專利名稱：微納結構仿生瓣膜的制作及表面抗凝與減阻測試方法
技術領域：
本發(fā)明涉及醫(yī)學移植物，特指一種微納結構仿生瓣膜的制作方法以及其表面 抗凝與減阻性能測試的方法，可適用于各類人工假體心臟瓣膜。
背景技術：
人體心臟瓣膜由于各種病因形成的器質性疾病，可以通過心外科手術置換人 工瓣膜進行治療。自六十年代初美國波蘭特心外科醫(yī)生Albert Starr首先成功進 行第一例心臟瓣膜置換術至今，人工心臟瓣膜的研制日趨成熟，在心外科手術中 正得到越來越多的應用。
目前國內(nèi)外常用的人工心臟瓣膜按材料分有生物瓣和機械瓣。由生物組織材 料制成的生物瓣膜模擬天然的心臟瓣膜的形狀和流型，故其血液相容性好，不易 產(chǎn)生凝血、溶血，瓣膜植入后無需或只需短期抗凝。但由于生物材料易鈣化或衰 敗，所以其壽命較短，患者往往需要昂貴的附加的大外科手術才能換掉。與之相 比，機械瓣是目前世界上使用最為廣泛的人工心臟瓣膜，植入后不發(fā)生特殊情況 可以終生使用，但由于其抗凝血性、血液相容性、血液流暢及力學性能都不夠理 想，故植入后需終生抗凝治療。常規(guī)的機械瓣膜使血液在瓣膜的葉狀部分產(chǎn)生血 滯，由此形成局部血栓(一種血液因素的聚集，主要是血小板和血纖維蛋白與細 胞成分的截留，常常會在其形成位置引起血管的堵塞)，以至最終引起栓塞(血 液運輸管的突然堵塞)。因此在使用常規(guī)的機械瓣膜的情況下，栓塞事故以及隨 后發(fā)生的死亡都可能直接或間接地與瓣膜假體相聯(lián)系。因此提高瓣膜表面的血液 相容性是目前心臟瓣膜設計和制造的許多研究課題中一個比較重要的研究。冷永 祥等人采用離子束技術在熱解炭瓣膜表面沉積鈦氧化物薄膜以及在Ti合金表面 覆蓋Ti02/TiN雙層薄膜以提高其血液相容性(l.熱解炭人工心臟瓣膜材料表面改 性研究，生物醫(yī)學工程學雜志，1999， 16 (2): 127 — 131; 2. The microstructure and mechanical properties of TiN and Ti02/TiN duplex films synthesized by plasma immersion ion implantation and deposition on artificial heart valve, Surface & Coating Technology, 2006, 201:1012-1016)。 E.M.E. Kristensen等通過人工心臟瓣膜表面使用肝磷脂涂層來提高其血液相容性。(Heparin coating durability on artificial heart valves studied by XPS and antithrom bin binding capacity. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2006, 49: 1—7)。綜觀這些研究可以發(fā)現(xiàn)，對人工心臟瓣 膜進行表面處理可以提高其血液相容性，但用上述方法制成的薄膜或涂層容易從 瓣膜表面脫落，從而影響其使用性能。本發(fā)明在超疏水理論的基礎之上，通過在 瓣膜表面構建微細結構來改善其血液相容性。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于根據(jù)超疏水理論，提供一種表面具有微細結構的人工心臟 瓣膜制作方法及其抗凝與減阻性能測試的方法，以克服以往機械瓣膜的缺點和不 足，提供一種具有良好的血液相容性，不易形成血栓，不需終身抗凝，使用壽命 長的人工心臟瓣膜。本發(fā)明的心臟瓣膜表面的周期性陣列的微細結構的形狀可以為方柱、回轉拋 物面、針尖狀、四棱臺或光柵結構等。本發(fā)明按如下步驟實現(xiàn)1. 根據(jù)心臟瓣膜的生物原型，在超疏水理論基礎之上，設計出人工心臟瓣膜表面的微細結構形態(tài)，即確定結構幾何參數(shù)a,b,h，如對于光柵結構，a,b，h分 別為光柵的脊寬、槽寬和脊深；對于方柱結構，"為方柱邊長、6為方柱間距、 為方柱高度(亦即凹槽深度)，并推導出用幾何參數(shù)表征的該表面的表觀接觸角 計算公式，再根據(jù)此公式確定合適的微細結構幾何參數(shù)，使得瓣膜表面的表觀接 觸角大于150。，以期獲得較為理想超疏水表面。2. 利用飛秒激光加工技術加工出具有微細結構表面的模板，清洗烘干后進 行硅烷化處理，以便復型后的PDMS瓣膜能輕易地與模板分離。