（材料物理与化学专业论文）抗凝血性等离子体聚烯丙胺薄膜的制备及性能研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 医用金属材料如不锈钢、钛基合金以及钴基合金由于其优良的力学性能 ( 高强度、抗疲劳) 及化学稳定性，在下腔静脉滤器、血管支架等介入器械 制造中得到了广泛应用。然而，这些长期植入人体内与血液接触的介入器械， 其自身抗凝血性能明显不足。肝素作为一种抗凝试剂被广泛的应用于临床治 疗和心血管材料表面抗凝改性。然而，由于医用金属生物材料表面官能团的 数量少，使得表面固定的抗凝分子浓度难以满足介入器械实际应用中的抗凝 水平要求。因此如何通过表面处理，在金属材料表面形成一定浓度的反应性 官能团，并通过官能团有效的固定抗凝分子肝素来提高金属生物材料表面的 抗凝血性成为研究难点和重点。 本文以3 1 6 l 医用不锈钢这种常用的与血液接触的金属材料为研究对象， 采用脉冲可调制波等离子体聚合技术，以烯丙胺为单体，通过调控脉冲占空 比及放电功率在不锈钢表面沉积了一系列含伯胺基官能团的等离子体聚烯丙 胺薄膜，并进一步以胺基为反应位点共价固定抗凝生物分子肝素。 傅立叶红外光谱( f t m ) 、拉曼光谱及x 射线光电子能谱( x p s ) 表征 结果表明：等离子体聚烯丙胺薄膜为类聚合物( p o l y m e r - l i k e ) 结构，低功率 及占空比下合成的等离子体聚烯丙胺薄膜能部分保持单体的结构，薄膜伯胺 基含量( n i l 2 c ) 最大值为2 4 3 。薄膜表面固定肝素量达到4 10 u g c m 2 。经 等离子体聚烯丙胺薄膜改性后的不锈钢表面亲水性得到较大的提高。纳米划 痕及薄膜动态稳定性结果表明，薄膜与基底具有良好的结合力，低功率制备 的聚合薄膜在水溶液中动态稳定性较差，6 0 w 合成的薄膜具有较好的动态稳 定性能 针对低功率下等离子体聚烯丙胺薄膜交联化程度低、薄膜水溶液中动态 稳定性较差的特点，本文采用真空热处理的方法( 真空为1 5xl o - 4 p a ，温度 为2 0 0 ) 对其进行进一步处理。拉曼光谱显示，热处理后，薄膜结构发生较 西南交通大学硕士研究生学位论文第| i 页 大改变，薄膜中残留的烯键消失，骨架震动成分增多，薄膜交联度得到提高。 x 射线光电子能谱( x p s ) 测量结果表明，热处理后薄膜的伯胺基含量只有微 量减少。薄膜在水溶液中动态稳定性得到了显著的提高。 体外血液相容性结果表明：等离子体聚烯丙胺薄膜及其肝素化的薄膜几 乎无溶血现象；等离子体聚烯丙胺薄膜显示出较强的促内皮细胞粘附和增殖 作用；表面肝素化的等离子体聚烯丙胺薄膜对纤维蛋白原的激活起到了一定 的抑制作用，其表面具有较少的血小板粘附、集聚和激活，a p t t 时间由不锈 钢的3 5 s 延长到5 0 1 s 。动物体内实验结果表明，经肝素化等离子体聚烯丙胺 薄膜改性的不锈钢，表面覆盖了一层薄而均匀内皮细胞层，对初期急性血栓 的产生起到了明显的抑制作用，表现出了良好的抗凝血性能。 关键词：医用不锈钢，等离子体聚合，伯胺基，表面肝素化，血液相容性 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 a b s t r a c t t h em e t a l l i cb i o m a t e r i a l ss u c ha ss t a i n l e s ss t e e l ( p d s i316 l ) ，t a n t a l u ma n d t h es h a p em e m o r ya l l o yt i n ih a v eb e e nw i d e l yu s e df o rc o r o n a r ys t e n t ，t h e p e r i p h e r a lv a s c u l a rs t e n ta n dv e n a c a v af i l t e rw h i c ha r eo ft h ec a r d i o v a s c u l a r i n t e r v e n t i o n a ld e v i c ed u et ot h e i re x c e l l e n tm e c h a n i c a la t t r i b u t e s h o w e v e r t h e h a e m o c o m p a t i b i l i t yo ft h e s eb i o m e d i c a lm e t a l si si n s u f f i c i e n tf o rt h el o n g t e r m a n t i t h r o m b o g e n i c d e m a n d nv i v o a p p l i c a t i o n s i m m o b i l i z a t i o n o f h e p a r i n b i o m o l e c u l e so nb i o m a t e r i a l si saw i d e l yi n v e s t i g a t e da p p r o a c ht om o d i f ys u r f a c e s f o ri m p r