专利名称：微纳结构仿生瓣膜的制作及表面抗凝与减阻测试方法
技术领域：
本发明涉及医学移植物，特指一种微纳结构仿生瓣膜的制作方法以及其表面 抗凝与减阻性能测试的方法，可适用于各类人工假体心脏瓣膜。
背景技术：
人体心脏瓣膜由于各种病因形成的器质性疾病，可以通过心外科手术置换人 工瓣膜进行治疗。自六十年代初美国波兰特心外科医生Albert Starr首先成功进 行第一例心脏瓣膜置换术至今，人工心脏瓣膜的研制日趋成熟，在心外科手术中 正得到越来越多的应用。
目前国内外常用的人工心脏瓣膜按材料分有生物瓣和机械瓣。由生物组织材 料制成的生物瓣膜模拟天然的心脏瓣膜的形状和流型，故其血液相容性好，不易 产生凝血、溶血，瓣膜植入后无需或只需短期抗凝。但由于生物材料易钙化或衰 败，所以其寿命较短，患者往往需要昂贵的附加的大外科手术才能换掉。与之相 比，机械瓣是目前世界上使用最为广泛的人工心脏瓣膜，植入后不发生特殊情况 可以终生使用，但由于其抗凝血性、血液相容性、血液流畅及力学性能都不够理 想，故植入后需终生抗凝治疗。常规的机械瓣膜使血液在瓣膜的叶状部分产生血 滞，由此形成局部血栓(一种血液因素的聚集，主要是血小板和血纤维蛋白与细 胞成分的截留，常常会在其形成位置引起血管的堵塞)，以至最终引起栓塞(血 液运输管的突然堵塞)。因此在使用常规的机械瓣膜的情况下，栓塞事故以及随 后发生的死亡都可能直接或间接地与瓣膜假体相联系。因此提高瓣膜表面的血液 相容性是目前心脏瓣膜设计和制造的许多研究课题中一个比较重要的研究。冷永 祥等人采用离子束技术在热解炭瓣膜表面沉积钛氧化物薄膜以及在Ti合金表面 覆盖Ti02/TiN双层薄膜以提高其血液相容性(l.热解炭人工心脏瓣膜材料表面改 性研究，生物医学工程学杂志，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等通过人工心脏瓣膜表面使用肝磷脂涂层来提高其血液相容性。(Heparin coating durability on artificial heart valves studied by XPS and antithrom bin binding capacity. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2006, 49: 1—7)。综观这些研究可以发现，对人工心脏瓣 膜进行表面处理可以提高其血液相容性，但用上述方法制成的薄膜或涂层容易从 瓣膜表面脱落，从而影响其使用性能。本发明在超疏水理论的基础之上，通过在 瓣膜表面构建微细结构来改善其血液相容性。发明内容本发明的目的在于根据超疏水理论，提供一种表面具有微细结构的人工心脏 瓣膜制作方法及其抗凝与减阻性能测试的方法，以克服以往机械瓣膜的缺点和不 足，提供一种具有良好的血液相容性，不易形成血栓，不需终身抗凝，使用寿命 长的人工心脏瓣膜。本发明的心脏瓣膜表面的周期性阵列的微细结构的形状可以为方柱、回转抛 物面、针尖状、四棱台或光栅结构等。本发明按如下步骤实现1. 根据心脏瓣膜的生物原型，在超疏水理论基础之上，设计出人工心脏瓣膜表面的微细结构形态，即确定结构几何参数a,b,h，如对于光栅结构，a,b，h分 别为光栅的脊宽、槽宽和脊深；对于方柱结构，"为方柱边长、6为方柱间距、 为方柱高度(亦即凹槽深度)，并推导出用几何参数表征的该表面的表观接触角 计算公式，再根据此公式确定合适的微细结构几何参数，使得瓣膜表面的表观接 触角大于150。，以期获得较为理想超疏水表面。2. 利用飞秒激光加工技术加工出具有微细结构表面的模板，清洗烘干后进 行硅烷化处理，以便复型后的PDMS瓣膜能轻易地与模板分离。3. 用软刻蚀法复制出与模板具有相同微细结构PDMS瓣膜表面。4. 将复型得到的微细结构瓣膜清洗并用缓冲液浸泡后，置于由新鲜抗凝人 血制得的血小板血浆中，并于恒温水浴中孵育后洗去表面未吸附的血小板，再将 瓣膜进行固定、脱水、干燥和喷金，并通过观察微细结构瓣膜表面血小板粘附的 数量和形态来表征瓣膜的抗凝血性能。5. 利用流变仪进行微细结构瓣膜表面减阻性能的测试，在相同剪切速率、相同间隙下，分别测量出相同血液在光滑表面和微细结构瓣膜表面以及帕耳帖板 上的扭矩，计算出减阻率，由此来表征微细结构瓣膜表面的减阻特性。 本发明具有以下优点-1. 本发明制得的瓣膜表面结构稳定，长期使用也不易损坏。2. 制得的瓣膜表面一次成型后可重复使用而无损坏变形，故可大规模生产， 能有效降低生产成本。3. 本发明制得的瓣膜具有明显的抗凝、减阻特性，能有效地防止血栓的形成。4. 本发明提供的瓣膜的抗凝、减阻特性的测试方法简单、可靠。
