（材料学专业论文）氧化钽薄膜材料的制备及其生物化研究.pdf

c l a s s i f i e dl q d e x ：t b 3 4 ，0 4 8 4 u d c ： s o u t h w e s tjia o t o n gu n iv ersit y m a s t e rd e g r e et h e sis p r e p a r a t10 na n dblo c o m p a t lbilit y o ft a n t a l u m0 xid efil m s g r a d e ： c a n d i d a t e ： a c a d e m i cd e g r e ea p p ii e df o r ： m a j o r ； s u p e r v i s o r ： 2 0 0 5 t a ot a o m a s t e r m a t e r i a i s p r o f l e n gy o n g x ia n g a p r ii 2 0 0 8 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密匝在l 年解密后适用本授权书； 2 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：渭译 日期：_ 。暴， 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 以无机材料类医疗植入器械( 如血管支架) 表面改性为研究背景， 提出了关于t a - o 生物薄膜材料的表面性质对其生物学性能影响的研究， 研究目的明确，针对性强。 ( 2 ) 从一个新的材料体系，研究材料表面与生物体之间相互作用机制， 在t a - o 生物薄膜材料表面的生物学行为的基础上，探索t a - o 薄膜材料表 面生物化的途径。 ( 3 ) 介绍一种无机生物材料表面固定生物分子的新途径，即采用等离子 体氢化( 紫外辐照) 技术在材料表面形成一定数量的羟基，进而在无机材料 表面固定生物大分子，获得具有良好血液相容性和生物相容性的材料表面q 陶涛 2 0 0 8 年5 月 西南交通大学硕士研究生学位论文第 l 页 i _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - - _ _ o - _ _ _ _ l - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ o 一 摘要 生物材料仅在表面的几个原子层的范围内与生物体发生作用，材料表 面的成分与结构、表面形貌、亲疏水性、荷电性、表面能等物理化学状态 决定着材料的抗凝血性能。因此寻找一种无机生物材料并对其进行生物化 表面改性，是有效改善和提高与血液直接接触的一类生物材料的抗凝血性 能的重要途径之一。 钽系材料生物无毒性，钽及其氧化物薄膜在生物医学领域已经有了一 定的研究和应用，如人造骨、血管支架等。通过调整氧化钽的制备工艺， 薄膜具有较宽的表面性质调节范围，在此基础上对其进行生物化表面改性， 用于研究材料学因素与材料表面抗凝血性能的关系。 本论文采用脉冲非平衡磁控溅射沉积技术制备了不同结构、成分、物 理性质和机械性能的氧化钽薄膜，重点研究了反应气体( 0 2 ) 与工作气体 ( 心) 的流量比( 0 2 ：心) 的变化对薄膜结构和性能的影响。 为了在表面获得羟基官能团，对氧化钽薄膜进行高频低压等离子体氢 化处理，并采用紫外辐照的方法在薄膜表面产生更多的羟基官能团，最后 通过硅烷偶联固定白蛋白( b s a ) 的方法，使薄膜具有良好的抗凝血性能 的材料表面。使用x 射线衍射仪( x i m ) 、x 射线光电子能谱仪( x p s ) 、 傅立叶变换红外光谱仪( f t 取) 、接触角测试仪、扫描电子显微镜( s e m ) 等方法对表面改性前后的氧化钽薄膜进行分析和表征，通过体外血小板粘 附实验和动物体内实验对改性前后的氧化钽薄膜材料进行抗凝血性能及生 物相容性评价。 研究结果表明：脉冲非平衡磁控溅射技术沉积的氧化钽薄膜为非晶态， 经高真空8 0 0 、6 0 m i n 退火后，转变为相应晶态的氧化钽薄膜，薄膜表 面与水的接触角介于8 2 9 0 0 之间，具有一定的疏水性。综合考虑薄膜的表 面状态、物理及机械性能，优化出0 2 ：a r 流量比为0 2 的氧化钽薄膜进行 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 表面生物分子固定。 等离子体氢化处理导致氧化钽薄膜表面粗糙度增大、疏水性增加。f t i r 及薄膜表面与水的接触角结果分析表明，等离子体氢化后用紫外辐照处理 的薄膜表面具有一定数量的羟基( o h ) ，并显著提高了薄膜表面的亲水性。 x p s 结果表明，硅烷偶联接枝白蛋白处理后的薄膜表面固定了一定量的白 蛋白。 