（材料学专业论文）抗凝血聚酯的制备及其性能研究(1).pdf

北京服装学院2 0 0 5 年硕i 州究生毕业论文 摘要 聚酯纤维在生物医用材料方面具有广泛的用途，然而，在高分子材料表面发生的凝血 大大限制了聚酯的应用。本文的主要目的是通过对聚酯的改性，改善其抗凝血性能。 采用各种纳米粉体和聚酯的低聚物b h e t 共混，用超声波处理和高速搅拌相结合的方 式使粉体分散在b h e t 中，然后将b h e t 缩聚，制出含纳米粉体的聚酯。在扫描电镜下观 察可以发现，粉体基本是以纳米尺度分散在聚酯中的，但分散均一性仍有待提高。钛酸酯 偶联刑的加入可以大大改善粉体在聚酯中的分散均一性，提高聚酯的抗凝血性能。 采用两种方法将聚酯制成薄膜：熔融压膜和溶液挥发成膜。研究发现，溶液成膜所制 的薄膜表面光洁，在显微镜下观察表面有类似微相分离的结构，因此其抗凝血性能较好。 而熔融压膜所制薄膜的表面由于有一个脱膜的过程，薄膜表而有部分机械撕裂的痕迹，因 此抗凝血性能较差。 实验测试了纳米粉体的种类和加入量对聚酯的抗凝血性能的影响。研究发现，当加入 纳米t i 0 2 粉体时，o 5 的添加量的聚酯抗凝血性能最好；当加入纳米a 1 2 0 3 粉体时，o 1 的添加量的聚酯抗凝血性能最好；当加入纳米z n o 粉体时，o 5 的添加量的聚酯抗凝血性 能最好。当纳米t i 0 2 、a 1 2 0 3 、z n o 粉体的添加量同为o 5 时，添加纳米z n o 所得的聚酯 抗凝血性能最好。 化学改性聚酯的方法主要是在聚酯中引入磺酸基团。向聚酯中引入- - s 0 3 n a ，当引入 量较少( 1 ) 时，聚酯的抗凝血性能未见有提高，反而略有下降；当引入量较多( 5 ) 时，聚酯的抗凝血性能提高；但当继续加大一s 0 3 n a 的含量( 1 0 ) 时，聚酯的抗凝皿性 能又有f 降。 实验比较了工业p e t 和工业c d p ( 含2 一2 5 的一s 0 3 n a 基团) 产品的抗凝血性能。 结果发现，工业p e t 的抗凝血性能要好于工业c d p 的抗凝血性能。采用离子交换的方法， 使工业c d p 产品上的- - s 0 3 n a 变成- - s 0 3 h ，结果大大提高了聚酯的抗凝血性能。 本文的创新之处在于，评价了各种纳米粉体的加入对聚酯抗凝血性能的影响，为日后 抗凝血聚酯纤维的制备提供了初步的筛选；在聚酯中引入- - s 0 3 n a 基团，同时对其抗凝血 性能进行了评价；采用离子交换的方法在阳离子染料可染聚酯中引入了一s 0 3 h ，明显提高 了聚酯的抗凝血性能，由于c d p 产品已工业化，离子交换操作方便、成本低廉，这就为具 有抗凝血性能聚酯纤维的工业化生产提供了坚实的理论基础，具有重大的现实意义。 关键诃：聚酯抗凝血纳米粉体磺酸基团生物医用材料 ! ! 堕型篓堂堕型堕兰! ! ! ：塑塞兰兰些笙兰 a b s t r a c t p o l y e s t e rf i b e rw a sw i d e l yu s e da sb i o m e d i c a lm a t e r i a l s b u tt h ea p p l i c a t i o no fp o l y e s t e r f i b e rw a sl i m i t e dh e a v i l yb yt h ec r u o ro nt h es u r f a c eo ft h ep o l y m e rm a t e r i a l st h et a r g e to ft h i s p a p e r i st oe n h a n c et h ea n t i t h r o m b o g e n i c y o f p o l y e s t e r i nt h i sa r t i c l e ，p o l y e s t e rw a sb l e n d e dw i t hn a n o p a r t i c l e s b yt h ec o a l e s c e n to fm e c h a n i c a l a n ds u p e r s o n i cw a v ed i s p e r s i o n ，n a n o p a r t i c l e sc a nb ed i s p e r s e di nn a n os i z ei np o l y e s t e rf r o m t h eg e mf i g u r e ；h o w e v e r ，t h eu n i t b r m i t yo fn a n o p a r t i c l e sd i s p e r s i o ni sn o ts a t i s f y i n g t h e a d d i t i o no f c o u p l i n ga g e n tc a nh e l pd i s p e r s i n gn a n o p a r t i c l e sh o m o g e n e o u s l y ，w h i c h a r eb e n e f i t t oe n h a n c et h ea n t i t h r o m b o g e n i c yo