钛表面磷酸类分子固定及其抗凝血表面改性研究
钛表面磷酸类分子固定及其抗凝血表面改性研究
钛及其合金材料由于具有良好的力学性能和耐生理腐蚀性能，在血液接触材料方面获得了广泛的研究应用，但其表面抗凝血性能不足。本文首先采用碱热处理对钛合金表面进行改性，进一步自组装接枝磷酸分子和肝素从而提高材料的抗凝血性能。经过衰减全反射傅立叶变换红外光谱（ATR-FTIR）的分析表明在钛表面成功的接枝了磷酸分子和肝素，水接触角的测量证实钛具备了一个良好的亲水性表面。采用血小板黏附实验对材料的抗凝血性能进行初步评价，结果表明接枝磷酸后共价接枝肝素可以提高材料的抗凝血性能。
关键词 钛合金材料，碱热处理，自组装，抗凝血性能
1 绪论 1
1.1 生物材料 1
1.2 钛及其合金作为生物材料的优点 1
1.3 钛及其合金在医学上的应用 1
1.4 抗凝血性能和血液相容性 2
1.5 钛合金的抗凝血表面改性 2
1.6 本课题要研究和解决的问题 3
1.7 拟采取的研究手段 3
2 实验 5
2.1 材料、试剂与仪器 5
2.2 钛合金样品准备 6
2.3 钛合金样品的清洗 6
2.4 钛合金表面的活化 7
2.5 钛合金表面的自主装 7
2.6 钛表面接枝肝素 7
2.7 表面化学结构表征 8
2.8 表面亲水性表征 8
2.9 血小板实验 9
3 结果分析与讨论 9
3.1 傅立叶红外光谱分析 9
3.2 亲疏水性的评定 10
3.3 血小板黏附实验11
结论13
致谢14
参考文献15
1 绪论
钛及钛合金生物材料在生物医学上得到了成功应用，如硬组织的替代和心血管医疗器械方面的应用；鼓励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.等钛合金的应用领域，这些问题都将会得到进一步的解决[1]。
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[2]。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降低[3]。
1.1生物材料
生物医学材料主要用于生物体进行诊断、新的高技术材料处理、修复或替代病变组织、器官等。同时它也是人工器官和医疗器械研究的基础，尤其是目前生物技术得到了莲勃的发展，因此目前生物医学材料己经成为材料学科的一个重要的分支，成为各国科学家竞相研究和开发的热点[4, 5]。
由生物分子组成了生物材料，再由生物材料组成生物部件。生物体内各种生物材料及其部件都有着各自的生物功能。它们是“活”的，也是被整体生物控制的[6]。生物材料中有的是结构材料，例如：骨、牙等硬组织材料和肌肉、腱、皮肤等软组织；还有许多的功能性材料所组成的功能部件，材料科学的发展方向之一就是模拟这些生物材料并且制造人工材料。它们不仅可以用来做某些生物部件的人工代替物，也可以在非医学方面中使用。
1.2 钛及其合金作为生物材料的优点
钛合金材料和其他的医用金属材料相比而言，由于其具备与天然组织相互适应的物理性能，化学性质稳定,良好的生物相容性,无毒,不致癌致畸,不引起细胞突变和组织反应,植入人体后不引起急性中毒、溶血、凝血,发热和过敏等，针对不同使用目的具备不同特定的功能如形状记忆、降解等，良好的加工成型性和操作性能,容易消毒和耐高温催化，材料易得等优点[8,9]。目前钛合金材料已经成为了最具发展潜力的生物材料之一。
1.3 钛及其合金在医学上的应用
钛及其合金具有机械强度高、耐腐蚀、生物相容性好等特点，已经在医学的各个方面得到了广泛的应用[10]。例如：作为植入件采用模锻、铸造、粉末冶金等工艺做各种人造骨及关节，各种钉，包括碳钛组合式人工股骨头，取得了满意的效果，用于神经外科的钛脑压板，钛网眼，心血管系统的心脏瓣膜；口腔植体；电子装置和心脏起搏器等至如装置的包装材料；放射治疗的密封材料；医用机械，特别是直视手术用的探头；耐腐蚀的医药生产设备等方面[11]。
