（材料学专业论文）医用316l不锈钢表面tac及tan基涂层的制备与评价.pdf

d e g r e eo f d e n g p r e p a r a t i o na n d e v a l u a t i o no ft a ca n d t a nb a s ec o a t i n go nb i o m e d i c a l3 16 l s t a i n l e s ss t e e l c a n d i d a t e ：d i n gm i n i m s u p e r v i s o r ：p r o f z h e n gy u f e n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n - d a t eo f o r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： d o c t o ro fe n g i n e e r i n g m a t e r i a l ss c i e n c e m a y 2 0 1 0 j u n e2 0 1 0 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，h 由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：叮嗡陟 日期：矽i o 年多月j p 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：叮明知 日期：纠。年月f p 日 导师( 签字) ：渤坤 细年多月，p 日 a 。 1 - 、 蔓 二- j _ t 二 小t a g m 晴和 t a ( t i ) n 三种惰性涂层。采用x 射线衍射分析、透射电子显微观察、扫描电子 显微镜观察、原子力显微镜观察、x 射线光电子谱分析、纳米硬度、划痕实验、 摩擦实验、电化学实验、血小板粘附实验研究了这三种惰性涂层的微观结构、 相组成、力学性能、抗腐蚀性以及血液相容性，重点考察了磁控溅射工艺参 数对其性能的影响规律。 s e m 扫描结果显示三种惰性涂层都具有致密的结构，涂层中无大的孔洞 存在。x r d 结果表明溅射工艺参数对三种惰性涂层的微观结构都有影响。靶 材上c 与t a 的面积比和基体温度对砜c j 曩涂层的相结构有明显的影响。靶材上 c 与t a 的面积比为1 ：3 8 时，1 瓦q 涂层的相组成为c 3 t a 4 和t a 2 c 。c 与t a 的面积 比为1 ：5 时，沉积温度低于1 5 0 时1 瓠c j 涂层为非晶态结构，基体温度为3 0 0 时砥g 曩涂层由1 5 2 5 纳米的t a c 纳米球晶组成。氮氩流量比和基体温度的 不同都会导致t a g m 呵涂层微观结构的变化，氮氩流量比为2 ：1 8 时，基体温度 低于2 0 0 时t a g m 曩涂层为非晶态结构，基体温度为2 0 0 时t a g n j 吖涂层 由6 9 纳米的t a 2 c n 纳米晶组成。无t i 掺杂的t a ( t i ) n 涂层为面心立方结构的 晶体。随着涂层中t i 原子浓度的增加，t a 伍) n 涂层的衍射图中没有出现t i n 的衍射峰。发生变化的是t a n 衍射峰向高角度方向偏移，这说明一部分n 原子 取代了t a 原子形成t t a n ( t i ) 固溶体。由于t a n 和t i n 都具有面心立方结构这种 固溶体很容易形成。 纳米压痕的测试结果表明较高的温度下制备的c j 曩和t a q m 涂层有 更高的硬度。氮氩流量比对t a g m 吖涂层的硬度也会产生影响，当氮氩流量比 为2 ：1 8 时，t a g m 曩涂层的硬度高达3 2g p a 。t i 原子取代t a 原子形成了t a ( t i ) n 固溶体，固溶强化效应使t a ( t i ) n 涂层的硬度高于t a n 涂层的硬度。摩擦实验 结果显示，砥q 啸和t a g m 吖涂层都有低的摩擦系数，耐磨性好于3 1 6 i _ 不锈钢 基体。划痕实验结果表明基体温度的提高有利于t a , , c 1 x 和t a g n j d 涂层与基体 结合力的提高。 