胞毒性，符合生物安全标准。抗菌实验结果表明，随着纳米Ag含量的增加，Ag⁺释放量增加，涂层的抗菌效果也增强。可见，Ti-Ag纳米复合涂层可有效抑制Fn的生长，有望提高钛种植体的抗菌性能，为其临床运用奠定了实验基础。     

钛合金表面微弧氧化纳米防污涂层及性能研究

利用微弧氧化技术,在Ti-6Al-3Nb-2Zr合金表面成功制备出纳米防污陶瓷涂层。采用扫描电镜、透射电镜和光学显微镜分析了纳米防污涂层的表面形貌、微观形态和氧化层厚度,采用X射线光电子能谱和X射线能谱仪对防污涂层的元素价态和化学组成进行了分析,采用WS-1型划痕试验机和数字万用表研究了涂层的结合强度和绝缘性,并采用TE66微磨损试验机和进行天然海水挂片试验考察了涂层的摩擦学性能和防污性能。结果表明:防污涂层厚度可达到20μm以上,涂层有非晶和20—50 nm纳米晶TiO2及Cu2O构成,膜基结合强度达到50 MPa,涂层绝缘性和耐磨性良好,防污性能得到明显改善,挂片6个月后涂层表面仅有少量海生物附着,而裸钛合金样品挂片3个月后则完全被海生物附着。     

AZ31B镁合金表面氟涂层的生物相容性和抗菌性能

采用化学转化方法在AZ31B镁合金表面制备氟涂层,系统研究了氟涂层的表面形貌,体外生物相容性和抗菌性能.结果表明:AZ31B镁合金表面的氟涂层均匀致密;氟涂层镁合金的溶血率明显降低,且无细胞毒性,可满足生物医用材料的要求.同时,氟涂层镁合金的抗凝血性能与316L不锈钢相当,并具有显著的抗菌功能.     

硅藻土/TiO2基超疏水涂层的制备及应用研究

以硅藻土和TiO₂为微纳米结构的构筑物，以聚二甲基硅氧烷为低表面能改性剂，采用喷涂法在多种基底表面制备超疏水涂层材料。该涂层具有优异的超疏水性能，水静态接触角高达161°,表面自清洁性能优异，且耐热温度可高达350℃。该超疏水涂层材料在纺织品自清洁、医用防水及工业防腐等领域具有一定的应用前景。     

医用钛合金表面改性的研究进展

从金属植入体与生物环境的界面反应,以及钛植入体表面现阶段存在的主要问题出发,叙述了近年来钛表面生物活性、生物相容性、血液相容性、抗菌性涂层的制备、结构及性能,重点总结了应用等离子体喷涂技术制备羟基磷灰石涂层、硅酸盐陶瓷涂层、纳米ZrO2涂层、纳米TiO2涂层,以及采用等离子体浸没离子注入/沉积技术对钛合金表面进行离子注入和薄膜沉积的研究结果.最后,基于钛硬组织植入体表面需求,指出钛硬组织植入体表面改性设计与制备应注重改性层的综合生物学性能及力学安全性.     

仿生防污材料的研究进展

船舶表面的生物污损会带来极大的危害,如何防除生物污损已成为一个世界难题。尽管氧化亚铜等有毒防污剂可以有效防止海生物的附着污损,但这类防污剂对非目标生物也具有负面作用,可能带来严重的生态问题。随着国际社会对有毒防污剂和海洋环境的日益关注,发展环境友好型防污材料已势在必行。人们经常观察到自然界许多生物并没有被其它生物种类寄生聚居,这是因为在自然界中生物自身存在着各不相同但极为有效的防污机制,包括化学性质、物理性质、机械清理、生活习性,以及各种防污机制的组合等,这为研制环境友好型仿生防污材料提供了依据。综述海洋环境中仿生防污材料的研究进展,重点介绍了基于生物防污剂、表面微结构、水凝胶、抗蛋白吸附等特性进行防污的仿生材料研究,并阐述了我国在该领域已经取得的重要技术突破和主要技术成果,展望了仿生防污技术的发展趋势。     