o v i n ga n t i t h r o m b o t i cp r o p e r t y b e c a u s et h em e t a l l i cb i o m a t e r i a l su s e df o r c a r d i o v a s c u l a ri m p l a n t s p o s s e s s a p a u c i t y o fr e a c t i v ef u n c t i o n a l g r o u p s ， b i o m o l e c u l a ri m m o b i l i z a t i o no f t h e s em a t e r i a l si sc h a l l e n g i n g i nt h i s p a p e r ，316 ls t a i n l e s s s t e e la sac o m m o n l yu s e dc a r d i ov a s c u l a r m a t e r i a li sc h o s e na st h em a t e r i a l si no u rr e s e a r c h a l l y l a m i n ef i l m sw i t hp r i m a r y a m i n e 2 ) w e r ef a b r i c a t e do nm e d i c a ls t a i n l e s s s t e e lu s i n gp u l s e dp l a s m a p o l y m e r i z a t i o nt e c h n i q u e a l l y l a m i n e f i l m sw e r e s u b s e q u e n t l yc o v a l e n t l y i m m o b i l i z e db yh e p a r i nv i at h e i rs u r f a c ep r i m a r ya n l i n e t h e c o m p o n e n t , s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s o ft h ep l a s m ap o l y m e r i z e d a l l y l a m i n e ( p p a a ) f i l m s a lec h a r a c t e r i z e d u s i n gr a m a nl a s e rs p e c t r o s c o p y ， a t t e n u a t e dt o t a lr e f l e c t i o nf o u r i e rt 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 ( a t r - f t i r ) ， 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 ) ，a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) a n d t r i f l u o m m e t h y l b e n z a l d e h y d e ( t f b a ) d e r i v a t i z a t i o np r o c e s sa sf u n c t i o no fr a d i o f r e q u e n c y ( r f ) p o w e ra n dp u l s e dd u t yc y c l e ( p d c ) t h er e s u l t si n d i c a t et h a tp p a a f i l m sa l ep o l y m e r - l i k es t r u c t u r e ；h i g hc o n t e n to fp r i m a r ya m i n ew a sr e t a i n e di n t h ep p a af i l m , t h eh i g h e s tc o n t e n to fp r i m a r ya m i n e ( n i - - 1 2 c ) w a s2 4 3 a n dt h e c o n c e n t r a t i o no fi m m o b i l i z e dh e p a r i nw a s4 1o l x g c m zw h i c hd e t e r m i n e db y t o l u i d i n eb l u em e t h o d w h i l ei n c r e a s i n gt h er fd i s c h a r g ep o w e ra n dp u l s e dd u t yc y c l e ，m o r ea n d m o r el a r g es i z eo fp a r t i c l e sa p p e a ri nt h ef i l m , f i l ms u r f a c eb e c a