CN101214395A - 一种无机材料表面生物化的方法 - Google Patents

Abstract

一种无机材料表面生物化的方法，其步骤是：在表面溅射生成氧化钽或氧化钛薄膜；再将无机材料置于等离子体浸没离子注入装置中，抽真空后，通入氢气、水蒸汽或氨气，气体压力0.05～50帕；射频放电功率200～1200W；加载的脉冲高压电源幅值1KV～100KV，频率50～40000赫兹、占空比3％～80％；加热温度20～500摄氏度；处理时间0.1～5小时；最后，将无机材料放入浓度为10～100mg/mL的白蛋白或肝素溶液中浸泡，浸泡温度20～40℃，时间2～48小时。该方法不损伤生物分子与蛋白的活性，制得的表面生物化无机材料抗凝血性能好，用于医用血管支架和人工心脏瓣膜，能大幅度提高产品性能。

Description

一种无机材料表面生物化的方法

技术领域

本发明涉及一种材料表面生物化的方法，尤其涉及一种无机材料表面生物化的方法。

背景技术

用于制造人工心脏、人工瓣膜、人工肺、血管支架及人工血管等的生物医用材料称为与血液接触的生物材料，它应该必须具有好的抗凝血性，才能实现既抑制在材料表面凝血因子的活化和血小板的聚集与变形，又能选择吸附某些血浆蛋白，从而防止血栓的形成。近年来，高分子生物材料的生物化即抗凝血研究取得了很大的进展，其主要做法是对性能优良的高分子生物材料表面进行改性和修饰，通过改变材料的表面结构、形貌、亲疏水性、荷电性、表面能等，引导生物分子在材料表面的选择性吸附，此外，研究者还采用在材料表面固定具有抗凝血性能的生理活性物质，如肝素、水蛭素、白蛋白等，发展具有表面生物活性的高分子材料，通过生物识别的途径，更好的提高高分子生物材料的抗凝血性能。

相比之下，对无机生物材料的生物化即抗凝血研究却较少，这主要是由于无机医用生物材料表面缺少有机官能团，很难在其表面直接固定肝素、白蛋白、血栓改性蛋白等生物分子。现有无机材料的生物化方法是：采用偶联剂如γ-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)或者静电自组装的方法固定、涂覆肝素、白蛋白、血栓改性蛋白等生物分子。经过这样的改性后，可能引起生物分子的活性削弱，并且生物涂层和材料表面的之间的结合力较弱，生物化效果差。

发明内容

本发明的目的就是提供一种无机材料表面生物化的方法，该方法不损伤生物分子与蛋白的活性，无机材料表面具有优异的抗凝血性能，用于医用血管支架和人工心脏瓣膜，可以大幅度提高产品性能。

本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是：一种无机材料表面生物化的方法，其步骤是：

A、溅射镀膜：在无机材料表面溅射生成氧化钽或氧化钛薄膜；

B、羟基或伯氨基的生成：

将A步处理后的无机材料置于等离子体浸没离子注入装置的真空室的样品台上，抽真空后，通入氢气或水蒸汽，压力为0.05～50帕；射频放电功率为200～1200W；无机材料加载的脉冲高压电源幅值为1KV～100KV，频率50～40000赫兹、占空比3％～80％；无机材料加热温度20～500度；处理时间0.1～5小时，即在无机材料表面生成羟基；

或者将A步处理后的无机材料置于等离子体浸没离子注入装置的真空室的样品台上，抽真空后，通入氨气，压力为0.05～50帕；射频放电功率为200～1200W；无机材料加载的脉冲高压电源幅值为1KV～100KV，频率50～40000赫兹、占空比3％～80％，无机材料加热温度20～500度，处理时间0.1～5小时，即在无机材料表面生成伯氨基；

C、共价接枝生物分子：将B步处理后的无机材料，放入白蛋白或肝素溶液中浸泡，白蛋白或肝素溶液的浓度为10～100mg/mL，浸泡温度20～40℃，时间2～48小时。