可直接还原银纳米粒子的儿茶酚基聚合物膜的制备及抗菌性能研究

将预先合成的聚合物PVA-DOPA与PVA共混制备聚合物膜PVA/PVA-DOPA;由于含儿茶酚基的3,4-二羟基苯丙氨酸(DOPA)具有氧化还原活性,可直接利用PVA/PVA-DOPA聚合物还原银纳米粒子并使其负载在PVA/PVA-DOPA膜表面。紫外可见光谱表明,PVA-DOPA与Ag+作用时,发生氧化还原反应,酚羟基被氧化成醌,在415nm处出现特征吸收峰。通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜,可观察到聚合物膜表面Ag纳米粒子的形态;并通过热失重分析计算出PVA/PVA-DOPA/Ag0膜中Ag的负载量。抗菌性研究测试表明制得的聚合物膜具有良好的抗菌性。因而,PVA/PVA-DOPA聚合物膜可用作抗菌性包装材料、涂层材料和生物医用材料等多种功能材料。     

原子转移自由基聚合在生物材料中的应用

生物材料表面改性以及具有特定结构与功能的先进生物材料的合成始终是生物材料研究的核心课题.原子转移自由基聚合( ATRP)是一种新型自由基聚合,在生物材料表面改性以及新型生物材料合成方面具有巨大的应用前景.利用ATRP技术可以提高生物材料表面生物相容性、生物适应性以及生物功能性,如提高材料表面的抗生物污染性、血液相容性、细胞相容性以及抗菌性能等;同时,ATRP也可用于合成新型生物医用高分子材料,如两亲性高分子、纳米胶束、智能水凝胶以及一些具有特殊结构的高分子(包括星型、超支化、梳型高分子等).ATRP技术与点击化学结合,可形成新的生物活性表面或者合成新的生物材料,可望产生更多的功能化的材料表面与生物材料.     

可降解医用金属功能化表面改性研究进展

近年来,以镁、铁、锌为代表的可降解医用金属由于其独特的体内降解性能和优异的生物相容性成为国内外研究热点.这类可降解医用金属能够在体内逐渐被体液腐蚀降解,它们所释放的腐蚀产物能够给机体带来恰当的宿主反应,当协助机体完成组织修复的任务后将全部被体液溶解,避免了二次手术.前期研究表明,三种可降解医用金属在实际临床应用中尚存在一些不足:镁及镁合金的体内降解速率过快,降解过程中产生的氢气会对植入物周围组织和细胞产生不利影响;铁及铁合金的体内降解速率过慢;锌及锌合金的降解速率最符合临床要求,但是其较低的力学性能限制了锌及其合金的应用.鉴于此,可降解医用金属的功能化表面改性技术应运而生.功能化表面改性技术不仅可以实现对可降解医用金属腐蚀行为的调控,还可根据不同的临床需求提高其生物相容性、抗菌活性、抗凝血性能和促成骨性能等.目前,各类表面改性技术已能够有效改善各类可降解医用金属的性能.镁及其合金是研究最为广泛的一类可降解医用金属,各类表面改性技术,如转化涂层、沉积涂层、复合物涂层等已能够显著降低镁及其合金的腐蚀速率.针对铁及其合金的表面改性技术主要以纯铁以及Fe-Mn合金为主,但目前针对铁及其合金的表面改性技术尚难以满足其理想的降解模式要求.锌及其合金是新一代可降解医用金属,现有的表面改性技术主要是为了增强其生物相容性和抗菌性能.本综述归纳了各类表面改性技术的特点,对各类技术的制备方法、应用及目的进行了介绍,并对其未来研究趋势进行了展望.     

