吴凌, 谭继, 钱仕, 葛乃建, 刘宣勇

无机材料学报 2022, 37 (11): 1217-1224. DOI:10.15541/jim20220140

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镍钛合金血管支架植入后可引发血栓和支架再狭窄, 且对损伤的血管内壁无修复作用, 需进行表面改性赋予其抗凝血和促内皮化生物学功能。本研究采用等离子体浸没离子注入与沉积(PIII&D)技术将钽(Ta)注入至镍钛合金, 研究Ta离子注入对镍钛表面理化特性及生物学性能的影响规律。结果表明, 调控Ta离子注入时间, 可在镍钛表面分别构建含Ta、Ta/Ta₂O₅、Ta/Ta₂O_5-_x/Ta₂O₅三种不同组分的改性层。各种改性样品中, 含Ta/Ta₂O_5-_x/Ta₂O₅的改性镍钛表面亲水性均更好, 可提供更多细胞附着位点, 促进人脐静脉内皮细胞早期粘附和铺展, 并提高其增殖能力。相比仅含单质Ta的改性镍钛表面, 含Ta/Ta₂O_5-_x/Ta₂O₅改性镍钛表面的血液相容性更高, 血小板粘附数量显著减少, 且基本保持为未被激活的球形状态; 各组改性表面的溶血率远低于5%阈值, 均未发生明显溶血现象。上述结果说明, Ta离子注入改性镍钛血管支架在降低血栓形成、加速内皮化方面具有潜在应用。

冠心病是最典型的心血管疾病之一, 《中国心血管健康与疾病报告2020》推算2020年中国冠心病患者人数就达到1139万[1]。血管支架介入治疗是有效治疗冠心病的主要方法, 具有手术效果明显、创伤小、恢复快等优点。镍钛合金是一种镍、钛原子比相近的金属间化合物, 具有超弹性、形状记忆能力、耐腐蚀性强和生物相容性好等特点, 是制作自膨胀型血管支架的常用材料。然而, 镍钛血管支架植入血管之后, 其表面与血液接触常引发凝血级联反应, 导致纤维蛋白沉积、血小板激活和血栓形成[2]。此外, 支架在植入过程中会对血管内皮造成损伤, 造成损伤部位分泌凝血因子, 引起血小板和纤维蛋白迅速沉积, 诱发血管内膜增生, 促进血栓形成和血管再狭窄发生[3]。但生物惰性的镍钛表面对血管内壁损伤不具备修复作用。因此, 有必要对镍钛合金表面作表面改性, 以提高其血液相容性并赋予其内皮修复功能, 相关研究已成为当前的研究重点[4-5]。

支架植入体内后, 材料表面的粗糙度、湿润性、化学成分等因素直接影响血栓形成和血管内皮细胞状态。通过表面改性可调控镍钛表面的各类理化性质, 赋予其生物学功能[6?-8]。研究表明, 相比于平坦表面, 具有一定纳米结构的表面更利于细胞粘附、迁移和增殖[9-10]。镍钛合金经碱溶液腐蚀后表面形成均匀分布的纳米片结构, 可促进内皮细胞粘附、增殖, 上调血管内皮生长因子表达, 促进血管新生[11]。支架一旦与血液接触, 其中的蛋白质在数秒内吸附到材料表面, 所吸附的蛋白质种类、含量影响了后续的凝血反应。一般认为亲水表面阻碍蛋白质吸附, 有利于提高材料表面的血液相容性。将高亲水性的聚乙烯基-2-吡咯烷酮(PVP)枝接到镍钛表面, 接触角从72°降低到20°, 血浆蛋白吸附量降低22%[12]。在镍钛表面构建水凝胶涂层后亦可将接触角进一步降至接近0°, 实现超亲水性能, 同时将弹性模量和硬度分别从97.1 和5.1 GPa降至2.3和0.13 GPa, 更为“柔软”的表面可减少植入体对血管等软组织的机械刺激[13]。肝素是一种天然抗凝剂, 具有抗凝血和抑制内膜增生的作用[14], 其本身是一种带负电荷的线性多糖, 可通过电荷吸附或共价枝接在镍钛表面制备含肝素涂层, 降低溶血率, 减少血小板粘附量, 并促进内皮细胞增殖[15-16]。这些研究均在一定程度上改善了镍钛合金的血液相容性, 对镍钛合金血管支架的临床应用起到重要作用。但这些表面改性方法所制备的涂层与基体结合力不够牢固, 支架膨胀伸展后仍可能脱落, 共价枝接的有机分子反应活性易受外界环境影响, 且在生理环境中可能突然释放进而导致炎症[17]。因此, 急需探索一种更加稳定有效的表面改性方法, 以提高镍钛合金的生物学性能。