体外血小板粘附实验结果表明：高频低压等离子体氢化表面改性对改 善氧化钽薄膜的抗凝血性能没有积极贡献；紫外辐照2 h 后，氧化钽薄膜的 抗凝血性能有所提高；表面硅烷偶联固定白蛋白以后，氧化钽薄膜的血液 相容性具有一定程度的改善。 初步动物体内实验结果表明：在钛金属基体上沉积氧化钽薄膜，并通 过硅烷偶联固定白蛋白后，样品表现出优良的生物相容性；高频低压等离 子体氢化处理对氧化钽薄膜表面生物相容性的提高没有积极贡献；沉积在 金属钛表面未经表面改性的氧化钽薄膜具有良好的生物相容性；( t a _ o ) 、 ( t a - o + 氢化) 及( t a - o + 氢化+ a p t e s + b s a ) 工艺的氧化钽薄膜均没有产 生血栓，表明其与血管内壁具有良好的组织和生物相容性。 关键词：氧化钽薄膜；非平衡磁控溅射；高频低压等离子体氢化；羟基； 小牛血清白蛋白；血小板粘附行为；抗凝血；无机生物材料 a b s t r a c t i n t e r a c t i o nb e t w e e nb i o m a t e r i a l sa n do r g a n i s mm e r e l yo c c u r r e di nt h e r a n g eo fs e v e r a la t o m i cl a y e r s0 1 1s u r f a c e ，a n da n t i c o a g u l a t i o np r o p e r t yo f t h e b i o m a t e r i a l si sa f f e c t e db yt h e i rs u r f a c ep r o p e r t i e s ，s u c ha sc o m p o s i t i o n , m i c r o s t r u c t u r e ，m o r p h o l o g y , s u r f a c ew e t t a b i l i t y , s u r f a c ec o n d u c t i v i t y a n d s u r f a c e e n e r g y , 。e t c s o i ti so n eo fe f f i c a c i o u sw a y st oi m p r o v et h e a n t i c o a g u l a t i o np r o p e r t yo fb l o o d - c o n t a c t i n gb i o m a t e r i a l sb yr e s e a r c h i n ga k i n d o f i n o r g a n i cb i o m a t e r i a l sa n di n v e s t i g a t i n gi t sb i o l o g i c a ls u r f a c em o d i f i c a t i o n t a n t a l u m - r e l a t e dm a t e r i a l sa r eb i o l o g i c a l l yn o n t o x i c t h e yw e r ea l r e a d y b e e ni n v e s t i g a t e da n da p p l i e di n t ob i o m e d i c a lf i e l d ，s u c ha sv a s c u l a rs t e n t sa n d a r t i f i c i a lb o n e s i no r d e rt or e s e a r c ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a t e r i a l c h a r a c t e r i s t i ca n da n t i c o a g u l a t i o np r o p e r t y , t a n t a l u mo x i d ef i l m sw i t hv a r i o u s s u r f a c ep r o p e r t i e sw e r es y n t h e s i z e db yd i f f e r e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，t h e n s u r f a c em o d i f i c a t i o no ft h ef i l m sw e r es t u d i e dt oo p t i m i z et h eb i o l o g i c a l p r o p e r t i e s t a n t a l u mo x i d ef i l m sw i t hd i f f e r e n tm