3. 用軟刻蝕法復制出與模板具有相同微細結構PDMS瓣膜表面。4. 將復型得到的微細結構瓣膜清洗并用緩沖液浸泡后，置于由新鮮抗凝人 血制得的血小板血漿中，并于恒溫水浴中孵育后洗去表面未吸附的血小板，再將 瓣膜進行固定、脫水、干燥和噴金，并通過觀察微細結構瓣膜表面血小板粘附的 數(shù)量和形態(tài)來表征瓣膜的抗凝血性能。5. 利用流變儀進行微細結構瓣膜表面減阻性能的測試，在相同剪切速率、相同間隙下，分別測量出相同血液在光滑表面和微細結構瓣膜表面以及帕耳帖板 上的扭矩，計算出減阻率，由此來表征微細結構瓣膜表面的減阻特性。 本發(fā)明具有以下優(yōu)點-1. 本發(fā)明制得的瓣膜表面結構穩(wěn)定，長期使用也不易損壞。2. 制得的瓣膜表面一次成型后可重復使用而無損壞變形，故可大規(guī)模生產(chǎn)， 能有效降低生產(chǎn)成本。3. 本發(fā)明制得的瓣膜具有明顯的抗凝、減阻特性，能有效地防止血栓的形成。4. 本發(fā)明提供的瓣膜的抗凝、減阻特性的測試方法簡單、可靠。


圖1結構參數(shù)示意圖 (a)光柵結構 (b)方形微柱結構圖2光柵結構的SEM圖 (a)俯視圖 (b)橫截面3硅模板表面方形微柱結構SEM4復型后平行光柵結構表面的SEM5 —次復型后與硅模板相對的PDMS凹坑SEM6 二次復型的PDMS方形微柱結構的SEM圖具體實施方式
以下是對人工心臟瓣膜表面設計與制作及其抗凝、減阻性能測試實施情況的 具體說明實施例l:光柵結構人工心臟瓣膜 1.瓣膜表面微細結構的設計光柵結構參數(shù)如圖l(a)所示，fl、 6分別為光柵的脊寬和槽寬，/z為脊深。根 據(jù)經(jīng)典潤濕理論中Wenzel理論禾B Cassie理論的公式cos《w = r cos《，(^3《=-1 + /^03《十1)可以確定光柵微細結構的瓣膜表面的幾何參數(shù)與表觀接觸角的關系為<formula>formula see original document page 6</formula>因為粗糙表面的實際面積為&=("+6)/+2似，其投影面積為Sp=( +Z))/，柱 狀突起的投影面積為(其中/為光柵長度)，由此可確定表面粗糙度因子 FS/Sfl +2/2/(a+6)，表面方柱體突起所占的面積分數(shù)/尸&A5^a/( a +6)。由此，可以確定出合適的幾何參數(shù)"、6、 /z，使得瓣膜表面的表觀接觸角大 于150° ，即具有超疏水性。2. 模板加工及表面處理利用飛秒激光在片表面加工出光柵微結構模板，圖2是光柵結構的SEM圖， 其中(a)為俯視圖，(b)為橫斷面圖。將加工好的模板放入超聲波清洗機中，在丙 酮與無水乙醇混合液中振蕩10分鐘，然后用去離子水進行沖洗3遍，接著在真 空干燥器中用十七氟癸基三氯硅烷對模板進行硅烷化處理。3. 軟刻蝕法制作光柵微結構瓣膜表面將PDMS預聚物——固化劑(Curing angent)與硅樹脂(Sylgard 184 Base silicone elastomer)按l: IO質量比準確稱量并混合均勻，放入真空器中除氣60 min 后將其澆鑄在模板上，放入真空干燥箱中，在真空度為0.06MPa的條件下再次除 氣lh，經(jīng)過100。C烘烤lh后，將固化后的PDMS膜從硅模板上剝離下來，就可以 得到具有微細結構的瓣膜，如圖4所示。同時還可以用得到的PDMS作為模板重 復復型，從而快速而大量地制得具有光柵微細結構的瓣膜表面。4. 瓣膜表面抗凝性能測試(1) 將光柵微結構瓣膜放在去離子水中超聲清洗三遍后，再用PBS緩沖液浸 泡2h。取新鮮抗凝人血，1000rpm離心分離10min，制備血小板血漿。(2) 吸取上層富血小板血漿，將光柵微結構瓣膜置于其中，于37。C恒溫水浴 中孵育2h。(3) 吸去富血小板血漿，用稀釋了 10倍的PBS小心清洗三遍，洗去表面未 吸附的血小板，再用2.5M的戊二醛在室溫下固定2h。(4) 試樣取出后先用PBS清洗干凈，再用30%、 50%、 70%、 90%、 100%乙 醇/水溶液相繼脫水，每次30min。(5) 經(jīng)臨界干燥器中的C02臨界點干燥后，噴金，用掃描電子顯微鏡對血小板進行觀察、拍照，選取8 10個隨機X1000視野照片做血小板計數(shù)和統(tǒng)計學 分析。最終根據(jù)光柵微結構瓣膜表面血小板粘附的數(shù)量和形態(tài)來表征瓣膜的抗凝 血性能。5.