基于优化血液相容性的生物医用金属材料表面设计与改性

摘要

在生物医学材料的研究与开发中，根据材料在生物体内的使用部位不同，对其生物相容性有不同的要求，与血液接触的材料，主要考虑其血液相容性。
　　 作为血管支架常用材料316L不锈钢、NiTi合金，虽然它们比一般金属材料耐腐蚀，且有较好的血液相容性，但长期浸没在血液中，人们还是发现了它们在血液中存在离子渗出、表面血栓等问题，如何提高医用316L不锈钢、NiTi合金的血液相容性已成为人们研究的重要课题。本文根据材料发生凝血反应，形成血栓的机理，提出一种新的材料表面设计思路来提高材料的血液相容性：即血液形成血栓时起关键作用的Ca2+、纤维蛋白原、血小板及红细胞等生物粒子在磁场中都表现出抗磁性，受到磁力的排斥作用。为此，可通过在材料表面产生微磁场，来抑制或减弱它们在材料表面的沉积，从而从根本上解决形成血栓的问题。
　　 本文以在316L不锈钢、NiTi合金表面涂覆含SrFe12019磁粉的Ti02薄膜，磁化后在表面构建微磁场，以此研究它们的血液相容性。具体方法是：①用溶胶一凝胶法制备纳米SrFe12019磁性粉末；②用溶胶一凝胶法在316L不锈钢、NiTi合金基片上制备含SrFe12019磁性粉末的均匀致密的Ti02薄膜；③将上述试样中SrFe12019磁粉磁化，研究不同磁粉含量对微磁场影响进而研究不同磁粉含量的薄膜对血液相容性的影响。
　　 运用x射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)分析了SrFel2019磁性粉末的结构、尺寸及形貌；用HH-15型振动样品磁强计测试了SrFe12019粉末的磁学性能；运用XRD、扫描电镜(SEM)分析了薄膜的成分、结构、形貌；通过划痕实验表征了膜基结合强弱；用CT3特斯拉计测量了试样表面磁场强度；采用SJ-201型粗糙度仪测量薄膜表面的粗糙度；通过腐蚀、动态凝血时间、溶血率以及血小板粘附等实验初步评价薄膜的血液相容性。
　　 用溶胶一凝胶法成功制得较纯的SrFe12019磁性粉末，该磁性粉末颗粒形貌为六角形和球形，尺寸均匀，粒径在20-50nm之间。磁滞回线的分析和测试表明，经过在850℃下保温lh再升温到950℃热处理的SrFe12019超微粉末的饱和磁化强度为99.95emu/g，矫顽力Hc为2275.450e，剩余磁化强度30.39emu/g，具有较好的磁学性能。
　　 以钛酸正丁酯为主要原料，无水乙醇为溶剂，盐酸和乙酰丙酮为添加剂，通过控制合适的工艺，用sol-gel法在316L不锈钢和NiTi合金表面制备含磁粉的Ti02薄膜。采用缓慢的速度升温(1～2℃/min)加热至500℃热处理1h，形成均匀、致密、颗粒细小的锐钛矿型Ti02薄膜，薄膜完整且界面结合良好。划痕法测得添加SrFe12019磁粉后薄膜与不锈钢及NiTi合金基片之间的结合力分别为27牛和30牛，与Ti02薄膜和基片的结合力相近，说明加入SrFe12019磁粉对膜基结合力没有不良的影响。
　　 腐蚀试验表明，在316L不锈钢和NiTi合金表面涂覆含SrFe12019磁粉的Ti02薄膜后，能够有效提高金属材料耐体液腐蚀的能力，阻止有毒镍离子等的析出；动态凝血时间测试表明，添加SrFe12019磁性粉末的Ti02薄膜的凝血时间延长，有较好的抗凝血性；溶血率实验表明，涂覆添加SrFe12019磁性粉末的Ti02薄膜的溶血率较低，对血红细胞的破坏程度减轻；血小板粘附实验表明，添加SrFe12019磁性粉末的Ti02薄膜表面粘附的血小板数量要小于基片表面，且血小板无明显的伪足生长。实验综合表明，在316L不锈钢和NiTi合金表面涂覆含SrFel2019磁粉的Ti02薄膜表现出良好的血液相容性。并且薄膜中磁粉含量越高，磁性能越强，抗凝血性能越好。在实验分析基础上，探讨了生物医用材料表面微磁场提高材料血液相容性的机理。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 本课题研究的目的

1.2 生物医用材料概述

1.2.1 生物医用材料的发展

1.2.2 人体生理环境

1.2.3 生物医用材料的特性

1.2.4 生物医用材料的分类

1.3 316L不锈钢、NiTi合金血液相容性研究

1.3.1 316L不锈钢、NiTi合金血管支架应用中存在的两个主要问题

1.3.2 生物医用材料表面血栓的形成机理

1.3.3 影响材料抗凝血性的表面因素

1.3.4 提高316L、NiTi合金支架血液相容性的途径

1.3.5 本课题研究的主要内容

第二章 纳米SrFel2019粉体的制备及表征

2.1 磁性粉体的生物化选择与制备

2.2 SrFe12019粉体制备

2.2.1 实验材料与仪器

2.2.2 SrFe12019粉体制备工艺

2.2.3 干凝胶烧结过程物相分析

2.3 SrFe12019粉体的纳米化

2.3.1 SrFe12019粉体制备工艺优化

2.3.2 SrFe12019粉体TEM分析

2.4 粉体的磁学性能测试

2.4.1 粉体的的磁滞回线

2.4..2 饱和磁化强度和矫顽力

第三章 生物化设计的含SrFe12019磁粉TiO2薄膜制备与表征

3.1 基于优化血液相容性的生物膜设计

3.2 含SrFe12019磁粉Ti02薄膜制备

3.2.1 Ti02薄膜制备常用方法

3.2.2 含SrFe12019磁粉Ti02薄膜的制备与表征

3.2.3 实验结果与分析

3.3 本章小结

第四章 制备的生物化膜的血液相容性研究

4.1 医用材料血液相容性评价方法

4.2 试样薄膜动态凝血时间测定

4.2.1 实验材料与仪器

4.2.2 实验过程

4.2.3 实验结果与讨论

4.3 溶血率测定

4.3.1 实验材料与仪器

4.3.2 实验过程

4.3.3 实验结果与讨论

4.4 血小板粘附测定

4.4.1 实验材料与仪器

4.4.2 实验过程

4.4.3 实验结果与讨论

4.5 腐蚀实验

4.5.1 实验材料与仪器

4.5.2 实验过程

4.5.3 实验结果与分析

4.6 本章小结

第五章 基于提高血液相容性的含SrFe12019磁粉Ti02薄膜的优化

5.1 薄膜表面微磁场磁性能对血液相容性影响

5.1.1 不同磁性能含SrFe12019磁粉Ti02薄膜制备

5.1.2 不同层数含SrFel2019磁粉Ti02薄膜磁性能

5.1.3 不同层数含SrFe12019磁粉Ti02薄膜血液相容性测定

5.1.4. 实验结果与讨论

5.2 含SrFe12019磁粉Ti02薄膜表面粗糙度对血液相容性影响

5.2.1 不同粗糙度的薄膜制备

5.2.2 薄膜表面微粗糙度的测定

5.2.3 不同粗糙度薄膜血液相容性测定

5.2.4 实验结果与讨论

5.3 本章小节

第六章 材料表面微磁场改善血液相容性机理探讨

第七章 结论

参考文献

攻读博士期间发表的论文及相关成果

致谢