i c r o s t r u c t u r e ，c o m p o s i t i o n ， p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sp r e p a r e db yr e a c t i v ep u l s e u n b a l a n c e d m a g n e t r o ns p u t t e r i n gs y s t e mw e r ei n v e s t i g a t e di nt h i ss t u d y t h ee f f e c to fg a s f l o wr a t i ob e t w e e nr e a c t i v eg a s ( 0 2 ) a n dw o r k i n gg a s o nm i c r o s t r u c t u r e a n dp r o p e r t i e so ft a n t a l u mo x i d ef i l m sw a sm a i n l ys t u d i e d f o ro b t a i n i n gg o o d a n t i t h r o m b o g e n i cs u r f a c e ，a s d e p o s i t e dt a n t a l u mo x i d ef i l m sw e r et r e a t e db y p l a s m ah y d r o g e n a t i o n , u l t r a v i o l e ti r r a d i a t i o n ，s i l a n ec o u p l i n gi m m o b i l i z a t i o n a n db o v i n es e r u ma l b u m i ni m m o b i l i z a t i o ni nt u r n p r e a n d - p o s tm o d i f i e d t a n t a l u mo x i d ef i l m sw e r ea n a l y z e da n dc h a r a c t e r i z e db yx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，x r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s ) ，f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 s p e c t r o m e t e r ( f t m ) ，c o n t a c ta n g l et e s t e ra n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，e t c ，r e s p e c t i v e l y t h e nv i t r op l a t e l e ta d h e s i o ne x p e r i m e n t sa n dv i v o e x p e r i m e n t s i na n i m a l b o d yw e r ep e r f o r m e d t oe v a l u a t e a n t i c o a g u l a t i o n p r o p e r t i e sa n db i o c o m p a t i b i l i t i e so f t h ef i l l s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt a n t a l u mo x i d ef i l m ss y n t h e s i z e db yr e a c t i v e p u l s eu n b a l a n c e dm a g n e t r o ns p u t t e r i n gw e r ea m o r p h o u s ，a n dt r a n s f e r r e dt o r e l e v a n tc r y s t a lt a n t a l u mo x i d ef i l l sv i ah i 曲v a c u u ma n n e a l i n ga t8 0 0 。