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表面形貌和润湿性对生物相容性的影响,很多人不知道!发布时间:2018/08/17 13:54:35


简介:

不同种类的人工材料移植物已经应用于医药行业的各个领域。移植物的表面性质决定了它和周围组织之间的相互作用。表面物理化学性质,譬如润湿性和表面形貌,对细胞粘附、扩散和增殖的优化是最重要的。不同类型的金属底物,譬如不锈钢,钛和钛合金已经用于移植材料,特别是作为牙科和骨科的移植物。聚合物通常和金属一起使用在坚硬组织的替换上,或机械耐久力不需要的应用方面。本文主要结合两个分析案例来介绍了Theta光学表面分析仪结合3D形貌模块用于研究生物材料。

当材料移植完成后第一反应是水分子会吸附到移植物表面。这会在最初的几个纳秒内发生。在秒级别蛋白会吸附会发生。一般认为小蛋白会第一吸附到表面,因为它们的快速运输。随着时间这些蛋白会被更大的蛋白替换,对表面具有更大的吸附力。表面的润湿性会影响到蛋白质吸附。通常报道生物材料表面适度的亲水性会提高细胞地生长和具有更好的生物相容性。但是,当表面很亲水时细胞粘附反而会下降。这说明表面自由能需要在一定合适的范围内。生物反应的第三阶段包括细胞粘附到移植物的表面。这一步受吸附的蛋白层和表面形貌的影响。细胞扩散和分化特别受到微米级粗糙度和润湿性的影响。因此通过表面自由能,表面形貌或两个同时改变来调节细胞扩散时,这就更加重要了。图1 是宿主和表面材料相互作用的总结。

1. 移植物-宿主之间相互作用依赖于表面粗糙度

因为表面粗糙度对细胞-生物材料相互作用中具有作用,得到移植物表面最合适的粗糙度参数需要做很多工作。

案例1:光滑多孔钛涂层上葡萄球菌生物膜的生长

钛在骨移植应用中是最常用的金属。钛移植物表面的孔状在骨整合中是一大好处。它允许骨细胞在孔中生长,提高了它们和周围骨组织之间的连接。同时,多孔也提高了表面的粗糙度,伴随着就是增加了细菌粘附的风险。Braem研究组的实验中,研究了钛涂层的粗糙度、润湿性和多孔性对降低葡萄球菌生物膜的生长的作用。

在实验中,研究了9种不同钛表面涂层。使用最先进的多孔VPS Ti作为参考。其他涂层通过使用不同粒径的TiH2作为起始粉末,Vm=10 umP=40 um。涂层表面粗糙度从最光滑(Sa=0.03 um)到特别粗糙(Sa=27.83 um)。使用CAM 200测量接触角,得到的数值从完全润湿到143°。每个钛表面的活细胞进行了计数,并且和参考表面(VPS Ti)进行了比较。孵育72小时后,表面粗糙度,接触角和活的金黄色葡萄球菌计数数据在表1中。

结果表明平均表面粗糙度,Sa和疏水性(测量水的接触角)是阳性影响生物膜生长的主要因素。从表1可以看到表面EPD Ti(P)EPD Ti(Vm/Vm)EPD Ti(P/Vm)显示在表面具有相对更多的细菌菌落。这是因为表面粗糙度更高,以及表面的疏水性。最好的结果来自于粗糙的钛表面和涂有亲水层。

1. 所选钛基底的表面粗糙度,接触角和活细胞数量



案例23D形貌模块在生物材料研究方面的应用

当在粗糙表面测量接触角,必须根据Wenzel方程进行校准,以此区分润湿性是表面粗糙度还是表面化学的影响。3D形貌结合Theta光学分析仪提供了一个特别的工具,可以得到表面粗糙度下的接触角测试结果。表2四种不同钛表面测量得到的接触角和校准以后的接触角都给列出来。当表面粗糙度测量结合接触角测量,可以在同一个样品点测量两个测试。校准后的接触角会通过软件自动计算出来。

2: Sdr四种钛表面测量得到和校准后的接触角






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