f t h ep o l y e s t e r p o l y e s t e rw a sm a d ei n t o f i l m b yt w ow a y s ：t h e r m a l m e c h a n i c a lp r e s s i n ga n ds o l u t i o n v o l a t i l i z i n gc a s t i n g t h ef a c t ss h o w e d t h a t ：t h es u r f a c eo ft h ef i l mm a d eb ys o l u t i o nv o l a t i l i z i n g w a sv e r yc l e a na n di t sa n t i t h r o m b o g e n i c yw a sb e t t e r t h ee f f e c t so fn a n o p a r t i c l e st y p ea n da m o u n t so nt h ea n t i t h r o m g e n i c yo fp o l y e s t e rw e r e s t u d i e d t h ef a c t ss h o w e dt h a t ：i ft h ea d d i t i o nw a sn a n o t i n 2 ，t h ea m o u n to f 0 5 w a st h eb e s t ； i f t h ea d d i t i o nw a sn a n o a 1 2 0 3 ，t h ea m o u n to f o 1 w a st h eb e s t ；i f t h ea d d i t i o nw a sn a n o z n o ， t h ea m o u n to f o 5 w a st h eb e s t i f t h ea m o u n to f n a n o t i 0 2 ，n a n o a 1 2 0 3a n dn f l n o z n o w e r e a l l0 5 t h ea d d i t i o no fn a n o z n ow a st h eb e s t s u l f o n i cr a d i c a lw a si n t r o d u c e di nt h ep o l y e s t e rt oe n h a n c et h ea n t i t h r o m b o g e n i c y w h e n t h er a d i c a lw a s s 0 3 n a ，i ft h ea m o u n tw a sv e r ys m a l l ( 1 ) ，t h ei m p r o v e m e n tw i i l sl i t t l e ；i ft h e a m o u n tw a si n c r e a s e dt o5 t h ei m p r o v e m e n tb e c a m eo b v i o u s ；i f t h ea m o u n tw a sa d d e d t o1 0 t h ea n t i t h r o m b o g e n i c yp r o p e r t yw a sf o u n dd e c l i n i n g t h ea n t i t h r o m b o g e n i c yo fi n d u s t r i a lp e ta n di n d u s t r i a lc d p ( 2 一2 5 一s 0 3 n aw a si ni t ) w e r ec o m p a r e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea n t i t h r o m b o g e n i c yo fi n d u s t r i a lp e t w a sb e t t e rt h a n t h a to fi n d u s t r i a lc d p i o ne x c h a n g ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tt om a k e s 0 3 n aw h i c hw a si n i n d u s t r i a lc d pi n t o s 0 3 h ，w h i c he n h a n c e dt h ea n t i t h r o m b o g e n i c yo f p o l y e s t e rg r e a t l y ， k e yw o r d s ：p o l y e s t e r ，a n t i t h r o m b o g e n i c ，n a n o p a r t i c l e s ，s u l f o n i cr a d i c a l ，b i o m e d i c a l m a t e r i a l s 2 独创性声明 y7 1 8 9 3 3 