等离子体改性拓扑结构化钛合金表面性能研究
为了提高钛合金材料表面的骨整合性和生物相容性，本实验利用等离子接枝壳聚糖在钛合金表面对钛合金进行表面改性，利用傅立叶红外光谱分析仪(FTIR)、扫描电镜和水接触角测量等方法对实验样品进行表征检测，采用血小板黏附实验对材料表面的血液相容性进行评价。实验结果表明，通过等离子接枝壳聚糖，成功的将壳聚糖接枝在钛合金表面，经过等离子接枝钛合金改性后的钛合金表面亲水性明显提高，血小板粘附和被激活数量大大降低。结果表明，经过钛合金接枝壳聚糖后的钛合金的骨整合性和生物相容性得到了显著的改善。
目 录
1 引言1
1.1 生物医用材料的概念1
1.2 生物医用材料的发展背景及其历史1
1.3 生物医用材料的分类2
1.4 选择生物医用金属材料作为研究对象的原因4
1.5 医用金属材料的种类4
1.6 生物医用钛合金表面改性方法6
1.7 钛合金表面等离子体接枝壳聚糖9
1.8 本课题研究的意义 10
2 实验 10
2.1 实验试剂和实验仪器 10
2.2 实验步骤 11
3 结果与讨论 14
3.1 红外光谱分析 14
3.2 接触角分析 16
3.3 表面形貌分析 17
3.4 生物相容性分析 18
结论 20
致谢 21
参考文献 22
1 引言
1.1 生物医用材料生物概念
生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，或增进其他功能、而对人体组织尽量不产生不良影响的材料[1]。
1.2 生物医用材料的发展背景及其历史
神农氏尝百草的故事传说远远流传，“神农，尝百草之滋味，水泉之甘苦，令民之所避就，当此之时，一日而遇七十毒”。这段话是对炎帝神农氏在医学药物的方面所做的贡献的充分肯定。不过，随着人类文明的发展，温饱的解决和渐渐优越的物质生活条件是人类的数量大大的增加。于此同时，疾病、交通事故、自然灾害等等各 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
种威胁人类生命健康的事件也越来越多。人类对医疗康复事业的重视程度逐渐提高，这种靠自然界的医治方式在某些方面已经不能满足医学发展的需要，人类开始尝试更多的，更加直接方便和先进的医疗方法。
在很多时候，人类的身体部位受损，聪明的人类想到使用其他材料来代替或者恢复受损的部位，以达到先前的功能。因此，用于再生或者修复人体组织或者器官的生物医用材料在此情况下诞生了。这不得不说是人类医学史上一次伟大的创举，它使人类医学文明向前跨进了一大步，从此人们可以更加方便的恢复身体创伤。
医用材料的使用历史悠久，可以追溯到公元前5000年，就出现了人造的黄金牙齿，这是人类有史料记载的最早使用其他材料来代替人体组织部位的。公元前3500年，埃及人就用棉花和马鬃来缝合伤口，这些棉花和马鬃可以称为原始的生物医用材料了。古代原始印第安人用木片修复受伤的颅骨。公元前2500年左右，中国和埃及都出现了假牙、假手、假鼻、假耳等人工假体器官。1588年，出现了黄金板修复的颚骨。1755年，开始出现了用金属用在骨折的固定上。1809年，出现了用黄金制作的牙齿。1940年左右，人工开始用于临床医学应用。它独特的技术手段拯救了无数的患者和家庭，这更加速了科研工作者对这一领域的探究。目前来说，现在从头到脚、从内脏到皮肤，除了大脑内部结构和多数的内分泌器官以外，绝大多数都有了人工器官可以代替。
