医用钛材多功能表面改性研究
心血管疾病已经成为威胁我国人们健康的第一杀手，性能优异的生物材料对心血管疾病的治疗具有十分重要的作用。钛基生物材料广泛应用于血管支架等血管内植入医疗器械，但由于血液成分及内皮细胞功能改变导致的表面血栓形成及内皮功能紊乱常常导致植入失败，赋予材料表面多功能生物活性成为近年来血管内植入材料的研究热点和难点。本课题以医用钛材为研究对象，分别采用等离子体聚合及微接触印刷两种技术,在钛材表面固定具有抗凝血和促内皮细胞生长的生物大分子：肝素（Hep）和纤连蛋白（Fn）。水接触角结果表明等离子体聚合与微图形都可以使表面亲水性增加。红外光谱图表明活性基团已存在于等离子体聚合与微图形样品的表面。扫描电镜图展示了固定FN与FH的样品表面对血小板的粘附有抑制作用。细胞试验和CCK-8证明内皮细胞可在固定FN与FH的样品表面更好的增殖与生长。关键词 等离子体聚合，微接触印刷，接枝，生物相容性目录
1 绪论 1
1.1 医用金属材料 1
1.2 医用钛及其合金的性质与应用 1
1.3 生物相容性 1
1.4 医用钛材表面改性方法 2
1.5 生物医用钛材多功能表面改性 3
1.6 本课题研究的目的与意义 4
1.7 技术路线图 5
2 实验 5
2.1 材料、试剂及仪器 5
2.2 样品预处理 6
2.3 等离子体聚合 7
2.4 微接触印刷 8
2.5 表面结构表征 9
2.6 表面亲疏水性表征 10
2.7 表面形貌表征 10
2.8 细胞相容性表征 10
2.9 血液相容性表征 11
3 试验结果分析 11
3.1 红外光谱图分析 11
3.2 水接触角分析 13
3.3 等离子体聚合扫描电镜分析 14
3.4 等离子体聚合细胞粘附与增殖试验 15
3.5 微接触印刷细胞增殖与粘附试验 16
3.6 等离子体细胞增殖（CCK-8）试验 17
3.7 微接触印刷荧光染色图 18< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
结果分析 11
3.1 红外光谱图分析 11
3.2 水接触角分析 13
3.3 等离子体聚合扫描电镜分析 14
3.4 等离子体聚合细胞粘附与增殖试验 15
3.5 微接触印刷细胞增殖与粘附试验 16
3.6 等离子体细胞增殖（CCK-8）试验 17
3.7 微接触印刷荧光染色图 18
结论 19
致谢 20
参考文献 21
1 绪论
1.1 医用金属材料
生物医用材料是指用来对生命体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官，或增进其功能的材料[1]。金属材料是其中的一大类，它们具有高的机械强度和抗疲劳性能，故其应用非常广泛，遍及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等方面。作为生物医用的金属材料，除要求其具有良好的力学性能及物理性能外，优良的抗生理腐蚀性和生物相容性也是必不可少的条件。医用金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀，而造成的金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者导致植入的失败。常用的医用金属材料有纯金属（钛、金、锆等）、不锈钢、钴基合金、钛基合金等。钛及钛合金作为生物医用金属材料的一员，有其特有的优点和应用领域。
1.2 医用钛及其合金的性质与应用