c f o r 6 0m i n u t e s c o n t a c ta n g l eo ft h ef i l m sw e r eb e t w e e n8 0 0a n d9 0 0w h i c h p e r f o r m e dap 冶r t a i l lh y d r o p h o b i cp r o p e r t y t a n t a l u mo x i d ef i l l 、i m0 2 ：a r r a t i oo f0 2w a so p t i m i z e db yc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i st oi m m o b i l i z eb o v i n e s e r u ma l b u m i n t h es u r f a c er o u g h n e s sa n dh y d r o p h o b i cp r o p e r t yo ft a n t a l u mo x i d ef i l m s w e r ei n c r e a s e db yp l a s m ah y d r o g e n h t i o nm o d i f i c a t i o n t h er e s u l t so fc o n t a c t a n g l et e s ta n df t i rs h o w e d t h a tac e r t a i na m o u n th y d r o x y lg r o u pw a so b s e r v e d o nt h es u r f a c eo ft a n t a l u mo x i d ef i l m sa f t e rs u c c e s s i v ep l a s m ah y d r o g e n a t i o n a n du l t r a v i o l e ti r r a d i a t i o n , a n dt h eh y d r o p h i l i c i t yo nt h es u r f a c eo ff i l l sw a s i n c r e a s i n g t h er e s u l t o fx p ss h o w e dt h a tac e r t a i na m o u n tb s aw a s i m m o b i l i z e do n t ot h es u r f a c eo f t a n t a l u mf i l m sb ya p t e s v i t r op l a t e l e ta d h e s i o ne x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tp l a s m ah y d r o g e n a t i o n m o d i f i c a t i o nd i dn o th a v ep o s i t i v ec o n t r i b u t i o nf o ri m p r o v i n ga n t i c o a g u l a t i o n p r o p e r t yo ft a n t a l u mo x i d ef i l l s t h ea n t i c o a g u l a t i o np r o p e r t yo ft h ef i l m sw a s s o m e w h a ti n c r e a s e dv i au l t r a v i o l e ti r r a d i a t i o nf o r2h o u r sa n di m m o b i l i z a t i o n o fb s a b ya p t e s ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l to fp r e l i m i n a r yv i v oe x p e r i m e n t si na n i m a lb o d ys h o w e dt h a t i m m o b i l i z a t i o no fb s ab ya p t e so n t os u r f a c eo ft a n t a l u mo x i d ef i l l s s y n t h e s i z e do nt i t a n i u ms u b s t r a t ep e r f o r m e de x c e l l e n tb i o c o m p a t i b i l i t y t h e r e 西南交通大学硕士研究生学位论文第v 页 w a sn op o s i t i v ec o n t r i b u t i o nf o ri m p r o v i n gb i o e o m p a t i b i l i t yo ft a n t a l u mo x i d e f i l m sb yp l a s m ah y d r o g e n a t i o ns l ：咄em