真空技術(shù)在醫(yī)療器械(如：牙種植體、心血管支架等)表面改性方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。與其他常規(guī)方法(如溶膠凝膠、微弧氧化等)相比，真空方法是非常潔凈的，能夠進(jìn)行閉環(huán)控制而不受外界環(huán)境的影響。本文論述了真空技術(shù)在生物機(jī)械、醫(yī)療器械中的應(yīng)用價(jià)值，包括采用真空等離子體氧化技術(shù)在牙種植體上制備超親水表面以提高生物相容性和初期穩(wěn)定性，采用真空鍍膜技術(shù)制備碳基薄膜，降低摩擦系數(shù)，提高種植體系統(tǒng)的長(zhǎng)期成功率;采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在心血管支架上制備氧化鈦涂層，提高生物活性。研究結(jié)果表明真空技術(shù)制備的表面具有優(yōu)異的潤(rùn)濕特性，能夠控制細(xì)胞的吸附和擴(kuò)展，改善種植體植入體內(nèi)后的行為。因此，真空技術(shù)是一種提高醫(yī)療器械治療效果的有效方法，在醫(yī)療器械表面設(shè)計(jì)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

　　信息、生命、納米科技將引領(lǐng)21 世紀(jì)世界科技發(fā)展的潮流。中國(guó)進(jìn)入信息時(shí)代后，將不可避免的迎接生物科學(xué)技術(shù)時(shí)代的到來(lái)。生物機(jī)械、醫(yī)療器械是機(jī)械工程、制造科技與生命科技的交叉，是現(xiàn)代制造的新領(lǐng)域。過(guò)去12 年來(lái)，中國(guó)醫(yī)療器械市場(chǎng)銷售規(guī)模由2001 年的179 億元增長(zhǎng)到2012年的1700 億元，剔除物價(jià)因素影響，12 年間增長(zhǎng)了近9.4 倍。據(jù)中國(guó)醫(yī)藥物資協(xié)會(huì)醫(yī)療器械分會(huì)抽樣調(diào)查統(tǒng)計(jì)，2013 年前10 月中國(guó)醫(yī)療器械市場(chǎng)總銷售規(guī)模達(dá)到1410 億元，預(yù)計(jì)全年銷售規(guī)模達(dá)到2120 億元，比上一年度增長(zhǎng)21.19%。

　　在醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)、制造和使用過(guò)程中，表面工程技術(shù)占有非常重要的地位。醫(yī)療器械的性能主要取決于它的成分及其微觀組織。多數(shù)醫(yī)療器械產(chǎn)品由于與表面相關(guān)的摩擦磨損、腐蝕氧化以及疲勞斷裂等導(dǎo)致失效或破壞，因此，表面改性技術(shù)日益受到重視。

　　本課題組之前用真空技術(shù)進(jìn)行醫(yī)療器械表面改性以提高生物相容性，掌握了表面顯微結(jié)構(gòu)、形貌、潤(rùn)濕性與生物相容性的關(guān)系機(jī)理。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)與中國(guó)醫(yī)科大學(xué)、沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院等單位合作，申報(bào)成功沈陽(yáng)市生物機(jī)械與表面工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，正在實(shí)施建設(shè)。

　　醫(yī)療器械的表面設(shè)計(jì)及可靠性始終是產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的瓶頸之一，本文論述了真空技術(shù)在生物機(jī)械、醫(yī)療器械中的應(yīng)用，特別是從等離子體氧化、碳基薄膜制備及電子束蒸發(fā)的角度出發(fā)，探討了醫(yī)療器械的表面設(shè)計(jì)原則及真空技術(shù)在其中的應(yīng)用價(jià)值。

1、等離子體氧化技術(shù)

1.1、表面改性工藝

　　利用真空輝光放電產(chǎn)生的氧離子轟擊種植體表面，生成一層氧化薄膜。以接觸角為衡量標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)改變處理時(shí)間、自偏壓和氣體流量比例對(duì)等離子體氧化工藝進(jìn)行優(yōu)化。有關(guān)設(shè)備和工藝的信息，詳見(jiàn)之前發(fā)表的文章。

2、表面特性表征

　　圖1 為樣片經(jīng)等離子體氧化處理前后的表面結(jié)構(gòu)圖�？梢钥闯龅入x子體氧化處理沒(méi)有改變噴砂酸蝕(SLA)工藝產(chǎn)生的多孔表面結(jié)構(gòu)。考慮到噴砂酸蝕多孔表面是種植體在臨床上成功應(yīng)用的先決條件，這種多孔結(jié)構(gòu)的保持具有重要的意義。