本人声明所呈交的学位沦文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特剐加以标注和致谤 的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京服装学院或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位獬：幺彩骞槲期：年川日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京服装学院有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权北京服装学院可以将学位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、缩印或扫搐等复制手段保存、汇编学位 论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一签穆嘲 签字f j 期：沙巧年弓月) 同 导师签名 签字f 1 期：跏口r 年弓月够目 矽乡 乒 回 0 乃一 p 2 北京服装学院2 0 0 5 年顺lj 研究生毕业论文 1 1 前言 1 1 。l 聚酯纤维的简介 第一章文献综述 聚酯( p o y e t h y l e n et e r e p h t h a l a t e p e t ) 纤维是大分子链中各链节通过酯基相连 的成纤高聚物纺制而成的纤维，是纤维中产量最大的合成纤维品种，目前所谓“聚酯纤维” 通常是指聚对苯二甲酸4 , - - 醇酯。由于聚酯纤维具有一系列优良性能，如断裂强度和弹性 模最高，网弹性适中，热定型性优异，耐热和酬光性好，织物具有洗可穿性等，故有广泛 的服用和产业用途。作为纺织材料，涤纶短纤维的纯纺或混纺制成的仿棉、仿毛、仿麻织 物一般具有聚酯纤维原有的优良特性，而聚酯纤维原有的一些缺点，如纺织加工中的静电 现象和染色困难、吸汗性与透气性差等缺点，可随亲水性纤维的混入在一定程度上得以减 轻和改善。聚酯纤维在工、农及高新技术领域中的应用同益广泛，如帘子线、输送带、绳 索、电绝缘材料等。为了克服聚酯纤维的染色性差、吸湿性低、易积聚静电荷、织物易起 球等缺点，人们又研制了各种改性聚酯纤维和新型聚酯纤维，如易染色纤维、抗静电导电 纤维、阻燃纤维、聚酯复合纤维等。 1 l2 聚酯纤维在生物医学材料方面的应用 随着人们对p e t 认识的不断深入，p e t 在生物医学材料领域内的应用越来越广泛。生 物医学材料是生物医学工程学的四大支柱之一，它是一类具有特殊性能、特种功能，用于 人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾病等医疗、保健领域，而对人体组 织、血液不致产生不良影响的材料呱聚酯纤维对人体安全、无毒，具有良好的机械性能： 低的吸水性，因此其作为生物医学材料具有广阔的应用前景【2 。目前，p e t 纤维己应用于 血管修复i3 1 、外科用手术线1 4 1 、人工心脏瓣膜i 5 1 、人工血管、缝合缘等方面。 1 1 3 生物医学材料与生物体之间的相互作用 生物医学材料与生物体之间的相互作用是极其复杂的，涉及到材料的化学结构、表面 结构、血浆蛋白和血细胞与材料表面的相互作用，以及血流动力学等多种因素( 图卜1 ) 。 生物医学材料及制品植入体内后主要发生三种生物反应：组织反应、血液反应、免疫 北京服装学院2 0 0 5 年坝h _ l 究生毕、世论文 反应。其中主要介绍血液反应。生物医学材料及制品与血液接触形成血液反应见图卜2 。 当材料与血液接触时，首先在材料表面南一层蛋白质粘附，然后在几秒到几分钟内由血细 胞和纤维蛋白形成血栓。血栓形成还取决于外物附近血液速率和流动方式。血栓有时可修 复治愈；有时会发生破裂，形成栓子而随血液流动。在后一种情况下，随时都可能发生检 寒，危及生命，因此和血液相接触的材料都必须具有优异的抗凝血性能【”。 大小、形状、强度、弹胜、 疲* 强慢、断裂强膻、蠕铲 ，摩托、慢坦、透州嚏、热 导、i u 甘、懈 、软化 捌 材 物删化学玎圳们用 化学p 质的竺化_料 饼m 1 啦刚、憾造【阡 求永一疏东悴、酸碱州、物 i化学 l 丌作邢， 嚣? 燮：鐾乏嚣等，、济m t 甘解、怛恤 ， 比、化学反应件 9 “” 异物表面 t 一 一蛋白质吸附 ， 一 山栓形成 低流过u 虾维抓o j 士 1 细胞、小板 r 洫进- f 摊蚩r j 巾小梃- t抽 蜘 栓了流动l 卜或器官 ：丈败 t 。一一礓衰而恧 i 慢 图卜2 一e 物医学材料及制品与f | i l 液接触形成的向液反应 1 1 4 高分子材料的生物相容性 急陛全身反应 卜t 叟志反麻、急性毒性 反应、砷经臁酣垃热 循i f = 吼码等1 一馒r l ：伞身反应 ( 世性冉性匣麻、机掀 抗忭反j 、? 、肼器功能阻 埘等) 卜急一盹岗部反应 ( 血拴彤成、急性嶷 疗、h 、矩、异物排除 等) 性性局部反席 ( 敷癌、慢性嶷症、 形成溃幽等) 材料的生物相容性( b i o c o m p a t i b i l i t y ) 是指材料与组织之间的相容，即具有两层含 义：组织相容性和血液相容性，且材料不引起组纵反应。组织相容性是指材料与生物体组 织及体液接触后不引起细胞突变、畸变、癌变以及排异反应。