真空技术在新型医疗器械中的应用价值探讨

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)莱芜市人民医院器械科 作者:亓玲

  真空技术在医疗器械(如:牙种植体、心血管支架等)表面改性方面具有很大的优势。与其他常规方法(如溶胶凝胶、微弧氧化等)相比,真空方法是非常洁净的,能够进行闭环控制而不受外界环境的影响。本文论述了真空技术在生物机械、医疗器械中的应用价值,包括采用真空等离子体氧化技术在牙种植体上制备超亲水表面以提高生物相容性和初期稳定性,采用真空镀膜技术制备碳基薄膜,降低摩擦系数,提高种植体系统的长期成功率;采用电子束蒸发技术在心血管支架上制备氧化钛涂层,提高生物活性。研究结果表明真空技术制备的表面具有优异的润湿特性,能够控制细胞的吸附和扩展,改善种植体植入体内后的行为。因此,真空技术是一种提高医疗器械治疗效果的有效方法,在医疗器械表面设计中具有重要的应用价值。

  信息、生命、纳米科技将引领21 世纪世界科技发展的潮流。中国进入信息时代后,将不可避免的迎接生物科学技术时代的到来。生物机械、医疗器械是机械工程、制造科技与生命科技的交叉,是现代制造的新领域。过去12 年来,中国医疗器械市场销售规模由2001 年的179 亿元增长到2012年的1700 亿元,剔除物价因素影响,12 年间增长了近9.4 倍。据中国医药物资协会医疗器械分会抽样调查统计,2013 年前10 月中国医疗器械市场总销售规模达到1410 亿元,预计全年销售规模达到2120 亿元,比上一年度增长21.19%。

  在医疗器械的设计、制造和使用过程中,表面工程技术占有非常重要的地位。医疗器械的性能主要取决于它的成分及其微观组织。多数医疗器械产品由于与表面相关的摩擦磨损、腐蚀氧化以及疲劳断裂等导致失效或破坏,因此,表面改性技术日益受到重视。

  本课题组之前用真空技术进行医疗器械表面改性以提高生物相容性,掌握了表面显微结构、形貌、润湿性与生物相容性的关系机理。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)与中国医科大学、沈阳仪表科学研究院等单位合作,申报成功沈阳市生物机械与表面工程重点实验室,正在实施建设。

  医疗器械的表面设计及可靠性始终是产业化应用的瓶颈之一,本文论述了真空技术在生物机械、医疗器械中的应用,特别是从等离子体氧化、碳基薄膜制备及电子束蒸发的角度出发,探讨了医疗器械的表面设计原则及真空技术在其中的应用价值。

1、等离子体氧化技术

1.1、表面改性工艺

  利用真空辉光放电产生的氧离子轰击种植体表面,生成一层氧化薄膜。以接触角为衡量标准,通过改变处理时间、自偏压和气体流量比例对等离子体氧化工艺进行优化。有关设备和工艺的信息,详见之前发表的文章。

2、表面特性表征

  图1 为样片经等离子体氧化处理前后的表面结构图。可以看出等离子体氧化处理没有改变喷砂酸蚀(SLA)工艺产生的多孔表面结构。考虑到喷砂酸蚀多孔表面是种植体在临床上成功应用的先决条件,这种多孔结构的保持具有重要的意义。

等离子体氧化处理前(a)、后(b)样品表面的SEM 相片

图1 等离子体氧化处理前(a)、后(b)样品表面的SEM 相片

等离子体氧化前后表面XRD检测结果

图2 等离子体氧化前后表面XRD 检测结果

  对等离子体氧化处理前后的样品进行了XRD 检测(如图2 所示),SLA 表面未出现二氧化钛结构,而等离子体处理样品的检测中出现了锐钛矿相结构,衍射角2θ=27.5°,晶面为(110)。氧化钛晶粒在(110)晶面方向上发生了取向生长。对等离子体氧化处理的样品进行了XPS 检测,用XPS peak 软件对Ti 2p、O1s 进行分峰处理,如图3 所示,计算得到样品表面Ti4+、Ti3+ 和Ti2+ 三种离子及-OH 功能团的含量分别为50.74%、18.01%、31.25%及56.18%。

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图3 等离子体氧化表面的Ti 2p(a)及O1s(b)拟合图

  等离子体氧化后样品表面的接触角如图4 所示。可以看出样品表面显示为超亲水特性,水滴在表面铺开,接触角为0.93°。该超亲水性的获得,得益于表面多孔结构的保持和表面氧化钛涂层的制备,同时预示着该表面具有良好的生物活性。

