CN101496916B - 纳米涂层结合微孔化表面血管内支架改性方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种纳米涂层结合微孔化表面血管内支架改性方法，其是在植入性医疗器械NiTi合金或316L不锈钢血管内支架的表面形成微孔，且在微孔表面制备一层SiO_x:H纳米涂层，使支架具在植入人体后能快速地内皮化，并具有良好的血液相容性和抗腐蚀性，制备纳米涂层所通入的反应气体选择三甲基硅烷TMS单体或其和氧气O₂的混合气体，或分别依次通入TMS、CH₄和O₂气体单体。通过该方法改性后的支架在植入病变部位后能快速地内皮化，有效减少血栓的形成，而且抗腐蚀性等生物相容性都明显优于未改性支架，从而可以在已经上市的支架基础上，通过本发明的表面改性技术降低支架植入后ISR的发生率。

Description

纳米涂层结合微孔化表面血管内支架改性方法

技术领域

本发明涉及一种心血管植入医疗器械的表面改性技术领域，特别涉及NiTi合金和316L不锈钢血管内支架的改性技术，属于医疗器械的技术领域。

背景技术

当今，冠心病给人们带来的危害日益突出。支架植入以其操作简便、患者痛苦小、风险小、术后恢复快等诸多优点，已成为冠心病介入治疗的首选方法。据卫生部统计，我国需要接受心血管手术的病人已达400万人。金属支架在植入术后6个月内会产生10％～50％的支架内再狭窄(In-stent restenosis，ISR)。目前对于术后ISR的发生机制尚不完全清楚。人们研究发现其可能的机制为：由于支架的植入使病变血管扩张从而引起血管内皮的损伤，弹性纤维层的破坏进而延伸到动脉内膜，导致了平滑肌细胞向损伤部位迁移增殖，内膜过度增生最终导致了ISR。此外，支架植入后会引起纤维蛋白原和血小板在支架表面上的吸附和沉积，从而导致血栓的形成，这也成为触发ISR可能的原因之一。

由于支架本身是一种金属异物，可以导致血栓的形成和引起机体的免疫反应，因而亚急性血栓形成和再狭窄仍是术后两大主要并发症。而对材料与生物体相互作用机制的大量研究表明：生物材料表面的成分、结构、表面形貌、表面的能量状态、亲(疏)水性、表面电荷、表面的导电特征等表面化学物理及材料学性质均会影响材料与生物体之间的相互作用。因此通过物理、化学、生物学等各种技术手段对血管内支架进行表面改性，可大幅度改善血管内支架的组织相容性和血液相容性，使之更适应临床的需要。此外，由于血管内皮细胞具有显著的抗凝血作用，主要表现在合成和分泌抗凝因子，如分泌凝血调节蛋白，肝素样物质和组织因子通路阻抑因子；合成和分泌抑制血管扩张和血小板凝集的因子，如前列腺环素；分泌平滑肌松弛因子。这些因子共同作用，是血液保持流通状态，阻止血栓形成。人们现在普遍认为对支架表面进行体外内皮化修饰可能会促使内皮功能及完整性的恢复，似乎成为解决ISR的良好途径。

综上所述，316L不锈钢、NiTi合金支架材料的表面改性，在保持其原有的机械性能的基础上，可提高其内皮细胞亲和性，抗腐蚀性，血液相容性等生物相容性，进而降低支架植入后的ISR发生率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种植入性医疗器械特别是血管内支架表面改性的方法。通过该方法改性后的支架在植入病变部位后能快速地内皮化，有效减少血栓的形成，而且抗腐蚀性等生物相容性都明显优于未改性支架。从而可以在已经上市的支架基础上，通过本发明的表面改性技术降低支架植入后ISR的发生率。

本发明结合化学刻蚀和低温等离子体沉积技术对NiTi合金和316L不锈钢血管内支架进行表面改性。化学刻蚀的目的是在支架材料表面制备均匀的、直径小于1μm的微孔，为支架植入后内皮细胞黏附提供更多的接触位点，从而加速支架植入后内皮化进程。在此基础上结合使用低温等离子体沉积技术在微孔材料表面制备一层SiO_x:H纳米涂层，提高支架的亲水性，进一步增强支架与内皮细胞的黏附紧密度，加快内皮细胞的铺展和增殖。此外，低温等离子体沉积技术制备的SiO_x:H纳米涂层支架的血液相容性，抗腐蚀性及多项生物安全性指标均证实明显优于未改性支架。因此，结合化学刻蚀微粗糙技术和低温等离子体沉积技术可提高支架的生物相容性，并使支架在植入后快速内皮化，有望降低ISR的发生率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种纳米涂层结合微孔化表面血管内支架改性方法，其包括以下过程：以NiTi合金或316L不锈钢血管内支架为基体，经超声清洗后，首先由化学刻蚀制备微孔的支架表面：将支架材料浸入20％-30％HNO₃(体积百分比)溶液于40℃下处理24小时。经化学刻蚀后的支架表面平均粗糙度50-100nm，表面微孔直径小于1μm。在支架材料表面微孔化以后，将支架置入钟式直流电源等离子体反应器中，选择不同比例的三甲基硅烷(TMS，(CH₃)₃SiH)和氧气(O₂)混合气体或依次通入TMS、甲烷和O₂单体作为反应气体，控制反应气压在20-100mtorr，直流电源功率为5-10瓦，以及沉积时间在3-5分钟之间。制备具有纳米级厚度的不定形SiO_x:H膜层，通过控制气体流速及沉积时间，可制备其厚度约为30-50nm，材料表面水润湿角为30°-80°的SiO_x:H纳米膜层，显著提高了材料的抗腐蚀性。体内外实验证明SiO_x:H膜层具有优异的生物相容性，生物安全性指标符合国GB/T16886-1997标准。