血液相容性( b l o o d c o m p a t i b i l i t y ) 是指材料和血液接触后不引起血浆蛋白质的变性，不破坏血液的有效成 分，不导致血液的凝固和血栓的形成1 6 1 。血液相容性涉及的内容很多：材料对血细胞和血 2 生 一 用 什 、 日 哺 捐 “ 械 帆 机 掣 _ t 。 阪 胃 赶l【 北京服装学院2 0 0 5 年坝 。研究生毕业_ 蹬文 蛋白的组成、结构和功能的影响，材料在血液中的老化等。抗凝血性主要是指材料不引起 血液凝固，不引发血栓形成，它是血液相容性的主要方面。在目际上，血液相容性材料的 研究水平被认为是生物材料研究水平的重要标志。目前在世界范围内还没有开发出一个具 有理想抗凝血性能的生物材料【2 0 1 。 1 1 5 血液凝固的机理 血液与高分子材料的相互作用是一个十分复杂的过程，涉及到材料的化学结构、表面 结构、血浆蛋白和虹细胞与材料表面的相互作用，以及血流动力学等多种因素。当血液与 高分子材料制备的人工器官( 如人工瓣膜) 相接触时，如何防止凝血现象发生是生物材料 领域的研究热点。迄今为止，虽然人们对凝血过程的了解和认识在逐步深入，但仍有许多 问题尚未搞清楚，已经得到较统一共识的是【7 j ：( 1 ) 当异物表面( 如高聚物表面) 暴露在 血液中时，血浆中的蛋白质在几秒钟内就会吸附沉积在材料表面，形成厚度约为2 0 h m 的 蛋白质吸附层。吸附层中蛋白质的类型和数量对后续凝血构成和程度起着决定性作用；( 2 ) 血液中血小板通过特殊的位点粘附在蛋白质吸附层的纤维蛋白原分子上并被激活，进而聚 集发生凝血，最终导致血栓。 现有的研究发现人体血液中参与血液凝固的因子至少有1 4 个，血液的凝固就是多个 凝血因子参与的酶促生化反应过程。人体的血液凝固有内源性和外源性凝血两种途径。存 在于血浆中的许多凝血因子，以与损伤的血管表面接触为起点，在血小板因子和c a ”存在 情况下，相互作用，最后形成血浆凝血酶原激活物，这称为内源性凝血，系指参于凝血过 程的全部物质存在于血液之中。组织损伤产生组织因子( 维织凝血活素) 与血液中一些凝 血因子在c a ”存在情况下，相互作用，形成组织凝血酶原激活物，这称为外源性凝血，系 指其他组织的凝血因子参于血液的凝固过程。他们共同的过程是( 1 ) 凝血酶原激活物的 形成( c a ”，x a ，v ，p f ，) ( 2 ) 凝血酶原变成凝血酶( 3 ) 纤维蛋白原降解为纤维蛋白。 血小板在血液的凝固中也发挥着重要的作用。它释放二磷酸腺苷( a d p ) ，5 - 羟色胺， 儿茶酚胺等活性物质，其中a d p 使血小板聚集变为不可逆，5 一羟色胺等使小动脉收缩，这 些都有利于止血。血小板可促进血液凝固，形成牢固的血小板止血栓。 人体内除了凝血系统外，还有抗凝系统。首先在血液中存在着一些抗凝物质。其中， 最为重要的是抗凝血酶i 和肝素。抗凝血酶m 其活性部位为酪氨酸，可与凝血酶的活性部 位的丝氨酸等结合而抑制凝血。肝素可促进抗凝血酶n i 的作用。 人体正是在以上因素的共同作用下，才使血液得以流动，同时在发生出血时能够止血。 北京服装学院2 0 0 5 年劬j ：0 1 5 生毕业论文 医用生物材料与血液相互作用，使各自的功能和性质受到影响，具有优良嘲液相容性 的医用生物材料对血液或血液成分的功能和性质影u 自在适当的范围内，主要表现在i ( 1 ) 血 小板粘附较少，不激活血小板，不发生血栓；( 2 ) 不激活凝血系统，促进凝血时间缩短； ( 3 ) 无溶血作用；( 4 ) 不对其他血液成分产生小利的影响【8 1 。 1 2医用聚酯纤维抗凝血性能的研究进展 作为生物医用材料，其抗凝血性是很重要的，也是大多数生物材料工作者首先关注的 材料的性质之一，而许多生物医学材料由r 其抗凝血性能不好而限制了它的应用。抗凝血 性能的研究一直是生物医学材料领域研究的热点问题。在日本，抗凝血生物高分子材料的 研究被认为是在未来5 ( ) 年内高分子领域最具科学与经济意义的5 0 个重大研究课题之一一】。 研究表明，生物医学材料的表面通常对生物材料的相容性具有决定性的影响| 1 。 材料的表面电荷、表面张力与表面自由能、亲水性与疏水性、微相分离结构等因素也 与材料的抗凝咖性能有关。 在生物材料血液相容性研究中，大多采用表面改性的方法柬提高材料的血液相容性， 并已取得许多研究进展。 1 2 1 制备高含水的表面或高疏水性的表面 人体血液之中含有大约9 0 的水，因此材料表面的高含水结构可能具有比较好的血液 相容性。i k a d a 从完全不和血液相互作用的聚合物表面不会导致血栓形成，即不吸附任何 血浆蛋向质的聚合物表面必定是血液相窖性的基本假设出发，研究了血液介质中高分子材 料表面与血浆蛋白的界面自由能和粘附功的相互关系后发现，要使高分子与蛋白质不粘 附，一种方法是造成超亲水性的表面，种方法是形成超疏水性的表面 2 1 。i k a d a 用等离 子体处理p e t 表面，分别得到了亲水性和疏水性的表面，血液实验测试表明，提高了材料 的血液相容性。 1 2 2 制备微多相高分子材料表面 生物体血管内壁宏观上是十分光滑的表面，但是从微观上看，血管壁内皮细胞表面膜 是一个双层脂质的液体基质层，中间嵌着各类糖蛋白和糖脂质。