（生物医学工程专业论文）SiNO薄膜的制备及性能研究(1).pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 r m m 结构的薄膜，随n 、o 原子含量比( n o ) 的增加，薄膜的亲水性 下降；r b m 结构的s i n o 薄膜，随n 、o 原子含量比( n o ) 的增加，薄膜 的亲水性增加。 本论文在体外系统性评价了s i n o 薄膜的抗凝血性能，并进一步探讨了 薄膜制备工艺、成分结构、物化性能和薄膜抗凝血性之间的关联性，建立了 薄膜表面结构状态与薄膜血液相容性间的相关关系： r m m 结构的s i n o 薄膜中，n 、o 原子含量比( n o ) 较低的薄膜，其 抗凝血性能较好；r b m 结构的s i n o 薄膜中，n 、o 原子含量比( n o ) 较 高的薄膜，其抗凝血性能较好，均优于对照样品l t i c 。薄膜抗凝血性能的提 高与薄膜亲水性的改善、极性分量的上升、y ：比值的提高和碱性分量丫 的提高有关。 s i n o 薄膜的亲水性是影响薄膜抗凝血性能的关键因素，薄膜的成分结 构通过改变其亲疏水性等性质影响其抗凝血性能。 关键词：s i n o 薄膜，x p s ，f t i r ，a s i 0 2 ，a - s i 3 n 4 ，s i n ；o y ，表面能，血液 相容性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 a b s t r a c t i m p r o v i n gt h e b l o o dc o m p a t i b i l i t yo fc a r d i o v a s c u l a rb i o m a t e r i a l si sa n e s s e n t i a lp r o b l e mi nb i o m a t e r i a l sf i e l d 。s u r f a c em o d i f i c a t i o ni sr e g a r d e da sa s i g n i f i c a n t m e a n st o i m p r o v e t h eb l o o d c o m p a t i b i l i t y o fc a r d i o v a s c u l a r b i o m a t e r i a l s c u r r e n t l y ，n oo n ek i n do fi n o r g a n i cm a t e r i a l sc o u l dr e p l a c et h e a p p l i c a t i o no fl o wt e m p e r a t u r ei s o t r o p i cp y r o l y t i cc a r b o n ( l 1 i c ) i nc l i n i c s i n o t h i nf i l m s ，a sak i n do fn o v e lb i o m a t e r i a l s ，h a v ej u s ta t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o no f r e s e a r c h e r s h o w e v e r , c u r r e n tr e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a ts i n ot h i nf i l m sh a v e p o t e n t i a la d v a n t a g e si nb l o o dc o m p a t i b i l i t yc o m p a r e dw i t hl t i c i nt h i s t h e s i s ，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 t e c h n i cw a su s e dt o s y n t h e s i z es i n ot h i nf i l m sb ya d j u s t i n gn 2f l u xa n do t h e rp a r a m e t e r s ，s u c ha s t h ed i s t a n c eb e t w e e nt a r g e ta n ds u b s t r a t e sa n dt h ed e p o s i t i o np r e s s u r e t h e i r c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r a li n f o r m a t i o nw e r ed e t e r m i n e du s i n gx r a y d 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 m e t r y ( x v s ) a n df o u r i e r t r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( f t i r ) ，a n dt h er e s u l t