m em u c h r o u g h e r , 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 a n dw a t e rc o n t a c ta n g l ew a sg r a d u a l l yi n c r e a s e d a n do u rn a n o s c r a t c hr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h e s ef i l m sh a v eag o o db i n d i n gs t r e n g t ht ot h es t a i n l e s ss t e e l t h e c o m p l i c a t e dc h a n g eo ft h ew e i g h tl o s so f t h ef i l m si n d i c a t e dt h a ts t a b i l i t yo ft h e f i l m sw a sd e t e r m i n e d s i g n i f i c a n t l yb y d i v e r s i f i e df a c t o r s t h ep p a af i l m f a b r i c a t e du n d e rl o w e rr fp o w e rd i s p l a y e db a dd y n a m i c a ls t a b i l i t yi nt h e p h o s p h a t eb u f f e rs o l u t i o n ( p b s ) i nt h i sp a p e r , i no r d e rt oi m p r o v et h ep p a af i l m sd y n a m i c a ls t a b i l i t yi n a q u e o u ss o l u t i o n , t h ep p a af i l m sw a sf u r t h e rt r e a t e du n d e r 2 0 0 0 ca n d1 5 10 - 4 p a v a c c u mc o n d i t i o n r a m a ns p e c t r aa n dx p sr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o n f i g u r a t i o n o ft h ea l k e n ew a sd i s a p p e a r e d , t h ec o m p o n e n to ff r a m e w o r kv i b r a t i o ni n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y ，a n dt i n yd e c r e a s i n g c o n t e n to fn i l e h o w e v e r , t h ed y n a m i c a l s t a b i l i t yo ft h ef i l m sw a si m p r o v e dr e m a r k a b l y t h ee v a l u m i o no fh e m o c o m p a t i b i l i t yw a sc a r r i e do u ti n c l u d i n g nv i t r o h e m o l y s i sr a t i o ，a l a m a rb l u ea s s a y ，f i b r i n o g e na d s o r p t i o n ，p l a t e l e ta d h e s i o n ，t h e l a c t a t ed e h y d r o g e n a s e ( l d h ) ，t h eg l y c o p r o t e i n sg r a n u l em e m b r a n ep r o t e i n14 0 ( g m p 14 0 ) ，a c t i v a t e dp a r t i a lt h r o m b o p l a s t i nt i m e t dt e s t sa n d 切v i v o i m p l a n t a t i o ni n t od o g se x t e m a li l i a ca r t e r i e s t h eh e m o e v a l u a t i o n si n d i c a t et h a t t h eh e p a r i n i m m o b i l i z e dp p a af i l m sh a db e t t e rh e m o c o m p a t i b i l i t y k e y w o r d s ：b i o m e d i c a ls t a i n l e s ss t e e l ，p l a s m ap o l y m e r i z a t i o n ，p r i m a r ya m i n e ， s u r f a c eh e p a r i n i z a t i o n ，h e m o c o m p a t i b i l i t y 西南交通大学 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 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 享作= 瓣f 臌笔孕彖知l 日期：易秒路夕d ( 显日赢历。