本发明的优点：

1.制备的微孔材料表面更适宜于内皮细胞的粘附，在支架植入后可实现快速内皮化，形成的内皮细胞层更接近于非病变血管内膜层，因而可明显抑制血栓形成和内膜增生。

2.低温等离子体制备的SiO_x:H纳米涂层具有良好的血液相容性，SiOx:H膜层优异的生物相容性使支架植入后Ni²⁺(NiTi合金和316L不锈钢支架)溶出率降低，抗腐蚀性增强。同时，亲水性的提高可进一步促进内皮细胞的粘附。

3.新材料的开发耗时长，成本高，而通过本表面改性方法可以在保持材料基体原有机械性能的基础上，改变材料表面的物理化学性质，使之更适应临床的需要，因而是一种简单易行的提高材料表面性能的方法。在本发明中，低温等离子体沉积SiO_x:H技术对几何形状复杂的支架可以实现全方位改性，涂层均匀致密，可实现工业化应用。

附图说明

图1为本发明所用的钟式直流电源等离子体反应器示意图；

图2中的图2a、图2b、图2c分别为利用本发明改性前后扫描电镜(SEM)观察支架的表面形貌对比(5000×)；

图3中的图3a、图3b、图3c分别为原子力显微镜(AFM)观察支架改性前后表面形貌；

图4红外光谱(FTIR)测定改性后支架表面化学基团结果；

图5等离子体沉积改性前后支架的阳极极化曲线(抗腐蚀性测定)；图5a为未改性支架；图5b改性后支架；

图6中的图6a、图6b、图6c分别为培养3天后，牛血管内皮细胞在光滑支架材料表面，微孔支架材料表面和微孔SiO_x:H纳米涂层表面的粘附情况(200×)。

具体实施方式

参见图1，图1为本发明所使用的钟式直流电源等离子体反应器示意图。该反应器包括：不锈钢基板①，第一真空泵②，第二真空泵③，流速控制器④，钟式等离子体反应室⑤，压力控制器⑥，直流电源⑦。借助此装置，可在材料表面制备出不同厚度和水接触角的SiO_x:H纳米涂层。

实施例1

(1)将NiTi合金或316L不锈钢血管内支架浸入丙酮溶液中，超声清洗5分钟，取出支架后蒸馏水清洗三次；

(2)配置30％HNO₃溶液(体积百分比)；

(3)将清洗后的支架浸入盛有30％HNO₃溶液的容器中，将容器置于恒温40℃的水浴箱中处理24小时。

(4)取出支架，用丙酮超声清洗5分钟并用蒸馏水清洗三次，室温干燥；

(5)将支架作为阴极材料置于图1的钟式等离子体反应器内的不锈钢基板①上；

(6)打开第一、二真空泵②、③抽取真空，再通过流速控制器④向钟式等离子体反应室⑤里面通入TMS或与O₂的混合气体，通过压力控制器⑥调节反应室内气压，打开直流电源⑦，在工作台上施加一定的脉冲负高压，等离子体在脉冲负电压作用下沉积到材料表面。可按表一所示三种实现方法得到SiO_x:H纳米涂层，控制涂层性能的参数包括：TMS和O₂的流速，反应压力，反应时间和直流电源功率；

表一

(7)测定沉积SiO_x:H纳米膜层厚度及水接触角；

(8)SEM，AFM测定改性前后支架表面形貌见附图2和图3，FTIR测定表面化学基团，见附图4；

(9)体外细胞实验研证表面形貌及表面化学基团的变化对细胞黏附的影响见附图5。

实施例2

步骤(1)-(5)同实施例1；

(6)打开第一、二真空泵②、③抽取真空，然后通过流速控制器④向钟式等离子体反应室⑤里面依次通入TMS、CH₄和O₂。可按表二所示的实现方法得到SiO_x:H纳米涂层；