sw e r es h o w na sf o l l o w s a sn 2f l u xw a si n c r e a s e df r o m0t o4 0 s c c m ，t h ee x c e s s i v eni o n si nt h e v a c u u mc h a m b e rc a u s e ds it a r g e tp o i s o n i n g , l e a d i n gt ot h er e d u c t i o no ff i l m t h i c k n e s sa n dd e p o s i t i o nr a t e t h er e d u c t i o no ft h ed i s t a n c eb e t w e e nt a r g e ta n d s u b s t r a t e se n h a n c e dt h eni o n sa r r i v e dt ot h es u b s t r a t e s ，w h i c hm e a n sm o r en i o n sw e r ei n c o r p o r a t e di n t ot h ef i l m s t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f o b t a i n e ds i n ot h i nf i l m sv a r i e di nt h er a n g e o fs i n 0 0 4 0 0 4 s s i n o 7 0 0 2 7w i t ht h ei n c r e m e n to fn 2f l u x o b t a i n e ds i - n of i l m s i n t h i st h e s i sc o u l db ed e s c r i b e dt or a n d o mm i x i n gm o d e l ( r m m ) a n dr a n d o m b o n d i n gm o d e l ( r b m ) i nr m m t h ea s i 0 2a n da - s i 3 n 4c o m p o n e n t su n i f o r m l y e x i s t e di nt h em a t r i xo fa b u n d a n ts i o ，a n di nr b m ，t h es i 2 pe x i s t e di nt h ef o r m o fa - s i 3 n 4a n ds i n v 0 4 - v ( v = 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ) c o m p o n e n t s t h ea m o u n to fr e l a t e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 c o m p o n e n t se x i s t i n gi nt h ef i l m sd e p e n d e do nt h ev a r i e dd e p o s i t i o np a r a m e t e r s t h eo p t i c a lb a n d g a po ft h es i - n of i l m si n c r e a s e df r o m1 4 1 e vt o4 1 4 e v t h ei n c r e m e n tw a sc o r r e s p o n d i n gt ot h er e d u c t i o no f s i oc o m p o n e n ti nr m m f i l m s ，a n dt h ei n c r e m e n to fna n d0a t o mc o n c e n t r a t i o ni nr b mf i l m s t h eh y d r o p h i l i cp r o p e r t yo fr m mf i l m sd e c r e a s e da s , t h er a t i oo fnt o0 a t o mc o n c e n t r a t i o n ( n o ) i n c r e a s e d o nt h eo t h e rh a n d , t h eh y d r o p h i l i cp r o p e r t y o fr b mf i l m si n c r e a s e da st h er a t i oo fnt o0a t o mc o n c e n t r a t i o n ( n o ) i n c r e a s e d t h eb l o o dc o m p a t i b i l i t yo fs i - n o f i l m s w a s - i n v e s t i g a t e db ys y s t e m a t i c n v i t r ot e s t s t h ec o r r e l a t i v i t yo ff i l ms y n t h e s i sp a r a m e t e r