图1结构参数示意图 (a)光栅结构 (b)方形微柱结构图2光栅结构的SEM图 (a)俯视图 (b)横截面3硅模板表面方形微柱结构SEM4复型后平行光栅结构表面的SEM5 —次复型后与硅模板相对的PDMS凹坑SEM6 二次复型的PDMS方形微柱结构的SEM图具体实施方式
以下是对人工心脏瓣膜表面设计与制作及其抗凝、减阻性能测试实施情况的 具体说明实施例l:光栅结构人工心脏瓣膜 1.瓣膜表面微细结构的设计光栅结构参数如图l(a)所示，fl、 6分别为光栅的脊宽和槽宽，/z为脊深。根 据经典润湿理论中Wenzel理论禾B Cassie理论的公式cos《w = r cos《，(^3《=-1 + /^03《十1)可以确定光栅微细结构的瓣膜表面的几何参数与表观接触角的关系为<formula>formula see original document page 6</formula>因为粗糙表面的实际面积为&=("+6)/+2似，其投影面积为Sp=( +Z))/，柱 状突起的投影面积为(其中/为光栅长度)，由此可确定表面粗糙度因子 FS/Sfl +2/2/(a+6)，表面方柱体突起所占的面积分数/尸&A5^a/( a +6)。由此，可以确定出合适的几何参数"、6、 /z，使得瓣膜表面的表观接触角大 于150° ，即具有超疏水性。2. 模板加工及表面处理利用飞秒激光在片表面加工出光栅微结构模板，图2是光栅结构的SEM图， 其中(a)为俯视图，(b)为横断面图。将加工好的模板放入超声波清洗机中，在丙 酮与无水乙醇混合液中振荡10分钟，然后用去离子水进行冲洗3遍，接着在真 空干燥器中用十七氟癸基三氯硅烷对模板进行硅烷化处理。3. 软刻蚀法制作光栅微结构瓣膜表面将PDMS预聚物——固化剂(Curing angent)与硅树脂(Sylgard 184 Base silicone elastomer)按l: IO质量比准确称量并混合均匀，放入真空器中除气60 min 后将其浇铸在模板上，放入真空干燥箱中，在真空度为0.06MPa的条件下再次除 气lh，经过100。C烘烤lh后，将固化后的PDMS膜从硅模板上剥离下来，就可以 得到具有微细结构的瓣膜，如图4所示。同时还可以用得到的PDMS作为模板重 复复型，从而快速而大量地制得具有光栅微细结构的瓣膜表面。4. 瓣膜表面抗凝性能测试(1) 将光栅微结构瓣膜放在去离子水中超声清洗三遍后，再用PBS缓冲液浸 泡2h。取新鲜抗凝人血，1000rpm离心分离10min，制备血小板血浆。(2) 吸取上层富血小板血浆，将光栅微结构瓣膜置于其中，于37。C恒温水浴 中孵育2h。(3) 吸去富血小板血浆，用稀释了 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的戊二醛在室温下固定2h。(4) 试样取出后先用PBS清洗干净，再用30%、 50%、 70%、 90%、 100%乙 醇/水溶液相继脱水，每次30min。(5) 经临界干燥器中的C02临界点干燥后，喷金，用扫描电子显微镜对血小板进行观察、拍照，选取8 10个随机X1000视野照片做血小板计数和统计学 分析。最终根据光栅微结构瓣膜表面血小板粘附的数量和形态来表征瓣膜的抗凝 血性能。5.瓣膜表面减阻性能测试用流变仪测量血液在光滑表面和光栅微结构瓣膜表面以及帕耳帖板上的扭 矩M、 M，、 Mo后，通过下述减阻率公式计算出光栅微结构瓣膜表面的减阻率， 以此来衡量其减阻特性。