专利名称：一种研究血液相容性材料与纤维蛋白原的电子转移模型及其验证方法
技术领域：
本发明属于生物医用材料技术领域，特别是涉及一种血液相容性生物材料领域中的有关半导体生物材料与纤维蛋白原之间电子转移过程的研究模型及其验证方法，即电子转移模型及其验证方法。
背景技术：
生物材料直接与人体组织接触，必须满足对人体无毒性、无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和无致癌性，对人体组织、血液、免疫等系统不产生不良反应等。对于与血液相接触的材料，首先必须满足血液相容性，即生物材料与血液接触时，不引起血浆蛋白变性，不引起凝血以及血小板黏附聚集，不破坏血液的有效成份。因此，材料血液相容性的优劣是生物材料研究设计中首先考虑的问题。研究表明，当生物材料与血液接触的时候，会引起血液一系列变化，最快的变化是血浆蛋白在材料表面的吸附及其构象的变化。在两种与凝血有关的血浆蛋白中，白蛋白的吸附有助于抑制生物材料表面凝血，而纤维蛋白原的吸附和构象变化将激活凝血因子和血小板，使血小板变形和聚集，导致凝血发生，产生级联的凝血反应，最后形成血栓。从血液生理和凝血的过程可以看到，纤维蛋白原在凝血中起着至关重要的作用，因此主要考虑生物材料对纤维蛋白原的激活触发凝血。纤维蛋白原在生物材料表面吸附后，也不一定会引起凝血的发生，这关系到纤维蛋白原的构象是否发生变化。纤维蛋白原可以看作具有类似本征半导体的电子结构，禁带宽度为I. 8eV，纤维蛋白原上的纤维蛋白肽带有很大的负净电荷，其静电斥力阻止纤维蛋白原的聚集。纤维蛋白原构象变化与其电子向材料表面的转移密切相关，如果纤维蛋白原中的电荷向材料表面转移，会导致纤维蛋白原分解为纤维蛋白原单体和纤维蛋白肽，纤维蛋白原单体间失去了静电斥力，加上位点暴露，自发地聚集结合，促使凝血过程的发展。因此， 阻止纤维蛋白原的电荷转移过程是抑制纤维蛋白原构象变化的有效途径。同时掺杂以及缺陷的增多，可以使费米能级提高，功函数降低，电子更容易逸出体外，相对的纤维蛋白原中的电子进入材料表面的可能性减少，纤维蛋白原更不容易分解，从而改善薄膜的血液相容性。西南交通大学黄楠小组研究了掺杂TiO2薄膜的抗凝血机理，Ta5+掺杂后TiO2的禁带宽度为3. 2eV，纤维蛋白原的价带和导带均在掺杂TiO2薄膜禁带范围之内，同时Ta5+掺杂于TiO2薄膜中形成为η型半导体，导带存在电子而价带空穴很少，纤维蛋白原的价带电子向材料转移受到阻碍，抗凝血性能得到提高。同时掺杂以及缺陷的增多，可以使费米能级提高，功函数降低，电子更容易逸出体外，相对的纤维蛋白原中的电子进入材料表面的可能性减少，纤维蛋白原更不容易分解，从而改善薄膜的血液相容性。LJ Yu研究了类金钢石薄膜和热解碳膜(LTI-carbon)的血液相容性，血小板黏附实验表明类金钢石薄膜的抗凝血性能要优于热解碳膜，这是由于类金刚石薄膜的有效功函数(l.OeV)比热解碳膜(5.5eV) 小，因此，电子容易从类金刚石表面脱离出去，也就是说纤维蛋白原上的电荷要转移到类金刚石薄膜比较困难。根据半导体物理的能带理论和上述细胞学理论，要抑制纤维蛋白原的电子转移， 和它接触的生物材料应该具有很低的电子亲和势和较小的表面功函数。因此，有必要研究生物材料与纤维蛋白原之间的电子转移过程，建立电子转移模型，研究其验证方法。本发明提供了一种研究血液相容性材料与纤维蛋白原的电子转移模型，利用理论计算验证和实验测试验证，其中实验测试验证包括成键能带结构表征和生物表征方法，目的在于筛选血液相容性优异的生物材料，开发设计出血液相容性优异的材料体系。为了实现上述目的，本发明提出了电子转移模型，材料与血液接触后，吸附了纤维蛋白原，由于纤维蛋白原具有半导体结构，因此将材料与吸附纤维蛋白原的作用视为半导体异质结，材料的表面能带发生弯曲。纤维蛋白原价带电子若向材料表面弯曲的价带的空态转移，则被激活形成纤维蛋白，促使凝血发生。通过材料不同的能带结构和材料与血液的相互作用势的共同影响，纤维蛋白原价带电子向材料转移应呈现不同的状态，从而影响其血液相容性性能。为了验证本发明中的电子转移模型，本发明一方面提供了理论计算验证， 另一方面提供了实验验证。模拟仿真验证方法中，假设生物材料吸附纤维蛋白原后，二者形成了半导体异质结，定义一个电子在血液中的能级Eblwd，分别将生物材料导带底、纤维蛋白原的导带底与电子血液能级Eblwd的间距称为生物材料和纤维蛋白原的功函数X1和X2，接触生物势Λ X(I)电子的转移方向由材料和纤维蛋白原的费米能级高低决定，首先计算费米能级差AEf = Efl-Ef2 = Δ X +0. 9-ΛEdi，其中纤维蛋白原导带底到费米能级的能级差AE112 =O. 9eV，生物材料导带底到费米能级的能级差为AEdi ；(2)计算价带顶的能级差AEv = Evl-Ev2 = Δ x+1. 8_Egl,其中纤维蛋白原的带隙 Eg2 = I. 8eV,生物材料的带隙为Egl ；(3)如果 AEf · AEv > 0，则定义 U。= | | AEf |-| ΔΕν | ;如果 AEf · AEv < 0，则定义 U。= I I ΔΕ,Ι + Ι ΔΕν| I ；将表面能带弯曲近似看作阶跃势，根据异质结隧穿理论，建立一个目标函数
