摘  要：生物体医用材料，特别是与血液相接触的生物医用金属材料要具有血液相容性。用溶胶－凝胶法可在316L不锈钢和NiT 形状记忆合金表面制备致密均匀的TiO2 薄膜，从而进行表面改性处理。本文对溶胶－凝胶法制备TiO2 薄膜的各种影响因素进行了分析，并对制成的TiO2 薄膜进行了主要的物理性能研究。最后通过对其凝血时间和溶血率的测定可知，表面镀TiO2 薄膜后可以提高金属植入物的血液相容性。

　　关键词：  溶剂－凝胶法；二氧化钛薄膜；生物医学材料；血液相容性

　　1   引言

　　NiTi形状记忆合金和316L不锈钢具有优异的耐腐蚀性、组织和血液相容性、抗磨损性、高抗疲劳性，且弹性模量与人体骨头十分接近，生物力学性能突出，逐渐成为为医学领域的比较理想的生物医学材料，广泛应用于口腔、骨科、神经外科、心血管科等[1]。其中，血管内支架对材料提出了更高的要求，即材料除具备一定的生物力学性能外，还要具有良好的抗腐蚀性和血液相容性。据研究表明，在血管内支架中的316L不锈钢和NiTi 合金在体液及血液中会有毒性离子Cr 、Ni 、Mo 等离子溶出[2]。在NiTi形状记忆合金和316L不锈钢表面制备陶瓷膜可将金属较好的机械性能和陶瓷膜良好的化学稳定性及生物相容性有机结合在一起[3]。本文将着重讨论用溶胶凝胶法在NiTi形状记忆合金和316L不锈钢镀TiO2 膜并讨论其血液相容性问题。

　　2  二氧化钛膜的制备

　　2.1   316L不锈钢和NiTi合金基体的制备

　　316L不锈钢和NiTi合金经过切割成片状基体后，打磨成光滑平面并进行抛光处理，用清水冲洗，然后放入无水酒精中并在超声波清洗机中清洗5到10分钟，清洗后再用吹风机吹干后密封保存以待镀膜。

　　2. 2    溶液的配置

　　（1）将装有22ml无水乙醇的烧杯放在在恒温磁力搅拌器上，再将20ml钛酸正四丁酯用滴管均匀的滴入，并在恒温磁力搅拌器上搅拌30min，制成溶液甲。

　　（2）将装有20ml无水乙醇的烧杯放在恒温磁力搅拌器上，用滴管分别均匀地滴入1 ml  60%硝酸、1ml乙酰丙酮和少量的蒸馏水（大约2.6ml），并在恒温磁力搅拌器上搅拌30min形成混合溶液乙。

　　（3）再将装有甲溶液的烧杯放在恒温磁力搅拌器上进行搅拌，并将制好的混合溶液乙用滴管均匀的滴入室温下，继续搅拌30min，制成均匀、粘度适中的透明TiO2浅黄色溶胶丙。

　　（4）将配好的溶液丙在室温下密封保存20－30小时再进行镀膜，可以得到最好的镀膜效果，一般溶液在三天内不会产生沉淀、也不会产生胶凝现象。如果产生的话，将影响镀膜效果。

　　2. 3  薄膜的制备

　　（1）镀膜   将清洗过干燥后得316L不锈钢和NiTi合金浸入所配置的溶胶中，静置30秒左右，再用浸渍提拉法进行涂膜，以1.5～2mm/s的速度向上提拉，但无需拉出液面，然后在往下浸入液体，持续续5分钟。然后提出液面，将表面附着的溶胶液体倾斜均匀，放入90℃的烘箱中烘烤10分钟以加强膜的结合力，取出冷却3分钟。为保证膜厚应重复以上操作12-15次。

　　（2）热处理   镀好膜的试样还需要进行热处理以让二氧化钛膜层膜层充分转变，并进一步加强其膜结合力和化学稳定性。将试样放在坩埚中，再放入真空可控调节电阻炉中，以1～ 2℃/min 的速度缓慢升温至500℃，保温1h后再升温到600℃然后随炉冷却至室温就得到所需样品。