表二

依次通入的单体	流速(sccm)	反应压力(mtorr)	反应时间(min)	直流电源功率(W)
					TMS	2	25	2	5
CH4	1	25	1	5
					O2	2	50	2	5

(7)测定沉积的SiO_x:H纳米涂层厚度及水接触角SEM，AFM测定改性前后支架表面形貌，FTIR测定表面化学基团，体外内皮细胞粘附实验等同实施例1。

按上述实施例1、2方法得到的支架材料表面平均粗糙度Ra为(50-100nm)，SiO_x:H纳米涂层的X值为1-2，结构为非晶型氧化硅，涂层厚度为30-50nm，水接触角为30-80°。

如图2a、图2b、图2c和图3a、图3b、图3c所示，其中分别示出用本发明的方法改性前后SEM，AFM观察支架表面形貌。图2a和图3a为未改性支架光滑表面形貌，图2b和图3b为30％HNO₃化学刻蚀后支架表面形貌，图2c和3c为微孔表面等离子体沉积SiO_x:H纳米涂层后支架材料表面形貌。对比图2a和b、3a和b可以发现采用30％HNO₃刻蚀支架材料表面可形成直径小于1μm的微孔表面，对比图2b和c、3b和c可知，等离子体纳米涂层不影响微孔表面形貌。

图4为红外光谱(FTIR)测定等离子体沉积后支架表面化学基团组成。谱图分析结果表明，随着TMS与O₂比例的增加，TMS的CH₃疏水基团与O₂作用生成的亲水性的-OH基团增多，从而增加材料的亲水性。

图5为等离子体沉积改性前后支架的阳极极化曲线，图5a为未改性支架，图5b为等离子体沉积SiO_x:H纳米涂层支架，对比图5a、b可知，等离子体沉积改性前后支架的自腐蚀电位都在-200mv左右，等离子体沉积SiO_x:H纳米涂层后支架材料具有更宽的钝化区范围，钝化区范围在-90mv～320mv之间，击穿电位在+320mv，而未改性支架的钝化区范围在-110mv～290mv之间，击穿电位在+290mv。因此等离子体沉积SiOx:H纳米涂层支架比未改性支架具有更优异的抗腐蚀性能。

图6a、b、c分别为培养3天后，牛血管内皮细胞在光滑支架材料表面、微孔支架材料表面和微孔SiO_x:H纳米涂层表面的粘附。图6a牛血管内皮细胞在未改性光滑支架培养3天后细胞粘附情况；在相同细胞培养条件下，图6b为HNO₃化学刻蚀形成微孔支架材料表面细胞粘附情况，图6c为微孔表面等离子体沉积SiO_x:H纳米涂层后支架材料表面细胞粘附情况。对比图6a、b、c可以发现微孔表面可明显促进细胞粘附，在培养3天后，具有微孔结构的材料表面细胞密度大，呈卵石状铺展开，形成细胞单层。而光滑表面细胞数量少，未完全覆盖材料表面。

综上所述，用本发明的方法改性后的心血管内支架促内皮细胞粘附速率、抗腐蚀性、亲水性和血液相容性等都明显优于现有未改性支架产品。

Claims (2)

1.一种纳米涂层结合微孔化表面血管内支架改性方法，其特征在于在植入性医疗器械NiTi合金或316L不锈钢血管内支架的表面形成微孔，且在微孔表面制备一层SiO_x:H纳米涂层，使支架具在植入人体后能快速地内皮化，并具有良好的血液相容性和抗腐蚀性，其步骤包括：

(a)用化学刻蚀微粗糙化的方法在所述血管内支架的表面形成微孔，所述微孔直径小于1μm；

(b)用低温等离子体沉积技术在所述微孔表面沉积一层纳米级厚度SiO_x:H纳米涂层，通入的反应气体选择三甲基硅烷TMS单体或其和氧气O₂的混合气体，或分别依次通入TMS、CH₄和O₂气体单体；

在所述步骤(b)中，所选用的单体TMS的流速固定为1sccm，O₂的流速选择为0sccm、1sccm、2sccm、3sccm、4sccm或5sccm，反应时间为3-5分钟，控制反应压力为395Pa，直流电源功率为5-10瓦；

在所述步骤(b)中，所选用的单体为TMS、CH₄和O₂时，依次通入单体的顺序和流速分别为TMS：1sccm-2sccm；CH₄：3sccm-5sccm；O₂ 1sccm-3sccm；反应压力依次为25mTorr，50-100mTorr，25-50mTorr；处理时间为TMS：1-2分钟，CH₄：2-3分钟，O₂：30秒-1分钟；直流电源功率均为5-10瓦；

在所述血管内支架表面得到的平均粗糙度Ra为50-100nm，SiO_x:H纳米涂层厚度为30nm-50nm，水润湿角为30-80°。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(a)所述的化学刻蚀微粗糙化方法是将所述血管内支架浸入体积百分比20％-30％的HNO₃溶液中，在40℃下，处理24小时。

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