侈乡，。i 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 1 导的成果。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。 本论文的主要创新点如下： ( 1 ) 采用脉冲可调制波等离子体聚合技术在医用不锈钢表面沉积了一层具 有较好结合力及丰富官能团n h 2 的薄膜。 ( 2 ) 针对此类薄膜在水溶液中具有较差动态稳定性的缺点，本文首次采用 真空热处理的方法对其进行改性，实验结果表明，经改性后的等离子 体聚烯丙胺薄膜实现了同时拥有丰富官能团和优异的动态稳定性能， 满足了薄膜在血液环境下安全使用的基本要求。 ( 3 ) 本文进一步结合化学缩合技术，以等离子体聚烯丙胺薄膜的n h 2 为反 应位点共价固定了浓度达4 1 0 9 9 c m 2 抗凝血生物分子肝素，实现了金 属材料表面抗凝血化的结构设计。结合动物体内实验，系统的血液相 容性评价结果表明，经过肝素化等离子体聚烯丙胺薄膜改性后的医用 不锈钢显示出优良的抗凝血性能。 ，杨志禄 2 0 0 8 年5 月 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 国内外研究现状 1 1 1 微创介入技术治疗 微创介入医学工程或微创医疗技术是近年来迅速发展起来的一门崭新技 术，它通过采用一系列介入器械与材料( 或称为微创器械与材料) 和现代化数 字诊疗设备进行的诊断与治疗操作。与传统外科手术相比，进行介入治疗， 无须开刀，只需局部麻醉，在动脉处切开l m m 2 m m 的小口，进行导管插入治 疗。具有出血少、创伤小、并发症少、安全可靠、术后恢复快等优点；大大 减轻了病人所承受的痛苦，降低了手术者的操作难度，显著缩短手术时间及 住院时间，费用亦明显降低，成为二十一世纪临床医学发展的趋势之一。目 前，微创介入技术已经涵盖了心血管、脑血管、癌症、外科、妇科、耳鼻咽 喉科等学科多种疾病的治疗( 见表1 1 ) 。 表1 1 微创介入技术涵盖的治疗领域及可以治疗的疾病【1 】 微创介入技术微创介入技术可以治疗的疾病 治疗领域 一 心血管冠心病，先天性心脏病，心动过速及房颤，室性心律失常， 心肌梗死 脑血管 外周血管及静 脉 肿瘤科 泌尿道科 缺血型脑中风和出血型脑中风，颈动脉狭窄，椎动脉狭窄， 脑动脉狭窄，脑动脉瘤，脑动静脉畸形 肾动脉狭窄，髂动脉狭窄，股动脉狭窄，股动脉狭窄，锁 骨下动脉狭窄，主动脉瘤，髂动脉瘤，股动脉瘤，髂静脉狭 窄，股髂静脉狭窄，下腔静脉栓塞，静脉曲张 肝癌，结直肠恶性肿瘤 精囊内静脉高位结扎，肾囊肿专项减压，输尿管切开取石， 肾切除，肾上腺切除，半尿路切除，前列腺癌根治，全膀胱 切除 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 , b j l 腹腔科 妇产科 耳鼻咽喉 骨科 阑尾切除，胆囊切除，脾脏切除，胰腺部分切除，肾切除， 肿瘤切除，胃底折叠术，隔疝修补术，巨结肠根治术，卵巢 囊肿剥瘤术，高位无肛手术，腹股沟疝修补术，腹腔型隐睾 下降固定 宫外孕，卵巢囊肿，子宫肌瘤，宫颈癌，子宫内膜癌，不孕 症，子宫内膜异位症，盆腔囊肿 鼻及鼻窦内翻性乳突状瘤切除术，鼻咽血管纤维瘤摘除术， 经蝶窦垂体瘤切除术，经筛蝶进路软神经管减压术，泪囊鼻 腔造孔术 脊柱损伤 1 1 2 心脑血管介入器械与材料 微创介入技术的快速发展及普及离不开器械与材料的发明和应用。对于 心脑血管疾病治疗有突出表现的微创介入技术，会涉及到多种心脑血管介入 器械的临床应用，表1 - 2 为目前获临床应用的部分介入心脑血管器械 2 0 0 3 2 0 0 8 年全球市场估算。 表1 2 部分介入心脑血管器械2 0 0 3 - 2 0 0 8 年全球市场估算( 单位：百万美元) 微创心脑血管介入医疗器械通常包括治疗器械如支架、覆膜支架、封堵 器、弹簧圈等，和将治疗器械送入体内指定部位的输送器两部分构成。而微 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 创心脑血管介入器械产业的发展与技术进步离不开其依赖的生物材料，生物 材料是整个产业链上重要的一环。目前有很多金属、合金材料应用于各类血 管支架、导丝、滤器等制备。作为微创医疗材料，除了具备良好的生物相容 性外，还根据其做成的器械不同有更多特殊要求。金属材料在微创医疗技术 中应用最多的是作为支架和导丝材料。较为常用的材料有： ( 1 ) 3 1 6 l 不锈钢 1 9 2 6 年，不锈钢( 1 8 c r - 8 n i ) 已经用于外科，替代了较易腐蚀的钢。1 9 4 3 年，美国又推荐3 0 2 型不锈钢用于骨折固定。