1.4 抗凝血性能和血液相容性
抗凝血性能是用来评价人工医用材料的一项基本指标。尤其是对于与血液相接触的医用材料，例如心血管造影导管、人工血管等[12]。抗凝血性的提高有很多化学和物理表面改性方法，包括机械加工或抛光，酸性或碱性处理，阳极氧化，化学气相沉积，物理气相沉积，辉光放电等。良好的抗凝血性能更是决定材料能否被应用的决定因素。
血液相容性指生物医用学材料与血液接触后，产生符合相容性要求的生物学反应和起到有效的作用。材料的血液相容性主要包括：材料表面抑制血管内血液形成血栓的能力—抗凝血能力和不破坏血液成分功能两方面[13]。抗凝血性能主要是指材料不引起血液的凝固，不引发血栓的形成，这是血液相容性的主要方面[14]。
1.5 钛合金的抗凝血表面改性
血液相容性是生物材料最为重要的功能指标之一，抗凝血性能更是决定生物材料能否被应用的决定性因素。钛合金材料，由于其良好的力学性能和生物相容性，灵活性等，得到较好的应用，但其抗凝血性能不理想，不耐用，所以一般都以钛合金材料作为基体材料[15]。为了提高钛合金材料的抗凝血性，需要对基体材料的表面进行预处理改性。具体可以改善其表面抗凝血性能的途径有：使用不同的物理以及化学的方法对材料的表面进行预处理处理，这些方法都可以较大幅度的提高生物材料的血液相容性。
目前，对材料表面改性的方法有很多种，如：
（1）改善其表面的亲水性能，通常拥有疏水性和强亲水性的材料表面都具备良好的血液相容性。在钛合金材料的表面接枝肝素钠可以增加材料的亲水性能同样材料的抗凝血性也得到了大大的加强。
使表面带负电荷，一般人体中血液的红细胞、白细胞、血小板和部分
（2）血浆蛋白质等带电负性，血管内壁呈负电荷。也就是说带负点的抗凝血材料表面，可以降低血栓的形成[16]。这样的话我们就可以键合一些阴离子在合金材料的表面上，例如带羧基的硅氧烷、或带磷酸盐的硅氧烷等。
（3）设计微相分离结构，从宏观上可以看到生物体的血管具有非常光滑的内壁，而微观上可以看到它是一个多相分离结构[17]。粗糙的材料相对而言更可能抵制凝血，拥有适当粗糙度的微相分离结构的材料将具备较好的抗凝血性能[18]。
（4）种植内皮细胞，内皮细胞处于血管的内表面，主要起到构成血液与组织之间的界面和血液与组织的屏障。内皮细胞有促凝血和抗凝血作用，培养的内皮细胞形成可以改善内皮组织，在表面自发生成的内皮细胞或者可以在材料表面繁殖和黏附的内皮细胞拥有优良的血液相容性[19]。
（5）在合金材料的表面涂覆白蛋白涂层，这样将有利于提高其材料表面血液相容性。白蛋白和细胞在一般的情况下不会黏附在白蛋白涂覆的钛合金材料表面，这是因为白蛋白可以降低血小板的聚集和吸附，使钛材料表面的抗凝血性能得到大大的提高，白蛋白涂层还可以减少纤维蛋白原的黏附和血浆蛋白质的黏附。所以，在钛材表面涂覆白蛋白或者用白蛋白进行改性可以非常明显的优化其血液相容性[20]。
（6）在钛合金表面接枝的两性离子聚合物可以提高其抗凝血性能，这是由于两性离子聚合物通常含有两性离子或离子端基的混合物，这种带电端基官能团可以作为氢键也可以作为溶剂可以有效阻碍蛋白质的吸附[21]。
1.6本课题的目的和意义
钛合金在血液接触材料方面获得了广泛的研究应用，但其抗凝血性能任然需要进一步提高。本课题的主要目的是结合表面自组装技术及表面原位化学反应技术在生物医用钛合金表面接枝生物相容性和抗凝血性能都很良好的肝素分子，从而了解其表面结构以及血小板粘附性能。本文的研究可用在血液接触材料的表面改性方面，如何提高材料的血液相容性，为制备具有良好血液相容性的新型心血管植入材料探索简便可行的途径。
1.7 拟采取的研究手段和技术路线
本论文的主要研究内容是在钛合金表面顺序接枝磷酸分子(PA)和肝素（HE），从而赋予材料抗凝血性能，主要包含了以下几个方面：
1）对钛合金进行处理，使钛合金表面含有大量的羟基；
2）磷酸在钛表面的自组装；
3）通过NHS/EDC对钛表面的磷酸分子进行活化；