瓣膜表面減阻性能測試用流變儀測量血液在光滑表面和光柵微結構瓣膜表面以及帕耳帖板上的扭 矩M、 M，、 Mo后，通過下述減阻率公式計算出光柵微結構瓣膜表面的減阻率， 以此來衡量其減阻特性。J___|_r= y' y xiooo/o測試時帕耳帖板的溫度為20±0.1° C，選用40mm的平板夾具，夾具與瓣膜間 間隙為500詣，剪切速率為10 100 l/s。實施例2:正方形微柱結構人工心臟瓣膜 1.瓣膜表面微細結構的設計周期性規(guī)則排列正方形微柱結構參數(shù)如圖l(b)所示，"為方柱邊長、6為方 柱間距、為方柱高度(亦即凹槽深度)。根據(jù)Wenzel公式cos《二rcos《和Cassie公式，005《=-1 + /^03《+1)可以確定正方形微柱結構的瓣膜表面的幾何參數(shù)與表觀接觸角的關系為「 Icos6T =1 + -COS0。cos《=-1 +——^~^(cos^+l)其中Fps-6/a(周期間距)，J^R-Zz/"(深寬比)因為粗糙表面的實際面積為&=(a+6)2+4^，其投影面積為Sp=(a+6)2，柱 狀突起的投影面積為&=fl2，所以粗糙度因子^S/Sp-l+4a/2/(a+Z))2，表面方柱 體突起所占的面積分數(shù)/產(chǎn)&AS^^/("+6)2。由此，可以確定出合適的幾何參數(shù)"、6、 &使得瓣膜表面的表觀接觸角大 于150° ，即具有超疏水性。2. 模板加工及表面處理用光刻蝕方法在拋光硅片上加工制作周期性規(guī)則排列正方形微柱結構，圖3 是加工后的模板的SEM圖。其表面處理過程與案例1的表面處理過程相同。3. 軟刻蝕法制作光正方形微柱結構瓣膜表面其具體的操作步驟同實施案例1的軟刻蝕法操作步驟， 一次復型后得到與硅 模板微柱結構相對的PDMS凹坑的SEM照片如圖5。以一次復型得到的PDMS 膜作為模板用相同的方法進行二次復型后便可得到PDMS正方形微柱結構，其 SEM圖見圖6。4. 瓣膜表面的減阻與抗凝性能測試方法與步驟和實施方案1的測試方法與步驟 相同。
權利要求
1.一種微納結構仿生瓣膜的制作方法，其特征是(1)根據(jù)心臟瓣膜的生物原型，基于超疏水理論，設計出人工心臟瓣膜表面的微細結構形態(tài)，即確定結構幾何參數(shù)a，b，h，即對于光柵結構，a，b，h分別為光柵的脊寬、槽寬和脊深；對于方柱結構，a為方柱邊長、b為方柱間距、h為方柱高度，并推導出用幾何參數(shù)表征的該表面的表觀接觸角計算公式，再根據(jù)此公式確定微細結構幾何參數(shù)，使得瓣膜表面的表觀接觸角大于150°；(2)利用飛秒激光加工技術加工出具有微細結構表面的模板，清洗烘干后進行硅烷化處理；(3)用軟刻蝕法復制出與模板具有相同微細結構PDMS瓣膜表面。
2. 根據(jù)權利要求1所述的微納結構仿生瓣膜的抗凝與減阻性能測試方法， 其特征是將復型得到的微細結構瓣膜清洗并用緩沖液浸泡后，置于由新鮮抗凝人 血制得的血小板血漿中，并于恒溫水浴中孵育后洗去表面未吸附的血小板，再將 瓣膜進行固定、脫水、干燥和噴金，并通過觀察微細結構瓣膜表面血小板粘附的 數(shù)量和形態(tài)來表征瓣膜的抗凝血性能；利用流變儀進行微細結構瓣膜表面減阻性能的測試，在相同剪切速率、相同 間隙下，分別測量出相同血液在光滑表面和微細結構瓣膜表面以及帕耳帖板上的 扭矩，計算出減阻率，由此來表征微細結構瓣膜表面的減阻特性。
全文摘要
本發(fā)明涉及醫(yī)學移植物，可適用于各類人工假體心臟瓣膜。其根據(jù)心臟瓣膜的生物原型，通過確定結構幾何參數(shù)a，b，h，設計出人工心臟瓣膜表面的微細結構形態(tài)，并推導出用幾何參數(shù)表征的該表面的表觀接觸角計算公式，再根據(jù)此公式確定合適的微細結構幾何參數(shù)，使得瓣膜表面的表觀接觸角大于150°，以期獲得較為理想超疏水表面。再利用飛秒激光加工技術加工出具有微細結構表面的模板，清洗烘干后進行硅烷化處理，3.用軟刻蝕法復制出與模板具有相同微細結構PDMS瓣膜表面。本發(fā)明制得的瓣膜表面結構穩(wěn)定，具有明顯的抗凝、減阻特性，能有效地防止血栓的形成，長期使用也不易損壞，可重復使用而無損壞變形，故可大規(guī)模生產(chǎn)，且本發(fā)明提供的的測試方法簡單、可靠。
文檔編號A61F2/24GK101254137SQ20081001936
公開日2008年9月3日 申請日期2008年1月7日 優(yōu)先權日2008年1月7日
發(fā)明者霞 葉, 明 周, 健 李, 蘭 蔡 申請人:江蘇大學