多巴胺修饰氧化石墨烯在抗凝生物材料方面的应用
目 录
1. 绪论 1
1. 1问题的提出 1
1.2 生物材料的定义 2
1.3 医用钛材的性能及应用 2
1.4多巴胺的性质、医学作用 2
1.5石墨烯及其氧化物的性质、制备及医学上的应用 4
1.6血液凝固过程与血液相容性 5
1.7本课题的目的和意义 6
1.8本课题的技术路线和研究内容 7
2 实验 8
2.1材料、试剂和仪器 8
2.2钛合金样品的制备 9
2.3钛材表面改性 10
2.4钛合金表面性能表征 11
3 结果分析与讨论 13
3.1 扫描电子显微镜（SEM）下的钛材表面形貌 13
3.2傅立叶红外光谱分析 13
3.3表面亲疏水性 14
3.4血小板黏附实验 15
3.5细胞粘附实验 17
结 论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
1. 绪论
1.1问题的提出
随着社会的不断进步，健康问题越来越受到人们的重视。目前钛及其合金生物材料在生物医学方面得到了越来越多的重视，鼓励着人们发展材料表面的改性技术来提高材料的具体性质，如生物活性，骨传导性，耐磨损性，耐腐蚀性性，血液相容性以及抗凝血性能。
血液相容性既涉及到了材料对血液的作用，又涉及到了血液对材料的影响。生物学反应如何来判断一种医用材料的血液相容性能，通常是从它的抗凝血性能和不损伤血液成分、功能两方面来考虑的。前者为材料表面抑制血管内血液形成血栓的能力:后者指材料对血液的溶血现象(红细胞破坏)，也就是说使得血小板的数量 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
降低。由于材料与血液相互作用主要发生在材料表面，因而材料的表面改性是实现其表面抗凝血的有效方法之一，也是目前血液接触材料的研究热点。
钛及其合金材料在抗凝生物材料方面具有广泛的应用，然而其表面生物相容性不足，石墨烯可以对其表面进行改性从而提高其表面的生物相容性，因此，本课题研究的课题是石墨烯对钛及其合金的改性能力。
1.2 生物材料的定义
所谓生物材料是指在生理环境中使用的材料，是对生物体进行诊断、治疗和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料
1987年10月国际标准化组织（ISO）对生物材料作出定义，将其分为具有良好的生物相容性材料、生物降解性材料和非生物降解性材料3大类[1]。
作为医学应用的生物医用材料要求具有良好的生物相容性，对于与血液直接接触的材料则不仅要求其组织相容性好,而且要求其具有良好的抗凝血性能。人体对于异物是非常敏感的，因此，植入材料除了要达到很好的治疗和修复目的，还必须首先保证对人体安全无害，符合“医用级”标准，对周围的组织和血液不能产生不利的影响。钛及其合金因优异的生物相容性而出名。20世纪50年代中期，瑞典哥德堡大学Branemark等[2]使用了钛作为植入材料，并且对植入动物体内的钛材进行长期的观察，发现纯钛与机体生物相容性很好，钛与兔子的胫骨产生了异常牢固的结合。钛及其合金表面生成氧化膜，从而使其具有良好的化学稳定性、抗腐蚀性能和生物相容性。
1.3 医用钛材的性能及应用
钛基生物材料不仅具备优异的力学性能,同时又具有良好的生物活性，在大块骨缺损、钛泡沫记忆合金、用作人工膝关节、骨关节、齿科植入体、牙根及义齿金属支架等方面具有十分广泛的应用。
SMART支架为激光切割管支架，自膨胀型，Af温度在26~32℃。SMART支架这种非常短的环状几何设计使得每个支架环相当独立的变形[3]。因此，这种支架能够很好地适应血管的轮廓。钛合金还可用于制作治疗先天性心房心室间隔缺损的补片，它是由超弹性钛镍合金丝编制而成的，外形呈双伞网状结构，植入后夹紧力均匀、持久，容易实现与生物组织结合。
