生物医用镁合金表面接枝聚乙二醇的抗凝血性能研究
生物医用镁合金表面接枝聚乙二醇的抗凝血性能研究
生物医用镁合金材料具有良好的力学性能、生物相容性和可降解性，使其在血液接触材料方面获得了广泛的研究应用，但其抗凝血性能需要进一步提高。本文采用表面自组装技术和表面原位化学反应技术的方法在镁合金表面接枝聚乙二醇二羧酸（PEG）来提高其抗凝血性能。ATR-FTIR的实验结果表明PEG被成功地接枝到镁合金表面；接触角的实验结果表明，镁合金表面接枝PEG使其亲水性能显著提高；血小板粘附实验结果表明，接枝PEG后镁合金表面的抗凝血性能显著提高。
关键词 医用镁合金，等离子体，自组装，抗凝血性能
绪论 1
1.1 生物医用材料 1
1.2 生物医用镁及镁合金材料 1
1.3 镁合金作为血液接触材料的应用 2
1.4 聚乙二醇在镁合金表面改性中的应用 4
1.5 本课题的目的和意义 6
1.6 本课题的技术路线及研究手段 6
2 实验 8
2.1 材料、试剂与仪器 8
2.2 镁合金样品的制备 9
2.3 镁合金样品表面接枝聚乙二醇（PEG） 9
3 结果分析与讨论 12
3.1 ATR-FTIR（衰减全反射傅立叶变换红外光谱法）分析 12
3.2 DSA25接触角测量仪测量表面亲疏水性 13
3.3 血小板粘附实验分析 15
结论 17
致谢 18
参考文献 19
1 绪论
1.1 生物医用材料
生物材料学是生命科学与材料科学的交叉前沿领域，它与化学、医学、生物化学及现代高科技技术等领域联系密切[1]。随着科学技术的发展，材料科学、化学、生物学、物理学和临床科学联系越来越紧密，突破旧科学的局限性，创建一个新的产业——生物医学材料产业。生物材医用材料属于生物材料学的一个重要分支，因为其特有的特殊性能被广泛医用于临床和科研。
根据生物医用材料的性质可分为五类：天然高分子材料、无机材料、金属与合金材料、合成高分子材料、复合材料。由于生物医用材料是直接用于人体的，所以对其材料的性能和属性要有极其严格的要求[2]。首先生物医用材料应该具有良好的血液相容性和组织相容性，其次要有良好的耐腐蚀行和抗疲劳性。同时生物医用材料根据其植入生物体时间的长短还应该同时具有其它的必备属性。例如，植入时间较短的应该具有可降解性与无毒性，可以在确定的时间内被人体所吸收。在生产生物医用材料的过程中我们仍需考虑材料的生产成本和加工的可行性。
1.2 生物医用镁及镁合金材料
1.2.1 镁及镁合金的优缺点
自从进入二十一世纪以来，可持续发展的问题已经转移到资源和环境上来。随着社会的发展与进步，对不可再生资源的开发与使用不断加剧，资源的储存量已经越来越匮乏。例如铁、铝、铜、锌等常用金属资源。此时具有丰富蕴藏量及良好的综合性能的镁就脱颖而出，并被冠以21世纪绿色金属材料。研究表明，镁具有良好的潜在的生物医学镁合金材料，可用于骨植入血液环境。镁及镁合金材料作为生物医用材料具有许多优点[3]。
一、经济性：蕴藏量大，成本低，镁锭价格大约为2万/t以下。
二、力学相容性：镁合金材料作为最轻的构造材料之一，其密度与人体骨骼的密度相当，并且具有良好的比强度和比刚度[4]；镁合金的弹性模量和人骨的弹性模量是相似，使医用镁合金具有较好的生物相容性及力学相容性[5]。
三、生物学特性：镁是许多酶的共同因子，又是能量转运、贮存和利用的关
健性元素，具有调节、稳定RNA和DNA结构的作用；同时，镁离子可以促进钙的沉积，是骨生长的必需元素[6]。
四、安全性：镁在人体内的含量是仅次于钙、钠和钾的第四常量元素，并能够介入体内一系列新陈代谢过程，具有促进新骨组织的生长的功能，通过尿液可以排泄出人体内过量的镁含量，不会产生毒性[7]。
五、可降解性：镁在人体体液中可完全降解[8]。
