生物材料表面与界面对血液相容性的影响

1、生物材料表面与界面与血液相容性关系的研究报告人:龙辉武学号:13091075指导老师:陈俊英生物材料与血液接触的相互作用生物材料表面与界面特征性质表面界面特征性能与血液相容性的关系类金刚石表面界面与血液相互作用关系距离介绍contents一、生物材料与血液接触的相互作用 生物材料与血液接触导致凝血 ( 血栓形成) 的过程分为凝血因子激活、血小板粘附与凝聚、红细胞粘附和补体系统激活等四个途径。二、生物材料的表面特征参数 生物材料表面主要包括四个方面的性能: 表面物理形态、表面化学形态、表面电性能和表面能量。三、材料表面特征参数对抗凝血性能的影响1.表面物理形态粗糙度过高，使血液流动产生停滞或涡流

2、，引起凝血光洁玻璃表面凝血也很严重粗糙度对血液相容性的影响表面粗糙度的影响具有不确定性, 也可能是因为表面粗糙度不是影响血液相容性的重要因素表面宏观光滑, 材料具有优良的血液相容性2.表面化学性质 生物材料表面化学组成和化学成分可以表现在材料的亲疏水性上。一般来讲, 亲水性表面要比疏水性表面吸附蛋白量少, 容易引起白蛋白变性, 也容易解吸。但是也不是说, 亲水性越强, 抗凝血性能越好。亲水性表面容易引起吸附蛋白的解吸, 而疏水性表面吸附牢固, 疏水性表面使吸附蛋白构象发生变化较亲水性表面大。一些研究表明, 抗凝血性能需要材料中亲水性区域和疏水性区域有一个适宜的平衡。例:人们通过观察亲疏人们通过

3、观察亲疏表面黏附蛋白的分表面黏附蛋白的分布情况发现：布情况发现：亲水表面吸附白蛋白疏水表面吸附-球蛋白和纤维蛋白原吸附初始白蛋白对血小板吸附有阻滞作用，但白蛋白随时间失活就会失去对凝血的抑制作用疏水性表面上吸附上球蛋白分子上的 Fab 部分, 分子上的Fc部分则指向外侧, 由于血小板表面含有 Fc 受体, 于是表面就容易吸附血小板3.表面电学特性表面电荷对抗凝的影响电性微相分离电荷密度l红细胞、白细胞和血红细胞、白细胞和血小板表面带负电荷；小板表面带负电荷；l所以一般认为表面带所以一般认为表面带负电荷的材料具有较好负电荷的材料具有较好的血液相容性；的血液相容性；l但负电荷同时也是激但负电荷同时

4、也是激活凝血因子活凝血因子XIIXII而导致而导致内源性凝血的原因（玻内源性凝血的原因（玻璃、陶瓷）。璃、陶瓷）。l宏观呈现负电而微观宏观呈现负电而微观区域带正电的微相分离区域带正电的微相分离结构才能具有良好的抗结构才能具有良好的抗凝血性能；凝血性能；l为了抑制血小板的粘为了抑制血小板的粘附附, ,材料总体呈负电荷；材料总体呈负电荷；l局部微观上为防止凝局部微观上为防止凝血因子活化血因子活化, , 在在100100埃埃范围内带正电荷。范围内带正电荷。l材料表面的电荷密度材料表面的电荷密度过高过高, , 能损伤血小板能损伤血小板的功能；的功能；l因此因此, , 适度的电荷密适度的电荷密度也是影响

5、生物材料度也是影响生物材料的血液相容性的重要的血液相容性的重要因素。因素。例: 纤维蛋白原是一种类似于本征半导体的材料, 要抑制它的电荷转移，和它接触的生物材料必须具有较小的功函数, 从生物材料的能带图来看, 如果生物材料的禁带较宽, 包含纤维蛋白原的价带和导带, 则纤维蛋白原很难向材料转移电子而发生构象改变; 如果使生物材料通过掺杂等方法成为 N 型半导体, 导带存在电子而空穴很少,纤维蛋白原价带电子向材料转移受到阻碍, 从而使材料显现出良好的血液相容性。导带价带导带价带禁带EvEvEcEcEpEF4.表面能量状态当异物表面与血液接触时, 由于两者表面张力不同, 必然导致界面的产生。同时,

6、产生某种驱动力使血液中活性组分向界面运动以减少界面张力。表面能大吸附的蛋白多,吸附层稳定, 但引起蛋白质构象变化也大, 这一对相互矛盾的体系。Niylas等人把生物材料的表面张力分解为sd和sp两个部分, 通过实验发现极性分数sd/sp是影响生物材料血液相容性的决定因素；Kaeble提出, 提高材料表面的色散力分量, 有助于提高材料表面吸附蛋白层的稳定性, 从而提高血液相容性；但是极性分量增加则使材料优先吸附白蛋白, 而色散分量增加则材料优先吸附纤维蛋白原；Ratner指出生物材料表面亲水性和疏水性必须达到某种平衡材料才具有良好的血液相容性；E. Ruckenstein总结: 材料表面能各分量

7、的大小必须接近于他们各自对应的血液有形成分表面的各分量的大小, 使它们的界面自由能很低, 但又不能使界面张力为零或太小时，可获得较好的血液相容性。四、类金刚石膜与血液的相互作用类金刚石(DLC)：一种碳元素以sp3和 sp2键的形式结合生成的亚稳态材料，兼具了金刚石和石墨的优良特性；l高硬度、高电阻率、良好光学性能、优秀的摩擦学特性、化学惰性、生物相容性、耐摩擦性；l非晶薄膜，可分为无氢和氢化两类；l广泛用于心脏瓣膜、人工关节、人工骨等方面。1.类金刚石2.DLC影响血液相容性的因素 研究发现：类金刚石薄膜的性质大部分取决于碳元素SP2和SP3结构的相对比率；膜的硬度和密度又与其含氢量有关。因此：表面粗糙度SP2/SP3含氢量表面张力sd/sp影响DLC薄膜血液相容性的表面界面因素SP3/SP2含氢量表面张力sd/sp表面粗糙度粗糙度0.1-0.2m范围内，体外动态凝血时间较长，远离这个范围凝血时间变短；但血小板消粘附与聚集随粗糙度正相关。碳素材料sd/sp界面张力sd/sp粗糙度SP3/SP2表面粗糙度是影响DLC膜动血小板粘附的首要因素；DLC表面界面因素与血小板粘附的关联程度为：粗糙度sd/sp界