生物医用材料基本上可以分为3代[2]，代表了不用时期医用材料的发展水平。第一代：第一次世界大战以前使用的生物医用材料基本上可以划分为第一代，其主要使用的材料有石膏、普通金属、棉花以及橡胶等传统材料。这类材料到了现在基本上已经被淘汰了。第二代：由于科技水平和物质水平的提高，各种和医用材料相关的学科迅速发展加上科研工作者更加专业的知识，医用材料发展水平大大提高。主要使用的材料有羟基磷灰石、聚羟基乙酸、多肽等众多材料。不过这一代的研究思路仍然停留在代替、模拟器官功能的层次。第三代：这一代生物材料的主要进步是促进人体从自身的修复和再生的复合材料。其主要代表材料有骨形态发生蛋白（BPM）。
1.3 生物医用材料的分类
① 按照用途来分类：
骨骼肌肉修复和替换材料（骨、牙、关节）；用于软组织（皮肤、食道、）；（用于心血管系统（心瓣膜、血管、）；用于医用膜（血液净化膜、分离膜、气体选择性透过膜、角膜接触镜和药物释放材料等。
② 按材料在人体中的产生的反应来分类：生物活性材料；惰性的生物医用材料可生物降解、可吸收的材料
③ 按照材料的性质和组成来分类：
（1）生物医用金属材料
生物医用金属材料一般指的是外科医用金属材料，大多情况下使用惰性金属材料。这些材料的机械强度、抗疲劳性、耐腐蚀性和生物相容性非常的好。在临床上使用非常广泛。该材料适用性比较强，可用于软组织、硬组织、外科器材和人工器官等方面。不过医用金属材料也存在一些问题，如在人体中与人体组织器官不匹配而造成材料性质退变，解决这些问题将是今后一段时间的重点任务[3]。主要使用的医用金属材料主要有钛或钛合金、铌、锆、不锈钢等具有优良性能的金属。
（2）生物医用无机非金属材料（又可称之为陶瓷材料）
这种材料包括碳素、玻璃、陶瓷和其他无机非金属材料等。这类材料的化学性能非常稳定，大多具 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
有很好的生物相容性。生物医用陶瓷一般分为三类：活性生物陶瓷、功能活性生物陶瓷和惰性生物陶瓷。
（3）生物医用高分子材料
生物医药高分子材料是发展时间最长、用量最大、使用最广泛的。它由人工合成和天然产物两部分组成。该材料除了一般的性能比较优良外，它的生物相容性也很好。按照材料的性质一般可以分为可生物降解型和不可降解型。这类材料主要用于人造血管、人工器官、膜材、接触镜、硬组织修复体、软组织和心血管系统。该材料主要包括：芳香聚酯、甲壳素、聚乙烯醇、聚甲醛、聚丙烯、聚乙烯、聚氨基酸和脂肪族聚酯等材料。
（4）复合材料
由两种或者两种以上的材料组成的材料成为复合材料，与单一材料相比，其性能提升较大。其主要用于替代或修复人体组织器官或者增进器官功能。可以分为无机非金属基、金属基、高分子基。根据植入人体后的组织反应又可以分为可生物降解和吸收的、生物活性的、生物惰性的等几种。
（5）生物衍生材料
生物衍生材料是特殊处理的天然组织形成的材料。特殊处理包括消除抗原性、灭菌、固定、重建形态和拆散结构等方法。经过处理的生物材料已经失去原有的生命力。其主要用于骨修复体、鼻种植体、血管修复体、人工心脏瓣膜和血液透析膜等。
1.4 金属生物医用材料研究现状
目前生物金属材料的发展相比其他材料相对缓慢，但由于金属材料有其他材料相无法比拟的优势，所以成为临床上使用最广泛的植入材料。例如比具机械强度高、抗疲劳性好等优点。
医用金属材料与工业金属材料不同，它对性能的要求更加严格。因为人体对异物是非常敏感的，植入的材料除了要达到治疗目的，还要保证对人体无害，符合医疗使用标准，对人体组织器官和血液都不能产生不利影响。但是普通金属材料无法满足以上要求，要求我们对金属材料性能进行改进，所以产生了对金属表面进行改性的学科，表面改性的目标是改善金属材料和生物体的相容性，包括组织相容性和血液相容性。主要处理方法有表面化学处理（表面接枝基团或者大分子）、表面物理改性（等离子束、等离子注入和等离子体）和生物改性。比较常见的有离子注入表面改性、表面涂层与薄膜合成、表面修饰、自组装单层分子和等离子体表面改性。这个领域目前是生物材料学科最有潜力的领域之一[4]。