4 入 h 秀 弋 ， 人 i no r d e rt o i m p r o v e i t sc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n d h e m o c o m p a t i b i l i t y 7 矗e m i c r o s t u r c t u r e ，p h a s ec o n s t i t u t i o n ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ， a n dh e m o c o m p a t i l b i t yo ft h et h r e es e r i e so f 瓯c j ，t a q n a n dt a ) nc o a t i n g s w e r es y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n c eo fr fm a g n e t r o ns p u t t e r i n g p r o c e s sp a r a m e t e r so nt h e s ep r o p e r t i e sw a sr e v e a l e db yx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ， t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o g r a p h y ( t e m ) ，s c a ne l e c t r o nm i c r o g r a p h y ( s e m ) ， a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) ，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 ) ，s c r a t c h t e s t ，n a n o i n d e n t a t i o nt e c h n i q u e s ，w e a rt e s t ，e l e c t r o c h e m i c a lm e a s u r m e n t sa n d b i o c o m p a t i b i l i t ye v a l u a t i o n s t h es e mr e s u l t ss h o wt h a ta l lt h ei n e r tc o m i n g se x h i b i t ed e n s es t r u c t u r e s w i t h o u tc a v i t i e s x r dr e s u l t sr e v e a lt h a tt h em i c r o s t r u c t u r e so ft h e s ec o a t i n g sa r e v e r ys e n s i t i v et ot h es p u t t e r i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s t h ea r e ar a t i oo fc ：t aa n d s n b s t r a t et e m p e r a t u r e ( 劭h a v eag r e a te f f e c to nt h em i c r o s t r u c t u r eo f1 瓦c j c o a t i n g s t h et a x c j 哇c o a t i n g sa r ec o m p o s e do fc 3 t a 4p h a s ea n dt a 2 cp h a s ew h e n t h ea r e ar a t i oo fc ：t ai s1 ：3 8 瓦c a na l s os i g n i f i c a n t l yc h a n g et h em i c r o s t r u c t u r e o f1 k q 嗔c o a t i n g s w h e n 瓦i sl o w e rt h a n1 5 0 ，t h et a x q 味c o a t i n g sa r ei n a m o r p h o u sc o n d i t i o n ，w h e r e a sw h e n 瓦i sh i g h e rt h a n1 5 0 ，t a cp h a s ei s f o r m e d e x h i b i t i n gi nt h ef o r mo fp a r t i c u l a t e sw i t ht h ec r y s t a l l i t es i z e so fa b o u t1 5 2 5n m ( r , = 3 0 0 ) 瓦a n dn i t r o g e nt oa r g o ng a sr a t i o s ( n ：h r ) c a ns i g n i f i c a