　　2. 4   薄膜的物理性能研究

　　2. 4. 1  薄膜的扫描电镜观察试验

　　运用金相显微镜很容易观察到膜表面的形貌和组织分布，通过镶样打磨样品侧面可以测量膜的厚度；通过EDS能谱图可以帮助我们了解膜表面的成分进而可以对工艺进行分析。

　　（1）   镀层形貌与组成

　　图1是316L不锈钢表面制备TiO2镀膜并经热处理后在扫描电镜下观察所得到的IMG图，图1中得到了较致密的网状TiO2镀膜，但表面出现少许裂缝。在金属基片上制备薄膜，因热膨胀系数不尽相同和热应力的存在， 导致在湿膜的快速凝固、干燥和热处理过程中因体积收缩而产生破坏薄膜形貌的内应力[4]。要烧成致密完整的TiO2 膜， 升温速度不能太快。改变溶胶浓度为0.15 mol/L 并减慢升温速度为1℃/ in后， 制得了较致密的TiO2 膜。这说明在不锈钢基片上制备TiO2 膜时， 干燥和热处理的速度非常关键。

　　图1   热处理后得到的TiO2镀膜          图2   316L不锈钢TiO2镀膜的EDS能谱图

　　（2）  EDS能谱图

　　图2是316L不锈钢表面制备TiO2镀膜的EDS能谱图，由图中观察可知不锈钢中所除含有Fe和Cr以及微量的Ni、Si、S外，还含有大量的Ti和O，其中后者就是在本次试验当中TiO2镀膜的成分。

　　（3）镀膜厚度

　　TiO2镀膜的厚度达到150－350nm时具有较好的生物相容性[5]，镀膜厚度主要与热处理温度和镀膜次数有关，为了获得足够厚的薄膜，可采用多次镀膜的方法，每次镀膜包括浸涂和干燥，膜厚与镀膜次数近似成正比关系。但进行多次镀膜后再经过500℃的热处理后，膜比较容易发生破裂现象，此时应减慢升温速度，以保证膜的完整性。

　　2. 4. 2  薄膜显微硬度的测定

　　薄膜的显微硬度是薄膜耐磨性能的一个重要标志，我们利用的设备是显微硬度仪。以下是这次测定得316L不锈钢和NiTi合金的二氧化太镀膜硬度数据：（实验中加载载荷为100g，加载时间定为15s,单位Hv）

　　表1   316L不锈钢和NiTi合金的二氧化太镀膜硬度

　　材料数值1数值2数值3平均值

　　316Ｌ不锈钢245252240245

　　NiTi合金315312325317

　　在NiTi合金镀膜更致密一些，硬度比316Ｌ不锈钢上的镀膜偏大。316L不锈钢和NiTi 合金表面氧化膜的均匀度是提高其抗腐蚀性的最主要因素，而氧化层的厚度对此影响并不大。而且血液相容性对膜的硬度要求不高，膜的硬度足够满足其机械磨损性能[6]。

　　3   二氧化钛膜的血液相容性试验

　　3.  1  血液相容性的测定内容和制备

　　生物体用金属材料在移植到人体后， 必须要具备生物相容性、相应的机械性能和稳定的物理化学特性。特别是与血液直接接触的金属材料必须要有血液相容性， 不破坏红细胞、血小板等，即不引起凝血或溶血[7]。所以本试验要测定的就是材料的凝血时间测定和溶血率。

　　所需材料和用剂为：切割成尺寸为10mm×10mm×2mm的镀膜与未镀膜Ni-Ti合金、316L不锈钢试样各一套，以便作血液相容性试验的对比。新采兔血20ml（采用心脏抽血），用双草酸（草酸钾和草酸纳）做抗凝剂。