后来加入钼的1 8 8 s m o 不锈钢 ( 3 1 6 ) 的应用，进一步改善了材料的抗腐蚀性能。1 9 5 0 年，将不锈钢中所含 的碳量最大限度地降低至0 0 8 - - 0 0 1 ，从而研制出具有较好的抗腐蚀性的 3 1 6 l 不锈钢。3 1 6 l 不锈钢子1 9 6 0 年被美国a s t m f 4 委员会确认为外科植入标 准化材料。在心血管材料方面，不锈钢支架每年使用的例数超过1 0 0 万，是全 球使用最多的一类金属支架。 ( 2 ) 镍钛超弹( n i t i n 0 1 ) 合金 镍钛合金也被称为镍钛形状记忆合金，它是近等原子的镍与钛形成的金 属间化合物。镍钛合金密度6 4 5 9 c m 3 ，熔点1 2 4 0 。c 1 3 l o 。c ，晶体结构存在两 种相：奥氏体( a u s t e n i t i c ) 和马氏体( m a r t e n s i t e ) ，并且两相在一定的条件下可以 相互转换，同时也表现出形状记忆效应( s h a p em e m o r ye f f e c t ) 和超弹性 ( s u p e r e l a s t i c i t y ) 。镍钛合金多应用于自扩张血管支架( s e l f - e x p a n d i n gs t e n t ) ，镍 钛合金作为一种优良的生物材料，将会在血管介入器械中得到越来越广泛的 应用。 ( 3 ) 钴基合金( c o c r - n i m o m n ) 纯金属钴的性能欠佳，没有延展性和抗腐蚀性，医学上主要采用钴基合 金。医用钴基合金主要成分有钴、镍、铬、钼、锰等，密度为8 3 9 1 5 9 c m 3 ， 熔点1 2 9 0 - 1 4 2 5 。c 。现在应用的钴基合金主要有：m p 3 0 5 、e l g i l o y 、l 6 0 5 等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 钴基合金1 9 3 7 年就开始作为植入性材料应用于临床，现作为血管支架材料广 泛应用于治疗外周血管狭窄的新型w a l l s t e n t 自扩张支架和治疗动脉血管瘤的 覆膜自扩张支架。由于钴基合金材料在关键性能上要优于传统的3 1 6 l 不锈钢， 药物支架材料的使用上有逐渐替代3 1 6 l 不锈钢的趋势。 ( 4 ) 钽( t a ) 金属 钽金属是稀有金属，原子序数7 3 ，密度为1 6 6 5 9 e r a 3 ，熔点高达至u 2 9 9 6 。c 。 根据硬度的不同分为软态、半软态和硬态。钽金属作为血管支架材料有以下 优点：密度很高，在x 光下显影效果很好，利于支架定位与释放；钽表面 有带负电荷的金属氧化层，血液同样也带负电荷，这样就可以减少血栓的形 成，加快血管内皮化的过程：钽具有良好的核磁共振( m p j ) 兼容性。钽 具有极佳的的生物相容性和抗腐蚀性。但由于钽丝编织而成的球囊扩张支架 径向支撑强度较低，目前在临床上没有得到大规模的使用。 1 1 3 心血管介入器械材料表面改性的研究进展 应用于临床的生物医用材料，其生物相容性是最基本的问题，许多心血 管用介入器械材料( 如金属材料) 因自身本质上的抗凝血不足，在临床使用 过程中仍然存在着许多问题。植入人体后并没有预想中的那样完全发挥作用， 相反，还产生了一定的副作用，给术后的病人带来了一定痛苦，有甚者还需 二次植入。大量对材料与生物体相互作用机制的研究表明，心血管系生物材 料的血液相容性不仅受材料本体性质的影响，而且在很大程度上取决于材料 表面的成分、结构、表面形貌、表面亲水性、表面电荷等表面的物理和化学 性质 2 5 】。因此，通过对材料表面改性来提高其血液相容性无疑是一种最为直 接、有效的途径。心血管植介入器械材料的表面改性技术也因此成为了该领 域的重点研究方向，其主要相关技术包括： 1 1 3 1 离子束技术的表面改性 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 离子束技术是利用三束( 离子束、电子束、激光束) 工艺将预先选择的 元素原子离子化后，经电场加速，使其获得高能量，再将高能细小的离子束 打入作为靶的固体材料表层，从而达到改变材料表层的物理、化学、机械以 及生物性能的方法。离子束技术的应用主要包括离子束注入、离子束沉积和 离子束辅助沉积等。应用离子束沉积技术合成具有良好血液相容性的薄膜 ( d l c 、t i o 、c 求、t i n 、s i c 、a 1 2 0 3 、s i 3 n 4 等) 可实现对无机及金属材料 表面的改性。黄楠等人【6 】通过采用等离子体离子浸没注入及沉积( p i i i d ) 技 术和非平衡磁控溅射技术在纯钛及其合金表面沉积t i o ，较好的提高了其血 液相容性。c h u 等人【7 】采用等离子体离子浸没注入及沉积( p i i i d ) 技术在不 锈钢表面沉积类金刚石薄膜( d l c ) ，大大降低了表面血小板粘附及激活。 1 1 3 2 材料表面抗凝分子固定 材料表面固定具有抗凝功能的分子如肝素、水蛭素、聚乙二醇( p e g ) 、 白蛋白等，能有效的抑制血液中凝血因子的活化及血小板的聚集与激活，从 而达到提高材料的抗凝血性能。 大量研究表明，低分子量的肝素可以在保持抗凝血功能的同时避免出血 的发生。