s ，c h e m i c a lc o m p o s i t i o n a n ds t r u c t u r a li n f o r m a t i o n ，f i l mp r o p e r t i e sa n db l o o dc o m p a t i b i l i t yw a sd i s c u s s e d i nt h et h e s i s t h er m ms i n 0f i l m sw i t hl o w e rn 0r a t i os h o w e df a v o r a b l eb l o o d c o m p a t i b i l i t y t h er b m f i l m sw i t hh i g l l e rn or a t i oa l s os h o w e df a v o r a b l eb l o o d c o m p a t i b i l i t y t h eb l o o dc o m p a t i b i l i t yo ft h e s es i n of i l m sw a sb e t t e rt h a nl t i c t h ei m p r o v e m e n to fb l o o dc o m p a t i b i l i t yw a sc l o s e l y - r e l a t e dt ot h ef a v o r a b l e h y d r o p h i l i cp r o p e r t y , t h ei n c r e a s eo fp o l a rc o m p o n e n t ，t h er a t i oo fyi pfri da n dt h e a l k a l i n ec o m p o n e n t t h eh y d r o p h i l i cp r o p e r t yw a st h em o s ts i g n i f i c a n tf a c t o rt oi n f l u e n c et h e b l o o dc o m p a t i b i l i t yo f s i n of i l m s t h ef i l mp r o p e r t i e s ，e s p e c i a l l yt h e h y d r o p h i l i cp r o p e r t y , a d j u s t e db yt h ef i l mc o m p o s i t i o n ，s t r u c t u r a li n f o r m a t i o n a n dm i c r o - s t r u c t u r e ，h a dg r e a te f f e c to nb l o o dc o m p a t i b i l i t y k e y w o r d s ：s i n ot h i nf i l m s ，x p s ，f t i r ，a s i 0 2 ，a - s i 3 n 4 ，s i n x o y ，s u r f a c e e n e r g y , b l o o dc o m p a t i b i l i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 1 页 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的精心指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。文中除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南交通大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。 本学位论文成果是本人在西南交通大学读书期间在导师指导下取得的， 论文成果归西南交通大学所有，特此声明。 论文作者签名：垓甩匆殆陡 铷柘亍 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 生物医用材料概述 生物医学材料学是材料科学与生命科学的交叉学科，代表了材料科学与 现代生物医学工程的一个主要发展方向，是当今科学技术发展的重要领域之 一。生物医学材料又称为生物材料，是用于与生命系统接触和发生相互作用 的，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一类 天然或人工合成的特殊功能材料【1 1 。随着生物技术的蓬勃发展和重大突破， 生物材料己成为各国科学家竞相研究和开发的热点。 生物医学材料植入机体后，通过材料与机体组织的直接接触与相互作用 而产生两种反应：一是材料反应，即活体系统对材料的作用，包括生物环境 对材料的腐蚀、降解、磨损和性质退化，甚至破坏。二是宿主反应，即材料 对活体系统的作用。包括局部和全身反应，如炎症、细胞毒性、凝血、过敏、 致癌、畸形和免疫反应等。其结果可能导致对机体的中毒和机体对材料的排 斥。因此，生物医学材料应满足良好的生物相容性、恰当的化学稳定性、适 宜的力学性能、良好的可加工性和可消毒性等基本条件i 2 1 。 生物相容性是指生物医用材料与人体之间相互作用所产生的各种复杂的 生物、物理、化学反应。