然而，普通镁合金材料在生物医学领域的应用已在体内的降解率过高的问题，和抗凝血性能的镁合金材料一般不是特别好。同时镁及镁合金具有化学性质活泼，表面的氧化膜的质地较脆，不足以很好的杜绝腐蚀[9]。
1.2.2 镁及镁合金的生物相容性
由于镁及镁合金的众多优势，几年前就有很多国内外学者就着手于研究如何提高镁及镁合金的耐腐蚀性能从而提高其生物学性能。Y.A.Abdullat[10]和F.Witte[11]的镁及镁合金的实验中发现：镁及镁合金材料在Hank’s溶液中浸泡一段时间后，将在试样表面上形成钙镁磷灰石和其他骨材料。这表明，镁合金可作人工骨或骨内固定使用。李龙川[12]等人通过研究发现经过碱热处理的纯镁的耐蚀性显著提高，并且没有细胞毒性和溶血现象的产生。研究表明人体内所含的镁离子的浓度对心血管系统等组织有巨大的影响，但是镁及镁合金材料作为人体植入材料，其对人体血液系统的作用及血液相容性都还没有进行全面的研究，但是这种性质对镁及镁合金作为人体植入材料却有着深远的意义。
毒性试验表明，镁合金的浸泡液并没有细胞毒性，也不会对纤维细胞和成骨细胞存活造成影响。和纯镁相比较，镁合金的溶血率相对较低，表面所黏附的血小板数目也较少，由此可以发现适量的加入一些合金元素，镁合金在骨和血管的植入材料会有更广泛的应用[13]。
1.3 镁合金作为血液接触材料的应用
1.3.1 血液接触镁合金材料
医用镁合金材料具有良好血液相容性，可以作为血液接触材料植入人体。例如冠状动脉植入支架材料。
对于心脏动脉血管狭窄的主要治疗手段是通过长期植入金属支架从而减少冠状动脉成形术后管腔的弹性回缩的发生。由于植入的金属支架易形成血栓使植入血管变得更狭窄。因此，在人体冠状动脉的降解吸收支架的材料的发展迫在眉睫。然而，生物降解高分子材料的力学性能已经发展的比较成熟但达不到植入材料的要求，可以在人体内降解也可能引起急性和慢性炎症。研究表明，镁是人体必需的常量元素，因此镁合金作为植入材料通过降解的产物可以在体内人体吸收，其机械性能良好，满足支架植入术对材料的需求。虽然在降解过程中人体植入支架会产生氢，但由于血流量，并不会对人体产生很大的影响。例如德国Biotronik公司所生产的一种可吸收金属支架在植入人体几周后会发生降解，可以有效减少植入部位血管的再狭窄，避免并发症的发生。Erbelr[14]所发表的这种心脏冠状动脉植入的临床实验结果表明，这类可降解镁合金的临床应用的可行性。
1.3.2 提高镁合金血液相容性的主要手段
生物医用镁合金材料植入人体后，由于其是与血液直接接触的，会发生一系列的化学反应，激活凝血机制，引发血栓的形成，所以可以通过材料表面改性的方法来提高其血液相容性。
根据生物医用镁合金材料在植入人体中与血液接触后所发生的血栓反应，可以通过抑制血小板体系的活化、促进血栓溶解、促进伪内膜形成和抑制凝固体系活化等途径来改善镁合金的血液相容性。根据上述途径，可以分为以下几种主要的表面改性方式。
1.3.2.1 亲疏水性表面改性
利用材料表面改性来改变镁合金表面的亲疏水性改善镁合金材料的抗凝血性能。可以通过在镁合金材料表面接枝亲水基团或疏水基团形成亲疏水面，抑制血液和镁合金植入材料的相互作用，提高其血液相容性。疏水性的材料表面通过减少材料的表面自由能，降低材料与血液的相互作用的方法来提高材料的抗凝血性能；亲水性表面是因为具有较低的表面自由能，能有效降低镁合金材料与血液中其他组织成分的反应，以提高材料表面的抗凝血性能。
研究表明，在亲水性较差的材料表面接枝亲水性基团，可以有效的提高材料表面的抗凝血性能，但是材料表面的抗凝血性能并不单一的取决于材料的亲水性或疏水性，而是由两者的平衡值共同决定的。林玮炜[15]等人通过对仿荷叶表面和HDPE与PS疏水表面进行血小板粘附实验表明材料表面具有良好的抗凝血性能。
1.3.2.2 材料表面负载电荷