n t l y c h a n g et h em i c r o s t m c t u r e so ft a c z n l 哺c o a t i n g s w h e n 瓦i sl o w e rt h a n2 0 0 ( n 2 a r = 2 ：1 8 ) ，t h et a g m c o a t i n g sa r ei na m o r p h o u sc o n d i t i o n ；w h e r e a s ，w h e n 瓦i si n c r e a s e dt o2 0 0 ( 呲= 2 ：1 8 ) ，t a 2 c np h a s ei sf o r m e d ，e x h i b i t i n gi nt h e f o r mo ff i n ep a r t i c u l a t e sw i t ht h ec r y s t a l l i t es i z e so f a b o u t6 9m n t h et a ( t i ) n c o a t i n g w i t h o u tt ip r e s e n t sa nf e el a t t i c es t r u c t u r e n od i f f r a c t i o np e a k so ft i na r e i n d e n t i f i e df o rt a ( t i ) nc o a t i n g sw i t ha l lt ic o n t e n t s h o w e v e r , t h es h i f to fa l lt a n 哈尔滨丁程大学博十学位论文 p e a k st o w a r d sh i g h e ra n g l e sc a nb eo b s e r v e d t h e s t r u c t u r ee v o l u t i o nr e s u l t s r e v e a lt h a tt h es m a l la m o u n t so ft ii nt h ec o a t i n g ss u b s t i t u t eap a r to ft aa t o m i c a n dt h es o l i ds o l u t i o nt a ( t i ) ni sf o r m e d ，w h i c hc a nb ee a s i l yu n d e r s t o o db yt h e s a m el a t t i c es t r u c t u r e ( f c c ) b e t w e e nt a na n dt i n t h en a n o i n d e n t a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h et a x c j 嗔c o a t i n ga n dt a g m 。 c o a t i n gg r o w na th i g ht e m p e r a u t u r eh a v eah i g hh a r d n e s sa n dm o d u l u s a tt h e s a m et i m e ，n i t r o g e nt oa r g o ng a sr a t i o sc a na l s oc h a n g et h en a n o h a r d n e s so f t a c 口n 1 嘻c o a t i n g ，n l eh a r d n e s so fu pt 03 2g p a i sa c h i e v e da tn 2 a ro f2 ：1 8 m t a ( t i ) nc o a t i n gh a sh i g h e rh a r d n e s st h a nt a nc o a t i n gf o rt h ef o r m i n go ft h es o l i d s o l u t i o nt a ( t i ) n 1 1 h et r i b o l o g yr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt a x c j a n dt a g m 嘻 c o a t i n g se x h i b i t ee x c e l l e n tw e a rr e s i s t a n c e n es c r a t c hr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t t a x q 