圖1 等離子體氧化處理前(a)、后(b)樣品表面的SEM 相片

圖2 等離子體氧化前后表面XRD 檢測(cè)結(jié)果

　　對(duì)等離子體氧化處理前后的樣品進(jìn)行了XRD 檢測(cè)(如圖2 所示)，SLA 表面未出現(xiàn)二氧化鈦結(jié)構(gòu)，而等離子體處理樣品的檢測(cè)中出現(xiàn)了銳鈦礦相結(jié)構(gòu)，衍射角2θ=27.5°，晶面為(110)。氧化鈦晶粒在(110)晶面方向上發(fā)生了取向生長(zhǎng)。對(duì)等離子體氧化處理的樣品進(jìn)行了XPS 檢測(cè)，用XPS peak 軟件對(duì)Ti 2p、O1s 進(jìn)行分峰處理，如圖3 所示，計(jì)算得到樣品表面Ti4+、Ti3+ 和Ti2+ 三種離子及-OH 功能團(tuán)的含量分別為50.74%、18.01%、31.25%及56.18%。

圖3 等離子體氧化表面的Ti 2p(a)及O1s(b)擬合圖

　　等離子體氧化后樣品表面的接觸角如圖4 所示�？梢钥闯鰳悠繁砻骘@示為超親水特性，水滴在表面鋪開，接觸角為0.93°。該超親水性的獲得，得益于表面多孔結(jié)構(gòu)的保持和表面氧化鈦涂層的制備，同時(shí)預(yù)示著該表面具有良好的生物活性。

圖4 等離子體氧化后樣品表面接觸角

　　成骨細(xì)胞的粘附和增殖是評(píng)價(jià)種植體生物活性的重要參數(shù)。圖5 顯示了等離子體氧化樣品表面成骨細(xì)胞的粘附情況。培養(yǎng)6 h 時(shí)，細(xì)胞處于增殖間期，細(xì)胞形態(tài)為橢圓或紡錘形，無(wú)方向性，此時(shí)成骨細(xì)胞的的肌動(dòng)蛋白蛋白纖維素聚集于細(xì)胞中央，微足結(jié)構(gòu)并不可見(jiàn)。培養(yǎng)24 h 時(shí)，此時(shí)細(xì)胞處于分裂前期，細(xì)胞的體積明顯增大。細(xì)胞數(shù)目明顯增多，并且鋪展良好，此時(shí)成骨細(xì)胞的的肌動(dòng)蛋白蛋白纖維素向周圍擴(kuò)散，可見(jiàn)到少量不規(guī)則伸展的偽足。多數(shù)成骨細(xì)胞呈不規(guī)則多角形，而個(gè)別細(xì)胞呈放射狀。培養(yǎng)48 h 時(shí)，細(xì)胞已經(jīng)完成分裂增殖，圖中可以看出細(xì)胞數(shù)目明顯增多，細(xì)胞呈梭形，無(wú)明顯的排列方向。此時(shí)細(xì)胞已經(jīng)伸出更多的板狀或絲狀偽足�？梢灶A(yù)測(cè)，本文等離子體氧化工藝處理的種植體具有良好的骨結(jié)合能力和初期穩(wěn)定性，目前課題組正在與國(guó)內(nèi)某醫(yī)療器械龍頭企業(yè)合作，在其現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上增加等離子體氧化工藝，制備超親水表面，縮短種植體的骨結(jié)合時(shí)間，預(yù)計(jì)今后將在其國(guó)外引進(jìn)的生產(chǎn)線上增加真空處理裝置，該工作將對(duì)醫(yī)療器械生產(chǎn)、真空裝備制造等行業(yè)產(chǎn)生重要影響。

圖5 等離子體氧化樣品表面成骨細(xì)胞粘附的SEM圖片(a)6 小時(shí)(b)24 小時(shí)(c)48 小時(shí).(b)、(c)右上角為放大圖

3、碳基薄膜制備技術(shù)

　　相關(guān)研究表明：在種植體內(nèi)螺紋及基臺(tái)螺絲表面鍍制碳基薄膜能夠有效降低連接螺紋副間摩擦系數(shù)，實(shí)現(xiàn)在不增加旋緊扭矩的前提下提高預(yù)緊力，從而達(dá)到防止螺釘松動(dòng)失效的目的[8]。本文采用射頻輝光放電PECVD 系統(tǒng)在種植體基臺(tái)螺絲上制備碳膜，在所用真空裝置中進(jìn)行了特別設(shè)計(jì)為基片提供脈沖直流負(fù)偏壓。

圖6 基臺(tái)螺絲表面的拉曼光譜圖

　　所制備表面的Raman 光譜扣除本底噪聲并進(jìn)行高斯分峰擬合后，光譜圖如圖6 所示。由圖可知，光譜顯示出了類金剛石碳的兩個(gè)典型峰值：G峰(1548.76 cm-1 處)和D 峰(1351.91 cm-1 處)，這說(shuō)明沉積的薄膜是類金剛石碳膜。