这种宏观光滑、微观多相 分离的结构使其血管壁具有优异的抗凝血性能。日本科学家今井庸二曾提出，具有抗凝血 北京服祷学院2 0 0 5 年坝f 州究生毕、舭论文 性能的材料应当在0 1 t o 2um 范围内具有物理或化学上的不均匀微观结构。从这个观点 发，很多研究者采用多种方法研制开发具有微观相分离结构的聚合物。有研究表明，当聚 合物的本体结构相似而形态结构不同时，材料的血液相容性有显著差异。不少实验结果显 示，当聚合物呈现某种特定的相分离结构时，表现出良好的血液相容性】。 1 - 2 3 互穿网络聚合物的研究 近几年来，高分子材料领域中的“互穿网络”技术也被引入到抗凝血材料的研究中。 当两种小同的高分子之阳j 形成互穿网络结构时，材料表面会呈现出一种疏水性微区与亲水 性微区交替分布的微观相分离结构，使材料表面的血液相容性得到明显的提高，同时这类 材料还具有优良的力学性能。 1 2 4 材料表面接枝改性 表面接枝改性是提高高分子生物材料抗凝血性的一个重要途径。这个途径与般的共 聚反应比较起来，更易收到材料本体性能与抗凝血性( 或其他生物学功能) 兼得之效。有关 高分子生物材料表面接枝的研究主要集中在两个方面；一是接枝方法的研究，寻找在材料 表面产生接枝活性点简便而有效的方法；二是通过接枝单体的设计或选择来研究表面结 构、性质的改变对抗凝血性能的影响。用于高分子生物材料表面接枝的方法主要有化学试 剂法、偶联剂法、等离子体法、紫外光照射法【1 5 】及高能辐射法等。表面接枝改 性也是高分子生物材料研究者研究得最多的一种表面改性方法。用高分子生物材料表面接 枝改性提高血液相容性，实际上是通过接枝的单体来实现的。目前，常用的接枝的单体有 丙烯酸、聚乙二醇( p e g ) 、聚氧化乙烯、白蛋白等。p e g 是其中有代表性的一种高分子材 料。p e g 可溶子水和多种有机溶剂，无毒性，已被美国f d a 批准应用于人体。p e g 的一 个重要性质是可以连接到其它分子上或细胞表面，提供一个生物相容性保护层，从而减少 蛋白质、细胞及细菌吸附，提高材料的抗凝血性能。因此，在抗凝血材料的研究与开发中， p e g 一直被选为改性材料，通过各种方法引入到其它高分予或接枝到材料表面，以减少材 料表而的血浆蛋白吸附和血小板的粘附j 。 1 2 5 材料表面肝素化及类肝素化 肝素是临床上常用的一种天然抗凝血性高分子化合物。肝素的分子结构式如下所示： 北京服装学院2 0 0 5 年硕1 研究生毕业论文 ho s d i hnh s o jhc ih 0 一 从肝素的分子结构可以看出，在它的分子中含有两类活性基团，一类是一s 0 3 、一c o o 等负离子，另一类是一o h 、- - n h 一，负离子上的抗衡离子可以进行离子交换，而- - o h 、 一n h 一上的活泼氢可以发生一系列功能性反应。肝素抑制血液凝固的功能是多方面的。目 前医学界普遍认为肝素的抗凝血机制与抗凝血因子( a t i i i ，又称肝素协同因子) 密切相 关。a t i i i 是一种单链糖蛋白酶，可与凝血酶原结合抑制凝血的发生。在这一过程中a t ijj 必须发生个构象变化，而这是一个t h x , l - 缓慢的过程。肝素在和a t i i i 发生络合后， 则可大大降低a t i i i 构象变化的自由能，加快抗凝血进程。在这一络合过程中，肝素作为一 种生物活性物质，其构型、构象变化显然十分重要。肝素也能抑制凝血因子v 、v 、及 l 在血液凝固时级联反应的激活。能被肝素改变活性的酶已达5 0 余种。肝素对酶活性的 抑制都是通过和它们生成络合物而改变它们原有的构象这个基本过程柬实现的p 8 1 。 因此，为了提高生物材料的抗凝血性能，早在1 9 6 3 年g o t t 等就提出在材料表面固定肝 素的石墨一氯化苄铵盐肝素化法( g b h 法) 。之后，有关肝素化方法( h e p a r i n i z a t i o n ) 研究的 文章与年俱增”i ，成为提高生物材料抗凝血性能的一个重要途径。把肝素固定在生物材料 表面的途径有物理吸附和化学结合两大类，而在化学结合中，又有离子键结合和共价键结 合之分。化学键固定的肝素较物理吸附的稳定，而在化学固定中，通过共价键的又远比通 过离子键的稳定。但另一方面，通过共价键结合的表面固定化肝素却有生物活性较低及抗 凝血性改善幅度不很突出的问题。这也是近年来高分子生物材料表面肝素化研究中存在的 t 要问题。 1 2 6 种植内皮细胞 改善抗凝血性乃至血液相容性最理想的途径应是在生物材料的表面种植、培养血管内 皮细胞。血管内皮细胞还兼有内分泌的功能。但是，直接把内皮细胞种植在一般高分子生 物材料表面不仅繁殖慢，而且过一定时削后还容易从材料表面上脱落下来。因此，现在多 ，；。1 北京服裟学院2 0 0 5 年碳l + w 宄生毕业论义 在生物材料表面先固定e 细胞粘合蛋白( 如f b r e o n e c t i n i 播1 ) 或在这类蛋白质分子中担负 着结合功能的肽段( 如一a r g g i ya s p 一( r g d ) ”1 ) ，然后再在其上种植和培养内皮纲胞。当 然，固定f i b r e o n e c t i n 等生物大分子或通过r g d 固定内皮细胞也都存在，如何提高固定化 生物大分子和固定化内皮细胞的活性和抗凝血效果问题，而问题的解决也同样有赖于建立 - 个f 确的材料表面分子结构模型以及在其指导下的分子工程研究。 