吖a n dt a g m 哇c o a t i n g sd e p o s i t e da th i g h 瓦e x h i b i t eg o o da d h e s i o n p e r f o r m a n c e t h er e s u l t so fp o t e n t i o d y n a m i cp o l a r i z a t i o ns h o wt h a tt h ec o r r o s i o n r e s i s t a n c eo ft h e3 1 6 l s sc a nb ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yb e c a u s eo ft h ed e p o s i t e d t a n g 嗔，t a g n l 吖a n dt a ( t i ) nc o a t i n g s n ep l a t e l e ta d h e s i o nt e s tr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h eh e m o c o m p a t i b i l i t yo ft h et a x g a n dt a c m 啸c o a t i n ga r ei n f l u e n c e db y t h es u r f a c er o u g h n e s s n et ia t o m i cc o n c e n t r a t i o n si nt h et a ( t i ) nc o a t i n g sh a v e n os i g n i f i c a n te f f e c to nt h eh e m o c o m p a t i b i l i t y k e yw o r d s ：i n e r tc o a t i n g ；3 1 6 ls t a i n l e s ss t e e l ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a l p r o p e r t y ；c o r r o s i o n ；h e m o c o m p a t i b i l i t y 廿 - 、 - 一 1 1 1 1 - 1 3 3 4 1 4 第2 章实验材料及实验方法1 6 2 13 1 6 l 不锈钢基体的前处理1 6 2 2 惰性涂层的制备”1 6 2 2 1 溅射前不锈钢基片的预处理1 6 2 2 2 惰性涂层的制备过程”1 7 2 3 惰性涂层的微观结构分析”1 8 2 4 惰性涂层的力学性能测试”1 9 2 4 1 结合力( l c ) 测试1 9 2 4 2 耐磨性测试“2 0 2 4 3 纳米力学性能测试2 0 2 5 惰性涂层的耐腐蚀性能测试“2 1 二 2 6 惰性涂层的血液相容性测试2 3 2 6 1 动态凝血测试”2 3 2 6 2 血小板粘附测试”2 3 2 7 本章小结2 4 第3 章t 戤q 二元涂层的制备与性能表征2 5 3 1 引言”2 5 3 2t 戤c j 啸涂层的制备工艺2 5 哈尔滨丁程大学博十学位论文 i i 3 31 k q 涂层的微观结构“2 6 3 41 k g 啊涂层的力学性能评价3 3 3 4 1 纳米硬度和弹性模量”3 3 3 4 2 涂层与基体的结合力一3 6 3 4 3 风c j 吖涂层的摩擦学性能分析”3 8 3 51 k q 哇涂层的耐腐蚀性能评价4 0 3 61 k q 吖涂层的血液相容性4 2 3 7 本章小结4 6 第4 章t a c x n r 吖三元涂层的制备与性能表征4 8 4 1 弓i 言”4 8 4 2t a g m 啸涂层的制备工艺4 8 4 3t a g m 呵涂层的结构与表面形貌“4 9 4 3 1n 2 j a r 对t a g m 呵涂层结构的影响4 9 4 3 2 基体温度对t a q m 曩涂层结构和形貌的影响5 0 4 4t a g n j 吖涂层的力学性能5 6 4 4 1 纳米硬度和弹性模量5 6 4 4 2 膜基结合力6 0 4 4 3 涂层的耐磨性6 4 4 5t a g m 吖涂层的耐腐蚀性”6 8 4 6t a g n j 涂层的血液相容性评价7 1 4 6 1 动态凝血分析7 1 4 6 2 血小板粘附分析”7 2 4 7 本章小结7 5 第5 章t i 掺杂的t a n 涂层的制备与性能表征”7 7 5 1 引言7 7 5 2t a ( t i ) n 涂层的制各工艺7 7 5 3t a ( t i ) n 涂层的成分7 7 5 4t a ( ，n ) n 涂层的微观结构和形貌8 0 5 4 1 涂层的截面形貌8 0 5 4 2 涂层的表面形貌8 1 l 矿 、 ， - il 医用不锈钢表面惰性涂层的构筑与性能研究 5 4 3 涂层的微观结构8 2 5 5t a ( t i ) n 涂层的纳米力学性能8 4 5 6t a ( t i ) n 涂层的耐腐蚀性能分析8 5 5 7t a ( t i ) n 涂层的血液相容性8 7 5 7 1 血小板粘附数量”8 7 5 7 2 血小板粘附形态”8 8 5 8 本章小结8 9 结论”9 1 参考文献9 4 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果1 0 7 j 致谢”1 0 8 个人简历1 0 9 、 、 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 心血管疾病目前被公认为人类的“第一杀手”，全球每年约有1 7 0 0 万人死 于该病。经皮冠状动脉腔内成形术( p 1 陀a ) 是治疗冠状粥样硬化性心脏病的 主要手段。但是传统的球囊扩张成形术术后6 个月内再狭窄率达到3 0 4 0 1 1 1 ，金属裸支架的出现解决了血管成形术后血管壁的急性弹性回缩、负性 重构，可使再狭窄率降低到2 0 3 0 1 2 , 3 1 。血管支架根据展开方式的不同可分 为两类：球囊扩张支架和自扩张支架。血管支架一般应具有 4 , 5 1 ：( 1 ) 一定的 抗褶皱能力；( 2 ) 良好的扩展性，支架到达目标位置之后，球囊开始膨胀， 支架要能承受一定的膨胀变形，且能和血管壁很好地结合；( 3 ) 好的径向强 度以及可以忽略的弹性变形，支架到达动脉粥样硬化处后，要承受血管的挤 压，因此要有一定的径向强度以防止支架的瘫塌；( 4 ) 良好的弹性，以保证 它能通过细小的动脉粥样硬化血管；( 5 ) 可视性好，以使医生能够判断支架 在体内的位置；( 6 ) 良好的生物相容性，即支架进入人体内后不会造成血小 板大量聚集从而形成血栓。 大多数情况下，支架是由金属材料制成，如：3 1 6 l 不锈钢( 3 1 6 l s s ) 、 铂铱( p t i r ) 合金、钴铬( c o c r ) 合金、钽( t a ) 、镍钛( n i t i ) 合金、钛 ( ) 、纯铁( f c ) 、镁( m g ) 合金等，这些材料满足了血管支架对力学性能 的要求，然而这些金属材料制成的裸支架植入人体后存在亚急性血栓形成、 抗凝带来的出血并发症、并发冠脉瘤以及置入支架的血管发生再狭窄等不足。 因此对血管支架用材料的生物相容性进行改进，降低支架植入后的再狭窄率 已经成为血管支架领域的热点研究课题。 1 2 血管支架材料 表1 1 给出了常用制备血管支架材料的性能。这些材料中由于3 1 6 l 不锈 钢具有优异的力学和抗腐蚀性能，它已经成为制备血管支架所最常用的材料。 美国f d a 批准的8 个冠脉血管支架中，有7 个是使用3 1 6 l 不锈钢制备的。 1 哈尔滨丁程大学博士学位论文 表1 1 血管支架用金属材料的性能 t a b l e1 1 p r o p e r t i e so ft h em e t a l l i cm a t e r i a l st h a ta t eu s e df o rs t e n t s 金属名称弹性模量屈服强度抗张强度密度文献 ( m p a )( mp a )( mp a )蜘3 ) 3 1 6 l s s ( j , i 萎火) 1 9 03 3 15 8 67 9 【6 ，7 】 t a ( 退火) 1 8 51 3 82 0 71 6 6 【6 】 飞 c p t i ( f 6 7 ) 1 1 04 8 57 6 04 5 【6 ，7 】 n i t i 8 3 ( a )1 9 5 - 6 9 0 ( a ) 8 9 56 7 【6 , 8 】 一 2 8 - 4 1 ( m )7 0 1 4 0 ( m ) c o c r2 1 04 4 8 6 4 89 5 1 1 2 2 09 2 【6 ，7 ，8 】 纯f c2 1 1 41 2 0 1 5 01 8 0 2 1 07 8 7 【9 】 m g 合金 4 41 6 22 5 0 1 8 4 【1 0 ，1 1 】 使用3 1 6 l 不锈钢制备支架的存在的问题是：3 1 6 l 不锈钢中镍、铬、钼 的含量分别为1 2 w t 、1 7 w t 、2 5 w t 1 1 2 】，植入后在生物体液中易腐蚀。由 于血液中含有n a + ，k + ，c a 2 + ，c 1 等离子，3 1 6 l 不锈钢支架会产生点蚀。其 结果不仅使3 1 6 l 不锈钢金属材料本身的机械强度降低，同时腐蚀后溶出的金 属离子会对组织产生毒性反应和诱发血小板激活从而导致血栓产生【1 3 】。