陈凡医生——T-iTa-O 涂层的抗凝血性研究①

T-iTa-O 涂层的抗凝血性研究①

陈俊英② 冷永祥 杨 萍 孙 鸿 吴 熹? 陈 凡? 黄 楠

（西南交通大学材料科学与工程系 成都610031）

（?南京铁道医学院附属医院胸外科 南京210000）

摘 要 利用磁控溅射技术合成了 T-iTa-O 薄膜涂层。采用体外血小板粘附试验、动态凝血时间测定以及动物体内试片埋植试验等评价方法?对涂层的抗凝血特性进行了研究；并采用 Tauc 法研究了涂层的禁带宽度。研究结果表明?T-iTa-O 薄膜涂层具有良好的抗凝血特性以及禁带宽度为3．2eV 的半导体特性。此外?探讨了 T-iTa-O 涂层的抗凝血机理?并提出材料的半导体特性是影响 T-iTa-O 涂层抗凝血特性的主要原因之一。

关键词 磁控溅射?T-iTa-O 薄膜?抗凝血性?半导体特性

0 前言

钛系材料已在整形外科（各种关节?固定器械等）、口腔与颌面外科（义齿?种植体等）、颅脑外科、心血管系统（心脏瓣膜?起博器密封盒等）等领域获得应用。此外?应用于临床的金属材料还有稀有金属钽、铌、锆等。但由于钛系医用材料目前品种太少以及性能尚待进一步提高而不能满足临床使用的要求［1］?因此各研究者都在致力于研制与开发具有更好生物相容性、综合力学性能以及加工性能的新型医用钛系材料。钛的氧化物与血液的相互作用行为已为人们所关注?Schaldach M．等的工作表明?掺入Ta2O5 的 TiO2 陶瓷具有良好的血液相容性［2、3］?Sunny M C．发现随钛表面阳极氧化膜厚度的增加?表面吸附的白蛋白／纤维蛋白原的比率可增加6倍以上［4］；Huang［5］等人用热氧化方法?在钛表面形成金红石 TiO2 薄膜使抗凝血性能提高。

1 实验过程

1．1 涂层制备

采用 JR4-4B 型射频／直流磁控溅射工作台?靶 材直径 为●100mm?工作气体为 Ar?基体温度为200℃?本底真空度2×10－3Pa?沉积速率约20°A／s?涂层厚1．2μm。衬底材料为Si（100）基片和●5的抛光的工业纯钛基片。

1．2 涂层的抗凝血研究

（1）动态凝血时间测定

采用动态凝血时间测定法测定材料的凝血时间。由于家兔易于养殖和采血?因此选择家兔为实验采血动物。将0．1ml 新鲜兔血滴于材料表面?静置一定时间后（本研究采用了五个时间点?10min?20min?30min?40min?50min）置于27ml 蒸馏水中?未凝固的血细胞将起溶血反应?自由的血红蛋白将均匀分布于蒸馏水中。溶于水中的血红蛋白的浓度用 UV755B 型分光光度计通过测量（波长540nm）溶液吸光度来表征?即将一定量的溶液滴入比色皿中?然后置于分光光度计的测试窗?测出其吸光度。对于同一时间点?吸光度α越大?则溶液中血红蛋白浓度越高?血液在材料表面凝固性越弱?凝血时间越长?材料的血液相容性越好；对于同一材料的多个时间点?其吸光度曲线将反应血液在材料表面的凝固性趋势和凝血时间的长短。

（2）血小板粘附试验

血小板粘附试验是将新鲜枸橼酸钠抗凝的人血离心20min后取上部富血小板血浆?将试样浸泡入37℃的富血小板血浆液中10min?1h 和3h?再经生理盐水液漂洗?2％～5％戊二醛液固定?由酒精系列脱水、乙酸异戊酯系列脱醇?经 CPD-30临界点干燥后喷金?于 MM6光学显微镜和 S-450扫描电子显微镜上观察血小板形态、数量、聚积变形等情况?并且随机选择10～15个视场进行试样表面血小板粘附数量统计?从而考查薄膜的血液相容性。

（3）动物体内埋植试验

将6片●5mm的热解碳和6片●5mm的表面为T-iTa-O薄膜涂层的纯钛基片浸泡于稀盐酸溶液?取出后以蒸馏水清洗；再浸泡于碳酸氢钠溶液?取出后以蒸馏水清洗?凉干。随纱布包裹并高压消毒。将试片植入三只健康杂种犬腹部主动脉和心脏内各1对（热解碳和T-iTa-O薄膜涂层的纯钛基片各一）?在不服用任何抗凝药物的情况下?观察17天。从犬腹内取出的试片置入2％～5％的戊二醛固定液固定?再脱水脱醇?临界点干燥后喷金进行显微观察?从而评价薄膜的血液相容性。