1 2 7 纳米技术的应用 纳米材料在生物医学领域中的应用是近些年刚刚丌始的，并且发展迅速【2 “。目前，已 有人通过实验证明纳米z n o 具有抗凝血性能【2 2 1 。有研究发现f 2 3 _ “1 ，与其它材料相比，类金 刚石碳表面对纤维蛋白原的吸附程度降低，对白蛋白的吸附增强，血小板的粘附数量显著 下降，抗凝血性能增强，血管内膜增生减少。另外，有人用纳米碳纤维作为分散相与聚氨 酯材料复合，并试用于心室辅助循环系统的血泵表面涂覆处理，通过血小板粘附、全血凝 固吲间、抗凝血程度以及血液中游离血红蛋白和纤维蛋白原的测定，对该复合材料表面的 血液相容性进行了初步的分析和探讨，结果发现，纳米碳与聚氨酯材料的复合可以提高材 料的血液相容性【2 7 】。有研究认为【2 8 】，碳与血浆蛋白分子之间存在着独特的强相互作用，这 种强相互作用会“钝化”其表面上吸附的纤维蛋白原分子，使它减少甚至失去进一步引发 血小板黏附和活化的活性，由此减少了材料表面对血小板的吸附，抑制凝血的发生。 1 3 实验方案及研究内容 本研究采用纳米粉体改性和化学改性相结合的方法来对聚酯进行改性，以提高聚酯的 抗凝血性能。 纳米粉体改性，即用各种纳米粉体作为分散相与聚酯共混，制成纳米粉体聚酯共混材 利，通过对血液中游离血红蛋白、血小板粘附、全血凝固时间的测定，将各种粉体改性所 得出的实验结果作对比研究，从而对该复合材料的血液相容性进行初步分析和探讨。 化学改性，主要是向聚酯中引入磺酸钠基团。首先利用s i p m ( 闻苯二甲酸双羟甲酯。5 。 磺酸钠) 与乙二醇( e g ) 进行酯交换合成s i p e ( 问苯二甲酸双羟乙酯- 5 一磺酸钠) ，然后利 用s i p e 与b h e t 熔融缩聚成含磺酸基团的聚酯，将带有磺酸基团的聚酯制成薄膜，利用 动态凝血实验、血小板粘附实验、全衄凝固时间实验，测试引入磺酸基含量对聚酯抗凝血 性能的影响。 北京服皴学院2 0 0 5 年坝| 1 洲冗生毕业论义 1 3 1 纳米粉体改性研究 纳米是一个长度单位，是十亿分之一米，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。 纳米粒子一般指尺寸在l n m 到1 0 0 n m 间的粒子，当粒子尺寸进入纳米级( 1n m 1 0 0n m ) 时 其本身具有小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等性质，因而展现出许多特有的性 质。纳米材料在催化、滤光、光i 吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景， 被科学家们誉为“2 l 世纪最有前途的材料”。 1 3 1 1 纳米粉体基本特性 ( 1 ) 小尺寸效应：小尺寸效应又称体积效应，当纳米粒子的尺寸与传导电子的d e br ( ) 9 1ie 波长以及超导态的相干波长等物理尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破 坏，熔点、磁性、光吸收、热阻、化学活性、催化性等与普通粒子相比都有很大变化，这 就是纳米粒子的小尺寸效应。 ( 2 ) 表面效应：表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急 剧增大后所引起的性质上的变化。纳米粒子尺寸与表面原子数的关系见表1 一l 。 表1纳米粒子尺寸与表面原子数的关系 粒子半径n m 2 0 l o2l i 原子个数 2 5 1 0 3 0 x 1 0 42 5 1 0 23 0 i 表面原子所占比例 1 0 2 0 8 0 9 0 由表l 可见：随粒径变小，纳米粒子表面原子所占比例急剧增大。纳米晶粒减小的结 果，导致其表面积、表面能及表面结合能都迅速增大，具有不饱和性质，致使它表现出很 高的化学活性，导致二次凝聚现象严重，而且机械力是很难将团聚体再次分散丌。 ( 3 ) 量子尺寸效应：量子尺寸效应是指微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的 电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱值向短波方向移动的现象。 ( 4 ) 宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的 磁化强度等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，这被称为纳米粒 子的宏观量子隧道效应，用此概念可以定性解释纳米镍晶粒在低温下继续保持超顺磁性现 象。 纳米粉体因为其基本特性而还具有特殊的化学性能、力学性能、光学性能等，但纳米 材料的抗凝血作用尚未得到充分研究。 北京服装学院2 0 0 5 年预l 形f 宄生毕业论文 1 3 1 2 纳米粉体种类的选择 奉研究中使用的纳米粉体有三种：纳米z n o ，纳米a t 。0 ，纳米tj 0 。通过在常规聚酯 中添加纳米粉体的办法制各纳米粉体聚酯复合体系，再通过对纳米粉体复合体系的抗凝 f f 【进行评价，选择性能最佳的纳米粉体种类。 