上述的B步羟基或伯氨基的生成时，更优的工艺条件为：

通入氢气或水蒸汽的压力为0.5～40帕；射频放电功率为300～1000W；无机材料加载的脉冲高压电源幅值为5KV～80KV，频率50～10000赫兹、占空比3％～20％；无机材料加热温度50～400度；处理时间1～4小时；

通入氨气的压力为0.5～40帕；射频放电功率为300～1000W；无机材料加载的脉冲高压电源幅值为5KV～80KV，频率50～10000赫兹、占空比3％～20％；无机材料加热温度50～400度；处理时间1～4小时。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

研究表明，当无机材料如钛种植体植入人体后，在液体环境下，首先表面氧化膜发生水化，使氧化膜的外层富含羟基或伯氨基，随后，机体具有生物活性的生物大分子有选择性地吸附到了富含羟基或伯氨基的氧化膜表面，从而在钛种植体的表面产生具有生物活性的生物大分子。在该种生物大分子的介导之下，细胞移行、贴附到经改造了的钛表面，分裂繁殖，合成细胞外基质，最终达到组织愈合，形成良好、稳定的钛-组织界面。此界面的基本模式为：钛基体-内层氧化膜(以TiO₂为主)-外层氧化膜(富含羟基或伯氨基)-具生物活性的生物大分子-细胞。因此，只要无机材料表面的氧化膜的外层富含羟基或伯氨基，就能在无机材料表面产生具有生物活性的生物大分子，从而在无机材料表面形成细胞。该过程实际上是将无机材料表面生物化的过程，但这一过程在体内非常缓慢，从而影响组织愈合的进程。

本发明通过在体外对镀有氧化钛或氧化钽薄膜的无机材料表面，用等离子体浸没离子注入装置进行氢化或氨化处理生成羟基或伯氨基有机官能团；进一步在无机生物材料表面的羟基、伯氨基作用下，与具有生物活性的生物大分子-白蛋白或者肝素，形成牢固的化学共价键结合，从而在体外预先完成无机材料表面生物化的过程。其优点是：一、加快了植入体内的无机材料人工器官与人体组织愈合的过程。二、无机材料表面共价键结合生物大分子，结合牢固，结合力强。三、体外结合生物大分子时，不使用化学偶联剂，也不利用静电，完全不损伤生物分子与蛋白的活性，所制得的无机材料表面具有优异的抗凝血性能。四、离子体浸没离子注入生羟基和伯氨基、浸泡共价接枝生物大分子，可以实现对复杂形状人工器官进行全方位均匀的表面生物化改性，改性均匀、稳定性、重复性好，同时也能保证材料本身的机械性能和抗腐蚀性，适合工业化应用。

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1溅射氧化钽薄膜后的无机材料在等离子体氢化前后的材料表面用傅立叶变换红外光谱测试的红外光结构谱图。其中的曲线G为等离子体氢化前的材料表面红外光结构谱图；曲线H为等离子体氢化后的材料表面红外光结构谱图。

图2a为氧化钽薄膜样品经15天狗动脉血管体内实验的SEM(扫描电镜)图。

图2b为镀膜并经等离子体氢化后表面形成羟基的氧化钽薄膜样品经15天狗动脉血管体内实验的SEM图。

图2c为表面共价固定白蛋白的氧化钽薄膜样品经15天狗动脉血管体内实验的SEM图。

具体实施方式

实施例1～8

该8个实施例均是在无机材料表面上镀氧化钽膜，再在氧化钽膜上生成羟基，最后共价接枝白蛋白；均按以下操作步骤进行：

A、溅射镀膜，采用现有的非平衡磁控溅射技术，在无机材料表面溅射生成氧化钽薄膜。

其具体操作步骤如下：

用非平衡磁控溅射装置制备氧化钽薄膜。本实施例采用现有的非平衡磁控溅射装置，包括：工作台(样品台)、四个溅射靶台、脉冲或直流电源、工件、转换开关、气瓶、偏压电源及加热装置。