o d i f i c a t i o n a s - d e p o s i t e dt a n t a l u m o x i d ef i l m sh a dg o o db i o e o m p a t i b i l i t y t h e r ew a sn ot h r o m b u so nt h es u r f a c e o ft h ef i l m so fa s d e p o s i t e dt a - of i l m s ，h y d r o g e n a t e dt a - of i l m sa n db s a i m m o b i l i z e dt a - of i l m sw i t ha p t e s ，w h i c hi n d i c a t e da l lt h r e ek i n d so f s a m p l e sh a dg o o dh i s t o c o m p a t i b i l i t ya n db i o c o m p a t i b i l i t yw i t hb l o o dv e s s e l i n t e rw a l l k e yw o r d s ：t a n t a l u mo x i d e ；u n b a l a n c e dm a g n e t r o ns p u t t e r i n g ；h i g h f r e q u e n c y a n dl o w - v o l t a g ep l a s m ah y d r o g e n a t i o n ；h y d r o x y l ；b o v i n es e l a l ma l b u m i n ； p l a t e l e ta d h e s i o n ；a n t i c o a g u l a t i o n ；i n o r g a n i cb i o m a t e r i a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第vi 页 第1 章 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 第2 章 2 1 2 2 2 3 第3 章 3 1 3 2 目录 绪论1 生物医用材料1 1 1 1 生物医用材料概述。1 1 1 2 生物医用材料的抗凝血性能研究3 钽系薄膜的性能及其在生物医学工程中的应用5 1 2 1钽的性能及应用_ j 5 1 2 2 氧化钽薄膜的性能及应用5 1 2 3 氧化钽薄膜的制各技术6 等离子体氢化表面改性1 2 1 3 1 等离子体概述1 2 1 3 2 等离子体空间化学反应1 4 1 3 3 低压高频等离子体表面改性1 6 本论文研究意义及内容：1 8 本论文的技术路线1 9 氧化钽薄膜的制备及其性能表征2 l 实验原理2 1 2 1 1 薄膜的制备及表征2 1 2 1 2 薄膜的物理性能测定2 6 2 1 3 薄膜的机械性能评价2 8 结果与讨论。2 9 2 2 1 结果分析2 9 2 2 2 薄膜的表面润湿性能3 2 2 2 3 薄膜的物理性能3 2 2 2 4 薄膜的机械性能3 5 d 、结i 3 9 氧化钽薄膜的等离子体氢化处理及白蛋白固定4 0 实验原理4 0 实验步骤一4 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第v l l 页 3 2 1 样品准备及清洗4 l 3 2 2 薄膜表面高频低压等离子体氢化4 2 3 2 3 接枝硅烷偶联剂4 2 3 2 4白蛋白的固定4 2 3 2 5 样品表面性质表征4 3 3 3 实验结果及分析4 3 3 3 1薄膜表面等离子体氢化预实验结果分析4 3 3 3 2 薄膜表面高频低压等离子体氢化改性结果分析4 5 3 3 3薄膜表面偶联固定白蛋白结果分析。4 7 3 4 小结。5 2 第4 章血小板粘附实验5 4 4 1实验所用仪器及试剂：5 4 4 1 1 仪器及器皿o 5 4 4 1 2 材料及试剂5 4 4 2 实验原理及步骤：j 5 4 4 2 1 实验原理5 4 4 2 2实验步骤j 5 5 4 3 实验结果及分析5 6 4 3 1 氢化及紫外辐照前后薄膜的血小板粘附结果分析5 6 4 3 2 白蛋白固定前后薄膜的血小板粘附结果分析5 7 4 4 小结6 0 第5 章初步动物体内实验6 1 5 1实验所用仪器及试剂一6 1 5 1 1仪器及器皿6 1 5 1 2 材料及试剂6 1 5 2 实验原理及步骤。6 1 5 3动物体内实验结果分析二6 2 5 4 小结。6 7 结论6 8 致谢7 0 ：亘童銮望查兰里主堡窒竺兰垡笙塞 兰! ! ! ! 戛 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ 。