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。本书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，本书最后还介绍了运用表面改性技术研发相关医疗器械的例子。
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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 生物适应性和自适应性表界面设计 401
12.1 生物适应性和自适应性表界面概述 402
12.2 具有组织诱导功能的生物适应性界面 402
12.2.1 可诱导性细胞生物学行为 403
12.2.2 功能界面制备途径 404
12.3 具有抗菌功能的生物适应性和自适应性界面 409
12.3.1 抑制细菌黏附的生物适应性界面 409
12.3.2 接触杀菌的生物适应性界面 411
12.3.3 释放杀菌的生物自适应性界面 412
12.4 具有抗肿瘤功能的生物自适应性界面 414
12.4.1 常见肿瘤微环境刺激响应性药物控释系统 415
12.4.2 小结 420
12.5 总结与展望 420
参考文献 421
第13章 材料表面图案化技术与细胞研究 426
13.1 细胞与材料表面相互作用的研究意义 426
13.2 材料表面图案化的研究意义 428
13.3 适用于细胞研究的材料表面图案化技术 429
13.3.1 典型的微米图案制备技术 430
13.3.2 典型的纳米图案制备技术 433
13.3.3 微米-纳米杂合图案化技术 436
13.4 运用独到的表面图案化技术揭示细胞黏附的基本规律 439
13.4.1 利用微米图案化表面揭示细胞的特征黏附面积 439
13.4.2 细胞在微米图案化表面的黏附取向及多种序参量表征 441
13.4.3 利用纳米图案化表面揭示细胞黏附的临界纳米间距 443
13.5 运用独到的表面图案化技术揭示细胞几何因素对干细胞分化的调控规律 445
13.5.1 细胞铺展面积对细胞分化的影响 445
13.5.2 细胞铺展形状对细胞分化的影响 447
13.5.3 细胞间接触对细胞分化的影响 454
13.5.4 细胞密度对细胞分化的影响：细胞大小和细胞间接触的综合效应 456
13.6 表面图案化技术揭示材料的理化因素对干细胞分化的调控规律 460
13.6.1 材料表面化学因素对细胞分化的影响 460
13.6.2 材料表面物理因素（软硬度等）对细胞分化的影响 465
13.7 材料表面纳米因素对干细胞分化和干性维持等方面的影响 467
13.7.1 纳米因素对细胞分化的影响 467
13.7.2 纳米因素对细胞表型维持的影响 469
13.8 总结与展望 471
参考文献 473
第14章 表面改性技术在牙种植体、椎间融合器、先心病封堵器以及人工晶状体材料中的应用 485
14.1 金属及高分子表面改性新技术概述 486
14.1.1 金属材料的表面改性技术 486
14.1.2 高分子材料的表面改性技术 491
14.2 表面改性技术在牙种植体材料方面的应用 492
14.2.1 表面的润湿性 493
14.2.2 表面化学性质 493
14.2.3 表面的氧化层 494
14.2.4 表面粗糙度与纳米结构 494
14.2.5 表面涂层 495
14.2.6 细菌在材料表面的行为 495
14.2.7 表面形貌与抗菌效果 497
14.2.8 表面抗菌剂与抗菌效果 498
14.3 表面改性技术在椎间融合器材料方面的应用 499
14.3.1 聚醚醚酮椎间融合器的表面改性 500
14.3.2 钛合金椎间融合器的表面改性 505
14.4 表面改性技术在先心病封堵器方面的应用 507
14.4.1 先心病的危害和封堵器的作用 507
14.4.2 具有涂层修饰的新型封堵器 508
14.5 人工晶状体及其表面改性技术 511
14.5.1 晶状体及白内障 511
14.5.2 人工晶状体及其材料 514
14.5.3 人工晶状体材料的临床特性 519
14.5.4 表面改性 521
参考文献 523
关键词索引 532
京公网安备 11010102004214号