清洗：首先将金属钽靶装在非平衡磁控溅射设备的靶台上，工件放置在样品台上，关闭真空室，抽真空至1×10^-3帕，通入氩气，真空室氩气压力在0.5～10帕之间，开启工件偏压溅射电源，使氩离子辉光放电，氩离子对工件进行溅射清洗，5～10分钟后，关闭工件偏压溅射电源。真空室氩气压力保持在0.5～10帕之间，利用工件遮蔽装置遮挡工件，开启靶溅射电源，使氩离子辉光放电，在真空室中产生氩等离子体，氩离子对金属靶材进行溅射清洗，5～10分钟后，关闭靶溅射电源和氩气。

溅射形成氧化钽薄膜：开启加热电源，对工件进行加热至20～400℃，同时通入氩气和氧气，氧气分压为0.1～5Pa，氩气分压为0.3～10Pa，打开工件遮蔽装置，使工件暴露在靶前方，调节靶基距，开启靶溅射电源，在溅射靶上加载脉冲负电压(调节脉冲电源频率、占空比)或者直流电压，在真空室内形成氩、氧等离子体，在负电压作用下，氩离子轰击金属钽靶，溅射出钽原子与氧原子结合在工件表面形成氧化钽薄膜。为了提高成膜质量，在沉积过程中，打开偏压电源，在工件上加载脉冲或直流负偏压。

控制薄膜性能的参数包括：溅射电流0.5～5安，溅射时间5～120分钟，氧气压力为0.1～5Pa，氩气压力为0.3～10Pa，样品台直流偏压-300～-50伏，样品加热温度20～500度，靶基距50～200毫米，脉冲电源频率10000～50000赫兹。

为了获得结晶更良好的氧化钽薄膜，还可对沉积后的氧化钽薄膜进行真空退火处理：真空退火处理的参数为真空度3×10^-3～1×10^-4帕、退火温度500～850度和退火时间0.5～2小时。

以上的非平衡磁控溅射生成氧化钽薄膜的技术及其相关参数均为现有技术。

B、羟基或伯氨基的生成：该8个实施例均采用等离子体浸没离子注入装置对表面制备有氧化钽薄膜的工件，进行等离子体氢化处理，在无机材料氧化钽薄膜表面形成羟基。

8个实施例的操作步骤是：将A步处理后的无机材料人工器官，放入等离子体浸没离子注入装置真空室内的样品台上，抽真空后，向真空室通入氢气或者水蒸汽，打开射频电源，产生氢等离子体，打开脉冲高压电源，在脉冲负高压的作用下，氢离子对样品表面进行全方位的等离子氢化处理。8个实施例所对应的具体的等离子氢化处理工艺参数见表1。

表1实施例1～8的氧化钽薄膜等离子氢化处理工艺参数

实施例	充入真空室的气体压力(Pa)	射频功率(W)	脉冲高压电源幅值(KV)	脉冲高压电源频率(Hz)	脉冲高压电源频率占空比	处理时间(h)	无机材料加热温度(℃)
								12345678	0.055020.510200.540	12006002008001007003001000	100130401050580	5040000200100200001001000050	3％80％10％8％30％3％20％5％	20.15342.514	2005003002010025050400

C、共价接技生物分子：将B步处理后的无机材料，放入生物大分子溶液中浸泡，该8个实施例的生物大分子溶液具体为白蛋白溶液。浸泡时，各实施例的参数条件见表2。

表2实施例1～8共价接枝时的工艺参数

实施例	生物大分子溶液浓度(mg/mL)	浸泡温度(℃)	浸泡时间(h)
				12345678	10605030100551080	2030404040302025	4851024820230

实施例1-8，共价接枝时更具体的操作为：先用蒸馏水配制白蛋白溶液，再依次加入适量的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)和2-吗啉乙磺酸(MES)，以活化白蛋白表面。将B步处理后的无机材料浸入白蛋白溶液中后封闭，置于恒温水浴箱(可振荡)中固定设定时间，取出。并经超声波清洗去除工件表面的物理吸附层后，干燥后封存待用。

实施例9-16

实施例9-16与实施例1-8分别对应相同，所不同的仅仅是：在A步中，溅射镀膜时使用的靶材为金属钛，从而在无机材料表面形成氧化钛薄膜。

实施例17-24

实施例17-24与实施例1-8分别对应相同，所不同的仅仅是：B步羟基或伯氨基的生成，生成的是伯氨基而不是羟基。相应的等离子体浸没离子注入装置真空室内充入的气体为氨气。