植人人体内的生物医用材料及各种人工器官、医用 辅助装置等医疗器械，必须对人体无毒性、无致敏性、无刺激性、无遗传毒 性和无致癌性，对人体组织、血液、免疫等系统不产生不良反应。因此，材 料的生物相容性优劣是生物医用材料研究设计中首先考虑的重要问题。 生物医用材料的生物相容性按材料接触人体部位不同一般分为血液相容 性和组织相容性两类。若材料用于心血管系统与血液直接接触，主要考察材 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 料与血液的相互作用，称为血液相容性：若与心血管系统外的组织和器官接 触，主要考察与组织的相互作用，称为组织相容性或一般生物相容性。 循环系统用的人工心脏、心脏瓣膜、人工血管及进入血管中的血管支架、 导管等医用装置，在与组织、细胞接触的同时还与血液直接接触，所以除了 组织相容性外，还有血液相容性的问题。由于血液的成分和生理功能的复杂 性，生物医用材料及医用装置的表面性能不同，与血液相互作用时将产生对 机体不利的各种生物学反应，如凝血或溶血等反应。因此，生物医用材料与 血液成分相互作用构成了血液相容性研究的主要内容，血液相容性在生物医 用材料的研究中有着重要的作用【3 1 。 1 2 血液接触材料研究现状 统计显示，心血管疾病是当今世界人类死亡的首要病因。据2 0 0 0 年世界 卫生组织报告：每年有1 7 0 0 万人死于心血管疾病，即全球每3 个死亡者中就 有1 个死于心血管疾病。到2 0 2 0 年，因心血管疾病死亡的人数将比该数字增 加5 0 ，高达2 5 0 0 万。 面对如此严重的死亡威胁，各种各样由人工生物材料制备的心血管器械应 运而生，而且已成为诊断、预防和治疗心血管疾病有效而重要的手段。特别 是在一些力学环境复杂、综合性能要求高的心血管系统植入器械( 如心脏瓣 膜、血管支架等) ，无机材料仍然是目前临床治疗中的首选材料。然而这些无 机生物材料在临床应用中存在的最大问题是他们的血液相容性不能完全满足 临床要求，特别是血栓栓塞及其相关的并发症一直是困扰治疗效果的致命结 症，从而严重地限制了其在临床治疗中的治疗效果和推广应用1 4 嗣。因此，此 类传统材料的血液相容性，特别是其抗凝血性能岌待改进。 目前，表面改性( 表面覆膜) 技术已作为改善无机生物材料血液相容性的 有效手段，且被研究者普遍研究。如采用物理气相沉积( p v d ) 、等离子化学 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 气相沉积( p v c d ) 、等离子体注入沉积( p b i l & d ) 、离子束增强沉积( i b e d ) 、 磁控溅射等方法在人工心脏瓣膜材料表面合成了t i n 薄膜、s i c 薄膜、类金 刚石薄膜、热解碳薄膜等，以提高人工心脏瓣膜材料的血液相容性和机械性 能f 6 l 。但目前尚无一种成熟的无机材料的抗凝血性能能够取代低温各向同性 热解碳( l t i c ) 在临床应用中的地位，成为限制抗凝血表面改性技术进一步 发展与临床应用的关键性问题。因此，具有优异抗凝血性能的新型无机功能 材料的设计优化及对其优异抗凝血性能的认识成为该领域发展的迫切需要。 1 3s i n o 系薄膜 1 3 1s i n o 系薄膜的性质及应用背景 s i n 薄膜由于具有优异的绝缘性能、热稳定性以及化学稳定性，广泛应 用于微电子领域、微机械制造领域用作绝缘体材料以及钝化膜；另外此类薄 膜硬度高且具有极好的抗磨损性能，因此亦广泛应用于陶瓷切削加工工具、 材料表面改性等领域作为高硬度薄膜；由于n 离子的掺杂效应可在s i 表层 形成掺杂s i n 薄膜从而表现了半导体特性，从而广泛应用于半导体工业1 7 - $ 1 。 氮氧化硅( s i n o ) 薄膜结合s i 0 2 和s i 3 n 4 的各种性能( 光学、机械、电 子) ，且其结构性能高度可调，具备硬度高，具有热稳定性及化学惰性等优点， 已广泛应用于微电子、微机械电子传感系统( m o e m s ) 和化学传感器中【训。 1 3 2s i n o 系薄膜在生物医用材料中的应用及研究背景 材料与生物体相互作用机制的研究表明：生物材料表面的成分、结构、 表面形貌、表面的能量状态、亲疏水性、表面电荷、表面的导电特征等表面 化学、物理及力学特性均会影响材料与生物体之间的相互作用。通过物理、 化学、生物等各种技术手段改善材料表面性质，可大幅度改善生物材料的生 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 物相容性。表面改性技术已成为改善无机生物材料生物相容性方面的一个重 要手段。 由于s i n o 系薄膜具有优异的化学惰性以及高的硬度，近年来，研究人 员开始着f 研究该系薄膜于人工关节摩擦副以及齿科材料表面改性的可能 性，取得了一定的研究成果并且得到了应用与发展1 1 0 - l l l 。 进一步地，研究人员将其作为一种新型功能材料开始应用于与血液接触 材料的表面改性研究，研究报道显示：经n 离子注入的各相同性碳材料的抗 凝血性能进一步提高并显示出择优吸附白蛋白的趋势，预示了迸一步改进 s i c n 系薄膜的抗凝血性能的潜力。于是研究者开始探索s i n 系薄膜在血 液接触材料中应用的可能性，大多数研究结果显示该类材料具有良好的抗凝 血性能1 1 2 - 1 3 l 。