但是钛及其合金作为一种生物惰性材料，植入体内后被一层包囊纤维膜所包绕，难于和生物组织形成牢固的结合，因此生物体对钛材的最初反应很大程度上依赖于钛材的表面性质[4]，这就有必要控制和改善钛基材料的表面性质，而表面改性技术正好能提高钛基生物材料的生物相容性[5]。
1.4多巴胺的性质、医学作用
阿尔维德卡尔森在2000年确定多巴胺为脑内信息传递的物质，使他赢得了诺贝尔医学奖。多巴胺(C6H3(OH)2-CH2-CH2-NH2)是一种脑内分泌物，能够影响一个人的情绪。它正式的化学名称为4-(2-氨基乙基)-1,2-苯二酚(4-(2-aminoethyl)benzene-1,2-diol)。多巴胺最常被使用的形式为多巴胺盐酸盐，为白色或类白色有光泽的结晶。无臭，味微苦。多巴胺放置在空气中及遇光会发生化学反应使颜色变深。多巴胺在水中易溶，在无水乙醇中微溶，在氯仿或乙醚中极微溶解，熔点243℃-249℃分解。
多巴胺在氧化条件下能够在水溶液中自聚合，生成一系列具有不同分子量的低聚物，这些低聚物部分能够发生交联反应，生成分子量较高的聚合物。同时，通过多种非共价键协同作用 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
，多巴胺及其氧化产物、低聚物、高聚物在溶液中自发组装形成不同形态结构的组装体，被称为聚多巴胺[6]。多巴胺复杂的反应路线，导致其聚合产物PDA（聚多巴胺）的组成及其分子结构也非常繁杂，且除强碱性水溶液以外，几乎没有溶剂能够溶解PDA，这是PDA的具体化学结构至今难已探明的主要原因[7，8]。基于Messersmith等[9]提出的多巴胺仿生改性技术，将固体材料浸入新鲜配置的多巴胺水溶液中，随着多巴胺的氧化自聚反应的发生，材料的表面会逐渐形成一层紧密附着的PDA薄膜。
此外，根据不同的应用，材料表面的其他性质在经PDA修饰后也能得到相应的改善。Lee等[10]研究发现，对原本细胞不粘附的表面如PE（聚乙烯）、PTFE（聚四氟乙烯）等进行多巴胺水溶液表面涂覆改性后，不仅使材料表面的亲水性得到了改善，还能使成骨细胞MC3T3-E1在这些材料表面的粘附性明显提高。Tsai等[11]也证明，在聚酰胺等材料关节软骨支架表面进行多巴胺水溶液涂覆修饰后，能显著促进细胞在支架表面的粘附和生长，这表明PDA涂层对改善材料表面的生物相容性，拓展这些材料在生物医用领域中的应用具有重要作用。
除常规尺寸材料的表面改性之外，PDA还被广泛应用于纳米材料的表面修饰。与块状材料所涉及的情况类似，对于纳米材料而言，多巴胺水溶液涂覆法同样能实现对纳米材料的一次包覆改性和二次功能化修饰。Lee等[12]采用多巴胺水溶液对量子表面进行改性，有效地改善了量子点的血液相容性。
总而言之，多巴胺的自聚-附着行为为温和条件下的惰性材料表面改性开辟了一条简单、有效且通用性强的新途径。多巴胺涂覆改性不仅能赋予材料表面依赖与PDA涂层的仿生特征，如亲水性、粘合性、生物相容性、光保护和抗氧化活性等，并且PDA的潜在二次反应性为材料表面的功能修饰提供了理想的平台，使材料的可设计性大幅增强。
1.5石墨烯及其氧化物的性质、制备及医学上的应用
将钛合金样品在粒度为400、600、1000、1500、2000的干磨砂纸上分别打磨，直至将端面打磨至没有明显划痕为止，然后将打磨好的样品放在抛光机上进行抛光直至钛合金样品的表面呈镜面状态，没有或者只有少量较浅的划痕，小心从模具取出钛合金样品，依次用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声波震荡清洗仪中10分钟，将冲洗后的钛合金样品放入装有无水乙醇的烧杯中保存，防止其抛光好的表面在空气中氧化。