权利要求
1.一种研究血液相容性材料与纤维蛋白原的电子转移模型，其特征在于其包括电子 转移模型结构及参数、理论计算验证方法和实验验证方法及材料体系三部分。
2.根据权利要求I所述的电子转移模型，其特征在于所述模型的参数包括生物材料 带隙Eg、费米能Ef和表面势能。
3.根据权利要求I所述的电子转移模型，其特征在于所述理论计算验证方法以半导 体能带和电子隧穿理论作为理论基础，建立半导体生物材料能带模型和纤维蛋白原的能带 模型，计算了生物材料的禁带宽度、生物材料与血液接触的接触生物势以及电子掺杂对纤 维蛋白原价带电子穿透几率的影响。
4.根据权利要求I所述的电子转移模型，其特征在于所述实验验证方法通过实验沉 积四面体非晶碳薄膜，通过调节沉积过程中的脉冲重复频率，改变薄膜的成键结构和光学 带隙，采用血小板黏附实验，研究不同生物材料对血小板的黏附数量，以及被黏附血小板的 形态，观察薄膜上黏附血小板的数量和变性程度，验证电子转移模型。
5.权利要求1-4中任一项所述的研究血液相容性材料与纤维蛋白原的电子转移模型 的验证方法，其特征在于包括以下的模拟仿真验证方法步骤假设生物材料吸附纤维蛋白原后，二者形成了半导体异质结，定义一个电子在血液中 的能级Ebltrad,分别将生物材料导带底、纤维蛋白原的导带底与电子血液能级Ebltrad的间距称 为生物材料和纤维蛋白原的功函数乂1和X2，接触生物势Ax = X2-X1 ;其中，接触生物 势Λ X可取正值或者负值，其量级可能从O. IeV 几eV。
6.根据权利要求5所述的电子转移模型的验证方法，其特征在于其还进一步包括步骤(1)电子的转移方向由材料和纤维蛋白原的费米能级高低决定，首先计算费米能级 差AEf = Efl-Ef2 = Δ X +0. 9-ΔEdi,其中纤维蛋白原导带底到费米能级的能级差AEd2 =0.9eV，生物材料导带底到费米能级的能级差为AEdi ；(2)计算价带顶的能级差ΔΕν= Evl-Ev2 = Δ X +1. 8_Egl,其中纤维蛋白原的带隙Eg2 =1.8eV,生物材料的带隙为Egl ；(3)如果AEf. ΛΕν> 0，则定义 U。= I I AEf|-| ΛΕν| | ;如果 AEf. ΛΕν<0，则定义 U0 = I I Δ Ef I +1 Λ Ev I I ；将表面能带弯曲近似看作阶跃势，根据异质结隧穿理论，建立一个目标函数
7.根据权利要求5所述的电子转移模型的验证方法，其特征在于其还进一步包括以下 的实验验证方法步骤(1)采用脉冲激光沉积方法制备四面体非晶碳薄膜；(2)表征四面体非晶碳薄膜的成键结构；(3)表征四面体非晶碳薄膜的能带结构，测量薄膜的透过光谱，求出薄膜吸收系数随光 能量的变化曲线，来确定薄膜的光学禁带宽度；(4)在生物表征方面，采用的方法是血小板黏附实验，研究不同生物材料对血小板的黏附数量，以及被黏附血小板的形态。
8.根据权利要求7所述的电子转移模型的验证方法，其特征在于步骤(I)中，所述脉冲激光沉积方法中采用极限真空可达6. 7X 10_6Pa的真空系统，工作气体为KrF，激光波长 248nm,工作气压10_3 KT4Pa脉冲重复频率5 IOOHz，脉冲宽度为20ns，单脉冲激光能量O 250mJo
9.根据权利要求7所述的电子转移模型的验证方法，其特征在于步骤(2)中，所述的四面体非晶碳薄膜结构表征其方法是拉曼光谱分析和紫外-可见光谱分析，表征四面体非晶碳薄膜的成键结构，sp2C与sp3C成分变化，以及能带结构。
10.根据权利要求7所述的电子转移模型的验证方法，其特征在于步骤(4)中，所述血小板黏附实验，研究不同生物材料对血小板的黏附数量，以及被黏附血小板的形态；采用的血小板溶液的浓度分别为100-5000个/μ 1，优选为1000-3000个/μ I ;在扫描电镜的低倍视野下观察黏附血小板的数量，在高倍视野下观察黏附血小板的形态。
全文摘要
本发明涉及一种研究血液相容性材料与纤维蛋白原的电子转移模型及其验证方法。本发明还公开了对该模型的验证方法包括理论计算和实验测试验证。理论计算是采用半导体异质结理论，计算了生物材料的禁带宽度、生物材料与血液接触的接触生物势以及电子掺杂对纤维蛋白原价带电子穿透几率的影响；实验验证方法是由在不同条件下制备出的四面体非晶碳薄膜，通过分析薄膜结构、能带等，并结合血小板黏附实验，观察不同薄膜对血小板黏附数量和形态的变化，验证不同能带结构的薄膜对纤维蛋白原电子转移的影响。本发明的电子转移模型及其研究方法，为生物材料制备改进工艺条件，提高血液相容性提供了实验和理论参考。
文档编号G01N27/00GK102608165SQ20121005557
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月5日 优先权日2012年3月5日
发明者何振辉, 罗平, 陈弟虎, 黄展云 申请人:中山大学