钛及其合金材料由于具有良好的力学性能和耐生理腐蚀性能，在血液接触材料方面获得了广泛的研究应用，但其表面抗凝血性能不足。本文首先采用碱热处理对钛合金表面进行改性，进一步自组装接枝磷酸分子和肝素从而提高材料的抗凝血性能。经过衰减全反射傅立叶变换红外光谱（ATR-FTIR）的分析表明在钛表面成功的接枝了磷酸分子和肝素，水接触角的测量证实钛具备了一个良好的亲水性表面。采用血小板黏附实验对材料的抗凝血性能进行初步评价，结果表明接枝磷酸后共价接枝肝素可以提高材料的抗凝血性能。
关键词 钛合金材料，碱热处理，自组装，抗凝血性能
1 绪论 1
1.1 生物材料 1
1.2 钛及其合金作为生物材料的优点 1
1.3 钛及其合金在医学上的应用 1
1.4 抗凝血性能和血液相容性 2
1.5 钛合金的抗凝血表面改性 2
1.6 本课题要研究和解决的问题 3
1.7 拟采取的研究手段 3
2 实验 5
2.1 材料、试剂与仪器 5
2.2 钛合金样品准备 6
2.3 钛合金样品的清洗 6
2.4 钛合金表面的活化 7
2.5 钛合金表面的自主装 7
2.6 钛表面接枝肝素 7
2.7 表面化学结构表征 8
2.8 表面亲水性表征 8
2.9 血小板实验 9
3 结果分析与讨论 9
3.1 傅立叶红外光谱分析 9
3.2 亲疏水性的评定 10
3.3 血小板黏附实验11
结论13
致谢14
参考文献15
1 绪论
钛及钛合金生物材料在生物医学上得到了成功应用，如硬组织的替代和心血管医疗器械方面的应用；鼓励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.等钛合金的应用领域，这些问题都将会得到进一步的解决[1]。
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[2]。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降低[3]。
1.1生物材料
生物医学材料主要用于生物体进行诊断、新的高技术材料处理、修复或替代病变组织、器官等。同时它也是人工器官和医疗器械研究的基础，尤其是目前生物技术得到了莲勃的发展，因此目前生物医学材料己经成为材料学科的一个重要的分支，成为各国科学家竞相研究和开发的热点[4, 5]。
由生物分子组成了生物材料，再由生物材料组成生物部件。生物体内各种生物材料及其部件都有着各自的生物功能。它们是“活”的，也是被整体生物控制的[6]。生物材料中有的是结构材料，例如：骨、牙等硬组织材料和肌肉、腱、皮肤等软组织；还有许多的功能性材料所组成的功能部件，材料科学的发展方向之一就是模拟这些生物材料并且制造人工材料。它们不仅可以用来做某些生物部件的人工代替物，也可以在非医学方面中使用。
1.2 钛及其合金作为生物材料的优点
钛合金材料和其他的医用金属材料相比而言，由于其具备与天然组织相互适应的物理性能，化学性质稳定,良好的生物相容性,无毒,不致癌致畸,不引起细胞突变和组织反应,植入人体后不引起急性中毒、溶血、凝血,发热和过敏等，针对不同使用目的具备不同特定的功能如形状记忆、降解等，良好的加工成型性和操作性能,容易消毒和耐高温催化，材料易得等优点[8,9]。目前钛合金材料已经成为了最具发展潜力的生物材料之一。
1.3 钛及其合金在医学上的应用
钛及其合金具有机械强度高、耐腐蚀、生物相容性好等特点，已经在医学的各个方面得到了广泛的应用[10]。例如：作为植入件采用模锻、铸造、粉末冶金等工艺做各种人造骨及关节，各种钉，包括碳钛组合式人工股骨头，取得了满意的效果，用于神经外科的钛脑压板，钛网眼，心血管系统的心脏瓣膜；口腔植体；电子装置和心脏起搏器等至如装置的包装材料；放射治疗的密封材料；医用机械，特别是直视手术用的探头；耐腐蚀的医药生产设备等方面[11]。
1.4 抗凝血性能和血液相容性
