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编号:10286756
热解碳人工心脏瓣膜材料表面改性研究
http://www.100md.com 《生物医学工程学杂志》 1999年第2期
     作者:黄 楠 杨 萍 冷永祥 程 璇

    单位:西南交通大学 材料工程系,成都 610031

    关键词:人工心脏瓣膜材料;LTIC;表面改性;离子束;血液相容性

    生物医学工程学杂志990201 摘要 对氮离子注入热解碳及在热解碳表面离子束增强沉积钛氧化物薄膜进行了研究,采用X光电子能谱仪,俄歇电子能谱仪测定了表面改性层的成份和价态,用四探针方法测定了表面电阻率,用接触角方法测定了材料表面能,用动态凝血时间及血小板粘附评价了表面改性层的血液相容性。研究表明,热解碳经表面N+离子注入后有碳氮化合物形成,其血液相容性有所改善,而采用离子束增强沉积合成TiO2-x薄膜则使热解碳血液相容性获得了显著改善。

    Surface Modification of Low Temperature Isotropic Pyrolytic
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    Carbon Artificial Heart Valve Material

    Huang Nan Yang Ping Leng Yongxiang

    Department of Matebial Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031

    Abstract In this study, nitrogen ion implantation and titanium oxide film synthesized by ion beam enhanced deposition were adopted to treat low temperature isotropic pyrolytic carbon(LTIC).The chemical composition and valence state of the modified layer were determined by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Auger eletron spectroscopy (AES).The electric resisitance and the surface energy were measured by the four-probe system and the contact angle method respectively. The blood compatibility of the modified LTIC was evaluated by clotting time measurement and platelet adhesion test. The results showed that carbon-nitride was formed on the LTIC surface after N+ ion implantation, which had come effect on the improvement of blood compatibility, and a significant improvement of blood compatibility of LTIC coated by TiO2-x film was verified.
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    Key words Artificial heart valve material LTIC Surface modification Ion beam Blood compatibility

    1 前 言

    自人工心脏瓣膜置换应用于临床30年来,机械人工心脏瓣膜由于较优的耐久性而获得较广泛的应用,然而,机械人工心脏瓣膜材料的血液相容性较为欠缺,导致患者术后的并发症较高。据统计,我国人工心脏瓣膜置换者12年生存率仅42%[1],因而提高人工心脏瓣膜材料血液相容性是研究者的一项重要任务。

    在机械人工心脏瓣膜材料中,低温各向同性热解碳(LTIC)由于具有最好的血液相容性和良好的耐磨性,因而在近20年来一直代表人工心脏瓣材料的最高水平,较多研究试图发展更优的材料[2~%],但血液相容性优于热解碳的报导甚少。本工作首次采用了离子束技术,试图对热解碳进行表面改性。
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    2 研究方法

    2.1 表面改性方法

    采用两种离子束技术,离子注入及离子束增强沉积进行热解碳表面改性。离子注入参数是:氮离子注入能量5~20 KeV,剂量5×1016~25×1016 at/cm2,离子束增强沉积方法是:在真空度为5×10-7 torr的样品室内充入氧气,压力为1~13×10-6 torr,用电子束蒸发装置向样品台上的热解碳表面蒸发沉积钛,沉积速率1~10/S,同时用Xe离子束轰击样品表面,Xe+离子束能量40 KeV,束流密度为10~40 μA/cm2。薄膜中Ti∶O2的比例可通过控制Ti蒸发速率和氧气压力实现。
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    2.2 成分、价态测定及表面物理性质研究

    用俄歇电子能谱仪和X光电子能谱仪测定经N+离子注入及表面离子束增强沉积Ti-O薄膜的热解碳的成分与价态,用四探针电阻测定仪测定Ti-O薄膜的电阻率,用接触角测定材料表面能。根据以下公式:

    其中:rLv、rpLv、rdLv分别为测试液体的表面能及其极性分量和色散分量,计算材料表面能的极性分量rps和色散分量rds

    2.3 血液相容性研究

    用动态凝血时间[6]和血小板粘附试验评价材料的血液相容性。动态凝血时间测定过程为:用注射器从兔子心脏抽取一定量的血液(约5 ml),在测试样品上滴0.1 ml新鲜血液,静置一定时间然后把样品转移至烧杯中,并在烧杯中加入50 ml蒸馏水,未凝固在样品上的红细胞将起溶血反应,自由的血红蛋白将均匀分散于水中,其浓度用分光光度计测量(波长540 nm),用溶液的吸光度表征,每个时间点测定3个样品取平均值。实验由一只兔子的血液一次完成,实验温度25℃。血小板粘附试验采用新鲜抗凝人血(3.8%枸橼酸钠:血液为1∶9)50ml离心20min后获得血小板血浆,将试样浸泡于37℃血小板液中至3 h,经生理盐水漂洗,戊二醛固定液固定,系列脱水,系列脱醇,经临界点干燥后喷金,于光学显微镜和扫描电子显微镜上观察血小板形态并任意选取20个视场进行粘附率的统计分析。
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    3 结果