一般 来说工业使用不锈钢的腐蚀率为2 5 比m a ，而医用的标准很低，低于o 2 5g m a 。 g u t e n s o l m 等将3 1 6 l 不锈钢血管支架介入动脉修复术导管中，然后插到管状 系统中，用1 2a t m 的压力将其扩张3 0s ，内径达到4m i l l 后，通入富含血小 板的血制品，结果表明2 4h 后释放n i 、c r 、m g 、m o 离子浓度很大，这些释 放的金属离子中尤其是n i 离子具有生物毒性，而且可以诱发血小板的激活， 导致血管再狭窄现象【1 4 1 。根据镍含量的不同，不锈钢可分为多种，临床上常 用的是含镍量为4 5 9 的不锈钢，但实验表明镍含量在1 0 1 4 之间的 不锈钢经退火处理可以消除铁磁性1 1 5 j 。因此，镍含量为1 0 5 ，碳含量为0 0 8 的3 2 1 和3 2 1 h 不锈钢可能有最好的综合性能。另外，加入少量钛( 0 4 ) 能使 不锈钢性能更优越。因此为解决3 1 6 l 不锈钢支架植入人体后n i 离子释放后 引起的血管再狭窄，同时也包括解决如显影效果差等问题，人们尝试在3 1 6 l 不锈钢表面制备涂层改善3 1 6 l 不锈钢的耐腐蚀性、血液相容性和可视性。 2 第1 章绪论 1 3 血管支架材料的表面改性 1 3 1 血管支架材料的生物相容性 生物相容性在生物医学材料研究中占有重要的地位，它是生物医用材料 区别于其他材料的最重要的特征，是评价一种材料能否在生物医学领域应用 的标准。按国际标准化组织( i s o ) 会议的解释：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 括组织相容性和血液相容性。植入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 医用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。许多生物材料植入人体后，与人体的组织接触，出现一些异体反应，比如 凝血、免疫排斥反应、炎症反应等，因此生物材料要想成为一种功能材料，就 要求此种材料具有良好的生物相容性，并且具有被替代的活组织的主要的功 能。因此需要有对植入材料生物相容性好坏的评价标准和方法。 血液相容性是生物相容性的一个重要组成部分。材料血液相容性的好坏 反映了材料与血液作用的程度。血液相容性是生物材料与血液接触时对血液 破坏作用的量度，包括是否导致血栓、红细胞破坏、血小板减少或被激活； 是否激活凝血因子和补体系统；是否影响血液中多种酶的活性和引起有害的 免疫反应等。血液相容性评价方法包括体外实验、半体内试验和体内试验。 体外实验是指在体外使材料和血液的接触尽可能模拟血液在体内的环境( 例 如温度、材料和血液接触界面的剪切力) ，其优点是试验操作简单，条件容易 控制，试验费用少和试验周期短。半体内试验是指将动物体内血液引出体外 与材料接触后再直接返回体内( 循环) ，或者与材料接触收集到容器里( 单向) ， 其优点是可以使用流动的活体血，避免了可能由抗凝剂造成的假象。体内试 验是直接将生物材料置入到动物体内，等到试验结束时取出材料再进行评价， 与体外试验相比优点是具有更好的临床相关性，但它和半体内试验的缺点是 受所使用的动物种属和动物个体间的差异影响大，而且还需要大量的实验动 物。目前由于动物保护法的实施，许多国家都限制了实验动物的使用量，尤其 对灵长类动物的使用限制，所以体外实验代替体内实验将成为今后发展的趋 3 哈尔滨t 程大学博十学位论文 势。 血管支架材料要求具有良好的生物力学相容性，同时还要具有良好的血 液和组织相容性，单一的材料很难满足这些要求。与高分子材料和陶瓷材料 相比较，金属材料作为支架制备材料获得广泛应用的原因主要是它具有较高 的强度、韧性和较好的加工性能；另一方面，医用器械在临床上失效的原因 大部分是由于其不太好的生物相容性、耐腐蚀性和耐磨性。从医用金属生物 材料的上述特点出发，目前主要通过两种方式来改善和避免医用合金的不足 之处，以满足不同的临床需求。一是从医用金属材料本体入手，开发新型合 金材料，比如目前应用广泛的钛合金，无铝和钒两种成分的b 型合金： t m z f p m ( t i l 2 m 0 6 z r 2 f e ) 、t i 2 9 n b l 3 t a 4 6 z r 等，与t i 6 a 1 4 v 合金相比，它们 具有更好的机械性能以及生物相容性。另外，新型的无镍合金( p 5 5 8 ) g n 习：发 成功，其比3 1 6 l 不锈钢具有更好的机械性能、电化学稳定性和耐磨性能；或 者改进生产工艺，实现对合金化成分、相组成、均匀性和显微结构的精确控 制。