但迄今为止该研究方向尚处于尝试性的研究阶段，目前的研究 结果显示，s i n 薄膜具有接近于l t i c 的血液相容性，显示了s i n 薄膜具有 潜在优良的血液相容性。 由于s i n 薄膜同时具有良好的机械性能，因此作为无机材料的优势，可 能应用于一些力学环境复杂的心血管植入器械，以满足其对力学综合性能和 血液相容性的要求。 本论文从制备s i n o 薄膜入手，研究该系薄膜的结构成分，表面物理化 学性质，并且对其血液相容性进行体外评价，分析其表面结构状态与血液相 容性的关系，进一步建立二者之间的相关性，从而优化出具有优异血液相容 性的无机功能薄膜。 1 3 3s i n ( 0 ) 系薄膜的制备 常用的无机薄膜表面改性方法有：( 1 ) 气相沉积方法：包括物理气相沉积 ( p v d ) 、化学气相沉积( c v d ) 、以及后来衍生的物理化学气相沉积 ( p e c v d ) ；( 2 ) 溅射方法：包括磁控溅射( m s ) 、射频溅射( r f ) 、离子柬 溅射等i ( 3 ) 离子注入以及等离子体表面改性的方法。这些表面改性方法均有 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 其优点和局限性，由于s i n o 薄膜当其化学成分达到一定的比例时，它表现 为绝缘性质，鉴于这一点，目前s i n o 薄膜大多采用p e c v d ，c v d ，p i l l ， 磁控溅射等方法制备合成。而就制备s i n o 化合物薄膜，一般采习p e c v d 以及磁控溅射的方法合成【1 4 舯】。 化学气相沉积( c v d ) 法具有成膜速率快，有台阶覆盖性能，更适合于 复杂形状的基板，制得的薄膜纯度高，致密光滑，残余应力小，附着力高， 而且在c v d 过程中薄膜受到的辐射损伤程度低【1 5 i 。它包括常压热化学气相 沉积( a p t c v d ) 、低压热化学气相沉积( l p c v d ) 1 1 4 1 、快热化学气相沉积 ( r t c v d ) 、等离子增强化学气相沉积( p e c v d ) 、光化学气相沉积( p c v d ) 、 电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积( e c r p e c v d ) 1 2 0 】多种方法。现在 工业上和实验室一般使用等离子体增强化学气相沉积( p e c v d ) 来制备氮化 硅薄剧1 6 , 2 1 】，其沉积速率高、沉积温度低、工艺重复性好且所制备的薄膜均 匀；但沉积过程中的高能离子会引起薄膜缺陷，并且可能会导致杂质如h 离 子过多地结合在薄膜之中【2 2 1 。 离子束增强沉积( i b e d ) 法是在同一真空系统中以电子束蒸发或离子束 溅射薄膜材料( s i 靶) 的同时，用一定能量的离子束( n + 和n 2 + ) 进行轰击， 在常温下合成薄膜的方法。此法具有以下优点：( 1 ) 沉积过程在高真空中进 行，氧化程度低；( 2 ) 在界面区存在混合层，使得膜与基体的结合强度明显 提高；( 3 ) 薄膜组分分别来自不同的组分源，可以对其化学组成进行单独调 控，易于沉积不同类型的薄膜；( 4 ) 沉积温度低。由于此法把离予轰击、离 子注入和真空镀膜三者结合起来，为材料表面改性和优化提供了一条新途径， 对它的研究也越来越多【1 5 ，2 3 埘】。但是其沉积效率低下，且用i b e d 来制备 s i n o 薄膜的研究很少。 物理气相沉积( p v d ) 法包括磁控溅射、脉冲磁控溅射( p l d ) 7 , 2 5 l 。利 用磁控反应溅射来制备氮化硅薄膜是目前比较有潜力的一种方法，此法可在 低温下制备含h 少的s i n o 薄膜，且比较易于控制膜层的结构和成分。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 磁控溅射技术作为一种十分有效的薄膜沉积方法，被普遍和成功地应用 于许多方面，特别是在微电子、光学薄膜和材料表面处理领域中，用于薄膜 沉积和表面覆盖层制备。1 8 5 2 年g r o v e 首次描述溅射这种物理现象，2 0 世纪 4 0 年代溅射技术作为一种沉积镀膜方法开始得到应用和发展。6 0 年代后随着 半导体工业的迅速崛起，这种技术在集成电路生产工艺中，用于沉积集成电 路中晶体管的金属电极层，才真正得以普及和广泛的应用。磁控溅射技术出 现和发展，以及8 0 年代用于制作c d 的反射层之后，磁控溅射技术应用的领 域得到极大地扩展，逐步成为制造许多产品的一种常用手段，并在最近十几 年，发展出一系列新的溅射技术。 ( 1 ) 磁控溅射 平衡磁控溅射通常被称作常规磁控溅射【2 6 】。磁控溅射系统是在基本的二 极溅射系统发展而来，解决二极溅射镀膜沉积速率低下、等离子体的离化率 低和由于对基片的轰击产生的基片温升过快的问题。 磁控溅射系统在阴极靶材的背后放置1 0 0 1 0 0 0 g a u s s 强力磁铁，真空室 充入0 1 1 0 p a 压力的惰性气体( a r ) ，作为气体放电的载体。在高压作用下 a r 原子电离成为a ，离子和电子，产生等离子辉光放电，电子在加速飞向基 片的过程中，受到垂直于电场的磁场影响，使电子产生偏转，被束缚在靠近 靶表面的等离子体区域内，电子以摆线的方式沿着靶表面前进( 图1 1 ) ，在 运动过程中不断与a r 原子发生碰撞，电离出大量的a r + 离子，与没有磁控管的 结构的溅射相比，离化率迅速增j j l a l 0 1 0 0 倍，因此该区域内等离子体密度很 高。