    对未处理及N+离子注入热解碳样品表面XPS分析表明:未处理的热解碳C1s(图1a)有两个峰位,284.4 eV和288.9 eV,位于284.4 eV处谱峰是热解碳的单质状态的非晶结构的碳原子C1s峰,位于288.9eV峰是与氧化合的部分碳原子(CO型)的C1s峰,经低能N+离子注入后(图1b)在286.8eV处有新的谱峰形成,根据关于碳氮化合物研究报导[7]可以确定该峰是非化学计量比的碳氮化合物CNx的C1s。表1为XPS和AES分析获得的热解碳表面氮含量和CNx的含量。
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    (a) Untreated (b) N+ ion implanted

    图1 热解碳表面的光电子能谱C1s

    Fig 1 XPS spectrum C1s of LTIC

    表1 热解碳表面的氮含量及CNx化合物含量

    Table 1 The measurements of nitrogen atom and CNx compound on the surface of LTIC No.

    Ion energy

    and dose
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    N atom measured

    by AES

    CNx measured

    by XPS

    1

    untreated

    <5

    -

    2

    20keV 2×1017

    <5

    -
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    3

    10keV 1×1017

    <5

    -

    4

    5keV 5×1016

    7

    5

    5

    5keV 2.5×1017

    18

    13
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    由表1可见N+离子注入剂量越高能量越低,在表面形成的CNx化合物含量越高。表2为N+离子注入的热解碳的表面能测定结果,由表2可见,经N+离子注入,材料表面能性质(rds/rps)1/2有所改变。

    表2 N+离子注入的热解碳的表面能

    Table 2 Surface energies of LTIC implanted by nitrogen ion Samples

    rd1/2s(dyne/cm)1/2

    (rps)1/2(dyne/cm)1/2
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    (rds/rps)1/2

    rs(dyne/cm)

    1

    6.15

    2.93

    2.10

    46.4

    2

    6.03

    3.09

    1.95
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    45.9

    3

    6.20

    2.78

    2.23

    46.2

    4

    6.21

    2.69

    2.38

    45.4

    5

    6.22
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    2.66

    2.34

    45.8

    采用俄歇电子能谱仪测定表明[8],用离子束增强沉积合成的薄膜的成分是非化学计量比的TiO2-x,随沉积参数PO2/VTi(沉积室氧气压力/钛蒸发速率)增加,薄膜中氧原子含量增加,逐渐接近化学计量比TiO2。对薄膜价态的XPS分析表明,薄膜中钛的价态为Ti4+和Ti3+,在氧原子含量较低的样品中还存在少量Ti2+

    对Ti-O薄膜的电阻率测定表明:随PO2/VTi增加,其电阻率显著增加,薄膜的电阻率处于半导体范围内[8]
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    图2为表面改性的热解碳的动态凝血试验结果。由于实验温度较高,在血液与材料接触40 min后可观察到有白细胞溶出而影响吸光度值,因而实验的吸光度的有效值在40 min以前的较高的数值范围内。吸光度表征的是材料面与血液接触预定时间后未凝固的血液的相对量,经表面沉积TiO2-x薄膜的热解碳材料具有最高的吸光度值,表明该材料具有最高的抗凝血特性。

    图2 动态凝血实验吸光度与时间的关系

    Fig 2 The absorbance of different materials vs time

    图3为血小板在材料表面粘附量的统计结果,在TiO2-x表面粘附的血小板最小,而经N+离子注入的热解碳表面血小板粘附量比未处理的热解碳略有减少。
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    图3 血小板在材料表面的粘附量(浸泡时间1 h)

    Fig 3 The number of platelets adhered to the materials' surface (after an hour's immersion in platelets plasm)