J___|_r= y' y xiooo/o测试时帕耳帖板的温度为20±0.1° C，选用40mm的平板夹具，夹具与瓣膜间 间隙为500詣，剪切速率为10 100 l/s。实施例2:正方形微柱结构人工心脏瓣膜 1.瓣膜表面微细结构的设计周期性规则排列正方形微柱结构参数如图l(b)所示，"为方柱边长、6为方 柱间距、为方柱高度(亦即凹槽深度)。根据Wenzel公式cos《二rcos《和Cassie公式，005《=-1 + /^03《+1)可以确定正方形微柱结构的瓣膜表面的几何参数与表观接触角的关系为「 Icos6T =1 + -COS0。cos《=-1 +——^~^(cos^+l)其中Fps-6/a(周期间距)，J^R-Zz/"(深宽比)因为粗糙表面的实际面积为&=(a+6)2+4^，其投影面积为Sp=(a+6)2，柱 状突起的投影面积为&=fl2，所以粗糙度因子^S/Sp-l+4a/2/(a+Z))2，表面方柱 体突起所占的面积分数/产&AS^^/("+6)2。由此，可以确定出合适的几何参数"、6、 &使得瓣膜表面的表观接触角大 于150° ，即具有超疏水性。2. 模板加工及表面处理用光刻蚀方法在抛光硅片上加工制作周期性规则排列正方形微柱结构，图3 是加工后的模板的SEM图。其表面处理过程与案例1的表面处理过程相同。3. 软刻蚀法制作光正方形微柱结构瓣膜表面其具体的操作步骤同实施案例1的软刻蚀法操作步骤， 一次复型后得到与硅 模板微柱结构相对的PDMS凹坑的SEM照片如图5。以一次复型得到的PDMS 膜作为模板用相同的方法进行二次复型后便可得到PDMS正方形微柱结构，其 SEM图见图6。4. 瓣膜表面的减阻与抗凝性能测试方法与步骤和实施方案1的测试方法与步骤 相同。
权利要求
1.一种微纳结构仿生瓣膜的制作方法，其特征是(1)根据心脏瓣膜的生物原型，基于超疏水理论，设计出人工心脏瓣膜表面的微细结构形态，即确定结构几何参数a，b，h，即对于光栅结构，a，b，h分别为光栅的脊宽、槽宽和脊深；对于方柱结构，a为方柱边长、b为方柱间距、h为方柱高度，并推导出用几何参数表征的该表面的表观接触角计算公式，再根据此公式确定微细结构几何参数，使得瓣膜表面的表观接触角大于150°；(2)利用飞秒激光加工技术加工出具有微细结构表面的模板，清洗烘干后进行硅烷化处理；(3)用软刻蚀法复制出与模板具有相同微细结构PDMS瓣膜表面。
2. 根据权利要求1所述的微纳结构仿生瓣膜的抗凝与减阻性能测试方法， 其特征是将复型得到的微细结构瓣膜清洗并用缓冲液浸泡后，置于由新鲜抗凝人 血制得的血小板血浆中，并于恒温水浴中孵育后洗去表面未吸附的血小板，再将 瓣膜进行固定、脱水、干燥和喷金，并通过观察微细结构瓣膜表面血小板粘附的 数量和形态来表征瓣膜的抗凝血性能；利用流变仪进行微细结构瓣膜表面减阻性能的测试，在相同剪切速率、相同 间隙下，分别测量出相同血液在光滑表面和微细结构瓣膜表面以及帕耳帖板上的 扭矩，计算出减阻率，由此来表征微细结构瓣膜表面的减阻特性。
全文摘要
本发明涉及医学移植物，可适用于各类人工假体心脏瓣膜。其根据心脏瓣膜的生物原型，通过确定结构几何参数a，b，h，设计出人工心脏瓣膜表面的微细结构形态，并推导出用几何参数表征的该表面的表观接触角计算公式，再根据此公式确定合适的微细结构几何参数，使得瓣膜表面的表观接触角大于150°，以期获得较为理想超疏水表面。再利用飞秒激光加工技术加工出具有微细结构表面的模板，清洗烘干后进行硅烷化处理，3.用软刻蚀法复制出与模板具有相同微细结构PDMS瓣膜表面。本发明制得的瓣膜表面结构稳定，具有明显的抗凝、减阻特性，能有效地防止血栓的形成，长期使用也不易损坏，可重复使用而无损坏变形，故可大规模生产，且本发明提供的的测试方法简单、可靠。
文档编号A61F2/24GK101254137SQ20081001936
公开日2008年9月3日 申请日期2008年1月7日 优先权日2008年1月7日
发明者霞 叶, 明 周, 健 李, 兰 蔡 申请人:江苏大学