（材料学专业论文）316L不锈钢表面高分子涂层的设计及性能研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 使用药物洗脱支架是目前冠心病介入治疗中简便而有效的措施，而制备药物洗脱 支架的关键技术就是支架表面的高分子药物载体涂层的制各。本课题以有良好的可生 物相容、可生物降解等性能，在生物医学领域得到广泛的研究和应用的聚乳酸的共聚 物p l g a 为涂层材料，在3 1 6 l 不锈钢的表面开发一种新型的高分子多孔涂层的制备技 术，分析多孔结构的形成机理和影响因素，并研究涂层的降解性和血液相容性等性能； 针对以往静电喷涂工艺的优缺点，设计新型的静电喷涂装置，尝试静电喷涂法在3 1 6 l 不锈钢的表面制备涂层。通过以上的研究可以得出如下结论： 利用水汽凝结成的水滴作为“模板”，分别采用浇铸制备工艺和浸涂提拉制备 工艺可以在3 1 6 l 不锈钢的表面制备出孔径均匀的p l g a 多孔涂层。孔径的尺寸可在 1 微米到1 0 微米之间控制，形成多孔结构的驱动力是m a r a n g o n i 对流效应和水平毛 细管力。空气湿度、溶液浓度、溶质p l g a 的分子蠡，溶剂的性质是影响孔洞大小、 分布、形状的重要因素。 3 1 6 l 不锈钢表面涂覆的p l g a 致密涂层亲水性较弱，且随着l a 含量的升高， 亲水性逐渐变弱；表面涂覆的p l g a 多孔涂层为疏水性涂层，随着孔洞尺寸的增大， 疏水性变强。 3 1 6 l 不锈钢表面涂覆了p l g a 致密涂层和多孔涂层后，动态凝血时间延长， 血小板粘附和变形的程度减轻，血液相容性增强。 p l g a 致密涂层和多孔涂层在模拟体液h a n k s 溶液中体外降解3 周内具有较 好的结构稳定性，未发现大块脱落，从而导致阻塞血警的现象，可以放心应用于动物 实验。 利用自行设计的静电喷涂装置，采用静电喷涂的方法可以在3 1 6 l 不锈钢表面 制备出均匀、连续、厚度适宜的p l g a 涂层。 关键词：药物洗脱支架：p l g ；多孔涂屡：血液相容性；体外降解 3 1 6 l 不锈钢表面高分子涂层的设计及性能研究 r e s e a r c ho n d e s i g n ，s t r u c t u r ea n d c h a r a c t e r i s t i c so f p o l y m e r i c c o a t i n g s o n3 1 6 ls t a i n l e s ss t e e l a b s t r a c t d r u g - e l u t i n g s t e n ti st h em o s te f f e c t i v e t h e r a p e u t i c m e t h o di n p e r c u t a n e o u s c o r o n a r yi n t e r v e n t i o n 口e 1 ) t h ek e yc o m p o n e n t s a r et h es e l e c t i o na n d p r e p a r a t i o no fd r u g - c a r t i n g m a t e r i a l sa n dc o a t e dm a t e r i a l s w i t hg o o db i o c o m p a t i b l ea n db i o d e g r a d a b l e p r o p r i e t i e s ，p o l y e s t e r s ，p o l y l a c t i ca c i d ( p l a ) a n di t sc o p o l y m e rp l g aa r e u s e di n m e d i c i n ea r e a , e s p e c i a l l yi nc o n t r o l l e da n dp r o l o n g e dr e l e a s eo fd r u g i nt h i sa r t i c l e ，a f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yo f m i c r o p o r o u sp o l y m e rd r a gc o a t i n go n3 1 6 ls t a i n l e s ss t e e lw a s s t u d i e da n ds ow e r et h ec o a t i n g sd e g r a d a t i o nb e h a v i