一一 参考文献7 1 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果8 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 生物医用材料 生物医用材料概述 章绪论 生物材料学是2 0 世纪6 0 年代新兴的一门交叉学科，尤其在2 0 世纪 8 0 年代得到高速发展。作为一门介于材料、医学、物理、机械、生物学和 化学交叉的学科，它已成为生物、医学以及材料科技领域众多工作者研究 的重点。 1 生物医用材料的概念 生物医用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l ) ，又称生物材料( b i o m a t e r i a l ) ， 也称仿生材料( b i o n i cm a t e r i a l ) ，是一类具有特殊性能、特种功能，与 生命系统接触和发生相互作用，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、 替换修复或诱导再生的天然或人工合成的特殊功能材料。这类材料可单独 或与药物一起用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾 患等医疗、保健领域，用于人体组织或器官，起替代、增强或恢复其功能 等治疗作用，而对人体组织、血液不致产生不良影响【l 捌。 2 生物医用材料的分类 生物材料种类繁多，到目前为止，被详细研究过的生物材料已经超过 1 0 0 0 种，在医学临床上广泛应用的也有几十种，涉及材料学科各个领域【4 】。 依据不同的分类标准，生物材料可以分为不同的类型。 以材料的生物性能为分类标准，生物材料可以分为生物惰性材料 ( b i o i n e r tm a t e r i a l ，主要包括氧化物陶瓷( a 1 2 0 3 、z r 0 2 ) 、s i s n 4 陶瓷、玻璃 陶瓷、医用碳素材料、医用金属材料等) 、生物活性材料( b i o a c f i v em a t e r i a l ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 主要包括羟基磷灰石材料、磷酸钙生物活性材料、磁性生物活性材料、生 物玻璃等) 、生物降解材料( b i o d e g r a d a b l em a t e r i a l ，主要包括i b - t c p 生物 降解陶瓷、降解性高分子生物材料等) 和生物复合材料( c o m p o s i t em a t e r i a l ， 主要包括高分子基、金属基、陶瓷基生物复合材料等) 四类。 按照材料的属性，生物医用材料又可以分为以下四类：( 1 ) 生物医用 金属材料( b i o m e d i c a lm e t a l l i cm a t e r i a l )已经用于临床的医用金属材料主 要有不锈钢、钴基合金和钛合金等。此外，还有形状记忆合金、贵金属以 及纯金属钽、铌、锆等。( 2 ) 生物医用高分子材料( b i o m e d i c a lp o l y m e r )按 照不同的性质，医用高分子材料可分为非降解型和可降解型两类。( 3 ) 生 物医用陶瓷材料( b i o m e d i c a lc e r a m i c )生物医用陶瓷材料又称生物医用 无机非金属材料，包括陶瓷、玻璃、碳素等无机非金属材料。( 4 ) 生物衍 生材料( b i o l o g i c a l l yd e r i v e dm a t e r i a l ) 生物衍生材料是由经过特殊处理 的天然生物组织形成的生物医用材料，也称为生物再生材料。 3 生物医用材料的发展 总的来看，目前对生物材料的开发研究仍处于经验和半经验的阶段， 真正建立在分子设计基础上以材料的结构与性能之间的关系为依据的新型 生物材料的设计还不多见。 现在对于生物材料的研究已经从被动的适应生物环境发展到有目的地 设计材料：以达到与生物组织的有机连接。随着生命科学与材料科学的不 断进步，生物材料必将向具有生命特征的功能性材料方向发展。生物材料 的临床应用将从短期的替换和填充发展成永久性植入，并与其他高科技技 术( 如电子技术、信息处理技术等) 相结合，制备富有应用潜力的医疗器 械。 当前生物材料科学研究具有如下两种发展趋势。 ( 1 ) 从惰性材料、活性和可降解材料、单一材料向多种材料组装与表 面修饰的复合改进和向细胞与基因活性材料方向发展，其特征是在分子水 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 平上模拟特定细胞和基因特异性反应，使材料具有主动诱导、激发人体组 织和器官再生修复功能。能参与人体物质交换并产生相互结合的功能性生 物材料。 ( 2 ) 应用生命科学与工程科学的原理方法，在可控、可重复的条件下， 通过特定细胞在网络构架上的体外培养，形成具有生物降解特定功能的组 织和器官的组织功能材料，并从材料化学的角度评价生物材料的功能作用， 研究材料的化学基础和理论问题，材料在肌体内的结构变化和生物化学反 应以及材料在肌体中的代谢途径与代谢产物分布。 1 1 2 生物医用材料的抗凝血性能研究 作为与血液直接接触的心血管生物材料，其血液相容性的好坏直接关 系到心血管生物材料的应用和发展。 1 生物医用材料的抗凝血机理 材料与血液作用的机理，即材料的抗凝血机理是设计和发展抗凝血生 物材料的理论基础。生物材料导致凝血( 血栓形成) 的基本途径除了直接 刺激血液的凝固系统中凝血因子活化和机体的补体系统的激活而导致凝血 以外，目前普遍公认的是通过蛋白吸附层引起血小板粘附而导致血栓的形 成【5 】o 当材料与血液接触以后，会引发血液的许多物理化学变化，其中最先 发生的重要现象是血液中的纤维蛋白原在材料表面吸附并发生构象变化 【6 】。当材料表面吸附了一定的纤维蛋白原后，血小板会粘附在其周围，血 小板受材料的刺激后粘附性增加，进一步聚集释放大量的凝血因子，产生 有活性的凝血酶，凝血酶又会激发新的凝血因子，如此循环发生凝血反应 从而形成血栓；同时材料表面的纤维蛋白原构象变化也可引起红血球的激 活，红血球变形、破坏产生溶血，同样会发生凝血反应【j 7 1 。因此纤维蛋白 原与材料表面的相互作用被认为是血液与材料相互作用的一个关键环节。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 为此，已经有大量的研究工作致力于建立材料的表面性质对纤维蛋白原的 吸附与构象变化的影响规律，并提出了各种有代表性的假说。 材料的表面性质是影响材料表面抗凝血性能的重要因素。基于高分子 材料的研究提出了最宜临界表面张力假说、表面和界面自由能假说、表面 微相分离结构假说及抗凝血材料表面需带有负电荷的假说【l 8 】等等。形成了 一些具有代表性的观点：负电荷表面、准结构水1 9 , 1 0 】及表面微相分离结构【1 1 】 具有降低血栓形成的倾向；适当临界表面张力范围、最小界面能、适当界 面张力( 1 - 3 d g n c m ) 以及色散力与极性力相匹配等 6 , 1 2 - 1 4 】可以改善材料表 面的血液相容性。 而对于无机材料的抗凝血机理的认识还是刚刚起步。其中材料与血液 相互作用的假说【”】是基于血液蛋白质的半导体特性，认为纤维蛋白原在材 料表面吸附，电子向材料表面转移，导致纤维蛋白原的分解与聚合，是导 致凝血过程发生的重要原因。基于该假说，h u a n gn 等人【16 】认为具有宽禁 带n 型半导体性质的材料禁带内的局域能级状态密度下降，禁带宽度增加， 阻止血液中纤维蛋白原的电子向材料转移的能力增加，抗凝血性提高。 在众多抗凝血理论机理的基础上，通过深入研究材料结构与抗凝血性 能关系，提出了各种抗凝血生物材料的设计方案【1 4 , 1 7 】。如利用各种物理及 化学的方法对材料的表面进行处理：改善表面的亲水性，降低表面自由能 到接近血管内膜的表面自由能值可取得良好的抗血栓性能；使表面带负电 荷；设计微相分离结构、光滑的表面等。此外是对材料进行表面修饰，如 血管内皮化、白蛋白钝化及聚氧化乙烯表面接枝等。 2 生物医用材料的表面改性 生物材料仅在表面的几个原子层的范围内与生物体发生作用，材料的 表面成分与结构、表面形貌、亲疏水性、荷电性、表面能等物理和化学状 态决定着材料的抗凝血性能，影响着生物分子在材料表面的选择性吸附， 以及抗凝血的内皮细胞等在材料表面的粘附，即材料的生物活性。但是， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 对无机材料具有什么样的表面性质才能够具有优异的生物相容性还缺乏足 够的认识。 基于此寻找一种具有较宽的表面性质( 如材料的电阻率、禁带宽度、 表面能等) 调节范围的材料，用来研究材料学因素与材料抗凝血性能之间 的关系。钽的氧化物薄膜极好地满足了这些条件。所以，本研究试图通过 离子束表面改性的方法制备氧化钽薄膜，通过控制薄膜的成分、结构及表 面状态，调整薄膜的电阻率、表面能、与水的界面反应等，得到性能优良 的氧化钽薄膜。进一步，用生物材料表面修饰的方法在氧化钽薄膜表面进 行化学接枝生物分子，从而获得具有优异生物相容性的材料表面。 1 2 钽系薄膜的性能及其在生物医学工程中的应用 1 2 1钽的性能及应用 钽除了具有化学稳定性好、强度高、成形性好和较优的断裂韧性等特 点外，还具有与人体组织的稳定性和愈合性、无毒性【1 8 】。钽可以用作接骨 板、螺丝、钉和缝合线等外科手术材料及整形外科材料【1 9 1 。此外，钽还被 用来制作血管支架【2 0 1 和人造骨【2 ，表现出良好的生物相容性和骨传导性。 众所周知，植入体的表面成分、结构、形貌和表面能状态对于植入体 的生物学性能有着至关重要的决定作用。