与传统的不锈钢及钴铬合金相比，纯钛具有无毒、质轻、抗腐蚀、抗疲劳等优点。此外其还有良好的生物相容性，主要表现在两方面[2]：一，钛表面与组织具有良好的生物反应，不致癌、不诱发变态反应；二，钛不会产生炎症反应。纯钛是口腔人工种植牙和颌骨骨折的内固定等外科手术中首选的金属材料[3]。生物医用钛合金按材料显微组织类型可分为α型，α+β型，β型钛合金。钛合金应用于临床主要有以下几个优点：（1）质量轻，钛合金的密度仅为不锈钢的56%，植入人体后减轻人体的负荷量。（2）低的弹性模量，且与人体自然骨的弹性模量相近，可减少应力屏蔽效应，更有利于人骨的生长愈合。（3）良好的抗腐蚀性，其表面能够与常见气体发生反应生成一层致密的氧化膜，使其惰性大大增加，有利于与人体骨骼结合。（4）力学性能良好，强度高，韧性好，满足人体植入物的要求。到目前为止，纯钛和Ti-6Al-4V仍是应用最多的生物医用材料[4]。
1.3 生物相容性
生物材料必须具有良好的生物相容性才能确保临床应用的安全性[5]。生物相容性是指生物体与材料之间互相作用产生的各种物理、机械、化学和生物等反应[6]。可分为血液相容性和细胞相容性两大类[7]。血液相容性是指生物材料与血液接触后，产生符合要求的生物学反应的性能[8]。血液相容性既有材料对血液的作用，也有血液对材料的影响。细胞相容性是指生物材料植入体内后，细胞在材料的表面能够得到良好的粘附与生长。在生物材料的表面种植和培养血管内皮细胞是改善生物材料的血液相容性的最好途径。
1.4 医用钛材表面改性方法
钛及其合金作为生物医用材料主要存在以下问题[9]：（1）生物活性不足，作为骨替代物时，与骨成分相差较大，结合方式是机械式的，而非化学键式的结合。（2）耐磨性较差，表面的TiO2易脱落，无法对亚表层有较好的保护效果，使基体受到磨损，最终导致植入的失败。（3）耐蚀性有待提高。耐蚀性与生物相容性关系较大，虽然钛表面会生成一层致密的氧化膜，但由于人体环境的复杂性，在外力与体液的作用下，表面氧化膜会溶解、脱落，使用过程中会有物质释放到组织中，引起炎症反应。为了克服以上缺点，除了研究出性能更优异的钛合金外，还可以通过各种表面改性技术来改变钛合金植入材料的表面结构及化学成分来改善其生物活性。钛表面的常用改性技术有离子注入、气相沉积、光刻加工等。
表 1-1 常用钛材表面改性方法举例
主要技术
原理
优点
离子注入
溅射镀膜
化学气相沉积
微弧氧化
电化学沉积
自组装单分子层
等离子喷涂
通过高频放电，使元素气化，在外加电场作用下，元素被打入材料表面。
在真空中，利用低压气体放电产生的正离子轰击阴极，在基片表面沉积成膜。
利用气态物质在固体表面进行化学反应，生成固态沉积物。
将金属置于电解质水溶液中，在热化学、电化学和等离子化学共同作用下，生成陶瓷层
溶液中的带电粒子在电场作用下发生定向移动并沉积于基体表面。
通过固-液界面的化学反应或化学吸附，在基片表面形成化学键连接单分子膜。
利用等离子枪产生等离子流将粉末加热和加速，在熔融状态下喷向基体表面形成涂层。
提高表面硬度及强度，改善表面耐蚀性等。
膜层结合力强，膜层致密、均匀。
薄膜均匀性好，内应力低，绕镀性好。
工艺简单、效率高、无污染、处理工件能力强。
沉积温度低，膜层成分、厚度、孔隙率可控。
具有更优良的生物活性，适应于植入人体。
可喷涂各种高熔点、耐磨、耐热涂层。
1.5 生物医用钛材多功能表面改性
由于材料植入人体血管后将与人体血液及内皮细胞发生十分复杂的界面反应，钛基血管内植入材料的表面改性必须全面考虑材料与血液及内皮细胞之间的多种作用机制，通过构建多功能生物活性表面来调控材料与血液及内皮细胞之间的界面生物学行为，进而根本性地改进材料的性能和功能。
赋予材料多功能生物活性，使其对血液、周围组织、细胞进行生物调控的能力近年来成为血管内植入材料的研究热点和难点。在材料表面固定两种或多种生物活性分子是多功能生物活性表面构建的常用方法。聚乙二醇（PEG）具有优异的抑制蛋白吸附能力，在固定PEG的基础上进一步固定抗凝血酶-肝素复合物、玉米胰蛋白酶抑制剂（CTI）或水蛭素等生物活性分子，可以发挥两种或多种分子的抗凝血生物活性[10-12]，从多个途径抑制凝血发生。利用肝素可以与纤连蛋白形成复合物的特点，可以在自组装胺基硅烷的钛材表面静电吸附或共价固定肝素-纤连蛋白复合物，同时赋予材料表面抗凝生物活性和诱导内皮形成能力[13]，用于血管内植入材料的表面改性。采用层层自组装（LBL）技术在钛材表面构建由多种生物活性分子组成的复合多层结构也可以赋予材料多功能生物活性[14]，同时提高材料的抗凝血性能及促内皮细胞生长性能。随着对材料于血液及细胞的界面相互作用机理