经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，最终落在基片、 真空室内壁及靶源阳极上。而a r + 离子在高压电场加速作用下，与靶材的撞击 并释放出能量，导致靶材表面的原子吸收a r + 离子的动能而脱离原晶格束缚， 呈中性的靶原子逸出靶材的表面飞向基片，并在基片上沉积形成薄膜。溅射 系统沉积镀膜粒子能量通常为l 1 0 e v ，溅射镀膜理论密度可达9 8 。比较 蒸镀0 1 l e v 的粒子能量和9 5 的镀膜理论密度而言，溅镀薄膜的性质、牢 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 固度都比热蒸发和电子束蒸发薄膜好1 2 7 1 。 图1 1 磁控溅射靶材表面的磁场和电子运动轨迹【2 s l 磁控溅射的靶材利用率一直是个问题，由于靶源磁场磁力线分布呈圆周 形状，在靶表面的一个环形区域内，靶材被消蚀成一个深的沟，这种靶材的 非均匀消耗造成靶材的利用率较低。实际应用中，圆形的平面阴极靶，靶材 的利用率通常小于5 0 。通过磁场的优化设计可提高靶材的利用率，特定的条 件下，一些厂商磁控管的靶材利用率可以超过7 0 。另外，旋转靶材的利用 率较高，一般可达到7 0 8 0 以上。 ( 2 ) 非平衡磁控溅射 平衡磁控溅射系统采用平衡磁场来控制等离子体，主要存在以下弊端： 一方面，由于平衡磁控溅射必须采用平衡磁场来控制等离子体，所以，一般 情况下，这种等离子体分布在离靶面6 0 m m 的范围内。如果工件布置在该区 域内，工件将受到离子的轰击，而轰击工件的离子流密度和能量，将影响到 膜层的结构和性质。比如轰击工件的离子流密度小于l m a c m 2 ，则成膜困难； 离子能量若高于1 0 0 e v ，沉积的膜层内应力大，从而影响膜层的性能。另一方 面，离子源附近沉积的膜层不均匀，也不稳定，若在复杂形状或具有立体表 面的零件上沉积膜层，薄膜的均匀性差，且薄膜的阴影问题比较突出，薄膜 质量不高。而非平衡磁控溅射系统则较为成功地为上述平衡磁控溅射系统所 存在的问题提供了解决方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 非平衡磁控溅射系统工作原理如图1 2 所示，在阴极( 靶) 上施加溅射电 源，使靶材在一定真空度下形成辉光放电，产生离子、原子等粒子形成的等 离子体，在永磁铁产生的磁场、工件上施加的负偏压形成的电场及粒子初始 动能作用下，流向工件。通过改变磁控靶中磁铁的配置方式，改变靶表面区 域磁场的分布，使得对靶前二次电子和等离子体的控制发生变化。对平面环 行磁控靶，当外环磁极被增强时，部分磁力线仍保持自身的封闭性，保证了 靶前等离子体密度，实现高溅射速率；另一部分磁力线脱离磁场自身的封闭 性，开放性地指向靶前更远的地方，因此等离子体中的电子不再局限于靶前， 而是沿着磁力线逃逸到更远的距离，在移动过程中，电子不断撞击气体原子， 使其发生离化，形成等离子体，从而扩展了等离子体区域m l 。 口 图1 - 2 非平衡磁控溅射系统原理 同时，非平衡磁控溅射磁控靶的内外磁极非平衡方式和程度的不同，极 大地影响着二次电子的逃逸状态。在阴极和工件之间增加了螺线管，可增加 周边额外磁场，用它来改变阴极和工件之间的磁场，当外环磁极强于内磁极 时，磁力线向外延伸，使电子脱离靶前磁场的束缚，极大地增加了电子与靶 材原子和分子的碰撞机会，使得离化率大大提高，扩大了等离子体区剖2 “。 非平衡磁控溅射系统的主要优点在于拓宽了等离子体区域，有效地增加 了靶基距，在保证沉积速率的同时，利用适当能量的离子轰击基体和生长的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 薄膜，改善薄膜的结构和性能，从而制得高质量的薄膜。 ( 3 ) 脉冲非平衡磁控溅射 脉冲磁控溅射是采用脉冲电源或直流电源与脉冲生成装置配合输出脉冲 电流，替代支流电源驱动磁控溅射沉积。在反应溅射沉积绝缘介质薄膜时， 将会由于靶表面累积电荷而导致阳极消失，阴极中毒，放电打弧等一系列问 题。而咏冲磁控溅射通常采用方波脉冲波形，中频段( 1 0 2 5 0 k h z ) 即可有 效消除直流反应溅射介电材料和绝缘材料存在的异常弧光放电导致的过程不 稳定性和薄膜缺陷等问题。 1 4 血液相容性 1 4 1 血液相容- 眭概述 血液相容性包括相当广泛的内容，它既有与材料接触后血小板血栓形成 ( 血小板粘附、聚集、变形) 、溶血、白细胞减少等细胞水平的反应；又有凝 血系统、纤溶系统激活等血浆蛋白水平反应；还有免疫成份改变、血小板受 体、a d f ( 二磷酸腺昔) 、前列环素释放等分子水平的反应【3 。 判断材料的血液相容性，通常从其抗凝血能力和不损伤血液成分功能两 方面考虑。前者即为材料表面抑制血管内血液形成血栓的能力，后者即为材 料对血液的溶血现象( 红细胞破坏) 、血小板功能降低、白细胞暂时性减少、 功能下降以及补体激活等血液生理功能的影响。除此，还考虑材料不致使血 浆蛋白变性，不影响血液中存在的生命体多种酶的活性不改变血液中电解 质浓度、渗透压，不引起有害的免疫反应等诸多问题【3 2 1 。 生物医用材料与血液直接接触时，血液和材料之间将产生一系列生物反 应。