1. 绪论 1
1. 1问题的提出 1
1.2 生物材料的定义 2
1.3 医用钛材的性能及应用 2
1.4多巴胺的性质、医学作用 2
1.5石墨烯及其氧化物的性质、制备及医学上的应用 4
1.6血液凝固过程与血液相容性 5
1.7本课题的目的和意义 6
1.8本课题的技术路线和研究内容 7
2 实验 8
2.1材料、试剂和仪器 8
2.2钛合金样品的制备 9
2.3钛材表面改性 10
2.4钛合金表面性能表征 11
3 结果分析与讨论 13
3.1 扫描电子显微镜（SEM）下的钛材表面形貌 13
3.2傅立叶红外光谱分析 13
3.3表面亲疏水性 14
3.4血小板黏附实验 15
3.5细胞粘附实验 17
结 论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
1. 绪论
1.1问题的提出
随着社会的不断进步，健康问题越来越受到人们的重视。目前钛及其合金生物材料在生物医学方面得到了越来越多的重视，鼓励着人们发展材料表面的改性技术来提高材料的具体性质，如生物活性，骨传导性，耐磨损性，耐腐蚀性性，血液相容性以及抗凝血性能。
血液相容性既涉及到了材料对血液的作用，又涉及到了血液对材料的影响。生物学反应如何来判断一种医用材料的血液相容性能，通常是从它的抗凝血性能和不损伤血液成分、功能两方面来考虑的。前者为材料表面抑制血管内血液形成血栓的能力:后者指材料对血液的溶血现象(红细胞破坏)，也就是说使得血小板的数量 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
降低。由于材料与血液相互作用主要发生在材料表面，因而材料的表面改性是实现其表面抗凝血的有效方法之一，也是目前血液接触材料的研究热点。
钛及其合金材料在抗凝生物材料方面具有广泛的应用，然而其表面生物相容性不足，石墨烯可以对其表面进行改性从而提高其表面的生物相容性，因此，本课题研究的课题是石墨烯对钛及其合金的改性能力。
1.2 生物材料的定义
所谓生物材料是指在生理环境中使用的材料，是对生物体进行诊断、治疗和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料
1987年10月国际标准化组织（ISO）对生物材料作出定义，将其分为具有良好的生物相容性材料、生物降解性材料和非生物降解性材料3大类[1]。
作为医学应用的生物医用材料要求具有良好的生物相容性，对于与血液直接接触的材料则不仅要求其组织相容性好,而且要求其具有良好的抗凝血性能。人体对于异物是非常敏感的，因此，植入材料除了要达到很好的治疗和修复目的，还必须首先保证对人体安全无害，符合“医用级”标准，对周围的组织和血液不能产生不利的影响。钛及其合金因优异的生物相容性而出名。20世纪50年代中期，瑞典哥德堡大学Branemark等[2]使用了钛作为植入材料，并且对植入动物体内的钛材进行长期的观察，发现纯钛与机体生物相容性很好，钛与兔子的胫骨产生了异常牢固的结合。钛及其合金表面生成氧化膜，从而使其具有良好的化学稳定性、抗腐蚀性能和生物相容性。
1.3 医用钛材的性能及应用
钛基生物材料不仅具备优异的力学性能,同时又具有良好的生物活性，在大块骨缺损、钛泡沫记忆合金、用作人工膝关节、骨关节、齿科植入体、牙根及义齿金属支架等方面具有十分广泛的应用。
SMART支架为激光切割管支架，自膨胀型，Af温度在26~32℃。SMART支架这种非常短的环状几何设计使得每个支架环相当独立的变形[3]。因此，这种支架能够很好地适应血管的轮廓。钛合金还可用于制作治疗先天性心房心室间隔缺损的补片，它是由超弹性钛镍合金丝编制而成的，外形呈双伞网状结构，植入后夹紧力均匀、持久，容易实现与生物组织结合。
