人工心瓣热解炭涂层的微观结构与性能研究

摘要

人工心瓣是供心瓣病变患者使用,代替病变人体心瓣功能的人造器件。经过四代的改进与发展,人工机械心瓣的临床应用已取得了很好的效果。目前临床应用最为广泛的是双叶式机械瓣,它主要由瓣环、瓣架和瓣片三部分组成,其中瓣架和瓣片上涂覆有一层各向同性热解炭材料。各向同性热解炭是一种由含碳物质在低于1500℃高温下热解,并沉积在基体上的过渡态碳材料。碳氢化合物利用化学气相沉积方法,在气态条件下热解,并在沉积的过程中共沉入硅就生成了含硅热解炭材料。含硅热解炭材料具有良好的抗血凝性能、生物相容性、强度高和耐磨性好等特点,在生物医学工程领域具有广阔的应用前景。受人工心瓣热解炭涂层缺陷瓶颈的制约,我国高品质的双叶式人工机械心瓣的研制和生产进度缓慢,无法满足临床应用的需求。系统深入地研究人工心瓣热解炭涂层材料微观结构,有效地分析其择优取向度,准确地测定其力学性能,可以为进一步掌握人工心瓣热解炭涂层材料微观结构与力学性能之间的关系、揭示沉积机理提供理论基础和技术支撑,最终解决人工心瓣热解炭涂层的缺陷问题、提高国产人工心瓣的使用性能。
　　 本文采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、透射电镜(TEM)和偏光显微镜(PLM)等分析手段,从宏观尺度到微观尺度,分析了人工心瓣热解炭涂层的结构:采用选区电子衍射(SAED)法测定取向角(OA)和培根各向异性因子(BAF),分析了人工心瓣热解炭涂层的择优取向度;采用三点弯曲法和维氏硬度法,分别测试了经热处理前后人工心瓣热解炭涂层的抗弯强度、弹性模量和显微硬度等力学性能。主要研究内容和结果如下:
　　 (1)研究了人工心瓣热解炭涂层的物相组成。结果表明,涂层只由两种物相组成,即β-SiC和乱层结构热解炭。
　　 (2)研究了人工心瓣热解炭涂层的结构特征。结果表明,涂层主要由球形颗粒状碳结构(直径均为300 nm到1μm)组成;颗粒无规则堆积偶尔形成直径约为0.1-1μm的闭合孔洞;颗粒之间由片层状碳结构紧密相连;球形颗粒状结构内部碳层平面趋向于同心环排列,即沿着球形颗粒的圆周方向排列。
　　 (3)研究了人工心瓣热解炭涂层中硅元素的含量以及β-SiC的分布。结果表明,涂层中硅元素分布相对均匀,其含量约为6.48wt％,也可以说少量的β-SiC均匀地分散在连续碳基质之中;涂层中β-SiC晶粒(直径约6-8nm)分布无规则取向,在宏观尺度内均匀分布,但微观尺度内存在集聚现象。
　　 (4)通过测定取向角分析了热解炭的择优取向度。结果表明,通过选区电子衍射图谱测定取向角可以有效地分析热解炭的择优取向度,取向角越大则择优取向度越低;本文所测涂层试样在局部区域(直径为190 nm的选区)内热解炭涂层的平均取向角为72°;并且球形颗粒内芳香碳平面的择优取向方向平行于颗粒表面;这种球形颗粒状结构决定了涂层的取向角随选区面积的增大而增大,而球形颗粒较高的体积比又将进一步导致热解炭涂层整体呈现各向同性。
　　 (5)研究了利用选区电子衍射图谱测定含硅热解炭涂层的培根各向异性因子(BAF)的方法。结果表明,BAF能够定量表征热解炭的择优取向,BAF值范围从1到无穷大,其值越大表示择优取向度越高;随取向角的增加BAF以指数形式减小;当热解炭趋于各向同性时,取向角趋于180°,BAF趋近于1。
　　 (6)研究了人工心瓣热解炭涂层的力学性能。结果表明,人工心瓣热解炭涂层是一种脆性材料,且经热处理后涂层的抗弯强度、弹性模量和显微硬度值稍有降低。