生物医用镁合金材料具有良好的力学性能、生物相容性和可降解性，使其在血液接触材料方面获得了广泛的研究应用，但其抗凝血性能需要进一步提高。本文采用表面自组装技术和表面原位化学反应技术的方法在镁合金表面接枝聚乙二醇二羧酸（PEG）来提高其抗凝血性能。ATR-FTIR的实验结果表明PEG被成功地接枝到镁合金表面；接触角的实验结果表明，镁合金表面接枝PEG使其亲水性能显著提高；血小板粘附实验结果表明，接枝PEG后镁合金表面的抗凝血性能显著提高。
关键词 医用镁合金，等离子体，自组装，抗凝血性能
绪论 1
1.1 生物医用材料 1
1.2 生物医用镁及镁合金材料 1
1.3 镁合金作为血液接触材料的应用 2
1.4 聚乙二醇在镁合金表面改性中的应用 4
1.5 本课题的目的和意义 6
1.6 本课题的技术路线及研究手段 6
2 实验 8
2.1 材料、试剂与仪器 8
2.2 镁合金样品的制备 9
2.3 镁合金样品表面接枝聚乙二醇（PEG） 9
3 结果分析与讨论 12
3.1 ATR-FTIR（衰减全反射傅立叶变换红外光谱法）分析 12
3.2 DSA25接触角测量仪测量表面亲疏水性 13
3.3 血小板粘附实验分析 15
结论 17
致谢 18
参考文献 19
1 绪论
1.1 生物医用材料
生物材料学是生命科学与材料科学的交叉前沿领域，它与化学、医学、生物化学及现代高科技技术等领域联系密切[1]。随着科学技术的发展，材料科学、化学、生物学、物理学和临床科学联系越来越紧密，突破旧科学的局限性，创建一个新的产业——生物医学材料产业。生物材医用材料属于生物材料学的一个重要分支，因为其特有的特殊性能被广泛医用于临床和科研。
根据生物医用材料的性质可分为五类：天然高分子材料、无机材料、金属与合金材料、合成高分子材料、复合材料。由于生物医用材料是直接用于人体的，所以对其材料的性能和属性要有极其严格的要求[2]。首先生物医用材料应该具有良好的血液相容性和组织相容性，其次要有良好的耐腐蚀行和抗疲劳性。同时生物医用材料根据其植入生物体时间的长短还应该同时具有其它的必备属性。例如，植入时间较短的应该具有可降解性与无毒性，可以在确定的时间内被人体所吸收。在生产生物医用材料的过程中我们仍需考虑材料的生产成本和加工的可行性。
1.2 生物医用镁及镁合金材料
1.2.1 镁及镁合金的优缺点
自从进入二十一世纪以来，可持续发展的问题已经转移到资源和环境上来。随着社会的发展与进步，对不可再生资源的开发与使用不断加剧，资源的储存量已经越来越匮乏。例如铁、铝、铜、锌等常用金属资源。此时具有丰富蕴藏量及良好的综合性能的镁就脱颖而出，并被冠以21世纪绿色金属材料。研究表明，镁具有良好的潜在的生物医学镁合金材料，可用于骨植入血液环境。镁及镁合金材料作为生物医用材料具有许多优点[3]。
一、经济性：蕴藏量大，成本低，镁锭价格大约为2万/t以下。
二、力学相容性：镁合金材料作为最轻的构造材料之一，其密度与人体骨骼的密度相当，并且具有良好的比强度和比刚度[4]；镁合金的弹性模量和人骨的弹性模量是相似，使医用镁合金具有较好的生物相容性及力学相容性[5]。
三、生物学特性：镁是许多酶的共同因子，又是能量转运、贮存和利用的关
健性元素，具有调节、稳定RNA和DNA结构的作用；同时，镁离子可以促进钙的沉积，是骨生长的必需元素[6]。
四、安全性：镁在人体内的含量是仅次于钙、钠和钾的第四常量元素，并能够介入体内一系列新陈代谢过程，具有促进新骨组织的生长的功能，通过尿液可以排泄出人体内过量的镁含量，不会产生毒性[7]。
五、可降解性：镁在人体体液中可完全降解[8]。
然而，普通镁合金材料在生物医学领域的应用已在体内的降解率过高的问题，和抗凝血性能的镁合金材料一般不是特别好。同时镁及镁合金具有化学性质活泼，表面的氧化膜的质地较脆，不足以很好的杜绝腐蚀[9]。