目 录
1 引言1
1.1 生物医用材料的概念1
1.2 生物医用材料的发展背景及其历史1
1.3 生物医用材料的分类2
1.4 选择生物医用金属材料作为研究对象的原因4
1.5 医用金属材料的种类4
1.6 生物医用钛合金表面改性方法6
1.7 钛合金表面等离子体接枝壳聚糖9
1.8 本课题研究的意义 10
2 实验 10
2.1 实验试剂和实验仪器 10
2.2 实验步骤 11
3 结果与讨论 14
3.1 红外光谱分析 14
3.2 接触角分析 16
3.3 表面形貌分析 17
3.4 生物相容性分析 18
结论 20
致谢 21
参考文献 22
1 引言
1.1 生物医用材料生物概念
生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官
1.2 生物医用材料的发展背景及其历史
神农氏尝百草的故事传说远远流传，“神农，尝百草之滋味，水泉之甘苦，令民之所避就，当此之时，一日而遇七十毒”。这段话是对炎帝神农氏在医学药物的方面所做的贡献的充分肯定。不过，随着人类文明的发展，温饱的解决和渐渐优越的物质生活条件是人类的数量大大的增加。于此同时，疾病、交通事故、自然灾害等等各 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
种威胁人类生命健康的事件也越来越多。人类对医疗康复事业的重视程度逐渐提高，这种靠自然界的医治方式在某些方面已经不能满足医学发展的需要，人类开始尝试更多的，更加直接方便和先进的医疗方法。
在很多时候，人类的身体部位受损，聪明的人类想到使用其他材料来代替或者恢复受损的部位，以达到先前的功能。因此，用于再生或者修复人体组织或者器官的生物医用材料在此情况下诞生了。这不得不说是人类医学史上一次伟大的创举，它使人类医学文明向前跨进了一大步，从此人们可以更加方便的恢复身体创伤。
医用材料的使用历史悠久，可以追溯到公元前5000年，就出现了人造的黄金牙齿，这是人类有史料记载的最早使用其他材料来代替人体组织部位的。公元前3500年，埃及人就用棉花和马鬃来缝合伤口，这些棉花和马鬃可以称为原始的生物医用材料了。古代原始印第安人用木片修复受伤的颅骨。公元前2500年左右，中国和埃及都出现了假牙、假手、假鼻、假耳等人工假体器官。1588年，出现了黄金板修复的颚骨。1755年，开始出现了用金属用在骨折的固定上。1809年，出现了用黄金制作的牙齿。1940年左右，人工开始用于临床医学应用。它独特的技术手段拯救了无数的患者和家庭，这更加速了科研工作者对这一领域的探究。目前来说，现在从头到脚、从内脏到皮肤，除了大脑内部结构和多数的内分泌器官以外，绝大多数都有了人工器官可以代替。
生物医用材料基本上可以分为3代[2]，代表了不用时期医用材料的发展水平。第一代：第一次世界大战以前使用的生物医用材料基本上可以划分为第一代，其主要使用的材料有石膏、普通金属、棉花以及橡胶等传统材料。这类材料到了现在基本上已经被淘汰了。第二代：由于科技水平和物质水平的提高，各种和医用材料相关的学科迅速发展加上科研工作者更加专业的知识，医用材料发展水平大大提高。主要使用的材料有羟基磷灰石、聚羟基乙酸、多肽等众多材料。不过这一代的研究思路仍然停留在代替、模拟器官功能的层次。第三代：这一代生物材料的主要进步是促进人体从自身的修复和再生的复合材料。其主要代表材料有骨形态发生蛋白（BPM）。