在血液相容性测试中?选择目前临床使用的LTIC瓣膜材料作为对比样品同时测量。

1．3 涂层的半导体特性研究涂层的半导体特性采用光学测量法?在石英玻璃上制备200°A左右的T-iTa-O薄膜涂层。同时以洁净的石英玻璃片为标样?在UV755B型分光光度计上测定200～1000nm波长范围内的吸光率α。根据测得的吸光率α随波长λ变化的规律?利用Tauc作图法［6］可以得到涂层的禁带宽度Eopt。即：［?ω·α（ω）］1／2＝B（?ω－Eopt式中??为普朗克常数；ω为光频率?ω＝c／λ；α为吸光率?与ω有关；Eopt为禁带宽度。

将吸收光谱按［?ω·α（ω）］1／2－?ω作图?曲线的线性部分在?ω轴上的截距即为Eopt的大小。

2 实验结果与分析

2．1涂层合成衬底材料为Si（100）基片和●5的抛光的工业纯

图1 T-i T a-O 涂层纵断面

钛基片。图1是以 Si（10 ）为基的 T-i T a-O 涂层纵

图2 涂层与热解碳的凝血时间对比曲线图

2。2 动态凝血时间测定结果

图2为 T-i T a-O 薄膜涂层和热解碳（LTIC） 的动态凝血时间曲线。可见?薄膜涂层在各时间点的光密度都大于LTIC?表明在相同参数条件下?LT IC表面有更多的血液被凝固?其抗凝血特性较 T-i T a- O 涂层差。

2.3 血小板粘附实验结果

图3为T-i T a-O 涂层和热解碳的血小板粘附数量比较?图4为血小板粘附形态的扫描电镜照片。由图可见?T-i T a-O 涂层粘附的血小板数量少于热解碳且形状较好?相反?LT IC 表面血小板发生明显堆积?血小板粘附数量在3h 时至少多 T-i T a-O 涂层二个数量级以上?血小板发生了严重变形?长出多条伪足?这表明 T-i T a-O 涂层具有显著的血液相容性优势。

2.4动物体内埋植试验结果

图5为T-i T a-O 涂层的纯钛试片和热解碳试片的动物体内埋植实验结果。由图可见?在试验期内T-i T a-O 涂层的试片表面粘附量极少?无任何堆积现象?只有个别红血球和血小板且较少变形?更没有 血栓形成；而热解碳表面粘附大量血细胞和其他有形物?并形成三维堆垛结构的血栓?且最底层粘附物 已严重变形?血小板伸出数支伪足且同多种血液有 形物交织在一起。

由上述研究结果可以看出?T-i T a-O 涂层具有明显优于热解碳的血液相容性。

2.5 半导体特性研究结果

图6为T-i T a-O 涂层的禁带宽度研究结果。由图可见?涂层禁带宽度为3．2eV 。

3 讨论

大量研究表明?血液与材料接触会引起血液一 系列变化?最快的变化是血浆蛋白在材料表面的吸附及其构象的变化［7］ 。根据血液与材料相互作用的电荷转移观点［2?8］ 。导致凝血发生的主要蛋白质

──纤维蛋白原向材料表面的吸附及构象变化与其 电子向材料表面的转移密切相关?纤维蛋白原具有类似半导体的电子结构?禁带宽度为1．8eV ［9?10］ ?其价带的电子向材料转移将导致纤维蛋白原分解为纤 维蛋白单体及纤维蛋白肽?单体间的聚合交联导致 了凝血过程的发展。

［1 T］ -i T a-O 涂层／纤维蛋白原体系能带模型如图7示 ?T-i T a-O 涂层的禁带宽度为3．2eV ?纤维蛋白原的价带和导带均落在 T-i T a-O 涂层禁带范围之内?同时 Ta（5＋）掺杂于涂层中形成为 n 型半导体?导带存在电子而价带空穴很少?纤维蛋白原的价带被抑制至少被延迟。另一方面?掺杂元素 Ta 的存在?可以使费米能级提高?功函数降低?电子逸出能 力增加?从而电子更易逸出材料体外而外面电子进 入材料表面的可能性减少?纤维蛋白原更不容易分 解?从而使涂层的血液相容性得到改善。因而涂层表现优异的抗凝血性能。

4 结论

（1）T-i T a-O 涂层具有半导体特性?禁带宽度为

3．2eV 。

（2）T-i T a-O 涂层血液相容性明显优于热解碳。

（3） 动物体内、体外实验表明?T-i T a-O 涂层具有优异的抗凝血性。

参考文献

［1］ 周廉等．医用金属和合金材料及制品现状与发展建议?生物医学材料现状和发展对策研讨会?197?3

［2］ Bolz A?Schaldach M．Artificial Organs?190?14 （4）：260

［3］ Ebert R?Schaldach M． 1982?3：7

［4］ cSautnionnys?M C?Sharma C P．Journal of Biomaterial A ppli-

［5］ Huang Nan?et al．Journal of Biomaterials A pplications?

［6］ 陈治明编著．非晶半导体材料与器件．北京：科学出版顾汉卿主编．生物医学材料学．天津：天津科技翻译出版

［8］ ISO／IR 7405～1984（E） documentation-Biological evalua- test directly on materials）

［10］ Eley D?Sprivey D．T rans．Faraday Soc．?1960?56：

［11］ 黄楠等．中国生物医学工程学 ?197?9（16）：3