但是钛及其合金作为一种生物惰性材料，植入体内后被一层包囊纤维膜所包绕，难于和生物组织形成牢固的结合，因此生物体对钛材的最初反应很大程度上依赖于钛材的表面性质[4]，这就有必要控制和改善钛基材料的表面性质，而表面改性技术正好能提高钛基生物材料的生物相容性[5]。
1.4多巴胺的性质、医学作用
阿尔维德卡尔森在2000年确定多巴胺为脑内信息传递的物质，使他赢得了诺贝尔医学奖。多巴胺(C6H3(OH)2-CH2-CH2-NH2)是一种脑内分泌物，能够影响一个人的情绪。它正式的化学名称为4-(2-氨基乙基)-1,2-苯二酚(4-(2-aminoethyl)benzene-1,2-diol)。多巴胺最常被使用的形式为多巴胺盐酸盐，为白色或类白色有光泽的结晶。无臭，味微苦。多巴胺放置在空气中及遇光会发生化学反应使颜色变深。多巴胺在水中易溶，在无水乙醇中微溶，在氯仿或乙醚中极微溶解，熔点243℃-249℃分解。
多巴胺在氧化条件下能够在水溶液中自聚合，生成一系列具有不同分子量的低聚物，这些低聚物部分能够发生交联反应，生成分子量较高的聚合物。同时，通过多种非共价键协同作用 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
，多巴胺及其氧化产物、低聚物、高聚物在溶液中自发组装形成不同形态结构的组装体，被称为聚多巴胺[6]。多巴胺复杂的反应路线，导致其聚合产物PDA（聚多巴胺）的组成及其分子结构也非常繁杂，且除强碱性水溶液以外，几乎没有溶剂能够溶解PDA，这是PDA的具体化学结构至今难已探明的主要原因[7，8]。基于Messersmith等[9]提出的多巴胺仿生改性技术，将固体材料浸入新鲜配置的多巴胺水溶液中，随着多巴胺的氧化自聚反应的发生，材料的表面会逐渐形成一层紧密附着的PDA薄膜。
此外，根据不同的应用，材料表面的其他性质在经PDA修饰后也能得到相应的改善。Lee等[10]研究发现，对原本细胞不粘附的表面如PE（聚乙烯）、PTFE（聚四氟乙烯）等进行多巴胺水溶液表面涂覆改性后，不仅使材料表面的亲水性得到了改善，还能使成骨细胞MC3T3-E1在这些材料表面的粘附性明显提高。Tsai等[11]也证明，在聚酰胺等材料关节软骨支架表面进行多巴胺水溶液涂覆修饰后，能显著促进细胞在支架表面的粘附和生长，这表明PDA涂层对改善材料表面的生物相容性，拓展这些材料在生物医用领域中的应用具有重要作用。
除常规尺寸材料的表面改性之外，PDA还被广泛应用于纳米材料的表面修饰。与块状材料所涉及的情况类似，对于纳米材料而言，多巴胺水溶液涂覆法同样能实现对纳米材料的一次包覆改性和二次功能化修饰。Lee等[12]采用多巴胺水溶液对量子表面进行改性，有效地改善了量子点的血液相容性。
总而言之，多巴胺的自聚-附着行为为温和条件下的惰性材料表面改性开辟了一条简单、有效且通用性强的新途径。多巴胺涂覆改性不仅能赋予材料表面依赖与PDA涂层的仿生特征，如亲水性、粘合性、生物相容性、光保护和抗氧化活性等，并且PDA的潜在二次反应性为材料表面的功能修饰提供了理想的平台，使材料的可设计性大幅增强。
1.5石墨烯及其氧化物的性质、制备及医学上的应用
将钛合金样品在粒度为400、600、1000、1500、2000的干磨砂纸上分别打磨，直至将端面打磨至没有明显划痕为止，然后将打磨好的样品放在抛光机上进行抛光直至钛合金样品的表面呈镜面状态，没有或者只有少量较浅的划痕，小心从模具取出钛合金样品，依次用丙酮、无水乙醇和蒸馏水超声波震荡清洗仪中10分钟，将冲洗后的钛合金样品放入装有无水乙醇的烧杯中保存，防止其抛光好的表面在空气中氧化。
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