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《西南交通大学》 2006年
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Ti-(Ta)-O薄膜的抗凝血性与内皮化研究

陈俊英  
【摘要】: 在心血管疾病的临床治疗中,生物材料与人工植入器械被广泛使用。然而,目前临床所用材料都存在不同程度的生物相容性不足的致命弱点,迫切需要研究与开发性能更优异的新材料与植入器械。因此,根据当前国内外研究现状,本论文提出从Ti-(Ta)-O薄膜材料表面优化入手,通过Ta掺杂技术进行Ti-Ta-O薄膜的材料学性质和生物学性质的调整,以实现薄膜合成的优化、理化性质的改善和生物相容性的提高;在此基础上,探索Ti-(Ta)-O薄膜与人体血液和内皮细胞的相互作用并讨论其生物相容性机理,以促进生物材料与植入器械的研究与开发。 本论文以Ta掺杂Ti-Ta-O膜和不掺杂Ti-O膜(简写为Ti-(Ta)-O薄膜)为研究对象进行了较全面的研究。首先,采用磁控溅射技术合成了不同Ta含量的两个系列Ti-Ta-O薄膜,并利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、Raman、X射线荧光以及α-step台阶仪等对Ti-Ta-O薄膜的成分、结构、表面形貌以及厚度等进行了测试与分析;然后,采用接触角测定仪、Hall效应测试仪与显微硬度测试等对Ti-Ta-O薄膜的理化性质与力学性质进行了测试,并借助体外生物相容性评价体系与动物体内试片与实物埋植试验等重点进行了Ti-(Ta)-O薄膜的体内外血液相容性和体内外内皮细胞相容性的评价;在此基础上,本文还通过薄膜材料表面活化-偶联-生物分子固定-内皮细胞种植的方式对Ti-O薄膜表面进行了生物化学修饰与内皮化的开拓性研究;最后,以Ti-(Ta)-O薄膜的材料学因素对生物学性质的影响关系为核心,探讨了薄膜的生物相容性机理。 Ti-Ta-O薄膜的微观特征分析结果表明,薄膜由多种物相组成,但是没有Ta的氧化物相;薄膜的Ta含量与镀膜用靶材的Ta元素设计含量有一定差异;采用不同途径获得的两个系列Ti-Ta-O薄膜表面分别呈尖角晶体颗粒状和细小雾垛胞状,低Ta含量时薄膜颗粒度更细小但表面粗糙度更大。 Ti-Ta-O薄膜的理化性质与力学性质测试结果表明,Ta掺杂可以实现Ti-Ta-O薄膜表面润湿性、表面能、界面张力、电阻率等的改变;但Ta掺杂及其含量的变化不影响薄膜的半导体特征,薄膜保持为N型半导体且禁带宽度为3.2eV;然而,Ta含量的变化将影响其力学性质,Ti-Ta-O薄膜在适当Ta含量时具有较高的硬度以及良好的耐磨性。 Ti-(Ta)-O薄膜的血液相容性评价结果表明,优化的Ti-(Ta)-O薄膜在动物体内外均具有良好的血液相容性。薄膜与血液接触具有不发生溶血反应、不引起血小板激活、凝血因子激活程度轻、血液凝固速度低以及蛋白粘附量少等特点,即使试片与实物在动物体内埋植17-90天或4-20周,薄膜表面仍然无血栓形成。 Ti-(Ta)-O薄膜的内皮细胞相容性评价结果表明,薄膜的晶体结构、成分、表面形貌对内皮细胞生长行为有较大影响。晶态结构、适当O/Ti比、适当Ta含量、适当表面粗糙度等有利于内皮细胞的贴附、生长和增殖;经薄膜表面改性的试片与血管支架实物在动物体内埋植5-7个月后或4-20周后,优化的Ti-(Ta)-O薄膜表面无血栓形成,且有内皮细胞在上面呈正常单层铺路石状排列并顺着血流方向生长,植入血管处无再狭窄发生。Ti-(Ta)-O薄膜表面活化-偶联-生物分子固定-内皮化修饰及其结果表明,薄膜材料表面生物化学修饰改性后可促进内皮细胞的粘附、生长和增殖,内皮细胞的生物学行为获得大幅度改善。 此外,本论文对Ti-(Ta)-O薄膜的微特征-理化性质-力学性质的相互关系以及薄膜的生物相容性机理获得一定认识。 以上研究表明,Ti-(Ta)-O薄膜具有较好力学性质、优异血液相容性(显著优于当前临床公认最好的血液相容性人工心脏瓣膜瓣叶材料热解碳)和良好内皮细胞相容性(显著优于当前临床所用血管支架材料不锈钢),具有应用于心血管人工器官表面覆膜改性的潜力,但是还需要进行进一步优化、大量动物实验以及临床前评价,且必须深入认识其机理。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:R318.08

【参考文献】
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