3.051/BEH340 第二讲生物材料表面性能:物理性质 生物材料在人体内的性能与材料的表面性能关系重大。 材料的表面性能影响细胞在其表面的粘附 润湿性 结晶性 粗糙度 组成 带电情况 迁移性 表面为何如此特殊? 1015原子 表面对材料主体 1.原子固有的尺寸小 lcm3材料~1023原子 需要特殊的表征工具 2.增强的流动性 D=Do exp(E/kT 度的度变化 -Inm 促进限速过程 (相转变,结晶,腐蚀)
1 3.051/BEH.340 第二讲 生物材料表面性能：物理性质 生物材料在人体内的性能与材料的表面性能关系重大。 材料的表面性能影响细胞在其表面的粘附 润湿性 结晶性 粗糙度 组成 带电情况 迁移性 表面为何如此特殊？ 表面对材料主体 1． 原子固有的尺寸小 1cm3 材料~ 1023 原子 需要特殊的表征工具 2． 增强的流动性 z 较少的键合 z 密度的梯度变化 ~1nm 促进限速过程 （相转变，结晶，腐蚀） 原子
3.051/BEH340 举例:磷酸钙玻璃析晶CaO-P2O5-SiO2(44:40:15) Ea,结品 粉体尺寸 (kcal/mol) 表面发生结晶 297-590 摘自《热分析计算》J. SLee et a,56(1999)137 3.较高的能量状态 具有不饱和(悬挂)或受力变形键的原子/分子 吸附物具有较高的反应活性和磁化性(敏感性) 表面能量的量化 表面键的损失 向块体吸引=面积收缩力 表面张力,Y,在恒定T,P,和组成情况下,产生单位表面积所需要的功。 考虑一个简单的肥皂泡膜实验: dG=-SaT+VdP +ydA f(力) 接线框 aG=fd raA/T,Pn 2Ldx 2L 式中,G=吉布斯自由能,A=面积
2 3.051/BEH.340 举例：磷酸钙玻璃析晶 CaO-P2O5-SiO2（44：40：15） 表面发生结晶 摘自《热分析计算》J.-S.Lee et al.,56(1999)137 3． 较高的能量状态 具有不饱和（悬挂）或受力变形键的原子/分子 吸附物具有较高的反应活性和磁化性（敏感性） 表面能量的量化 表面键的损失 向 向块体吸引 = 面积收缩力 表面张力，γ，在恒定 T，P，和组成情况下，产生单位表面积所需要的功。 考虑一个简单的肥皂泡膜实验： f (力) 接线框 式中，G= 吉布斯自由能，A= 面积 ？ Ea,结晶 （kcal/mol） 粉体尺寸 （um） 75 < 44 108 297-590
3.051/BEH340 例举材料的表面张力 材料 温度(℃)表面张力(dyn/cm) 特氟隆(PIFE) I dyn/cm=1 mJ/m2 硅树脂(PDMS)20 I erg/cm 聚乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯20 聚氧化乙烯 水 苏打-石灰-硅酸盐()1350 350 氧化铁 580 ↓w/↑T 氧化铝 1850 950 碳化钛 1190 1550 7svo△Haim 钛(1) 6-铁(bcc) 1400 00 Yv∝△H 190 材料:(>2000ymcm)-金属,碳化物,氧化物 材料:聚合物,有机物 为什么?从键合的自身特点考虑 表面张力是凝聚程度的度量 凝聚功
3 3.051/BEH.340 例举材料的表面张力 材料 温度（℃） 表面张力（dyn/cm） 特氟隆（PTFE） 20 19 硅树脂（PDMS） 20 20 聚乙烯 20 36 聚甲基丙烯酸甲酯 20 41 聚氧化乙烯 20 43 水 20 73 苏打-石灰-硅酸盐（l） 1350 350 氧化铁 1400 580 氧化铝 1850 950 碳化钛 1100 1190 钛（l） 1660 1550 δ-铁（bcc） 1400 1900 通常： 高γ 材料：（＞200dyn/cm)-金属，碳化物，氧化物 低γ 材料：聚合物，有机物 为什么？从键合的自身特点考虑…. 表面张力是凝聚程度的度量 凝聚功：Wc=2γ
3.051/BEH340 表面现象 简单的规则:表面现象主要是由表面自由能相应减少而产生的 生物材料方面的主要例子 从环境中吸附一种物质 材料本体中的一种物质在表面偏析 表面重建 表面反应 1.吸附现象 原则1:具有较高能量的表面很快被低能量物质覆盖或污染 举例 水在玻璃、金属或氧化物表面 测得金属和氧化物的 *在无机物表面的碳氢化合物 y: 37dyn/cm 在空气/水界面的表面活性剂 吸附种类 化学吸胙一对被吸附分子的电子结构/电子密度产生很大修饰(>0.eV/表面位点) 举例:在硅表面的水 Eads=1.7ev H H O OH OH
4 3.051/BEH.340 表面现象 简单的规则：表面现象主要是由表面自由能相应减少而产生的。 生物材料方面的主要例子： z 从环境中吸附一种物质 z 材料本体中的一种物质在表面偏析 z 表面重建 z 表面反应 1． 吸附现象 原则 1：具有较高能量的表面很快被低能量物质覆盖或污染 举例： * 水在玻璃、金属或氧化物表面 * 在无机物表面的碳氢化合物 * 在空气/水界面的表面活性剂 吸附种类： ¾ 化学吸附—对被吸附分子的电子结构/电子密度产生很大修饰（＞0.5eV/表面位点） 举例：在硅表面的水 测得金属和氧化物的 γ：～37dyn/cm Eads=1.7eV
3.051/BEH340 物理吸—一通过次价力(如,范德华)作用被吸附物被较弱地粘附(<025eV/表面 点) I ev/molec =96.5 kJ/mol 举例:硅表面的聚甲基丙烯酸甲酯 kT2q≈0.025eV e ads=0.lev/mer H,-c N被吸附分子数×0.leV/mer CH3 OH OH ≈总吸附能 N<N(片断/链)
5 3.051/BEH.340 ¾ 物理吸附—通过次价力（如，范德华）作用被吸附物被较弱地粘附（<0.25eV/表面 点） 举例：硅表面的聚甲基丙烯酸甲酯 E ads=0.1eV/mer N’ 被吸附分子数×0.1eV/mer ≈总吸附能 N'<N (片断/链)