    图4为在材料表面粘附的血小板的形态的扫描电镜照片,于血小板血浆中浸泡3 h后,在TiO2-x薄膜表面的血小板不仅数量少,而且聚集和伪足状态均不严重,而在未镀膜的两种热解碳的表面,血小板的聚集和伪足已发展成立体堆垛、网状交联的形态。这表明TiO2-x薄膜可非常有效地抑制血小板与材料表面反应,抑制凝血过程。

    图4 血小板的扫描电镜形态
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    Fig 4 The morphology of platelets adhered to the materials

    浸泡时间1 h a1未处理 b1 N+注入 c1 TiO2-x薄膜沉积

    Immersed in platelets plasm for an hour a1 untreated b1 N+ ion implanted c1 TiO2-x film deposited

    浸泡时间3 h a2未处理 b2 N+注入 c2 TiO2-x薄膜沉积

    Immersed in platelets plasm for 3 hours a2 untreated b2 N+ ion implanted c2 TiO2-x film deposited
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    4 讨 论

    大量研究表明:血液与材料相互作用首先发生的是血液中的蛋白质在材料表面的吸附和变性。白蛋白在材料表面吸附有助于材料抗凝血性能改善,而纤维蛋白原、球蛋白等在材料表面的吸附和构象变化将进一步激活凝血因子和血小板,产生级联的凝血反应过程而形成血栓。

    已经证实,纤维蛋白原具有半导体特性,其禁带宽度为1.8 eV[9],纤维蛋白原的变性涉及纤维蛋白原价带中的电荷向材料表面转移而导致纤维蛋白原分解为纤维蛋白单体和纤维蛋白肽,继而单体间结合促使凝血过程的发展[5]。因而阻止纤维蛋白原的电荷转移过程是抑制纤维蛋白原变性的有效途径。

    由于TiO2-x是n型半导体,禁带宽度为3.2 eV[10],可使纤维蛋白原的价带和导带均落在TiO2-x的禁带之内,由于材料具有n型半导体特性,其价带空穴很少而导带存在电子,材料表面提供的可俘获纤维蛋白原的电子的陷阱较少,相反由于费米能级提高,功函数减少,电子更易溢出材料表面,阻碍了纤维蛋白原的电子转移和分解过程。因而可阻碍材料表面吸附的蛋白质(纤维蛋白原)的构象变化而提高了抗凝血的性能。
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    对TiO2-x材料表面白蛋白和纤维蛋白原竞争吸附的定量研究表明[11],薄膜具有择优吸附白蛋白的倾向,这也是材料具有较好的抗凝血性能的一个原因。

    可以认为对于N+离子注入热解碳的血液相容性行为与其表面CNx形成有关,Ogata等研究表明,CNx化合物也具有半导体特性,其禁带宽度可达2.7 eV[12],因而也可能具有阻止纤维蛋白的变性作用,但由于所形成的CNx化合物含量较少,并且其CNx化合物不一定是n型半导体,因而其表面改性的效果有限。

    注释:国家自然科学基金资助项目(39470207)

    参考文献

    1 国家自然科学基金委员会.《生物医学工程学科发展战略调研报告》.1995∶88
, 百拇医药
    2 Mitamura Y. Development of a ceramic artificial heart valve. J.Biomater.Appl, 1989;4(1)∶35

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    4 Thomson A, Law FG, Rushton N et al. Blood compatibility of diamond-like carbon coating. Biomedical Materials and Engineering. 1993;3∶51

    5 Bolz A, Schaldach M. Artificial heart valves:Improved blood compatibility by PECVD-Sic:H coating. Artificial Organs, 1990; 144(4)∶260
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    6 Imai Y, Nose Y. A new method for evaluation of antithrombogenicity of materials. J Biomed Mater Res, 1972;6(3)∶165

    7 Marton D, Boyd KJ, Ac-Bayai AH et al. Phys. Rev, Lett,1994;73∶118

    8 黄 楠等.离子束增强沉积合成钛氧化物薄膜——改善生物材料血液相容性的新途径.北京:中国科协第二届青年学术年会论文集,1995∶585

    9 Baurschmidt P, Schaldach M. Electrochemical aspects of the thrombogenicity of a material. J Bioengng, 1997; 1(11)∶261

    10 Jarzebski ZM. Oxide Semiconductors. Pergamon Press, 1973

    11 张 峰,黄 楠,柳襄怀.氧化钛薄膜的血液相容性研究.功能材料与器件学报,1997;1∶54

    12 Ogata K, Fernando J, Chubacci D et al. J Appl.phys, 1994;76(6)∶3791

    收稿:1997-12-30 修回:1998-03-19, 百拇医药