实施例25-32

实施例25-32与实施例1-8分别对应相同，所不同的仅仅是以下两点：

一、在A步中，溅射镀膜时使用的靶材为金属钛，从而在无机材料表面形成氧化钛薄膜。二、B步羟基或伯氨基的生成，生成的是伯氨基而不是羟基。相应的等离子体浸没离子注入装置真空室内充入的气体为氨气。

实施例33-40

实施例33-40与实施例1-8对应相同，所不同的仅仅是：在C步中，生物大分子溶液为肝素溶液而不是白蛋白溶液。

实施例41-48

实施例41-48与实施例1-8对应相同，所不同的仅仅是以下两点：

一、在A步中，溅射镀膜时使用的靶材为金属钛，从而在无机材料表面形成氧化钛薄膜。二、C步中配制的生物大分子溶液为肝素溶液而不是白蛋白溶液。

实验与测试证明，经本发明处理后的无机材料表面性能得到了明显提高。

图1为镀膜后等离子体氢化前、后的无机材料表面用傅立叶变换红外光谱测试的红外光结构谱图，其中曲线G为氢化前的红外光结构谱图，曲线H为氢化后的红外光结构谱图。从图1看出，曲线H在3650cm^-1附近处出现了明显的羟基的特征吸收峰，而曲线G则无相应的吸收峰，表明等离子体氢化后，无机材料表面新形成了羟基。

动物实验也证明本发明方法处理后的生物后的无机材料，表现出了更优的抗凝血性能和抗组织增生的能力。

实验的方法是：将仅经A步处理(溅射氧化钽膜)的无机材料、经A、B步处理(溅射氧化钽薄膜并等离子体氢化)的无机材料，经A、B、C三步处理后得到的生物化的无机材料，将三种无机材料样品置入狗的动脉血管内壁，15天后取出样品进行观察，扫描电镜的结果分别为图2a、图2b、图2c。

从图中可以看出，三种样品均未产生血栓，但第一种样品表面产生了一些组织增生物，后两种样品表面比较光滑平整，并且第三种即生物化后的样品表面更加光滑平整。

Claims (2)

1.一种无机材料表面生物化的方法，其步骤是：

A、溅射镀膜：在无机材料表面溅射生成氧化钽或氧化钛薄膜；

B、羟基或伯氨基的生成：

将A步处理后的无机材料置于等离子体浸没离子注入装置的真空室的样品台上，抽真空后，通入氢气或水蒸汽，压力为0.05～50帕；射频放电功率为200～1200W；无机材料加载的脉冲高压电源幅值为1KV～100KV，频率50～40000赫兹、占空比3％～80％；无机材料加热温度20～500度；处理时间0.1～5小时，即在无机材料表面生成羟基；

或者将A步处理后的无机材料置于等离子体浸没离子注入装置的真空室的样品台上，抽真空后，通入氨气，压力为0.05～50帕；射频放电功率为200～1200W；无机材料加载的脉冲高压电源幅值为1KV～100KV，频率50～40000赫兹、占空比3％～80％，无机材料加热温度20～500度，处理时间0.1～5小时，即在无机材料表面生成伯氨基；

C、共价接枝生物分子：将B步处理后的无机材料，放入白蛋白或肝素溶液中浸泡，白蛋白或肝素溶液的浓度为10～100mg/mL，浸泡温度20～40℃，时间2～48小时。

2.如权利要求1所述的一种无机材料表面生物化的方法，其特征在于，所述的B步羟基或伯氨基的生成时：

通入氢气或水蒸汽的压力为0.5～40帕；射频放电功率为300～1000W；无机材料加载的脉冲高压电源幅值为5KV～80KV，频率50～10000赫兹、占空比3％～20％；无机材料加热温度50～400度；处理时间1～4小时；

通入氨气的压力为0.5～40帕；射频放电功率为300～1000W；无机材料加载的脉冲高压电源幅值为5KV～80KV，频率50～10000赫兹、占空比3％～20％；无机材料加热温度50～400度；处理时间1～4小时。

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