基于三氯生医用缝合线表面抗菌涂层的制备及性能

利用聚多巴胺可在多种不同材料的表面结合其他分子的特性,将具有杀菌作用的三氯生分子有效地固载于医用缝合线表面形成抗菌涂层。研究结果显示,涂层使表面三氯生可有效地固载于医用缝合线表面,并缓慢释放。金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抗菌实验显示,有抗菌涂层的缝合线表面具有显著的抗菌效应。该种涂层制备方法及涂层有望广泛应用于不同类型的医用缝合线的表面作抗菌处理。     

镁合金材料表面涂层构建及表征

镁合金作为一种新型的可降解生物医用金属材料,在力学性能、生物相容性和生物降解性能方面都具有优越性,目前在医用材料领域已成为研究热点。然而由于其存在腐蚀速率快和腐蚀不均等不足,这势必会阻碍它的应用及发展。因此对镁合金材料表面进行改性处理,增加耐腐蚀性,同时提高其生物相容性,已经成为可降解镁合金发展与应用中的重要组成部分。采用一种细胞内的天然高分子聚合物,即聚β-羟基丁酸酯(poly-beta hydroxy butyric acid ester,PHB)作为涂层材料,在WE43镁合金表面制备PHB涂层,考察改性后镁合金材料的表面形貌和生物相容性。实验结果表明,经聚合物PHB涂层后的WE43镁合金聚合物涂层分布较均匀,对镁合金有较好的保护作用。另外,PHB涂层明显提高了镁合金的血液相容性,对细胞的增殖起到了一定的促进作用,并有利于细胞迁移。该研究为可降解医用镁合金材料的研究提供一种新思路。     

纳米ZnO-氧化石墨烯及ZnO-氧化石墨烯/水性聚氨酯复合涂层的抗菌性能

循环冷却水系统滋生细菌会导致生物黏泥产生及设备腐蚀,为解决这一问题,由硅烷偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）改性纳米ZnO,改性纳米ZnO与氧化石墨烯（GO）在二甲基乙酰胺中复合,获得纳米ZnO-GO复合抗菌材料,并利用纳米ZnO-GO改性水性聚氨酯（PU）,得到纳米ZnO-GO/PU复合涂层。对纳米ZnO-GO复合抗菌材料进行表征分析及抗菌性能测试,对纳米ZnO-GO/PU复合涂层进行抗菌性能测试及物理性能分析。结果表明,纳米ZnO成功负载在GO表面,纳米ZnO-GO纯度较高,当GO质量分数为35wt%、纳米ZnO-GO使用量为160 mgL^-1时,其抗菌率可达97.16%;当纳米ZnO-GO质量分数为2.33wt%时,纳米ZnO-GO/PU复合涂层抗菌率可达90.29%,同时拥有4 H的铅笔硬度及93.26%的缓蚀性能。     

微纳米颗粒/硬脂酸超疏水涂层的仿生构建及其性能研究

通过一步喷涂法将微纳米表面构建与低表面能物质修饰相结合,制备了超疏水仿生涂层;开展超疏水材料涂覆技术研究,分析总结不同涂敷方式对涂层的性能影响;测定了不同粉体种类与浓度下涂层的疏水性能差异,分析评价其对涂层疏水性能的影响;优选涂层材料配比对混凝土试块进行疏水改性,并测试其防污性能;通过LW-AB法表面能计算,探讨了涂层粗糙度与表面能之间的关系,并使用SEM对其表面微观形貌进行了表征。结果表明,在添加微纳米颗粒的情况下,喷涂制备的涂层接触角比浸涂制备的涂层大1/3左右,滚动角比浸涂制备的涂层小85%以上,体现了较好的疏水性能;涂层的疏水性能受表面能与粗糙度的影响,且随着硬脂酸浓度的增加、粉体浓度的增加与粉体颗粒粒径的减小,涂层的疏水性能呈增强的趋势,接触角达到165.27°,滚动角低至0.9°;经过超疏水处理后,混凝土试块表现出明显的防污与自清洁性能;表面能计算表明,在添加同样硬脂酸含量的条件下,随着粗糙度的增加,涂层表面的降低至4.89 mJ/m~2,仅为纯硬脂酸涂层的26.84%。     