在血液与材料接触的数秒钟内，首先是血浆蛋白吸附到材料表面，接着 是血小板在材料表面黏附、聚集、变形，向着血小板血栓形成过程发展，同 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 时血液内一系列凝血因子相继被激活，参与材料表面血栓形成过程，最终形 成红血栓p 1 。 血栓的形成主要通过两个途径，一是激活凝血因子( 主要是内源性凝血因 子) ，从而使纤维蛋白原变成不溶性纤维蛋白，最后形成血栓，二是材料与血 液接触，在其表面立即粘附血浆蛋白，进而激活血小板，形成血栓。同时以 上两者又相互影响，激活的凝血因子会促使血小板激活，血小板激活后释放 血小板因子，也可激活凝血因子。以上两个过程都在较短的时间内完成【3 3 1 。 1 4 2 材料与血液相互作用的机理研究 生物材料表面血栓形成的本质是血液成分与材料表面的相互作用，是一 种生物的界面现象。在血液与生物材料表面的作用中，血小板的激活、释放、 聚集、形态变化、形成血栓和栓塞是一个动态的连续的过程【3 2 1 。 血小板激活过程可概括如下：当血小板受到材料刺激时，信号首先作用 于血小板表面g p i i b i i l a 受体的胞内部分，然后引起该受体的胞外区结构变 化，进而结合纤维蛋白原。纤维蛋白原是两价分子，它的另一端又结合临近 的血小板，导致血小板的聚集。纤维蛋白原与血小板的结合进一步激活信号 传递系统，c a 2 + 等信号分子向细胞骨架募集，作用于细胞骨架，引起其重新 组装，导致血小板激活，聚集成为不可逆l ”】。 另一方面，血浆蛋白中的纤维蛋白原在血浆中具有效高的浓度和对表面 较高的亲合性，因此纤维蛋白原在材料表面蛋白吸附和血栓形成方面起着非 常重要的作用。纤维蛋白原在材料表面吸附时，发生构象转变( 暴露出与血 小板g p i i b i l i a 结合的十二肽、r g d 等序列，作为血小板受体使血小板活化) 并分解( 纤维蛋白原脱去短肽f p a 、f p b ，形成纤维蛋白单体) 。生物材料表 面吸附的纤维蛋白原通过十二肽和血小板膜上的糖蛋白g p i i b 1 ia 结合启 动血小板的活化，从而引起血小板在材料表面的聚集，最终形成血栓【3 ”。因 此，在分子和细胞水平上研究生物材料与生物体的相互作用和生物界面现象 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 是认识材料抗凝血机理的根本途径【3 3 l 。 基于高分子生物材料和血液接触的界面反应研究基础，研究者提出了临 界表面张力、表面自由能、界面自由能、亲疏水平衡、表面含水结构、表面 电荷性能、表面微相分离结构等假说与解释。 1 临界表面张力、表面自由能与界面自由能 临界表面张力是反映材料本身表面可润湿性质的尺度，研究表明临界表面 张力处于2 0 3 0 m j m 2 的高分子材料，其血液相容性较好。但仅从临界表面张 力来探讨材料血液相容性是不全面的，n i y l a s 等认为生物材料的固体表面自 由能的极性分数是影响生物材料血液相容性的决定因素。k a e b l e 等人总结了 1 9 0 种生物材料表面的张力，发现血栓形成明显地与移植材料的色散力和极 性力有关。如果材料的极性分量很大，色散力分量较小，则材料的血液相容 性很差。因为在这种情况下，吸附蛋白层的稳定性很差，容易发生移动而导 致血栓生成。由此，k a e b l e 提出，提高材料表面的色散力分量，将有助于提 高材料表面吸附蛋白层的稳定性，从而提高材料的血液相容性【3 们。 曹宗顺等在综述血浆一高分子材料界面自由能与血液相容性的关系时指 出：如果界面自由能较高，则界面具有自动吸附溶质，以使其降低的倾向； 由于自由能变化大，致使蛋白质构象变化也大，并最终导致血栓形成；与亲 水表面相比，疏水表面的蛋白吸附得更快并经历了更大的构象变化【3 7 1 。 2 l w a b 酸碱分量与表面电荷 f o w k e s 【3 8 l 曾经提出酸碱对理论，认为界面之间存在电子转移现象，计算 表面张力时应该考虑这种作用的影响。白细胞在带有负电荷的材料表面吸附 较为困难，但是容易吸附在正电荷材料表面进而引发凝血与血栓的形成。酸 性的纤维蛋白原分子在弱碱性的血液中为荷负电的分子，呈较紧密地三球状 结构，显然弱碱性的血液是维持其分子内作用力平衡和正常构象的环境基础。 当纤维蛋白原吸附到材料表面时，材料表面的性质将起着或破坏或维持这一 环境基础的作用。如材料的表面能具有强的酸性分量( r + ) ，表现为电子受 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 体，荷负电的纤维蛋白原分子从弱碱性的环境被吸附于具有l e w i s 酸性倾向 的材料表面，将由于其维持正常构象的环境基础被破坏，而倾向于失去电子， 诱发其正常分子构象的改变。如材料的表面能具有较强的碱性分量( y 。) ， 表现为电子给体，荷负电的纤维蛋白原分子从弱碱性的环境被吸附于具有 l e w i s 碱性倾向的材料表面，将得以维持其正常的分子构象。从这一观点出 发，当材料表面的l e w i s 酸碱性质与蛋白质分子正常外部环境相类似时，意 味着可减少血浆蛋白构象改变的可能。反之材料表面的l e w i s 酸碱性质破坏 了纤维蛋白原分子的酸碱作用平衡，则可能成为血浆蛋白构象改变的诱因。 