o ra n db l o o dc o m p a t i b i l i t y f r o mt h er e s u l t so ft h ee x a m i n a t i o n ，i tc a nkc o n c l u d e dt h a tap l g ac o a t i n g h o m o g e n e o u s i ns i z ea n dd i s 仃i b u t i o no f t h ep o r e sg a l lb ef a b r i c a t e do n3 1 6 ls t a i n l e s ss t e e l m a t r i xb yw a t e ra s s i s t e ds e l f - a s s e m b l ym e t h o dt h r o u g hc a s t i n ga n dd i p p i n g t h ed r i v i n g f o r c eo ft h i ss e l f - a s s e m b l yp r o c e d u r ei sc a p i l l a r yf o r c ea n dt h ew a t e r d r o p l e t sp l a yt h er o l e a s t e m p l a t e t h ep o r e s i z ec a n b ec o n t r o l l e di na r a n g ef x o m1um t o1 0um b yc o n t r o l l i n g t h er e l a t i v eh u m i d i t y , c o n c e n t r a t i o no ft h ep o l y m e rs o l u t i o na n do t h e rp a r a m e t e r s 1 1 尬c o m p a c t p l g a c o a t i n g h a saw e a k e r h y d r o p h i l i c i t yt h a n3 1 6 l s t a i n l e s ss t e e l a n d b e c o m e sm o r e h y d r o p h o b i cw i t h t h e i n c r e a s i n go f p e r c e n t a g ec o m p o s i t i o no f l a t h e p o r o u sp l g ac o a t i n g h a sa h y d r o p h o b i c i t y a n db e c o m e s s t r o n g e r w i t ht h ei n c r e a s i n go f t h ep o r e s i z e c o m p a r e d t on a k e d31 6 ls t a i n l e s ss t e e l ，t h ec o m p a c ta n dp o r o u sp l g a c o a t i n g sc a l l i m p r o v e b l o o d c o m p a t i b i l i t y d u r i n gt h ep r i m a r yd e g r a d a t i o n ，t h ed e g r a d a t i o no fc o m p a c ta n dp o r o u sc o a t i n g s d o n ta c c o m p a n yw i t ht h ef a l l i n g - o f f o f i nl a r g ea r e aa n dc a l lb eu s e di na n i m a le x p e r i m e n t e l e c t r o s t a t i cs p r a yd e p o s i t i o nm e t h o dc a nb eu s e dt of a b r i c a t ep l g a c o a t i n gw i t h g o o d s u r f a c eq u a l i t y k e y w o r d s ：d r u g - d u r i n gs t e n t ；p l g a ；p o r o u sc o a t i n g ；v i t r od e g r a d a t i o n ；b l o o d c o m p a t i b i l i t