1 3 1 3 纳米粉体加入量的研究 选择出最佳的纳米粉体后，通过改变加入纳米粉体的量，来研究复合材料的抗凝血性 能的变化关系，最后还要结合纤维的可纺性确定最佳的加入量。 1 3 1 4 纳米粉体在聚酯中的分散性团聚性能的研究 1 3 1 4 1 纳米粉体团聚的原因 纳米粒子的比表面积很大，表面能高，处于非热力学稳定态，这使得它们很容易团聚 在r 起，而形成带有若干弱连接界面的尺寸较大的团聚体，从而影响了纳米粒子的实际应 用效果。引起纳米粉体团聚的原因很多，但归纳起来主要是以下几个方面： ( 1 ) 分子| - a j 力、氢键、静电作用等通常是引起颗粒团聚的因素，在纳米粒子中由于小 尺寸效应和表面效应表现得更为强烈； ( 2 ) 由于颗粒的量子隧道效应、电荷转移和界面原子的相互耦合，使微粒极易通过界 面发生相互作用和固相反应而团聚； ( 3 ) 由于纳米粒子的比表面积巨大，使之与空气或各种介质接触后，极易吸附气体、 介质或与其作用，从而失去原来的表面性质，导致粘连与团聚； ( 4 ) 因其极高的表面能和较大的接触界面，使晶粒生长的速度加快，因而颗粒尺寸很 难保持不变。 1 _ 3 1 4 2 偶联剂的结构和性质 本实验中通过加入偶联剂( 钛酸酯偶联剂) 的方法来改善纳米粉体的分散性能。偶联 剂的作用是把无机填料和有机基科两种不同性质的物质紧密地结合起来。偶联剂由两种不 同性质的集团组成的，一种是疏水基团，另一种基团与极性填料表面进行偶合，可通过化 北京服装学院2 0 0 5 年自! ：t i ) l 究生毕业论文 学反应与无机填料表面进行偶联结合，能提高填料在基体中的分散性和结合强度( 见1 f 图) 。常用的偶联剂一钛酸酯偶联剂是美目k e n r ic h 石油化学公司七十年代开发的一类新 刑偶联剂，它对许多干燥粉体有良好的偶联效果。其亲有机部分通常为长链烃基( c 1 2 c 1 8 ) ， 它可与聚合物链缠结，借范氏力结合在一起，从而可传递应力。另外，长链烃还可以改变 无机物的表面能，使填充高聚物能显示良好的熔融流动性。由于钛酸酯偶联剂具有独特的 结构，对聚合物与填充剂有良好的偶联效能，因而可提高加工时填料的分散性、流动性， 改善复合材料的断裂伸长率、冲击性和阻燃性能等。 通过对未加入偶联剂和加入钛酸酯偶联剂的两种高聚物纳米分散性能的观察和材料 抗凝血性能的测定，比较纳米粉体高聚物的分散性能对抗凝血性能的影响。 1 3 2 高聚物成膜方法的研究 高聚物的成膜方法有两种：机械压膜和溶液成膜。热机械压膜利用熔体成膜，与纺丝 成形相似，但表面的粗糙度较大：溶液成膜光滑度很好，但脱除溶剂时，使得表面出现孔 洞。两种成膜方法经过比较后，可以选择一种能够最大限度的降低系统带来的误差的实验 方案。 1 3 3 化学改性 肝素是人体内存在的天然的抗凝血的物质，有学者在研究肝素抗凝血机制的时候，发 现它的抗凝血活性与肝索分子链上的带负荷电的磺酸基及羧基有关，且主要与磺酸基有 关；而后在与类似肝素链结构的甲壳糖上引入一定数量的磺酸基和羧基，材料的抗凝血活 性果然大大提高；后来在碳纤维上引入磺酸基和羧基也有类似的抗凝血活性【3 0 1 。聚氨酯 材料在高分子链中引入含磺酸基的链节研究已有诸多报道【引3 2 j ，磺化后材料的抗凝血性都 有不同程度的提高，但磺化度不如肝素高，还没有更近似地反映肝素每个链节单元上含磺 酸基的化学结构特征；p v a 及其接枝纤维材料的磺化反应研究虽有报道口3 1 ，但没有发现它与 f f f l 液相容性关系的研究；磺化反应对p e t 及其纤维的抗凝血性能的影响方面还未见报道。 1 3 3 1 在聚酯中引入磺酸钠( - s 0 3 n a ) 基团改性 首先，向聚酯中引n - - s 0 3 n a 基团，来探讨一s 0 3 n a 基团的引入对聚酯抗凝血性能的 影响。引入一s 0 3 n a 的主要方法是通过s i p m ( 间苯二甲酸二甲酯一5 一磺酸钠) 与b h e t 1 0 北京服装学院2 0 0 5 年坝1 研究生毕业论文 进行酯交换，得到s i p e ( 问苯二四酸二乙酯一5 一磺酸钠) ，然后利用s i p e 与b h e t 共聚， 即得到含有一s 0 3 n a 基团的聚酯。阳离子可染聚酯( c d p ) 也是用这种方法生产出来的。 将改性聚酯与纯聚酯作抗凝缸性能的对比测试，以评价一s 0 3 n a 基团改性聚酯的抗凝血性 能。 1 3 3 2 在聚酯中引入磺酸( s 0 3 h ) 基团改性 目前，向聚酯中引入磺酸基团的方法，有等离子体处理的方法，有化学接枝的方法。 等离子体处理存在着时效短的问题，化学接枝存在着磺化度不高的问题。本文采用离子交 换的方法， 匈聚酯中引入一s 0 3 h 基团。即利用含有一s 0 3 n a 基团的c d p ，将其在h c l 溶 液中浸泡，让h + 和n a + 交换，制得含有- - s 0 3 h 基团的聚酯，对其抗凝血性能进行评价。 由于浸泡时间较短，h c l 溶液也不会对聚酯的其他结构和性能产生任何影响。 1 ，3 4 材料抗凝血性能的表征 1 3 4 1 血液相容性评价方法简介 高分子材料的血液相容性评价方法与程序经过二二十多年各国科学家的共同努力，已取 得较大的进展，把抗凝血与溶血作为血液相容性研究的中心议题，从材料表面理化特性， 血浆蛋白的竞争吸附，血小板的粘附与激活、红细胞、白细胞的粘附、变形与激活、内源 性凝固系统的接触活化等五个方面开展工作，基本建立了四大类方法，即材料表面特征法、 体外试验法、半体内试验法及体内试验法，如下表2 所示简要介绍这几种方法”。 