以l w a b 法来计算表面能的方法广泛应用在生物材料表面的细菌粘附 领域，用于计算生物材料表面均匀粘附细菌后的表面自由能，特别针对低表 面能材料与具有三明治结构的细胞膜( 两层蛋白质中间夹磷脂层) 的细胞之 间的相互作用关系【3 6 3 引。这种方法即以热力学为基础，又包含了表面电荷的 观点，结合表面能与表面电荷的分析，更好地解释材料与血液相作用的机理。 3 表面含水结构与亲疏水性平衡 正常情况下，血管内皮、血液中的细胞成分、蛋白质类中的水均处于同一 状态，因而血管内皮、细胞成分和血液的界面自由能极低，当界面自由能在 0 2 p a 以下时，界面上不会发生蛋白质的不可逆吸附和变性，因此正常血管 内很难发生血液凝固。人们从这一出发点研究高分子水凝胶与血液相容性的 关系，发现：水凝胶的含水率是影响高分子材料粘附血小板的一个重要指标， 一般地，水凝胶的含水量越高，血小板在材料表面的粘附量也随之下降；但 是另一方面，高含水率的材料会激发血小板的释放和活化，使血小板受到损 伤，从而血小板的数量减少。 研究表明高分子材料的超亲水表面( y l w = 0 ) 或超疏水表面 ( y l w = 7 2 8 p j c m 2 ) 具有良好的血液相容性，实际上，这样的表面不存在。 r a t m e r 等指出：优异的血液相容性需要亲水性和疏水性的平衡。一般来说亲 水性表面要比疏水性表面吸附蛋白量少，但是容易引起蛋白变性，也更容易 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 脱吸附。 4 表面微相分离结构 生物体血管内壁宏观上看是极其光滑的，而微观上是多相分离的结构，这 种表面结构使得血管壁具有优异的抗凝血性能。微相分离结构一般可以用以 下方法获得：( 1 ) 聚合物共混；( 2 ) 用嵌段和接枝的方法制备嵌段聚合物， 接枝聚合物；( 3 ) 微多空化，表面粗糙化等。这些方法均可在0 1 却m 左 右形成适当的不均匀结构。这种微相分离结构可分别在血浆蛋白的择优吸附 白蛋白和抑制血小板变形的方面来提高材料的血液相容性。 目前，对于无机生物材料的抗凝血机理研究尚处于初级阶段，其中材料与 血液相互作用的电化学假说已经较为成功地用来解释无机生物材料的抗凝血 机理。 电化学假说是基于血浆中纤维蛋白原的半导体特性，认为荷负电的纤维蛋 白原吸附在材料表面，材料表面的电荷状态是决定纤维蛋白原的电子是否向 材料表面转移，从而导致纤维蛋白原构象变化，形成纤维蛋白单体并发生聚 合，导致凝血过程发生的重要扇i 因。c h e nj y 掣3 9 】用t a 5 + 掺杂t i o 膜材料得 到的面t a o 涂层，具有n 型半导体特性，致使纤维蛋白原的变性过程延迟； h u a n g n a n 、y a n g p 等【4 0 】认为具有宽禁带的n 型半导体性质的t i - o 薄膜材料 禁带内的局域能级状态密度下降，禁带宽度增加，阻止了血浆蛋白纤维蛋白 原的电子向材料表面转移，有效地缓减了由于纤维蛋白原变性引起的凝血发 生。 大量的科学研究表明，无机生物材料的抗血栓性能与其表面结构和表面 性质相关，己获知具有抗血栓性能的材料的表面结构有如下特征：荷负电荷 表面、具亲水性或疏水性均衡的表面、具微相分离结构表面、接枝或涂覆有 抗凝血物质表面、形成伪内膜的表面等。适宜的表面能极化分量和色散分量， 将会使材料表现出优先吸附白蛋白而少吸附纤维蛋白原，并使吸附的纤维蛋 白原稳定存在，从而使材料表现为良好的血液相容性【3 2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 如上所述，已知材料表面的化学组成、结构、形态、微相分离程度、表 面自由能、亲疏水性平衡以及表面所带电荷等都不同程度地影响材料的血液 棚容性【4 1 l 。然而，材料结构与抗凝血之间的关系比较复杂，许多问题尚有待 阐明。 1 4 3 薄膜血液相容性评价方法 血液相容性中最为关键的部分是血栓生成。目前，生物材料血液相容性 的研究方法已形成了一个较为完整的体系，根据测试环境的不同通常可分为 三大类，即体内法o nv i v o ) 、半体内法( e xv i v o ) 及体外法( i nv i t r o ) ，此外对材 料的表面特性进行表征也是血液相容性研究的一个重要方面。 材料表面表征是用各种物理化学测试方法，如红外吸收光谱、核磁共振 吸收等来测定的。目的在于表征材料表面物理化学性能及其与生物性能的相 关性。弄清材料血液之间的相互作用，进一步阐明材料的抗凝血方法【4 2 1 。 目前对生物材料血液相容性中血小板的测定有两个途径【4 2 郴l ： ( 1 ) 血小板粘附数量的测定。同位素标记是测定生物材料上粘附血小板的 常规方法，一般多采用1 2 5 l 或i n 标记血小板。t o e sg j 采用e u 荧光标记血小板 的方法来测定血小板粘附数量，得出与同位素标记相同的结果。1 9 8 7 年 c a z e n a v e 利用人抗血小板膜糖蛋白b i l i a 的单抗，在体外血液灌流试验中测 定生物材料表面的血小板沉积数量。 本论文采用乳酸脱氢酶( l d h ) 方法来定量检测样品表面粘附的血小板 数量。通过化学试剂t r i t o n 溶液把粘附在样品表面的血小板溶解，使得血小 板的l d h 释放，利用酶标仪检测l d h 酶的浓度，即间接反映粘附的血小板数 量。 ( 2 ) f i n d x 板粘附活性评价。扫描电镜、透射电镜及红外光谱分析使粘附血 小板形态观察成为可能。