生物相容性:生物材料与生物环境的相互作用

当一种生物材料被放置在人体内时，材料表面会发生不同的分子相互作用。相互作用的类型受材料表面性质的影响，如表面化学性质、润湿性和表面粗糙度。表面现象大致可分为四个阶段:水表面相互作用阶段、蛋白质吸附阶段、细胞附着与扩散阶段、细胞增殖阶段。

生物材料的水-表面相互作用

当一种材料被放置在生物环境中时，最初的反应是水分子吸附到其表面。这发生在最初的几纳秒内。众所周知，水对不同的材料有不同的作用。它既可以在表面上扩散，也可以在表面上形成一个可测量角度(即接触角)的液滴。基于此，该表面分为亲水或疏水。

长期以来，人们一直在研究生物材料表面的水行为，因为这是生物材料表面在生物反应中所起作用的基础。水-表面相互作用对蛋白质吸附和细胞-生物材料相互作用的影响程度仍在研究中。

蛋白质对生物材料的吸附

在第二阶段，蛋白质吸附发生。蛋白质在植入生物系统后的一秒钟内在生物材料表面观察到。在几秒钟到几分钟内，一层单层蛋白质吸附到大多数表面。一般认为，小的蛋白质会首先被吸附，因为它们可以快速地运输到表面。随着时间的推移，这些蛋白质被更大的蛋白质所取代，这些蛋白质对表面有更强的亲和力。蛋白质的亲和力是决定竞争吸附过程结果的主要原则。例如，血浆中的三种主要蛋白质是白蛋白、IgG和纤维蛋白原，而血红蛋白的含量则要少得多。由于较高的表面亲和力[2]，血红蛋白的吸附量与主要蛋白质相似。

细胞-生物材料的相互作用

生物反应的第三阶段包括细胞附着在表面。这一阶段受吸附蛋白层和表面形貌的影响。由于蛋白质吸附发生在细胞到达表面之前，细胞主要看到被吸附的蛋白质层，而不是生物材料表面本身。

细胞的扩散和分化尤其受到微尺度粗糙度和润湿性的影响。通常报道，具有中等亲水性的生物材料表面可以促进细胞生长和更高的生物相容性。然而，当材料变得非常亲水时，细胞附着力会降低。这表明存在一个最佳表面能范围[3]。

由于纳米和微尺度的粗糙度在这里也起着作用，因此能够确定何时细胞的扩展是由表面自由能，地形或两者调节[4]是很重要的。

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