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图4 等离子体氧化后样品表面接触角

  成骨细胞的粘附和增殖是评价种植体生物活性的重要参数。图5 显示了等离子体氧化样品表面成骨细胞的粘附情况。培养6 h 时,细胞处于增殖间期,细胞形态为椭圆或纺锤形,无方向性,此时成骨细胞的的肌动蛋白蛋白纤维素聚集于细胞中央,微足结构并不可见。培养24 h 时,此时细胞处于分裂前期,细胞的体积明显增大。细胞数目明显增多,并且铺展良好,此时成骨细胞的的肌动蛋白蛋白纤维素向周围扩散,可见到少量不规则伸展的伪足。多数成骨细胞呈不规则多角形,而个别细胞呈放射状。培养48 h 时,细胞已经完成分裂增殖,图中可以看出细胞数目明显增多,细胞呈梭形,无明显的排列方向。此时细胞已经伸出更多的板状或丝状伪足。可以预测,本文等离子体氧化工艺处理的种植体具有良好的骨结合能力和初期稳定性,目前课题组正在与国内某医疗器械龙头企业合作,在其现有工艺的基础上增加等离子体氧化工艺,制备超亲水表面,缩短种植体的骨结合时间,预计今后将在其国外引进的生产线上增加真空处理装置,该工作将对医疗器械生产、真空装备制造等行业产生重要影响。

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图5 等离子体氧化样品表面成骨细胞粘附的SEM图片(a)6 小时(b)24 小时(c)48 小时.(b)、(c)右上角为放大图

3、碳基薄膜制备技术

  相关研究表明:在种植体内螺纹及基台螺丝表面镀制碳基薄膜能够有效降低连接螺纹副间摩擦系数,实现在不增加旋紧扭矩的前提下提高预紧力,从而达到防止螺钉松动失效的目的[8]。本文采用射频辉光放电PECVD 系统在种植体基台螺丝上制备碳膜,在所用真空装置中进行了特别设计为基片提供脉冲直流负偏压。

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图6 基台螺丝表面的拉曼光谱图

  所制备表面的Raman 光谱扣除本底噪声并进行高斯分峰拟合后,光谱图如图6 所示。由图可知,光谱显示出了类金刚石碳的两个典型峰值:G峰(1548.76 cm-1 处)和D 峰(1351.91 cm-1 处),这说明沉积的薄膜是类金刚石碳膜。

  为研究表面的化学成分,进行了XPS 光谱测试,结果如图7 所示。

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图7 基台螺丝表面的C1sXPS 谱图

  由C1sXPS 谱图可知,样片的C1s 主峰位于284.8 eV,介于金刚石(285.6 eV)和石墨(284.4 eV)之间,说明表面沉积的薄膜既包含sp2 杂化碳原子,又包含sp3 杂化碳原子。将C1s 谱进行高斯分峰拟合,得到sp3 和sp2 的两个峰,利用谱峰面积积分强度法计算出sp3 含量36.28%。纳米压痕硬度测试结果表明,表面沉积的碳膜硬度值在4 GPa 左右,与纯钛基底相比有了较大提高。将样片浸泡在1%的NaCl 溶液中,利用UMT-2MT 型摩擦磨损试验机对碳膜的生物摩擦学特性进行了研究。实验条件为:采用Φ5 mm 钛对磨球,载荷为10 g,转速为120 rpm,回转半径为1 mm。摩擦系数曲线如图8 所示。

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图8 沉积碳膜前后样片在生理盐水环境中的摩擦系数

  纯钛样片在生理盐水环境中的平均摩擦系数为0.389,沉积碳膜后的摩擦系数为0.187。可见制备碳膜后,基台螺丝能够获得更好的生物摩擦性能。该技术有望明显提高种植体系统的预紧力,改善种植体系统的长期成功率和可靠性,解决困扰牙种植体临床手术的“机械并发症”问题。

4、电子束蒸发技术

  目前血管支架由于内膜增生带来的再狭窄仍然是制约该项技术的主要瓶颈。这些问题引发了对于诸如表面特性、生物相容性、药物携带等的讨论研究。本课题组用电子束蒸发的方法制备氧化钛薄膜获得了具有良好生物活性的表面。

  用电子束蒸发系统在心血管支架材料上沉积氧化钛薄膜的具体工艺在之前的文章中已经详细论述。用XPS 分析所制备的表面,结果如图9所示,XPS 分析表明所制备的薄膜是由TiO2,Ti2O3和TiO 组成的多晶体。

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图9 电子束蒸发制备氧化钛薄膜的XPS 谱图

  将样品浸泡在PBS 溶液中,进行平滑肌细胞培养实验,测定样品的生物活性(如图10 所示)。

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图10 沉积氧化钛薄膜前(左图)后(右图)平滑肌细胞吸附图片

  结果表明,电子束蒸发制备的氧化钛薄膜具有良好的生物活性,能够用于心血管支架表面改性,降低再狭窄的几率。下一步,将在此基础上进行载药涂层制备及真空冷冻干燥实验,探索新型心血管支架的表面设计法则。

5、结论

  本文论述了利用真空技术进行医疗器械表面改性的几种方法,特别是等离子体氧化、碳基薄膜制备及电子束蒸发三种方法,列举了最新的一些进展。通过等离子体氧化制备亲水性的氧化钛表面,有助于促进成骨细胞的粘附和增殖,为缩短医用种植体的愈合时间提供了可能;通过碳基薄膜制备,能够增强种植体系统的预紧力,提高其长期成功率及可靠性;电子束蒸发等技术为解决心血管支架再狭窄及长期成功率等问题提供了可行的方案。由于真空技术能够为医疗器械提供更洁净、更有效的表面,更好地满足临床的需求,因此可以预见真空技术及装备在医疗器械行业的应用将越来越大,将拥有更为广阔的空间。

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