y 嘲蜒洲生游明一 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特j i i j j j n 以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所傲的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：翌塞日期： 大连理工大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 生物医学材料和生物相容性 1 1 1 生物医学材料概述 生物医学材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s ) 又称生物材料，是和生物系统结合以诊断、 治疗或代替机体中的组织、器官或增进其功能的材料。根据材料的组成和性质，可以 分为生物医学金属及合金、医用高分子材料、生物陶瓷，以及它们结合而成的生物医 学复合材料。许多临床应用的生物医学材料原本不是按生物医学材料所设计，而是以 现有的材料解决实际的问题。这几年来，逐渐开始重视生物医学材料的设计与制各， 使其本体特别是表面具有所需的化学、物理和生物特性，因而扩大了应用的领域吐 生物医学材料是一门多学科交叉的边缘性学科，它涉及材料、生物、医学、物理、 化学、制造以及临床医学等诸多学科领域，不仅关系到人类的健康，而且日益成为国 民经济发展的新的增长点。目前，临床应用对生物医学材料的特殊和基本要求如下【2 ： 材料无毒，不致癌、不致畸，不引起人体细胞的突变和不良的组织反应； 与人体的生物相容性好，不引起中毒、溶血、凝血、发热和过敏等现象： 具有与天然组织相适应的力学性能； 针对不同的使用目的而具有特定的功能。 生物医学材料直接与生物系统相作用，除了各种理化性质要求外，生物医学材料 必须具有良好的生物或组织相容性，这是生物医学材料区别于其他功能材料的最重要 的特征。 1 1 2 生物相容性概述 生物相容性是生物材料研究中始终贯穿的主题。按i s 0 的解释：生物相容性是指 生命体组织对非活性材料产生反应的一种性能，一般是指材料与宿主之间的相容性， 包括血液相容性和组织相容性。血液相容性是指材料用于心血管系统与血管外的组织 和器官接触。主要考虑与组织间的相互作用，则称之为组织相容性。组织相容性涉及 的各种反应在医学上都是比较经典的，反应机理和实验方法也比较成熟；但是血液相 容性涉及的各种反应较为复杂，很多机理尚不明确。实验方法除了溶血实验外，多数 不成熟，特别是涉及凝血机理中细胞因子和补体系统方面分子水平的实验方法还有待 研究建立【2 】。近年来，生物相容性的概念发生了较大的变化，其对象不仅为非活性材 料，而且也涉及到活性材料( 组织工程) 。同时普遍认为生物相容性包含两大原则， 一是生物安全性原则：生物材料对于宿主是异物，在体内必定会产生某种应答或出现 排异现象。生物材料如果要成功，至少要使发生的反应被宿主接受，不产生有害作用。 1 3 1 6 l 不锈钢表面高分子涂层的设计及性能研究 因此要对生物材料进行生物安全性评价，即生物学评价。二是生物功能性原则( 或者 称为机体功能的促进作用) ：随着生物材料生物相容性的深入研究，人们发现不仅要 对生物材料的毒剐作用进行评价，还要进一步评价生物材料对生物功能的影响。目前 主要集中在采用体外方法研究生物材料对某些特定细胞功能的影响。 1 2 生物相容性与植入物表面性能的关系 医用材料植入生物机体内，在能够测得的很短时间( o 时，毛细管力表现为引力；当s i i l l l r ls i n i i i2 o ，对于质量大的粒子_ | l r 0 。对于厌水性的粒子1 l r 0 。两个中心距离为l ，半径分别为r l 、r 2 的 粒子之间的水平毛细管力的大小如式2 6 所示1 5 驯： f = - 2 哟q ：g 蜀q 上m + o g 2 疋2 i r k 9 5 r h ( d 1 ) 5 0 0z ( d 2 ) 1 0 0 0 f i g 2 1 0t h es u r f a c em o r p h o l o g yo fp l g ac o a t i n g sf o r m e du n d e rv a r i o u sa i r r e l a t i v eh u m i d i t y 3 0 r hq 1 ) 5 0 0 ( a 2 ) t o o o 7 0 r h ( b 1 ) 5 0 0 ( b 2 ) t 0 0 0 9 0 r h ( c 1 ) 5 0 0x ( c 2 ) l o 9 5 r ( d 1 ) 5 0 0 ( d 2 ) 1 0 0 0z 当温度、溶液的浓度一定( 2 0 ，2 w t ) ，湿度较高时，我们可以通过肉眼观察 到，溶液的表面由起初无色透明的状态( 图2 9 ( a ) ) 逐渐混浊最后形成乳白色的涂层 ( 图2 9 ( b ) ) ；当湿度较低时，最后形成无色透明的涂层。