二是对医用金属材料表面进行物理的或者化学的表面改性，以获得相得 益彰的综合性能。在金属材料的表面制备涂层是改善生物医用金属植入材料 耐蚀性及血液相容性的最有效方法之一。 1 3 2 支架材料表面改性方法 1 3 2 1 无机涂层 有很多无机涂层材料能作为药物传送的平台，如金、氧化铱、类金刚石、 碳化硅等都是常用的支架涂层材料。 1 金 将金涂在不锈钢支架上可以明显提高不锈钢支架的荧光可视性，从而可 以使支架的厚度降低5 0 。8 0 t i n 。因为金的抗辐射穿透能力是不锈钢的六倍， 在不锈钢的双面分别涂上5 t m 厚的金，可以使8 0 t m 厚的不锈钢抗辐射穿透 能力增加一倍【1 6 1 。e d e l m a n 等1 1 7 】通过比较标准的金涂层和热处理后的金涂层 支架来研究猪冠脉血管产生的反应；结果发现经过热处理后的涂层，炎症和 内膜增生出现可能性小。这是由于经过处理后，金涂层表面光滑平整，杂质 少。这种研究结果表明涂层的表面的状态及金属纯度对组织材料的相互作用 影响很大。然而涂金支架在人体上的试验效果并不理想。d a n z i 等【1 8 】报道在 4 第1 章绪论 _|m l li i ii i 病人体内输送涂金支架后，内膜增生出现的可能性普遍较高，同时还报道说 涂金支架造成血管再狭窄概率达到8 3 ，而其余的维持在1 7 以内。 2 氧化铱 氧化铱是生物相容性很好的惰性陶瓷材料，已经被用来作为支架涂层【1 9 1 。 当一些金属材料( 如钴，镍，锌，铜铬等) 被腐蚀时，表面会产生过氧化氢。 而过氧化氢作为一种强氧化剂，对动脉有很强的危害，并能产生严重的不良 反应。据报道称在金属表面涂一层氧化铱可以促使过氧化氢转化成水和氧气， 这样可以降低过氧化氢引起的不良反应，并且提高内皮化【2 0 1 。在猪体内试验 的研究发现，涂上氧化铱的支架表面聚集的内膜厚度为5 5m i l l ，而在裸不锈 钢支架上的厚度是1 1 8l l l r l l ，可见氧化铱能降低内膜厚度【1 9 1 。l u n a r 支架，其 基体是3 1 6 l 不锈钢，内层是很薄的金( 可以增强其可视性) ，外层是氧化铱 ( 可以提高其生物相容性) 1 2 0 】，经过对这种支架长期的临床试验观察，发现 这种支架出现血管再狭窄率为1 3 8 1 2 0 1 。还有报道称氧化铱能快速促进内皮 化，因为它能强烈阻止游离态氧的产生，这种游离态的氧又是促进内皮细胞 增生的【删。另外，不锈钢表面产生的过氧化氢要比合金( 如镍、铬) 少得多 【2 。不过，要评价3 1 6 l 不锈钢表面产生的过氧化氢的量及氧化铱促进过氧化 氢转化成水和氧气能力的大小还需要作进一步详细研究。 3 碳化硅 无定形的碳化硅是一种半导体，具有很好的抗血栓形成能力【2 1 】。研究发 现血小板、白细胞和单核细胞在碳化硅支架材料上的沉积量特别少，这表明 碳化硅是一种在降低支架植入后造成的动脉再狭窄方面上有良好的应用前景 的涂层材料【2 2 】。虽然在试管内研究的结果很鼓舞人心，但临床上人体试验的 结果却让人们大失所望。比如，据报道称冠脉支架在进行临床试验时，六个 月内就会出现内皮化，而另一项研究报道却发现，碳化硅涂层支架在进行临 床试验的六个月内，新内膜增生迅速增加【2 3 】。碳化硅涂层支架和3 1 6 l n i r 支 架临床实验对比又发现，这两种支架除了在进入体内6 9 9 3 周内，出现冠脉 事故的几率较低外，就没有别的优势了【冽。这些结果表明，在这个领域还需 更为深入的研究。b i c k e l 等【冽通过比较血小板在不同涂层材料上聚集的厚度 发现，与裸支架相比，碳化硅涂层能明显降低血小板聚集度，但它这种性能 却不如肝磷脂和碳涂层。 5 哈尔滨t 程大学博士学位论文 4 碳 类金刚石作为支架的涂层材料，具有很好的生物相容性闭。六个月的跟 踪调查的结果表明，碳涂层能极大的降低高度危险病人体内血栓的形成和再 狭窄的出现，且所观察到的血管造影再狭窄是1 1 ，没有血栓形成的迹象【2 7 j 。 然而不同研究者的报道结果是不一致的，最近有报道称碳涂层是“停滞不前 的 ，因为它们不能再降低造影血管的再狭窄率【矧。另外一个研究小组对比研 究了无涂层的m a c 支架和涂碳的m a c 支架的临床效果，碳涂层不会消除血 管支架植入后的炎症反应。有的研究还发现两者有几乎相同概率的再狭窄率， 碳涂层支架的再狭窄率是3 1 8 ，裸金属支架的是3 5 9 【2 9 删。目前碳涂层支 架在临床上的效果还不是非常明显。 5 其它无机涂层 除以上几种常用的支架材料涂层外，还有许多关于t a 、t a n 、t i n 、t i c 、 面q m 哇、t i o 、t a - o 、d l c 等涂层的研究报道。