基于超疏水和流变减阻理论的仿生心脏瓣膜的基础研究

摘要

置换人工心脏瓣膜是治疗心脏瓣膜疾病的最有效的方法之一，也是临床治疗的最后一步。机械瓣虽然因其具有较长的使用寿命而成为目前临床上使用最为广泛的一种人工心脏瓣膜，但由于其不具有天然心脏瓣膜最优化的血流动力学性能，置入人体后即使患者终身服用抗凝药物，却仍会出现瓣膜血栓形成、血栓栓塞和抗凝相关出血等并发症。因此，解决机械瓣的血液相容性问题是目前机械瓣膜研究工作的中心内容，这项工作不仅具有重要的科学意义，而且具有重大的经济价值和社会意义。 师法自然，本文首先研究了老鼠的主动脉瓣、二尖瓣以及白兔的三尖瓣表面的微细结构，发现动物心脏瓣膜表面均匀分布着微米级的“鹅卵石”和许多纳米纤毛。这种与荷叶表面相似的微纳复合阶层结构使得血液流经瓣膜表面时流动阻力减小，血小板在瓣膜表面的粘附也随之而减少，从而最终降低了血栓的形成。同时发现，生物界具有超疏水性能的昆虫翅膀表面的微结构形状和尺度也各不相同。 受此启发，为制备具有超疏水性能的仿生人工心脏瓣膜表面，首先构建了二维平行光栅、三维周期方柱、方形凹坑以及乳突微结构，同时根据两种经典超疏水理论——Wenzel理论和Cassie理论，分析了超疏水发生的条件，并分别建立了四种微结构的表观接触角理论模型，初步探讨了表面微结构参数对其疏水性能的影响以及不同微结构形状下两种状态之间的转换。 仿生超疏水心脏瓣膜表面微细结构的制备是其性能研究的前提和基础。本课题利用飞秒激光加工技术分别在K9玻璃、聚氨酯、热解炭等心脏瓣膜材料表面加工二维光栅和三维乳突微结构，并进行疏水性能的表征，探讨了加工用激光参数对表面微细结构及疏水性能的影响；同时用软刻蚀法在PDMS表面加工出周期方柱和方孔微结构，通过比较其超疏水性能发现参数相同、形状互补的方柱和方孔微结构的疏水性能也互补。 滑移减阻是超疏水微结构人工心脏瓣膜表面的一个重要特性，也是其表面能减少血栓形成的主要因素。本课题利用流变仪研究了超疏水微结构固体表面的流变减阻特性，在验证超疏水表面存在滑移的基础上，推导了超疏水表面滑移长度与减阻率的计算公式。分别用新鲜血液、血浆和水在不同周期间距的乳突微结构聚氨酯表面研究了超疏水表面的流变减阻性能。结果表明，在一定范围内，乳突微结构周期间距越大，其表面减阻性能越好，但当周期间距增大到一定的程度时，减阻效果反而降低了，这是因为液滴在表面的超疏水状态发生了转变的缘故。 血液相容性的好坏是衡量人工心脏瓣膜质量高低的关键因素，通过在PDMS、聚氨酯、热解炭三种材料表面构建形状不同、参数不同的微细结构，并通过血小板粘附实验、动态凝血实验以及溶血实验来研究表面微细结构对血液相容性的影响。结果表明，微结构周期间距同样对血液相容性有很大的影响，在一定范围内，周期间距越大，血液相容性越好，但超过这个范围时，材料表面的血液相容性反而会随着周期间距的增大而降低。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 论

1.1引言

1.2人工心脏瓣膜的发展现状

1.2.1生物瓣膜

1.2.2组织工程心脏瓣膜

1.2.3机械瓣膜

1.3几种常用的生物材料

1.3.1聚二甲基硅氧烷

1.3.2聚氨酯

1.3.3热解炭

1.4机械瓣膜表面改性方法

1.4.1材料表面涂层处理

1.4.2聚氨酯表面处理技术

1.5本课题研究的主要内容

第二章心脏瓣膜表面微细结构

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验材料、试剂和仪器

2.2.2实验方法

2.3结果与讨论

2.3.1主动脉瓣表面形貌

2.3.2二尖瓣表面形貌

2.3.3三尖瓣表面形貌

2.4其他生物原型表面微细结构

2.4.1实验材料与仪器

2.4.2实验方法

2.4.3结果与讨论

2.5本章小结

第三章仿生心脏瓣膜超疏水微结构表面的设计

3.1引言

3.2超疏水润湿理论

3.2.1接触角

3.2.2 Wenzel理论

3.2.3 Cassie理论

3.2.4两种润湿状态之间的转换

3.2.5滚落角

3.3微结构表面设计与参数表征

3.3.1二维平行光栅微结构

3.3.2三维周期方柱阵列微结构

3.3.3三维周期方形凹坑微结构

3.3.4三维周期乳突微结构

3.4本章小结

第四章仿生心脏瓣膜超疏水微结构表面的制备与表征

4.1引言

4.2超疏水表面制作技术

4.2.1模板法

4.2.2静电纺丝法

4.2.3相分离技术

4.2.4气相沉积法

4.2.5电化学法

4.2.6溶胶-凝胶法

4.2.7刻蚀法

4.3飞秒激光加工表面周期微细结构

4.3.1飞秒激光与物质相互作用机制

4.3.2实验部分

4.3.3实验结果与讨论

4.4软刻蚀法制备表面微细结构

4.4.1实验部分

4.4.2结果与讨论

4.5本章小结

第五章仿生心脏瓣膜表面超疏水微结构表面滑移减阻研究

5.1引言

5.2滑移减阻理论

5.2.1粘附功

5.5.2压力梯度

5.2.3滑移长度

5.3实验部分

5.3.1实验材料、试剂与仪器

5.3.2实验内容

5.4结果与讨论

5.4.1表面存在滑移的实验验证

5.4.2光栅微结构表面减阻特性

5.4.3粘度对减阻效果的影响

5.4.4微结构参数对滑移减阻特性的影响

5.5本章小结

第六章仿生心脏瓣膜超疏水微结构表面血液相容性研究

6.1引言

6.2血小板粘附实验

6.2.1实验材料、仪器和试剂

6.2.2实验方法

6.2.3结果与讨论

6.2.4结论

6.3动态凝血实验

6.3.1实验材料、仪器和试剂

6.3.2实验方法

6.3.3结果与讨论

6.3.4结论

6.4溶血实验

6.4.1实验材料、仪器和试剂

6.4.2实验方法

6.4.3结果与讨论

6.4.4结论

6.5本章小结

第七章总结与展望

7.1总结

7.2创新

7.3展望

参考文献

致 谢

博士期间参与的科研项目

攻读博士学位期间发表的论文、专利