图2 1 0 为在不同的湿度条 件下制各的p l g a 涂层表面电子扫描电镜照片，放大倍率分别为5 0 0 倍和1 0 0 0 倍。 在低湿条件下制备的涂层的表面致密、无孔，如图2 1 0 ( a 1 ) ( a 2 ) 所示；在相对湿度为 7 0 的条件下制各的涂层的表面存在大量的微孔，其大小一般为4 5 微米，形状为 圆形，如图2 1 0 ( b 1 ) ( b 2 ) 所示；随着湿度的增大，形成的孔洞的尺寸也随之增大，当 湿度达到9 0 时，孔的尺寸增大到7 8 微米，如图2 1 0 ( c 1 ) ( c 2 ) 所示；当湿度进一 2 4 大连理工大学硕士学位论文 步增大时，超过9 5 时，孔洞的尺寸可以达到1 0 微米左右，形状多为五元环和六元 环，如图2 1 0 ( d 1 ) ( d 2 ) 所示。由此可见，随着湿度的增大，孔洞的尺寸变大，形状会 由圆形向多边形转变。 如图2 1 1 所示，我们可以发现除了涂层的表面有孔洞外，通过表面的孔洞还可 以观察到涂层的内部也存在孔洞，这些“洞中洞”正表示因为涂层为多层的结构， 才可能从第一层的孔洞中看到第二层的孔洞结构。 图2 1 1 多层孔洞结构 f i g 2 1 1m u f f - p o r e ss t r u c t u r e ( 2 ) 溶液浓度对涂层表面形貌的影响 图2 1 2 为不同质量百分比浓度的p l g a 溶液在湿度为9 0 时形成的多孔涂层表 面的电子扫描电镜照片，从图可以看出浓度高的溶液形成的多孔涂层表面的孔洞尺寸 小于浓度低的溶液形成的孔洞。 3 1 6 l 不锈钢表蕊高分子涂层的设计及性能研究 图2 1 2 浓度不同的p l g a 溶液形成的多孔涂层的表面形貌( a ) 2 w t ( b ) 4 w t f i g 2 1 2t h e s u r f a c em o r p h o l o g yo fp l g a c o a t i n g sf o r m e db yd e f e r e n tc o n c e n t r a t i o n o ft h ep l g as o l u t i o n s ( a ) 2 w t ( b ) 4 w t ( 3 ) 聚合物分子量对涂层的表面形貌的影响 如图2 1 3 所示浓度相同，溶质分子量不同的p l g a 溶液形成多孔涂层表面的孔 洞大小明显不同。分子量大的p l g a 形成的孔洞尺寸要大于分子量小的p l g a 形成的 孔洞。 图2 1 3 不同分子量p l g a 制备的多孔涂层的表面扫描电镜图像( 1 0 0 0 x ) ( a ) m w ：4 6 0 0( b ) m w ：3 0 0 0 0 0 f i g 2 1 3 t h es u r f a c em o r p h o l o g yo fv a r i o u sm o l e c u l a rw e i g h tp l g ac o a t i n g s ( a ) m 。：4 6 0 0 ( b ) m w ：3 0 0 0 0 0 ( 4 ) 溶剂的影响 分别选用1 ，4 二氧六环、四氢呋喃作溶剂，利用水辅助法制备多孔涂层，观察不 大连理工大学硕士学位论文 同的溶剂对涂层表面形貌的影响。图2 1 4 为选用t h f 作为溶剂时制得的多孔涂层的 表面电镜照片，孔径分布较宽，排列规则性非常差。当选用1 , 4 二氧六环作溶剂时， 涂层的表面没有发现孔洞的存在。 图2 1 4p l g a 多孔涂层表面扫描电镜图像。溶剂一四氨呋喃 f i g 2 1 4t h es u r f a c em o r p h o l o g yo fp l g ac o a t i n gu s i n gt h f a ss o l v e n t 2 3 2 浸涂提拉制各工艺结果 ( 1 ) 浓度的影响 图2 1 5 为选用8 0 ：2 0 p l g a ( m w ：3 0 0 0 0 0 ) 为涂层材料，利用浸涂提拉法制备的多 孔涂层的表面扫描电镜图像，从图中我们可以看出，随着p l g a 溶液浓度的增加，涂 层表面的孔洞尺寸随之增大。 2 7 31 6 l 不锈钢表面高分子涂层的设计及性能研究 图2 1 5 浓度不同的s 0 ：2 0 p l g am k ：3 0 0 0 0 0 ) 溶液制得的多孔涂层表面扫描电 镜图像。 