早期著名的抗凝血酶( a t ) 理论认为肝素涂层表面的凝血减少 是由于肝素对抗凝血酶的催化效果，使得抗凝血酶与凝血酶相结合，从而 使凝血酶及凝血因子失活。肝素应用于心血管材料表面改性主要是通过物理 结合和化学结合方式把其固定于材料表面制成肝素化材料。由于物理涂敷和 离子键合与材料表面结合力差，共价结合的方式广泛研究。从最早的g o t t 的 g b h 固定法到季胺离子固定法、t d m a c 固定法、共价结合法等途径固定肝 素 8 】，使高分子材料表面获得了良好的血液相容性。k _ i m 9 1 等人在聚酯( p e t ) 表面共价固定了较高浓度的肝素，大大的提高了材料的抗凝血性能。k l e m e n t 等【l o 】通过共价接枝的方法把肝素抗凝血酶共价络合物( a t h ) 固定在聚氨酯 ( p u s ) 表面，植入兔颈动脉后取得了长期的抗凝能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 水蛭素的抗凝血机理是通过与凝血酶1 ：1 结合形成不可逆的复合物，从而 使凝血酶失去活性。凝血酶在凝血链中起着非常重要的作用，在凝血酶和c a 2 + 的作用下使得血浆中呈溶解状态的纤维蛋白原转换为不溶性的纤维蛋白，细 丝状的纤维蛋白原会网罗血细胞而形成凝血块，并且凝血酶可以与内皮细胞 相结合，诱导及促进血小板因子的释放，并且有效促进血小板的聚集【1 1 , 1 2 】。 水蛭素只作用于凝血酶，故是一种凝血酶特异性抑制剂。水蛭素为单链多肽， 由6 5 个氨基酸组成。水蛭素以头、体、尾三部分形成蝌蚪状分子，头部是结 合于凝血酶的活性位点，不具特异性，尾部的a s p 5 5 p r 0 6 0 基团主要起静电 作用，带有负电荷，可与凝血酶的阳电部分结合，阻止了凝血酶与纤维蛋白 原的识别位点，从而产生了抗凝作用。j o e r gl a h a n n 【1 3 】等采用化学气相沉积法 ( c v d ) 的方法，在镍钛合金表面沉积了含有对位高分子聚环芳类的高分子 薄膜，然后再接枝重组水蛭素，结果表明，血小板粘附明显减少，凝血时间 显著增大，抗凝血性能得到显著提高。 聚乙二醇( p e g ) 作为一种高水溶性的生物惰性的柔性大分子常被用于 提高材料的血液相容性 1 4 】，p e g 通过自身的长链结构影响材料与血液界面的 微观动力学环境，阻碍血浆蛋白的吸附从而阻止血栓的形成。如b a l a k r i s h n a n 1 5 】 等人通过在聚氯乙烯( p v c ) 表面固定p e g 分子，成功的提高了血液相容性。 白蛋白作为一种抗凝血血蛋白，通过减少血小板与白血球的吸附从而并 起到抑制血栓形成的作用。材料表面若能优先吸附白蛋白，则能减少纤维蛋 白原与血小板的吸附，从而能提高材料的血液相容性。因此，国内外研究者 通常通过在材料表面固定白蛋白来提高抗凝血性能。t i m o t h y 等人【l6 】通过共价 固定白蛋白的方法改性玻璃毛细管内表面，血小板粘附结果显示，表面吸附 的血小板数量减少了6 4 。 1 1 3 3 材料表面内皮细胞化 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 血管内皮细胞( e c ) 位于血液与血管组织之间，它不仅能完成血液和组 织液的代谢交换，并且能合成和分泌多种生物活性物质，以保证血管正常的 收缩和舒张，起到维持血管张力，调节血压以及凝血与抗凝平衡等特殊功能， 进而保持血液的正常流动和血管的长期通畅。抗凝血材料表面内皮细胞化， 可以减少血栓的形成和血小板激活。完整内皮细胞化是最好的抗凝血表面。 k o o t e n t l 7 】等在t i 、c o c r 合金、n i c r 合金、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、 聚乙烯等表面培养人脐静脉内皮细胞( 卸吖e c ) 。实验结果表明，内皮细胞 可以在金属表面直接粘附，并且无细胞毒性，而高聚物表面却难于粘附细胞， 当高聚物表面采用纤粘连蛋白预吸附后，内皮细胞可在其表面粘附。并且发 现在预吸附纤粘连蛋白的金属表面出现了内皮细胞的连续生长。此外，有研 究表明纽胞外基质中所含的短肽如r g d 及r g d c 等有助于内皮细胞的粘附 和生长。c o o ka d 1 8 】等发现牛主动脉内皮细胞种植于r g d 修饰的的聚乳酸 ( p l l a ) 表面时，在4 小时内有较快的铺展。近年来，有研究者【1 9 - 2 1 1 通过在 材料表面直接种植细胞获得到细胞外基质，在细胞外基质表面培养细胞，大 大的提高了细胞的粘附和生长。现在普遍认为肝素和内皮细胞生长因子的联 合作用可促进内皮细胞的增殖，而对于肝素对内皮细胞的作用还存在着一些 争议。 1 1 3 4 等离子体表面改性 等离子体技术是2 0 世纪6 0 年代以来，在物理学、化学、电子学、真空 技术等学科的基础上交叉发展形成的一门新兴技术。利用等离子体技术可以 实现一系列传统化学所不能实现的新的化学反应。该技术具有改性表面层浅， 不影响基体材料性质，能够处理各种复杂的表面形状，工艺简单、操作简便、 易于控制等优点被广泛应用于材料表面改性。等离子体表面改性的应用主要 包括等离子体表面处理、等离子体化学气相沉积以及等离子体表面聚合。 