1.3 生物医用材料的分类
① 按照用途来分类：
骨骼肌肉修复和替换材料（骨、牙、关节）；用于软组织（皮肤、食道、）；（用于心血管系统（心瓣膜、血管、）；用于医用膜（血液净化膜、分离膜、气体选择性透过膜、角膜接触镜和药物释放材料等。
② 按材料在人体中的产生的反应来分类：生物活性材料；惰性的生物医用材料可生物降解、可吸收的材料
③ 按照材料的性质和组成来分类：
（1）生物医用金属材料
生物医用金属材料一般指的是外科医用金属材料，大多情况下使用惰性金属材料。这些材料的机械强度、抗疲劳性、耐腐蚀性和生物相容性非常的好。在临床上使用非常广泛。该材料适用性比较强，可用于软组织、硬组织、外科器材和人工器官等方面。不过医用金属材料也存在一些问题，如在人体中与人体组织器官不匹配而造成材料性质退变，解决这些问题将是今后一段时间的重点任务[3]。主要使用的医用金属材料主要有钛或钛合金、铌、锆、不锈钢等具有优良性能的金属。
（2）生物医用无机非金属材料（又可称之为陶瓷材料）
这种材料包括碳素、玻璃、陶瓷和其他无机非金属材料等。这类材料的化学性能非常稳定，大多具 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
有很好的生物相容性。生物医用陶瓷一般分为三类：活性生物陶瓷、功能活性生物陶瓷和惰性生物陶瓷。
（3）生物医用高分子材料
生物医药高分子材料是发展时间最长、用量最大、使用最广泛的。它由人工合成和天然产物两部分组成。该材料除了一般的性能比较优良外，它的生物相容性也很好。按照材料的性质一般可以分为可生物降解型和不可降解型。这类材料主要用于人造血管、人工器官、膜材、接触镜、硬组织修复体、软组织和心血管系统。该材料主要包括：芳香聚酯、甲壳素、聚乙烯醇、聚甲醛、聚丙烯、聚乙烯、聚氨基酸和脂肪族聚酯等材料。
（4）复合材料
由两种或者两种以上的材料组成的材料成为复合材料，与单一材料相比，其性能提升较大。其主要用于替代或修复人体组织器官或者增进器官功能。可以分为无机非金属基、金属基、高分子基。根据植入人体后的组织反应又可以分为可生物降解和吸收的、生物活性的、生物惰性的等几种。
（5）生物衍生材料
生物衍生材料是特殊处理的天然组织形成的材料。特殊处理包括消除抗原性、灭菌、固定、重建形态和拆散结构等方法。经过处理的生物材料已经失去原有的生命力。其主要用于骨修复体、鼻种植体、血管修复体、人工心脏瓣膜和血液透析膜等。
1.4 金属生物医用材料研究现状
目前生物金属材料的发展相比其他材料相对缓慢，但由于金属材料有其他材料相无法比拟的优势，所以成为临床上使用最广泛的植入材料。例如比具机械强度高、抗疲劳性好等优点。
医用金属材料与工业金属材料不同，它对性能的要求更加严格。因为人体对异物是非常敏感的，植入的材料除了要达到治疗目的，还要保证对人体无害，符合医疗使用标准，对人体组织器官和血液都不能产生不利影响。但是普通金属材料无法满足以上要求，要求我们对金属材料性能进行改进，所以产生了对金属表面进行改性的学科，表面改性的目标是改善金属材料和生物体的相容性，包括组织相容性和血液相容性。主要处理方法有表面化学处理（表面接枝基团或者大分子）、表面物理改性（等离子束、等离子注入和等离子体）和生物改性。比较常见的有离子注入表面改性、表面涂层与薄膜合成、表面修饰、自组装单层分子和等离子体表面改性。这个领域目前是生物材料学科最有潜力的领域之一[4]。
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