1 w t ( a 1 ) 5 0 0 ( a 2 ) 1 0 0 0 x 2 w t ( b 1 ) 5 0 0 xc 0 2 ) 1 0 0 0 4 w t ( c 1 ) 5 0 0x ( c 2 ) 1 0 0 0 6 w t ( d 1 ) $ 0 0 x ( d 2 1 1 1 0 0 0 ( f i g 2 1 5t h es u r f a c em o r p h o l o g yo fp l g ac o a t i n g sf a b r i c a t e dw i t hv a r i o u s s o l u t i o nc o n c e n t r a t i o n s l w t ( a 1 ) 5 0 0 ( 虹) i o o o 2 w t ( b 1 ) 5 0 0 f 0 2 ) l o o o 4 w t ( c 1 ) 5 0 0 ( c 2 ) 1 0 0 0 6 w t ( d 1 ) 5 0 0 ( d 2 ) l o o ox 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 分子量的影响 图2 1 6 为选用8 0 ：2 0 p l g a ( m w - - 1 4 0 0 0 0 ) 为涂层材料，利用浸涂提拉法制各的多孔 涂层的表面扫描电镜图像，从图中我们可以看出，当溶液的浓度较低时( 1 ) ，形成 的涂层表面致密无孔洞。随着p l g a 溶液浓度的增加( 2 纷6 ) ，孔洞出现并且尺 寸逐渐变大，但是孔洞大小和变化范围要明显小于8 0 ：2 0 p l g a o v l w ：3 0 0 0 0 0 ) 的变化范 围，这与利用浇铸法制各涂层的过程中，聚合物的分子量对孔洞的尺寸的影响规律是 一致的。 2 9 31 6 l 不锈钢表面高分子涂层的设计及性能研究 图2 1 6 浓度不同的8 0 ：2 0 p l g a ( m w ：1 4 0 0 0 0 ) 溶液制得的涂层表面扫描电镜图像 1 w t ( a d s 0 0 ( a 2 ) 1 0 0 0 x 2 w t ( b 1 ) 5 0 0 ： 0 时，液体容易 在材料表面发生粘附和铺展：相反，当w a o 时。材料表面不利于液体粘附和铺展。 在以接触角表示亲憎液性时，习惯上将0 = 9 0 。称为亲液或憎液的标准，即0 9 0 。称为憎液( 不润湿) 。在极端情况下，即当日= 1 8 0 。时， w a = 0 ，这相当于完全憎液的情况：当0 卸。时，w a _ 2yl v 相当于完全亲液的情况。 以接触角作为亲憎液性的判据是比较方便的。 本章采用液滴角度测量法测量接触角的大小。它是在平整的固体表面滴- d , 滴液 滴，直接测量接触角的太小。为此，可用低倍显微镜中装有的置角器测量，也可以将 液滴图像投影到屏幕上或拍摄图像，再用量角器测量。决定和影响润湿作用和接触角 的因素很多，如：固体和液体的性质及杂质、添加物的影响、固体表面的粗糙程度、 不均匀性的影响等。 3 2 实验过程 本实验采用o c a h 2 0 0 型高速视频光学接触角测量仪，将样品( 见表3 1 ) 置于 测定仪的样品台上，用水平调节仪调节样品的水平位置，然后用微量注射器分别在各 个样品上滴1hl 去离子水，利用红外线热像影仪将样品表面的水滴的外形拍摄下来， 测量左右接触角的数值，每个样品任意测三点，取平均值作为测试结果。实验温度为 2 0 c 。实验中涉及的多孔涂层均由4 w t 的p l g a 溶液利用浸涂的方式制备而成。 3 8 大连理工大学硕士学位论文 表3 1 实验样品 t a b l e 3 1e x p e r i m e n ts p e c i m e n 3 3 实验结果 图3 3 为去离子水与棵3 1 6 l 不锈钢表面和涂覆了p l g a 涂层的表面接触后的外 观形貌图。通过计算( 表3 2 ) ，可以得到不同性质的表面与水的接触角的大小。 3 9 3 1 6 l 不锈钢表面高分子涂层鹩设计及性能研究 图3 3 永滴在i 号样品表面的形貌 f i g 3 3p h o t o so fw a t e ro hv a r i o u ss u b s t r a t e s 表3 23 1 6 l 不锈钢基体及其表面不同涂层与水的接触角数值 t a b l e 3 2c o n t a c ta n g l e so f w a t e ro f 3 1 6 l s sa n ds u r f a c ec o a t i n g s 大连理工大学硕士学位论文 3 3 1 不同结构的涂层的接触角比较 图3 4 为3 1 6 l 不锈钢基体和利用5 0 ：5 0 p l g a ( m w ：7 4 0 0 0