非晶碳薄膜的结构及其血液相容性的研究

摘要

本论文采用两种制备方法：磁过滤离子束沉积和脉冲激光蒸发沉积制备了不同微结构(sp<'3>C含量)的非晶碳薄膜，研究了衬底偏压、衬底温度、脉冲重复频率和单脉冲能量对薄膜结构和性质的影响，实现了sp<'3> c含量可控的非晶碳膜制备。并分别采用紫外一可见光谱、椭圆偏振光谱、拉曼光谱、X光电子能谱和电子能量损失谱等实验技术研究了薄膜的结构和光学性质。系统介绍了椭圆偏振光谱的原理和分析方法，提出了采用椭圆偏振光谱有效确定非晶碳薄膜中sp3 c含量的方法，并与电子能量损失谱和拉曼光谱等的结果进行了比较验证。分别采用血小板黏附实验、动态凝血实验等血液相容性评价方法研究了非晶碳薄膜的血液相容性。在介绍血液生理和凝血医学生理的基础上，总结和分析了影响非晶碳薄膜和生物材料抗凝血的研究成果，提出了生物材料与血液接触的电子转移模型以解释非晶碳薄膜的结构与其血液相容性的关系。 首先，通过调节磁过滤离子束沉积系统的衬底偏压，改变入射到衬底上的碳离子能量，可以实现调控氢化非晶碳薄膜的sp<'3>C含量，血液相容性实验的结果表明，薄膜中的sp<'3>C含量影响其血液相容性。 其次，研究了脉冲激光蒸发沉积中，衬底温度、脉冲重复频率和单脉冲能量对薄膜的结构产生的影响。衬底温度升高，使得薄膜sp<'2>C环结构有序化，包括sp<'2>。成分聚集长大及sp<'3>C向sp<'2>C成分转变伴随sp<'2>C环聚集。脉冲重复频率和单脉冲能量影响聚焦在石墨靶上的脉冲功率密度和入射碳离子的能量。脉冲功率密度存在一个阈值范围，过低和过高的脉冲功率密度使得非晶碳薄膜中的sp<'3>C含量降低，同时影响薄膜的生长速度。采用LifShitz的“子注入”生长模型，解释了脉冲激光蒸发中衬底温度、脉冲重复频率和单脉冲能量影响薄膜结构的生长机理。通过血小板黏附实验研究了不同脉冲重复频率制备的非晶碳薄膜的血液相容性，结果表明薄膜中的sp<'3>C含量影响其血液相容性。 再次，分析了椭圆偏振光谱分析薄膜中各种色散模型的特点，并根据非晶碳薄膜的结构特点，采用有效介质近似间接拟合的方法确定了氢化非晶碳薄膜中的sp<'3>C含量，并与电子能量损失谱和拉曼光谱的结果进行了比较验证；采用描述非晶半导体介电函数色散的谐振子模型分析了非晶碳薄膜的结构和光学性质的关系，通过谐振子拟合参数确定了非晶碳薄膜中的sp<'3>C含量，并与x光电子能谱和拉曼光谱的结果进行了比较验证。 最后，根据本论文非晶碳薄膜的sp<'3>C含量影响其血液相容性的结果，采用半导体异质结理论，计算了生物材料的禁带宽度、生物材料与血液接触的接触生物势以及电子掺杂对纤维蛋白原价带电子穿透几率的影响，提出生物材料与血液接触的电子转移模型以解释非晶碳薄膜的血液相容性结果。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1引言

1.2生物材料的分类和研究方向

1.3碳基血液相容性材料及研究概况

1.4本论文工作的出发点

1.5主要结果

第2章非晶碳薄膜制备和表征

2.1引言

2.1.1光学材料和电子器件

2.1.2微电子应用

2.1.3机械应用

2.1.4医疗应用

2.2氢化非晶碳膜和非晶碳膜的制备

2.2.1氢化非晶碳薄膜的制备

2.2.2不含氢非晶碳膜的制备

2.3氢化非晶碳膜和非晶碳膜的表征

2.3.1紫外-可见吸收光谱(UV)

2.3.2椭圆偏振光谱

2.3.3拉曼光谱

2.3.4 X光电子能谱(XPS)

2.3.5电子能量损失谱(EELS)[43-45]

2.3.6血液相容性实验

2.4本章小结

第3章实验结果与分析

3.1氢化非晶碳薄膜的结构和性能表征

3.1.1氢化非晶碳薄膜的光学性质

3.1.2氢化非晶碳薄膜的键结构性质

3.1.3氢化非晶碳薄膜的血液相容性性质

3.2非晶碳薄膜的结构和性能表征

3.2.1衬底温度对薄膜结构和性质的影响

3.2.2激光脉冲重复频率对薄膜结构和性质的影响

3.2.3激光脉冲能量对薄膜结构和性质的影响

3.3本章小结

第4章椭圆偏振光谱及非晶碳sp3 C成分的椭偏分析

4.1椭偏光谱技术简介

4.1.1椭偏技术发展简介

4.1.2椭偏技术的优势与应用

4.2椭偏技术原理

4.2.1固体的光学参量

4.2.2偏振光和偏振参数

4.2.3椭偏参数的定义

4.3椭偏参数谱的测量方法

4.4椭偏光谱分析的物理模型

4.4.1椭偏光谱分析的光学参数模型

4.4.2椭偏光谱分析的最佳目标函数选取

4.5椭偏光谱分析非晶碳薄膜中sp3 C成分的方法

4.6本章小结

第5章非晶碳薄膜抗凝血的电子转移简化模型

5.1血液生理与凝血的医学生物基础

5.1.1血液的组成、理化特性和主要功能

5.1.2凝血的医学生物基础

5.2材料抗凝血的研究方法和现状

5.3非晶碳薄膜抗凝血的电子转移简化模型

5.4本章小结

第6章总结和建议

6.1总结

6.2建议

参考文献

附录：攻读博士期间发表论文目录

致谢

原创性声明