表2 高分子材料与血液接触试验方法 名称试验方法评价目的 用各种物理化学测试仪器，测定高分子材料表征高分子材料表面物理化 的表面物理化学性质学性能，与生物性能测定最 表面材 相关，从而弄清楚材料血液 料表征 之间相互作用，并进一步阐 明材料抗凝血方法。 体外试验让血液与试片接触，观察试片上血浆蛋白、测定材料表面和缸浆蛋白、 ( i l qv i t r o )血小板、白细胞、红细胞等的量和变化情况。血小板、白细胞、红细胞等 北京服装学院2 0 0 5 年母! l 研究生毕业论殳 另外还观察血液中凝周因子的变化，f l 为人的反应程度，弄清生物医用 血或动物血 材料界葡( b m i ) 初期的状况， 以达到i f i 】液相容性材料的初 筛目的1 在置于体外的血液分流回路中设有试验腔，在与使用状态大致接近的条 观察试片上】1 浆蛋白、血小板、白细胞、红件下，测定材料表面与血液 1 半体内试验细胞的量和变化、血栓形态等。动物实验的反应性，特别是血栓本身 l ( e xv i v o ) 的生成程度，这可弄清楚数 天内b m i 的情况。：次筛选 目的 材料植入体内后，观察材料表面上的血栓形在接近使用状态的条件下， 成情况，材料变化，以及在体内各部分产生综合评价材料和生物两方面 体内试验 的微小血栓，在生物方面，观察廊小板等血的变化程度。对b m i 来说， ( ir 1v iv o ) 液成分的损伤。动物实验可弄清楚数周至数胃间长期 的全貌 评价程序一般由体外或体内试验对高分子材料的血液相容性作初步评价，以改进材料 的分子设计及合成方法，尔后由半体内及体内试验进行最终评价。 1 3 4 2 本研究采用的抗凝血性能表征方法 由于本文只是通过对聚酯改性，得出一系列的改性样品，然后对其血液相容性作出初 步评价，以求筛选出抗凝血性能较好的样品，因此主要采用体外试验。 体外实验是人或动物离体血与受检的高分子材料按某种方式接触一定时间后，测定血 液成份变化或检查材料上血液成份及数量。它具有快速、敏感、经济的特点。体外试验大 致有全血凝固时间法、血浆凝固因子激活测定法、血小板粘附测定法、蛋白吸附测定法等。 我国国标g b t1 6 8 8 6 4 - 2 0 0 3 1 8 01 0 9 9 3 4 ：2 0 0 2 医疗器械生物学评价第4 部分： 与血液相互作用试验选择，也对生物医疗器械在临床使用前需作的血液试验作了相关规 定，如外部接入器械需作的凝血试验有：p 订( 非活化) ；凝血酶生成；特异性凝血园子 评价：f p a 、d 一二聚体、f m 、t a t ，植入器械需作的凝血试验有：特异性凝血因子测定： f p a 、d 一二聚体、f l 下2 、p a c 一1 、s 一1 2 、t a t ；p t t ( 非活化) 、p t 、t t ；血浆纤维蛋白原： f d p l 4 1 】。 北京服犍学院2 0 0 5 年岫h 川冗生毕业i = 龟史 目前国内应用评价医用生物材料血液相容性的试验，在内容和水平上都符合国际标准 和国家标准提出的要求，与欧、美、f 等国采用的试验方法大致相同，都处在同一技术水 平。我国评价机构、实验室通常选择评价血液相容性的方法有：( 1 ) 体内末梢静脉血栓形 成试验；( 2 ) 动态凝皿试验：( 3 ) 体外凝血酶原时间试验；( 4 ) 体外血小板粘附试验；( 5 ) 溶 血试验；( 6 ) 血液保存试验等几种，这些体内、外试验方法基本上能较好地评价与血液相 互接触的医疗器械的血液相容性的优劣【8 j 。本研究主要采用动态凝血实验、血小板粘附试 验和全血凝固实验来评价材料的抗凝血性能。 1 4 本课题的研究意义 在国际上，血液相容性材料的研究水平被认为是生物材料研究水平的重要标志。目前 在世界范围内还没有开发出一个具有理想抗凝血性能的生物材料。改善生物材料的血液相 容性有两条基本途径：其一，合成对血液完全呈惰性的新材料；其二，对现有物理机械性 能较好，适用范围较广的生物材料进行表面修饰，以提高其抗凝血功能。前者是战略目标， 而后者却更具有实用价值。抗凝血材料不但要有好的抗凝血性能而且要具有优良的物理机 械性能以满足制造人工器官的需要。例如，用来制造人工心脏血泵内血囊的材料既要抗凝 而，又要有很高的耐曲挠性( 约4 千万次，年) 和较高的抗张强度和弹性。 当前，各国对生物材料的研究与开发，仍处于经验和半经验阶段，基本上是应医学的 急需，以现有材料为对象，经适当纯化或适当改性后便加以应用。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，尤其是以结构与生物相容性之间的关系为依据的 新型生物材料的设计、研究和丌发工作很少。因而目前应用的生物材料及制品，尤其是对 生物相容性要求高的人工器官材料，仍处于“勉强可用”阶段，远不能满足实际要求，这 也在相当大的程度上影响了人工器官的发展。 如果我国能在2 l 世纪初期研制出1 至2 个高抗凝血材料，这将对人工心脏等与血液 相接触的人工器官的研制起到巨大的促进作用，提高我国生物材料界在国际上的地位和影 响f 2 0