1 绪论 1
1.1 医用金属材料 1
1.2 医用钛及其合金的性质与应用 1
1.3 生物相容性 1
1.4 医用钛材表面改性方法 2
1.5 生物医用钛材多功能表面改性 3
1.6 本课题研究的目的与意义 4
1.7 技术路线图 5
2 实验 5
2.1 材料、试剂及仪器 5
2.2 样品预处理 6
2.3 等离子体聚合 7
2.4 微接触印刷 8
2.5 表面结构表征 9
2.6 表面亲疏水性表征 10
2.7 表面形貌表征 10
2.8 细胞相容性表征 10
2.9 血液相容性表征 11
3 试验结果分析 11
3.1 红外光谱图分析 11
3.2 水接触角分析 13
3.3 等离子体聚合扫描电镜分析 14
3.4 等离子体聚合细胞粘附与增殖试验 15
3.5 微接触印刷细胞增殖与粘附试验 16
3.6 等离子体细胞增殖（CCK-8）试验 17
3.7 微接触印刷荧光染色图 18< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
结果分析 11
3.1 红外光谱图分析 11
3.2 水接触角分析 13
3.3 等离子体聚合扫描电镜分析 14
3.4 等离子体聚合细胞粘附与增殖试验 15
3.5 微接触印刷细胞增殖与粘附试验 16
3.6 等离子体细胞增殖（CCK-8）试验 17
3.7 微接触印刷荧光染色图 18
结论 19
致谢 20
参考文献 21
1 绪论
1.1 医用金属材料
生物医用材料是指用来对生命体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官，或增进其功能的材料[1]。金属材料是其中的一大类，它们具有高的机械强度和抗疲劳性能，故其应用非常广泛，遍及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等方面。作为生物医用的金属材料，除要求其具有良好的力学性能及物理性能外，优良的抗生理腐蚀性和生物相容性也是必不可少的条件。医用金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀，而造成的金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者导致植入的失败。常用的医用金属材料有纯金属（钛、金、锆等）、不锈钢、钴基合金、钛基合金等。钛及钛合金作为生物医用金属材料的一员，有其特有的优点和应用领域。
1.2 医用钛及其合金的性质与应用
与传统的不锈钢及钴铬合金相比，纯钛具有无毒、质轻、抗腐蚀、抗疲劳等优点。此外其还有良好的生物相容性，主要表现在两方面[2]：一，钛表面与组织具有良好的生物反应，不致癌、不诱发变态反应；二，钛不会产生炎症反应。纯钛是口腔人工种植牙和颌骨骨折的内固定等外科手术中首选的金属材料[3]。生物医用钛合金按材料显微组织类型可分为α型，α+β型，β型钛合金。钛合金应用于临床主要有以下几个优点：（1）质量轻，钛合金的密度仅为不锈钢的56%，植入人体后减轻人体的负荷量。（2）低的弹性模量，且与人体自然骨的弹性模量相近，可减少应力屏蔽效应，更有利于人骨的生长愈合。（3）良好的抗腐蚀性，其表面能够与常见气体发生反应生成一层致密的氧化膜，使其惰性大大增加，有利于与人体骨骼结合。（4）力学性能良好，强度高，韧性好，满足人体植入物的要求。到目前为止，纯钛和Ti-6Al-4V仍是应用最多的生物医用材料[4]。
