Ti-（Ta）-O薄膜的抗凝血性与内皮化研究

论文摘要

在心血管疾病的临床治疗中，生物材料与人工植入器械被广泛使用。然而，目前临床所用材料都存在不同程度的生物相容性不足的致命弱点，迫切需要研究与开发性能更优异的新材料与植入器械。因此，根据当前国内外研究现状，本论文提出从Ti-（Ta）-O薄膜材料表面优化入手，通过Ta掺杂技术进行Ti-Ta-O薄膜的材料学性质和生物学性质的调整，以实现薄膜合成的优化、理化性质的改善和生物相容性的提高；在此基础上，探索Ti-（Ta）-O薄膜与人体血液和内皮细胞的相互作用并讨论其生物相容性机理，以促进生物材料与植入器械的研究与开发。本论文以Ta掺杂Ti-Ta-O膜和不掺杂Ti-O膜（简写为Ti-（Ta）-O薄膜）为研究对象进行了较全面的研究。首先，采用磁控溅射技术合成了不同Ta含量的两个系列Ti-Ta-O薄膜，并利用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、Raman、X射线荧光以及α-step台阶仪等对Ti-Ta-O薄膜的成分、结构、表面形貌以及厚度等进行了测试与分析；然后，采用接触角测定仪、Hall效应测试仪与显微硬度测试等对Ti-Ta-O薄膜的理化性质与力学性质进行了测试，并借助体外生物相容性评价体系与动物体内试片与实物埋植试验等重点进行了Ti-（Ta）-O薄膜的体内外血液相容性和体内外内皮细胞相容性的评价；在此基础上，本文还通过薄膜材料表面活化-偶联-生物分子固定-内皮细胞种植的方式对Ti-O薄膜表面进行了生物化学修饰与内皮化的开拓性研究；最后，以Ti-（Ta）-O薄膜的材料学因素对生物学性质的影响关系为核心，探讨了薄膜的生物相容性机理。Ti-Ta-O薄膜的微观特征分析结果表明，薄膜由多种物相组成，但是没有Ta的氧化物相；薄膜的Ta含量与镀膜用靶材的Ta元素设计含量有一定差异；采用不同途径获得的两个系列Ti-Ta-O薄膜表面分别呈尖角晶体颗粒状和细小雾垛胞状，低Ta含量时薄膜颗粒度更细小但表面粗糙度更大。Ti-Ta-O薄膜的理化性质与力学性质测试结果表明，Ta掺杂可以实现Ti-Ta-O薄膜表面润湿性、表面能、界面张力、电阻率等的改变；但Ta掺杂及其含量的变化不影响薄膜的半导体特征，薄膜保持为N型半导体且禁带宽度为3.2eV；然而，Ta含量的变化将影响其力学性质，Ti-Ta-O薄膜在适当Ta含量时具有较高的硬度以及良好的耐磨性。Ti-（Ta）-O薄膜的血液相容性评价结果表明，优化的Ti-（Ta）-O薄膜在动物体内外均具有良好的血液相容性。薄膜与血液接触具有不发生溶血反应、不引起血小板激活、凝血因子激活程度轻、血液凝固速度低以及蛋白粘附量少等特点，即使试片与实物在动物体内埋植17-90天或4-20周，薄膜表面仍然无血栓形成。Ti-（Ta）-O薄膜的内皮细胞相容性评价结果表明，薄膜的晶体结构、成分、表面形貌对内皮细胞生长行为有较大影响。晶态结构、适当O／Ti比、适当Ta含量、适当表面粗糙度等有利于内皮细胞的贴附、生长和增殖；经薄膜表面改性的试片与血管支架实物在动物体内埋植5-7个月后或4-20周后，优化的Ti-（Ta）-O薄膜表面无血栓形成，且有内皮细胞在上面呈正常单层铺路石状排列并顺着血流方向生长，植入血管处无再狭窄发生。Ti-（Ta）-O薄膜表面活化-偶联-生物分子固定-内皮化修饰及其结果表明，薄膜材料表面生物化学修饰改性后可促进内皮细胞的粘附、生长和增殖，内皮细胞的生物学行为获得大幅度改善。此外，本论文对Ti-（Ta）-O薄膜的微特征-理化性质-力学性质的相互关系以及薄膜的生物相容性机理获得一定认识。以上研究表明，Ti-（Ta）-O薄膜具有较好力学性质、优异血液相容性（显著优于当前临床公认最好的血液相容性人工心脏瓣膜瓣叶材料热解碳）和良好内皮细胞相容性（显著优于当前临床所用血管支架材料不锈钢），具有应用于心血管人工器官表面覆膜改性的潜力，但是还需要进行进一步优化、大量动物实验以及临床前评价，且必须深入认识其机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1部分 绪论
• 1.1 本论文的学术背景、理论与现实意义
• 1.2 与本论文有关的国内外文献综述
• 1.2.1 心血管系统无机材料的研究与应用现状
• 1.2.2 材料生物相容性及其机理的研究现状
• 1.2.3 材料表面内皮细胞化的研究现状
• 1.2.4 材料表面生物化的研究现状
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 1.3.1 薄膜合成与微观特性研究
• 1.3.2 薄膜理化性质与力学性质研究