甜菜碱聚合物研究进展

甜菜碱聚合物是一类具有生物防污、抗细菌粘附、血液相容等优良性能的聚合物,在医用生物材料、抗细菌粘附材料、船体防污涂层等方面有着良好的应用前景。文中介绍了国内外用于合成甜菜碱聚合物的主要单体结构,分析了几种主要的聚合方法(主要是活性聚合)在甜菜碱聚合上的应用及优劣性,归纳了甜菜碱聚合物的各种功能,并对其未来的发展方向作出了展望。     

壳聚糖/单宁酸复合胶体粒子的制备及功能涂层研究

以壳聚糖(Chitosan,CS)和单宁酸(Tannic acid,TA)为组装基元,在水溶液中通过pH诱导组装制备壳聚糖/单宁酸(CS/TA)复合胶体粒子,用透射电子显微镜(TEM)对复合胶体粒子的尺寸及形貌进行了表征。再将复合胶体粒子水分散液为电泳沉积液,通过电泳沉积技术诱导复合胶体粒子在316L不锈钢表面二次组装制备纳米功能涂层;利用接触角测试对涂层表面的亲疏水性进行了研究;并通过体外细胞实验探究了涂层的细胞相容性,抗菌实验测试了涂层对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性。研究结果表明,通过电诱导胶体粒子可以在316L不锈钢表面形成了致密的纳米涂层材料,涂层具有良好的细胞相容性和抗菌作用,在生物涂层领域有着潜在应用前景。     

溶胶-凝胶涂层在镁合金腐蚀防护应用中的研究进展

镁合金是21世纪最富开发和应用潜力的优异绿色工程材料之一,但耐蚀性差成为制约其广泛应用的瓶颈。选择和开发合适的表面防护涂层可以有效提高镁合金表面的耐蚀性能。溶胶-凝胶涂层技术凭借其工艺简单、膜层成分结构可控、耐蚀性能优良等优点近年来在镁合金表面的腐蚀防护应用中得到重视。将用溶胶-凝胶技术在镁合金表面制备防腐蚀涂层的研究成果按照有机/无机杂化涂层、缓蚀因子/杂化涂层、电化学氧化/杂化涂层、化学转化/杂化涂层的分类方法进行了分析总结。这些涂层体系各具特色,其中含缓蚀因子的杂化涂层具备自修复能力,化学转化和电化学氧化杂化涂层的附着力突出,而单一涂层更容易破坏。在未来,镁合金表面溶胶-凝胶防护涂层的研究工作仍以有效结合现有的表面处理技术开发长效高耐蚀复合涂层为重心。     

纳米SiO_2/改性丙烯酸树脂低表面能防污涂料

低表面能防污涂料是船舶涂料的一个重要分支。利用有机硅改性的丙烯酸树脂作为成膜物质,纳米SiO2为填料,制备了低表面能纳米复合防污涂料。考察了有机硅单体对改性丙烯酸树脂性能的影响,发现随着有机硅含量的增加,改性后的树脂粘度减小,水接触角增加。研究了氟硅烷改性纳米SiO2含量对涂层形貌和水接触角的影响。结果表明,添加少量的氟硅烷处理的纳米SiO2(1%和3%)可显著增大涂层的水接触角,提高涂层的防污性能。添加纳米SiO2浆的涂层的水接触角要高于添加接枝氟硅烷纳米SiO2的涂层,而后者要高于添加未接枝氟硅烷纳米SiO2的涂层。当纳米SiO2的添加量在1%和3%时,涂层的水接触角分别达到101.8°和103°。采用纳米浓缩浆工艺分散后的纳米SiO2可以使涂层的表面形成微米-纳米的特征形貌,从而实现防污的目的。