　　3 . 2   材料的凝血时间测定

　　采用动态凝血时间测定法测定材料的凝血时间：在每个试样表面滴0.1ml新鲜血液滴于材料表面， 并立即记录时间，在10 、20 、30 、40 、50min 等指定时间分别用蒸馏水冲洗，洗液收集在烧杯中，用722 分光光度计在540nm 波长处测试其吸光度值，作吸光度－时间曲线，并与未涂TiO2 膜样品对比研究。试验测得的吸光度如下图所示：

　　图3  动态凝血吸光度－时间曲线

　　由上图可知， Ni－Ti合金比316L不锈钢的抗凝血性都稍好；在血液与材料长时间接触（50min） 时，表面涂有TiO2 膜的316L不锈钢和NiTi合金比未涂膜基体的吸光度高，凝血时间延长，说明TiO2 膜有较好的抗凝血性。

　　3. 3   材料的溶血率测定

　　新采兔血10ml，用1.5ml 2％双草酸（草酸钾和草酸纳）做抗凝剂，取此血8ml加生理盐水10ml得稀释兔血，将样品置于10ml生理盐水中，37℃恒温30min后加入0.2ml稀释血，轻轻摇匀，在水浴中继续保持60min。液体倒入试管中以1000r/min得速度离心分离，取上层溶液浴540波长处测定吸光度。阳性对照用10ml蒸馏水＋0.2ml稀释血，阴性对照取10ml生理盐水＋0.2ml稀释血，根据下式计算溶血度：

　　α（%）=（Dt-Dnc）/（Dpc-Dnc）                   （1）

　　其中α为溶血率，Dt为样品吸光度，Dnc阴性对照吸光度，Dpc为阳性吸光度。

　　测量项目测量数值溶血率

　　阳极吸光度0.183  /

　　??阴极吸光度0.020  /

　　镀膜Ni－Ti合金0.1360.82

　　无膜Ni－Ti合金0.1640.99

　　镀膜316Ｌ不锈钢0.1030.51

　　无膜316Ｌ不锈钢0.1090.55

　　表2   阴、阳极和样品的吸光度及通过（1）式计算可得溶血率数值

　　医学标准规定的植入物的凝血时间要尽量长，而溶血率要<5%。由上表可知，无论是否镀膜，各基体的溶血率都不超过1％，所以316L不锈钢和NiTi合金具有很好的溶血性。

　　4 结论

　　通过以上的试验和分析可知：（1）采用溶胶- 凝胶法，经500 ℃热处理在316L不锈钢和NiTi合金表面制备了致密均匀的TiO2 薄膜，且具有优良的物理性能；（2）通过动态凝血时间及溶血率测试表明，经过溶胶－凝胶法制备TiO2 膜进行表面改性的316L不锈钢和NiTi合金的动态凝血时间延长，溶血率下降，说明溶胶－凝胶法制备TiO2 膜可以提高金属植入物的血液相容性，且符合生物植入材料的医学标准。

　　参考文献：

　　[1] 王迎军，刘康时。生物医学材料的研究与发展[J].中国陶瓷，1998,10 27-29.

　　[2] 张安兄，吕德龙，钟伟等。生物材料的血液相容性[J].上海生物医学工程，2004,25（3）：53-58.

　　[3] 肖梅，凌一鸣。 金属支架的表面成分和设计与血液相容性之间的关系[J].生物医学工程学杂  志，2005,22（1）：217-220.

　　[4] S.M.Attia,吴广明，马建华等。 热处理对溶胶-凝胶TiO2薄膜的特性影响[J]. 同济大学学报，2001,11.29（11）：1327-1330

　　[5] Shirkhanzaeh M. XRD and XPS characterization of superplastic TiO2 coatings prepared on Ti6A14V surgical alloy by an electrochemical method[J].J Mater Sci Mater Med,1995,6（4）：206-210.

　　[6] Christine Trepanier, Maryam Tabrizian, L’Hocine Yahia, et al. Effect of modification of oxide layer on Ni Ti stent corrosion resistance[J].J Biomed Mater Res,1998,43（4）：433-440.

　　[7]　浦素云，吴云书。植入金属材料在人体环境中腐蚀行为的研究[J].中国生物医学工程学报，1988,7（3）：125-131.