1.2.2 镁及镁合金的生物相容性
由于镁及镁合金的众多优势，几年前就有很多国内外学者就着手于研究如何提高镁及镁合金的耐腐蚀性能从而提高其生物学性能。Y.A.Abdullat[10]和F.Witte[11]的镁及镁合金的实验中发现：镁及镁合金材料在Hank’s溶液中浸泡一段时间后，将在试样表面上形成钙镁磷灰石和其他骨材料。这表明，镁合金可作人工骨或骨内固定使用。李龙川[12]等人通过研究发现经过碱热处理的纯镁的耐蚀性显著提高，并且没有细胞毒性和溶血现象的产生。研究表明人体内所含的镁离子的浓度对心血管系统等组织有巨大的影响，但是镁及镁合金材料作为人体植入材料，其对人体血液系统的作用及血液相容性都还没有进行全面的研究，但是这种性质对镁及镁合金作为人体植入材料却有着深远的意义。
毒性试验表明，镁合金的浸泡液并没有细胞毒性，也不会对纤维细胞和成骨细胞存活造成影响。和纯镁相比较，镁合金的溶血率相对较低，表面所黏附的血小板数目也较少，由此可以发现适量的加入一些合金元素，镁合金在骨和血管的植入材料会有更广泛的应用[13]。
1.3 镁合金作为血液接触材料的应用
1.3.1 血液接触镁合金材料
医用镁合金材料具有良好血液相容性，可以作为血液接触材料植入人体。例如冠状动脉植入支架材料。
对于心脏动脉血管狭窄的主要治疗手段是通过长期植入金属支架从而减少冠状动脉成形术后管腔的弹性回缩的发生。由于植入的金属支架易形成血栓使植入血管变得更狭窄。因此，在人体冠状动脉的降解吸收支架的材料的发展迫在眉睫。然而，生物降解高分子材料的力学性能已经发展的比较成熟但达不到植入材料的要求，可以在人体内降解也可能引起急性和慢性炎症。研究表明，镁是人体必需的常量元素，因此镁合金作为植入材料通过降解的产物可以在体内人体吸收，其机械性能良好，满足支架植入术对材料的需求。虽然在降解过程中人体植入支架会产生氢，但由于血流量，并不会对人体产生很大的影响。例如德国Biotronik公司所生产的一种可吸收金属支架在植入人体几周后会发生降解，可以有效减少植入部位血管的再狭窄，避免并发症的发生。Erbelr[14]所发表的这种心脏冠状动脉植入的临床实验结果表明，这类可降解镁合金的临床应用的可行性。
1.3.2 提高镁合金血液相容性的主要手段
生物医用镁合金材料植入人体后，由于其是与血液直接接触的，会发生一系列的化学反应，激活凝血机制，引发血栓的形成，所以可以通过材料表面改性的方法来提高其血液相容性。
根据生物医用镁合金材料在植入人体中与血液接触后所发生的血栓反应，可以通过抑制血小板体系的活化、促进血栓溶解、促进伪内膜形成和抑制凝固体系活化等途径来改善镁合金的血液相容性。根据上述途径，可以分为以下几种主要的表面改性方式。
1.3.2.1 亲疏水性表面改性
利用材料表面改性来改变镁合金表面的亲疏水性改善镁合金材料的抗凝血性能。可以通过在镁合金材料表面接枝亲水基团或疏水基团形成亲疏水面，抑制血液和镁合金植入材料的相互作用，提高其血液相容性。疏水性的材料表面通过减少材料的表面自由能，降低材料与血液的相互作用的方法来提高材料的抗凝血性能；亲水性表面是因为具有较低的表面自由能，能有效降低镁合金材料与血液中其他组织成分的反应，以提高材料表面的抗凝血性能。
研究表明，在亲水性较差的材料表面接枝亲水性基团，可以有效的提高材料表面的抗凝血性能，但是材料表面的抗凝血性能并不单一的取决于材料的亲水性或疏水性，而是由两者的平衡值共同决定的。林玮炜[15]等人通过对仿荷叶表面和HDPE与PS疏水表面进行血小板粘附实验表明材料表面具有良好的抗凝血性能。
1.3.2.2 材料表面负载电荷
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