1.3 生物相容性
生物材料必须具有良好的生物相容性才能确保临床应用的安全性[5]。生物相容性是指生物体与材料之间互相作用产生的各种物理、机械、化学和生物等反应[6]。可分为血液相容性和细胞相容性两大类[7]。血液相容性是指生物材料与血液接触后，产生符合要求的生物学反应的性能[8]。血液相容性既有材料对血液的作用，也有血液对材料的影响。细胞相容性是指生物材料植入体内后，细胞在材料的表面能够得到良好的粘附与生长。在生物材料的表面种植和培养血管内皮细胞是改善生物材料的血液相容性的最好途径。
1.4 医用钛材表面改性方法
钛及其合金作为生物医用材料主要存在以下问题[9]：（1）生物活性不足，作为骨替代物时，与骨成分相差较大，结合方式是机械式的，而非化学键式的结合。（2）耐磨性较差，表面的TiO2易脱落，无法对亚表层有较好的保护效果，使基体受到磨损，最终导致植入的失败。（3）耐蚀性有待提高。耐蚀性与生物相容性关系较大，虽然钛表面会生成一层致密的氧化膜，但由于人体环境的复杂性，在外力与体液的作用下，表面氧化膜会溶解、脱落，使用过程中会有物质释放到组织中，引起炎症反应。为了克服以上缺点，除了研究出性能更优异的钛合金外，还可以通过各种表面改性技术来改变钛合金植入材料的表面结构及化学成分来改善其生物活性。钛表面的常用改性技术有离子注入、气相沉积、光刻加工等。
表 1-1 常用钛材表面改性方法举例
主要技术
原理
优点
离子注入
溅射镀膜
化学气相沉积
微弧氧化
电化学沉积
自组装单分子层
等离子喷涂
通过高频放电，使元素气化，在外加电场作用下，元素被打入材料表面。
在真空中，利用低压气体放电产生的正离子轰击阴极，在基片表面沉积成膜。
利用气态物质在固体表面进行化学反应，生成固态沉积物。
将金属置于电解质水溶液中，在热化学、电化学和等离子化学共同作用下，生成陶瓷层
溶液中的带电粒子在电场作用下发生定向移动并沉积于基体表面。
通过固-液界面的化学反应或化学吸附，在基片表面形成化学键连接单分子膜。
利用等离子枪产生等离子流将粉末加热和加速，在熔融状态下喷向基体表面形成涂层。
提高表面硬度及强度，改善表面耐蚀性等。
膜层结合力强，膜层致密、均匀。
薄膜均匀性好，内应力低，绕镀性好。
工艺简单、效率高、无污染、处理工件能力强。
沉积温度低，膜层成分、厚度、孔隙率可控。
具有更优良的生物活性，适应于植入人体。
可喷涂各种高熔点、耐磨、耐热涂层。
1.5 生物医用钛材多功能表面改性
由于材料植入人体血管后将与人体血液及内皮细胞发生十分复杂的界面反应，钛基血管内植入材料的表面改性必须全面考虑材料与血液及内皮细胞之间的多种作用机制，通过构建多功能生物活性表面来调控材料与血液及内皮细胞之间的界面生物学行为，进而根本性地改进材料的性能和功能。
赋予材料多功能生物活性，使其对血液、周围组织、细胞进行生物调控的能力近年来成为血管内植入材料的研究热点和难点。在材料表面固定两种或多种生物活性分子是多功能生物活性表面构建的常用方法。聚乙二醇（PEG）具有优异的抑制蛋白吸附能力，在固定PEG的基础上进一步固定抗凝血酶-肝素复合物、玉米胰蛋白酶抑制剂（CTI）或水蛭素等生物活性分子，可以发挥两种或多种分子的抗凝血生物活性[10-12]，从多个途径抑制凝血发生。利用肝素可以与纤连蛋白形成复合物的特点，可以在自组装胺基硅烷的钛材表面静电吸附或共价固定肝素-纤连蛋白复合物，同时赋予材料表面抗凝生物活性和诱导内皮形成能力[13]，用于血管内植入材料的表面改性。采用层层自组装（LBL）技术在钛材表面构建由多种生物活性分子组成的复合多层结构也可以赋予材料多功能生物活性[14]，同时提高材料的抗凝血性能及促内皮细胞生长性能。随着对材料于血液及细胞的界面相互作用机理
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