生物材料表面與界面對血液相容性的影響

生物材料表面與界面與血液相

容性關(guān)系的研究報告人:龍輝武學號:13091075指導老師:陳俊英生物材料與血液接觸的相互作用生物材料表面與界面特征性質(zhì)表面界面特征性能與血液相容性的關(guān)系類金剛石表面界面與血液相互作用關(guān)系距離介紹contents一、生物材料與血液接觸的相互作用

生物材料與血液接觸導致凝血(血栓形成)的過程分為凝血因子激活、血小板粘附與凝聚、紅細胞粘附和補體系統(tǒng)激活等四個途徑。二、生物材料的表面特征參數(shù)生物材料表面主要包括四個方面的性能:表面物理形態(tài)、表面化學形態(tài)、表面電性能和表面能量。三、材料表面特征參數(shù)對抗凝血性能的影響1.表面物理形態(tài)粗糙度過高，使血液流動產(chǎn)生停滯或渦流，引起凝血光潔玻璃表面凝血也很嚴重粗糙度對血液相容性的影響表面粗糙度的影響具有不確定性,也可能是因為表面粗糙度不是影響血液相容性的重要因素表面宏觀光滑,微觀多相分離結(jié)構(gòu)材料具有優(yōu)良的血液相容性今井庸二：0.1~0.2μm范圍內(nèi)物理或化學不均勻的微相分離結(jié)構(gòu)

2.表面化學性質(zhì)

生物材料表面化學組成和化學成分可以表現(xiàn)在材料的親疏水性上。一般來講,親水性表面要比疏水性表面吸附蛋白量少,容易引起白蛋白變性,也容易解吸。但是也不是說,親水性越強,抗凝血性能越好。親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構(gòu)象發(fā)生變化較親水性表面大。一些研究表明,抗凝血性能需要材料中親水性區(qū)域和疏水性區(qū)域有一個適宜的平衡。例:人們通過觀察親疏表面黏附蛋白的分布情況發(fā)現(xiàn)：親水表面吸附白蛋白疏水表面吸附γ-球蛋白和纖維蛋白原吸附初始白蛋白對血小板吸附有阻滯作用，但白蛋白隨時間失活就會失去對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部分則指向外側(cè),由于血小板表面含有Fc受體,于是表面就容易吸附血小板3.表面電學特性表面電荷對抗凝的影響電性微相分離電荷密度紅細胞、白細胞和血小板表面帶負電荷；所以一般認為表面帶負電荷的材料具有較好的血液相容性；但負電荷同時也是激活凝血因子XII而導致內(nèi)源性凝血的原因（玻璃、陶瓷）。宏觀呈現(xiàn)負電而微觀區(qū)域帶正電的微相分離結(jié)構(gòu)才能具有良好的抗凝血性能；為了抑制血小板的粘附,材料總體呈負電荷；局部微觀上為防止凝血因子活化,在100埃范圍內(nèi)帶正電荷。材料表面的電荷密度過高,能損傷血小板的功能；因此,適度的電荷密度也是影響生物材料的血液相容性的重要因素。例:

纖維蛋白原是一種類似于本征半導體的材料,要抑制它的電荷轉(zhuǎn)移，和它接觸的生物材料必須具有較小的功函數(shù),從生物材料的能帶圖來看,如果生物材料的禁帶較寬,包含纖維蛋白原的價帶和導帶,則纖維蛋白原很難向材料轉(zhuǎn)移電子而發(fā)生構(gòu)象改變;如果使生物材料通過摻雜等方法成為N型半導體,導帶存在電子而空穴很少,纖維蛋白原價帶電子向材料轉(zhuǎn)移受到阻礙,從而使材料顯現(xiàn)出良好的血液相容性。導帶價帶導帶價帶禁帶EvEvEcEcEpEF4.表面能量狀態(tài)原理：當異物表面與血液接觸時,由于兩者表面張力不同,必然導致界面的產(chǎn)生。同時,產(chǎn)生某種驅(qū)動力使血液中活性組分向界面運動以減少界面張力。表面能大吸附的蛋白多,吸附層穩(wěn)定,但引起蛋白質(zhì)構(gòu)象變化也大,這一對相互矛盾的體系。Niylas等人把生物材料的表面張力分解為γsd和γsp兩個部分,通過實驗發(fā)現(xiàn)極性分數(shù)γsd/γsp是影響生物材料血液相容性的決定因素；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層的穩(wěn)定性,從而提高血液相容性；但是極性分量增加則使材料優(yōu)先吸附白蛋白,而色散分量增加則材料優(yōu)先吸附纖維蛋白原；Ratner指出生物材料表面親水性和疏水性必須達到某種平衡材料才具有良好的血液相容性；E.Ruckenstein總結(jié):材料表面能各分量的大小必須接近于他們各自對應的血液有形成分表面的各分量的大小,使它們的界面自由能很低,但又不能使界面張力為零或太小時，可獲得較好的血液相容性。四、類金剛石膜與血液的相互作用類金剛石(DLC)：一種碳元素以sp3和sp2鍵的形式結(jié)合生成的亞穩(wěn)態(tài)材料，兼具了金剛石和石墨的優(yōu)良特性；高硬度、高電阻率、良好光學性能、優(yōu)秀的摩擦學特性、化學惰性、生物相容性、耐摩擦性；非晶薄膜，可分為無氫和氫化兩類；廣泛用于心臟瓣膜、人工關(guān)節(jié)、人工骨等方面。1.類金剛石2.DLC影響血液相容性的因素研究發(fā)現(xiàn)：類金剛石薄膜的性質(zhì)大部分取決于碳元素SP2和SP3結(jié)構(gòu)的相對比率；膜的硬度和密度又與其含氫量有關(guān)。因此：表面粗糙度SP2/SP3含氫量表面張力γsd/γsp影響DLC薄膜血液相容性的表面界面因素SP3/SP2含氫量表面張力γsd/γsp表面粗糙度粗糙度0.1-0.2μm范圍內(nèi)，體外動態(tài)凝血時間較長，遠離這個范圍凝血時間變短；但血小板消粘附與聚集隨粗糙度正相關(guān)。碳素材料γsd/γsp<1;極性分量增加使材料多吸附白蛋白，色散分量增加多吸附纖維蛋白原；高極性分量是材料的看凝血性能增加；血小板消耗率與γsd/γsp無相關(guān)關(guān)系。表面張力與血小板消耗率有很好的相關(guān)性，是影響血小板粘附與凝聚的首要因素；表面張力增加，蛋白吸附層更穩(wěn)定，血小板粘附減少。含氫量與動態(tài)凝血時間有很好的相關(guān)性，越高時間越段；但對于血小板粘附與聚集，適當?shù)暮瑲淞坑欣谔岣卟牧峡寡“逭掣侥芰?。SP3含量增加，動態(tài)凝血時間會減少；但是適當?shù)腟P3由利于降低血小板的粘附與聚集；過高或過低的雜化比都會引起血小板的劇烈粘附。3.表面界面各因素對血液相容性影響的定量關(guān)系含氫量表面粗糙度界面張力結(jié)論含氫量是影響DLC膜動態(tài)凝血時間的首要因素；DLC表面界面因素與抗凝血性能的關(guān)聯(lián)程度為：含氫量>界面張力>γsd/γsp>粗糙度>SP3/SP2表面粗糙度是影響DLC膜動血小板粘附的首要因素；DLC表面界面因素與血小板粘附的關(guān)聯(lián)程度為：粗糙度>γsd/γsp>界面張力>SP3/SP2>含氫量界