　　為研究表面的化學(xué)成分，進(jìn)行了XPS 光譜測(cè)試，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 基臺(tái)螺絲表面的C1sXPS 譜圖

　　由C1sXPS 譜圖可知，樣片的C1s 主峰位于284.8 eV，介于金剛石(285.6 eV)和石墨(284.4 eV)之間，說(shuō)明表面沉積的薄膜既包含sp2 雜化碳原子，又包含sp3 雜化碳原子。將C1s 譜進(jìn)行高斯分峰擬合，得到sp3 和sp2 的兩個(gè)峰，利用譜峰面積積分強(qiáng)度法計(jì)算出sp3 含量36.28%。納米壓痕硬度測(cè)試結(jié)果表明，表面沉積的碳膜硬度值在4 GPa 左右，與純鈦基底相比有了較大提高。將樣片浸泡在1%的NaCl 溶液中，利用UMT-2MT 型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)碳膜的生物摩擦學(xué)特性進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)條件為：采用Φ5 mm 鈦對(duì)磨球，載荷為10 g，轉(zhuǎn)速為120 rpm，回轉(zhuǎn)半徑為1 mm。摩擦系數(shù)曲線如圖8 所示。

圖8 沉積碳膜前后樣片在生理鹽水環(huán)境中的摩擦系數(shù)

　　純鈦樣片在生理鹽水環(huán)境中的平均摩擦系數(shù)為0.389，沉積碳膜后的摩擦系數(shù)為0.187�？梢�(jiàn)制備碳膜后，基臺(tái)螺絲能夠獲得更好的生物摩擦性能。該技術(shù)有望明顯提高種植體系統(tǒng)的預(yù)緊力，改善種植體系統(tǒng)的長(zhǎng)期成功率和可靠性，解決困擾牙種植體臨床手術(shù)的“機(jī)械并發(fā)癥”問(wèn)題。

4、電子束蒸發(fā)技術(shù)

　　目前血管支架由于內(nèi)膜增生帶來(lái)的再狹窄仍然是制約該項(xiàng)技術(shù)的主要瓶頸。這些問(wèn)題引發(fā)了對(duì)于諸如表面特性、生物相容性、藥物攜帶等的討論研究。本課題組用電子束蒸發(fā)的方法制備氧化鈦薄膜獲得了具有良好生物活性的表面。

　　用電子束蒸發(fā)系統(tǒng)在心血管支架材料上沉積氧化鈦薄膜的具體工藝在之前的文章中已經(jīng)詳細(xì)論述。用XPS 分析所制備的表面，結(jié)果如圖9所示，XPS 分析表明所制備的薄膜是由TiO2，Ti2O3和TiO 組成的多晶體。

圖9 電子束蒸發(fā)制備氧化鈦薄膜的XPS 譜圖

　　將樣品浸泡在PBS 溶液中，進(jìn)行平滑肌細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定樣品的生物活性(如圖10 所示)。

圖10 沉積氧化鈦薄膜前(左圖)后(右圖)平滑肌細(xì)胞吸附圖片

　　結(jié)果表明，電子束蒸發(fā)制備的氧化鈦薄膜具有良好的生物活性，能夠用于心血管支架表面改性，降低再狹窄的幾率。下一步，將在此基礎(chǔ)上進(jìn)行載藥涂層制備及真空冷凍干燥實(shí)驗(yàn)，探索新型心血管支架的表面設(shè)計(jì)法則。

5、結(jié)論

　　本文論述了利用真空技術(shù)進(jìn)行醫(yī)療器械表面改性的幾種方法，特別是等離子體氧化、碳基薄膜制備及電子束蒸發(fā)三種方法，列舉了最新的一些進(jìn)展。通過(guò)等離子體氧化制備親水性的氧化鈦表面，有助于促進(jìn)成骨細(xì)胞的粘附和增殖，為縮短醫(yī)用種植體的愈合時(shí)間提供了可能;通過(guò)碳基薄膜制備，能夠增強(qiáng)種植體系統(tǒng)的預(yù)緊力，提高其長(zhǎng)期成功率及可靠性;電子束蒸發(fā)等技術(shù)為解決心血管支架再狹窄及長(zhǎng)期成功率等問(wèn)題提供了可行的方案。由于真空技術(shù)能夠?yàn)獒t(yī)療器械提供更潔凈、更有效的表面，更好地滿足臨床的需求，因此可以預(yù)見(jiàn)真空技術(shù)及裝備在醫(yī)療器械行業(yè)的應(yīng)用將越來(lái)越大，將擁有更為廣闊的空間。