• 1.3.3 薄膜血液相容性研究
• 1.3.4 薄膜内皮细胞种植研究
• 1.3.5 薄膜表面促内皮化生物化学修饰研究
• 1.3.6 薄膜生物相容性机理研究
• 1.4 本论文的研究方案与目标
• 1.4.1 研究方案
• 1.4.2 研究目标
• 1.5 本论文的来源
• 第2部分 Ti-Ta-O薄膜的合成及微观特征
• 2.1 制备Ti-Ta-O薄膜的磁控溅射技术
• 2.2 靶材设计与制作
• 2.2.1 Ti-Ta复合靶设计
• 2.2.2 Ta镶嵌头数量确定
• 2.3 磁控溅射直接合成Ti-Ta-O薄膜及其微观特征
• 2.3.1 氧分压的确定
• 2.3.2 Ti-Ta-O薄膜合成
• 2.3.3 Ti-Ta-O薄膜的微观特征
• 2.4 磁控溅射合成Ti-Ta薄膜后热氧化形成Ti-Ta-O薄膜及其微观特征
• 2.4.1 Ti-Ta-O薄膜合成
• 2.4.2 Ti-Ta-O薄膜的微观特征
• 2.5 两种Ti-Ta-O薄膜的对比分析
• 2.6 本部分小结
• 第3部分 Ti-Ta-O薄膜的物理化学性质与力学性质
• 3.1 Ti-Ta-O薄膜的接触角、表面能、临界表面张力
• 3.1.1 接触角θ结果
• S结果'>3.1.2 表面能γ_S结果
• 3.1.3 临界表面张力结果
• 3.2 Ti-Ta-O薄膜与人体液／模拟体液的界面参数
• 3.2.1 薄膜与体液／模拟体液的接触角结果
• S-L结果'>3.2.2 薄膜与血液及其成分的界面能γ_S-L结果
• 3.3 Ti-Ta-O薄膜的禁带宽度、Hall参数、电阻率、光吸收系数
• 3.3.1 禁带宽度结果
• 3.3.2 Hall效应测试结果
• 3.3.3 电阻（率）结果
• 3.3.4 光吸收系数结果
• 3.4 Ti-Ta-O薄膜的显微硬度测试结果
• 3.5 Ti-Ta-O薄膜的耐磨性测试结果
• 3.5.1 磨损曲线
• 3.5.2 磨痕宽度
• 3.6 本部分小结
• 第4部分 Ti-（Ta）-O薄膜的血液相容性
• 4.1 Ti-Ta-O薄膜的血液相容性体外评价
• 4.1.1 体外血小板粘附实验结果
• 4.1.2 溶血性测试结果
• 4.1.3 动态凝血时间测试结果
• 4.1.4 体外凝血酶时间、凝血酶原时间与部分凝血酶时间测试结果
• 4.1.5 蛋白质吸附测试结果
• 4.1.6 血液相容性体外综合评价与小结
• 4.2 Ti-Ta-O薄膜的血液相容性动物体内试片埋植结果
• 4.2.1 动物实验概况
• 4.2.2 实验结果分析
• 4.3 Ti-（Ta）-O薄膜的血液相容性动物体内实物埋植结果
• 4.3.1 人工心脏瓣膜瓣叶材料体内埋植实验结果
• 4.3.2 血管支架体内埋植实验结果
• 4.4 本部分小结
• 第5部分 Ti-（Ta）-O薄膜的组织／（内皮细胞）相容性
• 5.1 Ti-（Ta）-O薄膜的体外内皮细胞种植实验结果
• 5.1.1 体外内皮细胞培养实验
• 5.1.2 体外内皮细胞鉴定结果
• 5.1.3 体外内皮细胞种植结果
• 5.2 Ti-（Ta）-O薄膜的动物体内试片埋植结果
• 5.2.1 试片体内埋植情况
• 5.2.2 植入试片的宏观观察结果
• 5.2.3 植入试片的微观观察结果
• 5.2.4 植入试片的病理切片结果
• 5.3 Ti-（Ta）-O薄膜的动物体内实物埋植结果
• 5.3.1 植入支架的造影检查结果
• 5.3.2 植入支架的扫描电镜观察结果
• 5.3.3 植入支架的病理检查结果
• 5.4 Ti-（Ta）-O薄膜表面促内皮化生物化学修饰初探
• 5.4.1 薄膜表面活化
• 5.4.2 薄膜表面生物分子固定
• 5.4.3 薄膜表面生物内皮化研究
• 5.5 本部分小结
• 第6部分 Ti-（Ta）-O薄膜性质相互关系与生物相容性机理探讨
• 6.1 Ta含量对Ti-Ta-O薄膜微特征的影响
• 6.1.1 对成分和结构的影响
• 6.1.2 对表面形貌的影响
• 6.2 Ta含量对Ti-Ta-O薄膜理化性质的影响
• 6.3 Ta含量对Ti-Ta-O薄膜力学性质的影响
• 6.4 Ti-（Ta）-O薄膜生物相容性的影响因素及其机理探讨
• 6.4.1 对血液相容性的影响
• 6.4.2 对组织（内皮细胞）相容性的影响
• 6.5 本部分小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录Ⅰ 测接触角所用各试剂的表面张力及其分量
• 附录Ⅱ 人体血液中的几种有形成分的表面能参数
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果