脉冲激光沉积类金刚石薄膜过程中工艺参数对薄膜质量影响的研究

【摘要】： 研究目的是寻找脉冲激光沉积法制备类金刚石薄膜过程中工艺参数对类金刚石薄膜质量的影响规律,以便根据需要制备不同功能与不同质量的类金刚石薄膜,为进一步研究类金刚石薄膜的细胞相容性和彻底解决人工心脏机械瓣膜的凝血问题奠定基础。 论文综合论述了脉冲激光沉积法制备类金刚石薄膜的研究进展及存在的问题,综合论述了类金刚石薄膜的生物相容性和人工心脏瓣膜的研究进展及存在的问题。针对人工心脏机械瓣膜存在的凝血问题,提出在人工心脏机械瓣膜上沉积具有细胞相容性功能的类金刚石薄膜作为中间层,采用组织工程学方法种植与培养血管内皮细胞层来实现机械瓣膜表面的血管内皮化的方法,达到彻底解决机械瓣膜凝血问题的目的。 在脉冲激光沉积法制备类金刚石薄膜的实验中:保持其它工艺参数不变,首先单独改变靶基距离,其次单独改变氮气压,最后独立改变激光脉冲能量来沉积类金刚石薄膜。采用拉曼光谱仪、X射线光电子能谱仪、原子力显微镜和傅立叶变换红外光谱仪等现代检测手段对不同工艺参数的脉冲激光沉积法沉积的类金刚石薄膜的微结构、组成、表面形貌和红外透射性能进行检测研究。最后,采用脉冲激光沉积法在人工心脏机械瓣膜上沉积类金刚石薄膜,并对类金刚石薄膜的微结构、组成和表面形貌进行检测。在此基础上采用组织工程学方法在类金刚石薄膜上种植人体脐带静脉血管内皮细胞并进行体外培养,以检测类金刚石薄膜的细胞相容性。 研究结果表明:第一,靶材与衬底之间的距离对类金刚石薄膜的微观结构和表面形貌产生显著的影响。距离增加导致类金刚石薄膜中sp3/ sp2的比值减小,石墨晶粒的数量增多和体积增大,类金刚石薄膜表面的粗糙度显著增大。第二,在一定范围内随着氮气压强的升高,薄膜中sp 3键的含量增加,掺杂的氮元素含量也增加,薄膜中石墨晶粒的数量减少、体积变小,薄膜表面的粗糙度增大。氮气压强为10-3Pa时,薄膜的红外光增透作用最强、增透范围最宽,10-4Pa时薄膜的增透作用最弱,增透范围也最窄。第三,在10-1Pa的氮气氛中,脉冲能量从120mJ增加到150mJ导致薄膜中石墨晶粒的数量减少体积变小;长链状的sp2键含量减少;sp3/ sp2比值增加;薄膜中的氮含量从0.60%增加到0.79%;薄膜表面的粗糙度大幅度降低;但是类金刚石薄膜的红外光增透性能减弱。第四:采用脉冲激光沉积法在热解碳制作的人工心脏机械瓣膜上可以沉积出类金刚石薄膜,并且人脐带静脉血管内皮细胞能够在类金刚石薄膜表面很好地生长增殖并融合成片,从而可能实现人工心脏机械瓣膜表面的血管内皮化,达到抗凝血的目的。 研究工作为研制开发新一代的既具有生物瓣膜优点又具有机械瓣膜优点的人工心脏瓣膜、彻底解决人工心脏机械瓣膜的凝血问题提供了有价值的参考。同时,对脉冲激光沉积法和类金刚石薄膜的发展与应用也有积极意义。