1 、等离子体表面处理 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 等离子体表面处理主要是利用非聚合性的无机气体( 如0 2 、n 2 、h 2 、a r 等) 产生的等离子体对聚合物材料表面进行处理，生成自由基，然后利用表 面产生的自由基引发单体在材料表面进行接枝聚合，或将高分子材料表面分 子的化学键打断并引发化学反应( 氧化、交联) ，从而使材料表面被等离子 体活化，再将抗凝血性生物大分子或者有特定抗凝性能的分子接枝到活化的 聚合物材料表面，得到抗凝化的材料表面。王进等人 2 2 】通过心等离子体处理 的方法在p e t 表面接枝水溶性聚合物聚乙二醇( p e g ) ，显著的提高了p e t 的抗凝血性。k a n g 等人 2 3 】采用氧等离子体处理技术在聚亚氨酯( p u s ) 上接 枝上肝素，随后进行体外血液相容性评价，实验发现肝素化的表面具有优异 的抗凝血效果，能大大延长a p t t 时间。 2 、等离子体化学气相沉积( p e c v d ) 等离子体化学气相沉积( p e c v d ) 是指两种以上气体在等离子体态反应， 生成固体和新气体的反应。其原理是：在等离子体中生成的电子、离子、自 由基等与气相单体分子碰撞，使单体分子激发活化，随之与未活化的单体碰 撞发生链增长，当两条正在增长的链相碰撞时就会失去活性，出现链终止， 终止反应形成微细的球状粉末，逐渐在基体材料表面沉积，再与吸收的单体 反应，生成涂敷层的薄膜。利用等离子体化学气相沉积的方法可以在金属表 面生成涂敷层，该薄膜的晶体结构、化学成分和性能都有别于基体材料，具 有特定的性能，从而达到金属材料表面改性的目的。如c u i 等人 2 4 】采用p e c v d 在p m m a 表面沉积类金刚石薄膜( d l c ) ，蛋白吸附实验表明，与p m m a 相比，d l c 表面吸附的白蛋白纤维蛋白原的比例由0 3 9 提高到1 0 0 8 ，说明 p m m a 表面沉积d l c 薄膜能较好的提高血液相容性。o k p a l u g o 等【2 5 】利用 p e c v d 方法合成的a c ：h 薄膜能有效的降低血小板的粘附。 3 、等离子体聚合 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 等离子体聚合是本世纪5 0 年代才发展起来的一种新的制备高分子聚合膜 的技术，它是利用放电把有机类气态单体等离子体化，使其产生各类活性种， 由这些活性种之间或活性种与单体之间进行加成反应形成聚合膜【2 6 1 。该类薄 膜的优势在于几乎能在所有固体材料( 聚合物、玻璃、金属、陶瓷等) 表面 沉膜，合成的薄膜含有丰富的官能团，柔韧性好，与基底之间的结合力较好， 能够抵御大的变形。等离子体聚合作为一种先进的表面改性技术，已经被广 泛应用于微电子、光学和生物材料等领域【2 7 - 3 3 1 。 国内外已经有很多关于等离子体聚合薄膜在生物传感器方面应用的报 道。 k a m p f i a t h 等) x 蚓曾报道，应用等离子体聚合方法研制出了微型葡萄糖 传感器，他们将丙烯酸、甲基丙烯酸、三氟氨基甲苯等通过等离子体聚合薄 膜沉积在半导体传感器硅片上的金或者铂电极表面，再通过氧气或者氨气进 行等离子体表面处理以引进羧基或者胺基。然后将葡萄糖氧化酶共价固定于 电极表面，实现了葡萄糖的定量测定。 从8 0 年代起，国内外研究者开始把等离子体聚合薄膜引入到生物及医学 应用研究领域，并取得了较大的进展。1 9 7 1 年，g o t t ”】等人报道了利用微波 等离子体聚合方法在硅橡胶上沉积了丙烯酰胺聚合物。这种改性材料制成的 导管被植入狗的身体中显示出良好的血液相容性。m o r r a 等人【3 6 】利用等离子体 聚合方法在钛表面沉积碳氢聚合物，再将经过丙烯酸接枝改性后的材料植入 兔子的肌肉和大腿骨里分别显示出良好的生物相容性以及骨修复作用。l i n 3 7 】 报道，以亚磷酸三异丙酯、亚磷酸三甲酯以及分别与硫酸二甲酯共混物为聚 合单体，成功的合成了含有亚磷酸根及磺酸基官能团的等离子体聚合薄膜， 对薄膜进行体外血小板粘附实验，结果显示材料表面具有很少的血小板粘附。 近年来，又有f i n k e 等人【3 8 】采用微波等离子体聚合技术在金属钛表面沉积烯丙 胺等离子体聚合薄膜，并以胺基为反应位点固定胶原，材料表面表现出优异 的细胞粘附和增殖性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 1 2 选题意义与研究目的 1 2 1 选题意义 以血管支架、下腔静脉滤器为代表的金属材料心血管介入器械已广泛地 应用于临床治疗，如2 0 0 6 年全球超过3 0 0 万人植入了各类血管支架。作为应 用于心血管系统的介入器械，不可避免地会面临抗凝血性问题，诸如血管支 架凝血而导致的管腔狭窄和阻塞，以及滤器捕获栓子后继发血栓形成而导致 的慢性下腔静脉阻塞，都将危及患者生命。尽管可以通过设计器械的几何形 状来减少血栓形成，但由于造成凝血的核心问题是材料性质，而金属介入器 械所选用的不锈钢、n i t i 合金、纯t i 及合金、钽等材料本质上抗凝血性能不 足，难以克服继发血栓的产生，因此，改善材料的抗凝血性就成为提高金属 心血管介入器械应用的一个关键因素。