钽金属在很多介质中会与氧或其 它氧化剂( 如水) 作用形成一层致密具有良好化学惰性的氧化膜 2 2 1 ，这层 致密的氧化膜对于钽金属良好的生物相容性至关重要。纯钽的氧化激活能 为1 1 9 k j m o l ，比纯钛( 氧化激活能为2 3 2k j m 0 1 ) 更容易氧化且稳定，金 属氧化层的存在阻止了电子的转移，进而阻隔了纯钽表面氧化还原反应的 发生。这层氧化层决定着钽金属的生物学性能。 1 2 2 氧化钽薄膜的性能及应用 氧化钽( t a - o ) 的结构比较复杂，存在多种相结构，如a 相、p 相、y 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 相和6 相等，采用物理气相沉积法制备的氧化钽薄膜通常为非晶态结构， 在空气( 或氧气) 气氛中高于晶化温度( 约8 7 3 9 7 3 k ) 的条件下进行退火 处理生成的主要是斜方晶体结构( o r t h o r h o m b i c ) 的p - t a 2 0 5 ，晶格参数 a = 0 6 1 9 8 n m ，b = 4 0 2 9 0 n m ，c = 0 3 8 8 8 n m j c p d s2 5 0 9 2 2 f 2 3 1 。化学计量比的 p - t a 2 0 5 的熔点为1 8 7 0 c ，密度为8 7 9 e r a 3 ，反射率为2 1 2 2 。除此之外， t a 2 0 5 还有体心立方结构( c u b i c ) 的弘t a 2 0 5 和六方晶体结构( h e x a g o n a l ) 的7 - t a 2 0 5 刚。 氧化钽在生物医用材料领域的应用也有了初步的研究，z i t t e r 等人 2 5 1 认为钽的良好生物相容性是由于其表面的一层致密氧化层；m a c i o n c z y kf 等人【2 6 】为了提高生物医用植入材料奥氏体不锈钢的抗腐蚀性能，在其表面 制备了t a 偈o 复合薄膜，其中t a 薄膜保障材料的塑性、延展性及与不锈 钢基体间的结合力，t a - o 薄膜提高了材料的生物相容性，但其没有具体研 究1 a - o 薄膜对材料表面生物相容性的影响。l e n gyx 等人【2 7 】采用脉冲金 属弧源技术合成了钽薄膜，在空气中高温退火后得到结晶良好的t a 2 0 5 ， 体外内皮细胞培养( h u m a nu m b i l i c a lv e i ne n d o t h e l i a lc e l l s ，h u v e c ) 实验 结果表明，t a 和t a 2 0 5 薄膜表面内皮细胞生长的数量、形态和繁殖等情况 均优于3 1 6 l 不锈钢和t i 合金的表面，可有效改善材料表面的生物相容性， 在血管支架表面改性中具有一定的应用前景。 1 2 3 氧化钽薄膜的制备技术 目前氧化钽薄膜的主要制备技术可分为两大类：物理法和化学法。大 量文献报道采用磁控溅射沉积( m a g n e t r o ns p u a e f i n gd e p o s i t i o n ) 、离子束 增强沉积( i o nb e a me n h a n c e dd e p o s i t i o n ，i b e d ) 、脉冲激光沉积( p u l s e d l a s e r d e p o s i t i o n ，p l d ) 、化学气相沉积( c v d ) 和溶胶凝胶法( s 0 1 g e l ) 等技术制备了钽及其氧化物薄膜。 1 2 3 1 磁控溅射沉积 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 磁控溅射沉积技术是在二极溅射技术的基础上建立和发展起来的，在 磁控溅射系统中引入磁场，利用磁场对二次电子实施有效控制，提高气体 离化率。磁控溅射技术的提出和发展经历了平衡磁控溅射、非平衡磁控溅 射和多靶非平衡磁控溅射等几个技术阶段【2 羽。 1 平衡磁控溅射 平衡磁控溅射通常也被称作常规磁控溅射( c o n v e n t i o n a lm a g n e t r o n s p u t t e r i n g ) ，其工作原理如图1 1 【2 s 】所示。二次电子在正交电磁场的作用下， 被束缚在靶表面附近沿着“跑道”环绕磁力线做圆滚性运动，提高了工作 气体的离化率，即使工作气压降低到1 0 1 0 。2 p a 的量级，仍能增加等离子 体密度，从而可提供高入射离子密度，有利于降低溅射电压，同时提高沉 积速率；而二次电子只有在能量耗尽后才能脱离靶表面落到阳极上，所以 避免y - - 次电子的轰击，基体的温升低、表面损伤小。平衡磁控溅射可有 效应用于对温度要求严格的基体材料的表面改性。 图1 一l 平衡磁控溅射的工作原理图 f i g 1 1p r i n c i p l eo f b a l a n c e dm a g n e t r o ns p u u t e r i n