XPS全谱结果(图3(a))表明, Ta离子成功注入至镍钛表面, 30Ta-NiTi、60Ta-NiTi、120Ta-NiTi样品的表面Ta原子含量分别为0.67%、1.72%、和6.45%。改性镍钛表面Ta元素XPS高分辨图谱显示, 30Ta-NiTi、60Ta-NiTi、120Ta-NiTi样品的Ta4f高分辨峰存在明显差别(图3(b~d))。30Ta-NiTi样品仅存在位于22.37 eV的Ta4f_7/2特征峰, 对应于单质Ta[23]。而60Ta-NiTi样品还存在位于26.05 eV (Ta4f_7/2)和27.94 eV (Ta4f_5/2)的特征峰[24], 对应于Ta₂O₅。除Ta和Ta₂O₅对应的特征峰, 120Ta-NiTi样品还存在位于24.35 eV的Ta4f_7/2特征峰, 对应于Ta₂O_5-_x[25]。注入时间为30 min, Ta离子主要嵌入至镍钛表层, 以单质Ta形式存在; 注入时间延长至60 min, 镍钛表面改性层的Ta含量过饱和并析出, 被反应腔内残余的氧气氧化形成Ta₂O₅; 注入时间延长至120 min, 改性镍钛表面Ta的析出量进一步增大, 腔体残余的氧气难以将镍钛表面的单质Ta完全氧化, 故形成含氧空位的Ta₂O_5-_x。上述结果表明, 通过调控注入时间, 构建得到了含Ta、Ta/Ta₂O₅和Ta/Ta₂O_5-_x/Ta₂O₅三种不同组分的改性镍钛表面。

材料表面湿润性会影响蛋白质粘附和细胞生长行为。各组样品的接触角如图4所示, 酸洗镍钛和30Ta-NiTi样品的接触角分别为75.82°和64.37°, 说明注入Ta离子可增强镍钛表面亲水性, 这可能是离子注入活化了镍钛表面导致。60Ta-NiTi样品接触角减小至60.18°, 因其表面存在Ta₂O₅, Ta-O键可通过水合作用形成Ta-OH基团, 更利于水分子吸附。120Ta-NiTi样品接触角进一步减小至45.67°, 这是由于样品表面存在氧空位, 水分子吸附在氧空位处并发生解离, 生成羟基[26], 使其亲水性增强。

生理环境包含Cl-、H+、OH-等腐蚀性离子, 植入体可能会被腐蚀导致炎症发生。为评价材料的耐腐蚀性, 在生理盐水中测试样品的极化曲线, 对应的测试结果如图5和表2所示。Ta离子注入前后样品的腐蚀电流没有明显差异, 但腐蚀电位随注入时间延长逐渐增大, 表明Ta离子注入后镍钛表面的耐腐蚀性得到增强。合金的标准电极电位介于各组分之间, 故可通过添加具有更高电位的金属组分提高其电极电位[27]。金属Ta的标准电极电位为-0.75 eV, 大于Ti的-1.63 eV[28], 因此Ta离子注入镍钛表面的腐蚀电位提高, 耐腐蚀性增强。

血小板在样品表面培养30 min后, 其粘附形态如图9(a)所示。在NiTi样品表面存在许多不同状态的血小板, 黑色箭头标示的血小板被严重激活, 细胞形状皱缩变形, 伸展出丝状伪足, 有形成血栓的可能。30Ta-NiTi样品表面血小板数量减少, 且激活程度减轻, 细胞形状轻微变形; 而60Ta-NiTi和120Ta-NiTi样品表面血小板粘附数量显著少于NiTi样品, 细胞形态基本呈未激活的球形。在生理溶液中, 红细胞、血小板等血液成分与含Ta表面均带负电荷, 二者互相排斥, 减少血液组分的粘附, 因此Ta离子注入改性的镍钛表面血液相容性更佳。此外, Ta₂O₅属于n型半导体, 其带隙宽度约为4.2 eV。具有类似本征半导体结构的纤维蛋白原与Ta₂O₅接触后, 由于二者能带差异形成电子跃迁“势垒”, 阻碍蛋白质与Ta₂O₅间的电子转移, 抑制蛋白质变性, 因此含有Ta₂O₅的60Ta-NiTi和120Ta-NiTi样品表面更利于降低血栓形成[31]。溶血率测试结果如图9(b)所示, 各组样品的溶血率均不超过0.49%, 远低于5%的临床要求, 表明改性前后样品均未发生明显的溶血现象。

本研究采用等离子体浸没离子注入与沉积技术将Ta离子注入至镍钛合金表面, 通过调控注入时间分别构建了含有Ta、Ta/Ta₂O₅和Ta/Ta₂O_5-_x/Ta₂O₅三种不同组分的改性镍钛表面。随着注入时间延长, 改性镍钛表面的亲水性增加, 耐腐蚀性得到增强。体外细胞实验表明, Ta离子注入改性表面无细胞毒性, 对人脐静脉内皮细胞早期粘附和铺展行为有促进作用, 并能提高细胞增殖活性, 加速细胞内皮化。血液相容性实验表明Ta离子注入可提高镍钛表面血液相容性, 含Ta/Ta₂O_5-_x/Ta₂O₅的样品表面血小板粘附数量明显减少, 形态基本保持未被激活的球形, 可降低血栓形成的可能性。Ta离子注入改性镍钛合金具有良好血液相容性, 且有望加快细胞内皮化, 具有一定的应用前景。