目前最为有效的方法就是对材料进行 表面修饰，通过改善材料的表面组成、结构和性质来提高抗凝血性。 目前针对金属器械表面抗凝血改性主要有无机薄膜涂层方法、自组装法 和硅烷偶联剂固定抗凝生物大分子法。无机薄膜涂层方法是将具有较好抗凝 血性的类金刚石、s i c 以及t i o 等无机薄膜沉积于金属介入器械表面，存在 的问题在于无机薄膜柔韧性较差，难于抵御由于支架和滤器撑开而带来的形 变，抗凝血性还有待进一步提高：表面自组装法是利用静电自组装技术，将 抗凝剂肝素分子以自组装层的形式结合于医用不锈钢表面，实现抗凝血性表 面改性，该项技术存在的问题是肝素与材料表面的结合力较弱，容易被血流 冲走或与血液成分( 如白蛋白等) 发生离子交换，使材料表面较快丧失抗凝 血性；表面硅烷偶联剂固定抗凝生物大分子法是借助硅烷偶联剂将白蛋白或 者肝素分子固定到金属材料表面，该方法由于金属表面活性官能团的数量少， 使得表面固定的抗凝分子浓度难以满足介入器械实际应用中的抗凝水平要 求。因此，现有的金属器械抗凝血表面改性受到了各种技术“瓶颈”的制约， 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 难以获得更大突破，发展出新型的金属器械抗凝血表面改性技术，以提升现 有金属介入器械的抗凝血性能，已成为临床应用中的迫切需求。 1 2 2 研究目的 本论文通过在医用不锈钢基底沉积等离子体聚合物薄膜并实现抗凝生物 分子表面固定一即利用连续或脉冲等离子体聚合反应在材料表面构建含有氨 基官能团的等离子体聚合物薄膜，并以此固定生物大分子肝素，制备抗凝性 的等离子体聚合物薄膜，实现医用金属材料不锈钢的表面抗凝化。通过控制 抗凝血性等离子体聚合物薄膜的表面组成和生物分子浓度，以体外血小板粘 附、血小板计数( l d h ) 血小板激活量( g m p 1 4 0 ) 及部分凝血活酶时间( a p m 为指标，评价固定抗凝分子的等离子体聚合薄膜的血液相容性，并对等离子 体聚合薄膜的表面性质对血小板的粘附及活化的影响进行较深入的研究，并 初步开展动物体内植入实验，研究固定肝素的等离子体聚合薄膜的体内抗凝 血行为。 1 3 研究内容与技术路线 主要研究内容： ( 1 )通过连续和脉冲等离子体聚合技术合成含有反应性官能团( 氨基) 的聚烯丙胺薄膜； ( 2 ) 对等离子体聚合物薄膜进行薄膜厚度、成分、结构、表面物理化学 性质和形貌等材料学性质表征及相互关系的研究； ( 3 ) 在含有反应性官能团( 胺基) 的等离子体聚合物薄膜表面通过化学 反应固定抗凝生物分子( 肝素) ； ( 4 ) 对固定了肝素的等离子体聚合物薄膜进行成分、结构及表面物理化 学性质评价； ( 5 )评价肝素化的等离子体聚合物薄膜的体外抗凝血性； 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 6 ) 对固定了肝素的等离子体聚合物薄膜进行动物体内实验； ( 7 ) 探讨等离子体聚合物薄膜的表面材料学性质( 薄膜厚度、表面结构、 表面能、物理化学性质、拓扑形态) 以及表面固定的生物大分子的 浓度和活性对抗凝性能的影响。 技术路线如图1 - 1 筛选聚合单体，采用脉冲等呙于体聚合方法，在医用不锈钢 表面合成含有氨基和羧基官能团的等离子体聚合物薄膜 上上 测定分析等离子体聚采用多种现代表面分析手段表 合薄膜对不锈钢基底征等离子体聚合薄膜表面的的 的结合力组成、结构和物理化学性质 1r 通过化学缩合反应，在等离于体聚合物薄膜表面共价接枝 固定生物大分子肝素 li 表面接枝肝素分子的浓度固定抗凝生物分子的等呙于体聚 的测定和抗凝血活性测定合薄膜的体外抗凝血行为评价 上 将优化的经过抗凝聚合薄膜表面改性的不锈钢样品进行动物体内植入实 验，研究体内抗凝血行为 1 l 归纳和总结研究结果，阐明抗凝性等离子体聚合物薄膜的结构设计与控 制对抗凝血行为的影响规律 图卜l 技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第2 章医用不锈钢表面等离子体聚烯丙胺薄膜的 制备及表征 2 1 引言 目前运用于等离子体聚合的装置多种多样，但基本结构单元往往大同小 异，主要由等离子体发生器，真空系统( 包括反应室及真空泵) ，真空及气 体流量检测系统三大部分组成。不同的主要是选用的等离子体发生源不同。 实际中较常用的等离子体发生源主要有直流辉光源、射频辉光源和微波放电 源。在直流辉光源放电中，由于电极上沉积有聚合物，至使放电熄灭或不稳定， 因而很少应用于等离子体聚合反应中。微波源放电能产生长寿命自由基和高 密度等离子体，已引起人们广泛的兴趣。但微波系统造价高，磁场控制系统复 杂，在实际中应用较少。而射频辉光源具有产生等离子体稳定，射频辉光源造 价低廉、对环境无污染操作简单等优点。因此，用于等离子体聚合反应中的主 要是射频辉光源。 例如l e j e u n e 等 3 9 1 采用射频连续波等离子体技术在不同放电功率条件下 制备了一系列不同胺基浓度的烯丙胺聚合薄膜。近年来，p u l e od a 等人【幻】采 用射频等离子体聚合技术在t i 6 砧_ 4 v 沉积烯丙胺等离子体聚合薄膜，并以胺 基为反应位点固定骨形成蛋白( b m p _ 4 ) ，改性后的t i 6 a 1 _ 4 v 表现出较好成 骨诱导生物活性。然而，目前等离子体聚合方面应用的射频连续波放电对原 有