抗凝血性能是用来评价人工医用材料的一项基本指标。尤其是对于与血液相接触的医用材料，例如心血管造影导管、人工血管等[12]。抗凝血性的提高有很多化学和物理表面改性方法，包括机械加工或抛光，酸性或碱性处理，阳极氧化，化学气相沉积，物理气相沉积，辉光放电等。良好的抗凝血性能更是决定材料能否被应用的决定因素。
血液相容性指生物医用学材料与血液接触后，产生符合相容性要求的生物学反应和起到有效的作用。材料的血液相容性主要包括：材料表面抑制血管内血液形成血栓的能力—抗凝血能力和不破坏血液成分功能两方面[13]。抗凝血性能主要是指材料不引起血液的凝固，不引发血栓的形成，这是血液相容性的主要方面[14]。
1.5 钛合金的抗凝血表面改性
血液相容性是生物材料最为重要的功能指标之一，抗凝血性能更是决定生物材料能否被应用的决定性因素。钛合金材料，由于其良好的力学性能和生物相容性，灵活性等，得到较好的应用，但其抗凝血性能不理想，不耐用，所以一般都以钛合金材料作为基体材料[15]。为了提高钛合金材料的抗凝血性，需要对基体材料的表面进行预处理改性。具体可以改善其表面抗凝血性能的途径有：使用不同的物理以及化学的方法对材料的表面进行预处理处理，这些方法都可以较大幅度的提高生物材料的血液相容性。
目前，对材料表面改性的方法有很多种，如：
（1）改善其表面的亲水性能，通常拥有疏水性和强亲水性的材料表面都具备良好的血液相容性。在钛合金材料的表面接枝肝素钠可以增加材料的亲水性能同样材料的抗凝血性也得到了大大的加强。
使表面带负电荷，一般人体中血液的红细胞、白细胞、血小板和部分
（2）血浆蛋白质等带电负性，血管内壁呈负电荷。也就是说带负点的抗凝血材料表面，可以降低血栓的形成[16]。这样的话我们就可以键合一些阴离子在合金材料的表面上，例如带羧基的硅氧烷、或带磷酸盐的硅氧烷等。
（3）设计微相分离结构，从宏观上可以看到生物体的血管具有非常光滑的内壁，而微观上可以看到它是一个多相分离结构[17]。粗糙的材料相对而言更可能抵制凝血，拥有适当粗糙度的微相分离结构的材料将具备较好的抗凝血性能[18]。
（4）种植内皮细胞，内皮细胞处于血管的内表面，主要起到构成血液与组织之间的界面和血液与组织的屏障。内皮细胞有促凝血和抗凝血作用，培养的内皮细胞形成可以改善内皮组织，在表面自发生成的内皮细胞或者可以在材料表面繁殖和黏附的内皮细胞拥有优良的血液相容性[19]。
（5）在合金材料的表面涂覆白蛋白涂层，这样将有利于提高其材料表面血液相容性。白蛋白和细胞在一般的情况下不会黏附在白蛋白涂覆的钛合金材料表面，这是因为白蛋白可以降低血小板的聚集和吸附，使钛材料表面的抗凝血性能得到大大的提高，白蛋白涂层还可以减少纤维蛋白原的黏附和血浆蛋白质的黏附。所以，在钛材表面涂覆白蛋白或者用白蛋白进行改性可以非常明显的优化其血液相容性[20]。
（6）在钛合金表面接枝的两性离子聚合物可以提高其抗凝血性能，这是由于两性离子聚合物通常含有两性离子或离子端基的混合物，这种带电端基官能团可以作为氢键也可以作为溶剂可以有效阻碍蛋白质的吸附[21]。
1.6本课题的目的和意义
钛合金在血液接触材料方面获得了广泛的研究应用，但其抗凝血性能任然需要进一步提高。本课题的主要目的是结合表面自组装技术及表面原位化学反应技术在生物医用钛合金表面接枝生物相容性和抗凝血性能都很良好的肝素分子，从而了解其表面结构以及血小板粘附性能。本文的研究可用在血液接触材料的表面改性方面，如何提高材料的血液相容性，为制备具有良好血液相容性的新型心血管植入材料探索简便可行的途径。
1.7 拟采取的研究手段和技术路线
本论文的主要研究内容是在钛合金表面顺序接枝磷酸分子(PA)和肝素（HE），从而赋予材料抗凝血性能，主要包含了以下几个方面：
1）对钛合金进行处理，使钛合金表面含有大量的羟基；
2）磷酸在钛表面的自组装；
3）通过NHS/EDC对钛表面的磷酸分子进行活化；
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