根据文献的报道，钽的表面 易形成稳定的氧化层，氧化层的存在阻断了钽和吸附的生物物质之间电子的 转移，因此钽具有优异的耐腐蚀性能f 3 1 翊，沉积在3 1 6 l 不锈钢上的钽涂层提 高了3 1 6 l 不锈钢的耐腐蚀能力，改善了3 1 6 l 不锈钢的血液相容性【3 3 1 。黄楠 等也研究了t a n 、t i o 以及t a o 涂层的生物相容性，研究结果表明t a n 涂 层的血液相容性优于t a 阴】，t i o 【3 5 】和t a 0 1 3 6 】涂层具有很好的生物相容性。 s u b r a m a n i a n 等l 3 7 1 研究了沉积在a i s i3 1 6 l 不锈钢上的t i n 涂层的性能，研究 结果表明，在不锈钢和t i n 涂层之间嵌入n i 层能够提高t i n 涂层的耐腐蚀性， 血小板粘附实验表明t i n 涂层后的不锈钢具有更好的血液相容性。为了迸一 步提高t i n 的耐腐蚀性，工j u 等【矧制备了4 5 层的t i 厂r i n 涂层，电化学实验结 果表明多层结构的涂层与t i n 涂层相比更为致密具有更好的耐腐蚀性，多层 结构涂层具有与t i n 涂层一样好的血液相容性。成艳掣3 9 】在t i n i 合金表面制 备了d l c 涂层并研究了所制备涂层的耐腐蚀性和血液相容性，研究结果表明 d l c 涂层的血液相容性主要受涂层结构的影响，当基体偏压为2 0k v 时，由 于l ( d ) i ( g ) 比和涂层的表面粗糙度最低，使得这一工艺条件下制备的d l c 薄 膜具有最好的血液相容性。此外成艳等【删还研究了沉积在t i n i 合金表面的 t i c 涂层的血液相容性，血小板粘附实验结果表明，t i c 涂层后的t i n i 合金 表现出了更好的血液相容性。为了进一步提高d l c 涂层的血液相容性，z h a n g 6 第1 章绪论 掣4 1 】制备了掺杂l a 2 0 3 的d l c 涂层，血液相容性研究结果表明，与d l c 涂 层相比掺杂l a 2 0 3 的d l c 涂层血液相容性变好，掺杂后的涂层的血液相容性 与l a 2 0 3 的浓度有关，当掺杂浓度为2 时血液相容性最好，当掺杂浓度为3 时血液相容性变差。此外c h e n g 等【4 2 】还研究了t i d l c 涂层的生物相容性， t i d l c 涂层的细胞相容性和血液相容性明显优于d l c 涂层。关于过渡金属 三元面g n j 靖硬质涂层的血液相容性的报道结果表明，沉积在t i 板上的 n g m 卉涂层与没有涂层的t i 相比耐腐性和血液相容性都有明显的提耐4 3 1 。 1 3 2 2 内皮细胞 内皮细胞的破坏及内皮下的基体在动脉受损处的裸露是血栓和内膜的增 生等产生的基础【4 q ，这表明重新形成内皮化的重要性。在支架上涂上一层内 皮细胞后再把支架输送到体内，这样细胞有望迅速增殖，区分并释放生长因 子，进而阻止血栓症和内膜增生【4 5 1 。g i e s s e n 等【4 6 1 率先将内皮细胞应用到支架 涂层上，并且在试管内研究了这种涂层的性能。试图把细胞涂在支架上，但 细胞很容易在支架上脱落，同时支架在扩张时支架会受到损伤，体内由于血 液流动这些细胞很难黏糊在血管壁上【4 5 1 。 1 3 2 3 聚合物 用作涂层的聚合物可以分为：不可降解聚合物、可降解聚合物、共聚物 及天然聚合物。早先在内科和牙科上用到过的很多种聚合物，现在也被用来 研制作支架和支架涂层。尽管有一系列的聚合物已经被用来作为支架涂层， 但只有聚酯( p e t ) 、左旋聚乳酸( p u a ) 和聚乳酸乙醇酸共聚物( p l g a ) 已经被证明可以单独的作为支架材料。 1 不可降解聚合物 作为支架材料的不可降解聚合物应具有和金属材料类似的性能：如支架 具有良好的机械性能，能稳定支撑血管m ；另外，还应具有良好的生物相容 性，不会引发血栓形成和不良炎症反应。医用聚合物的弹性模量一般介于1 5g p a ，弹性模量的大小决定着它们是否有满足支架材料所需要的力学性能。 g i e s s e n 等【4 8 】已经证明麻花状的聚酯支架和不锈钢有相同的径向强度。由于聚 酯良好的力学性能以及在心脏血管中成功嫁接的前例，研究人员已经尝试着 用它作为支架材料。此外，m u r p h y 等【4 9 l 在猪的冠状动脉中已成功地展开了聚 7 哈尔滨工程大学博士学位论文 酯支架，虽然这次研究证明了聚合物支架在冠状动脉内具有经由皮肤展开 可能性，但聚酯作为外来物，在体内同样会引起炎症反应和内膜的增生， 后会导致脉管完全被堵塞。同时在猪体内的另一项试验发现【5 0 l ，聚酯支架 脉管已经内皮化，且在四周内新内膜厚度从4 4 z m 增加到1 1 3 z m 。尽管和 金属支架相比，聚酯支架能明显限制新内