基于超疏水和流變減阻理論的仿生心臟瓣膜的基礎(chǔ)研究.pdf

1、置換人工心臟瓣膜是治療心臟瓣膜疾病的最有效的方法之一，也是臨床治療的最后一步。機(jī)械瓣雖然因其具有較長(zhǎng)的使用壽命而成為目前臨床上使用最為廣泛的一種人工心臟瓣膜，但由于其不具有天然心臟瓣膜最優(yōu)化的血流動(dòng)力學(xué)性能，置入人體后即使患者終身服用抗凝藥物，卻仍會(huì)出現(xiàn)瓣膜血栓形成、血栓栓塞和抗凝相關(guān)出血等并發(fā)癥。因此，解決機(jī)械瓣的血液相容性問(wèn)題是目前機(jī)械瓣膜研究工作的中心內(nèi)容，這項(xiàng)工作不僅具有重要的科學(xué)意義，而且具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義。

2、 師法自然，本文首先研究了老鼠的主動(dòng)脈瓣、二尖瓣以及白兔的三尖瓣表面的微細(xì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)物心臟瓣膜表面均勻分布著微米級(jí)的“鵝卵石”和許多納米纖毛。這種與荷葉表面相似的微納復(fù)合階層結(jié)構(gòu)使得血液流經(jīng)瓣膜表面時(shí)流動(dòng)阻力減小，血小板在瓣膜表面的粘附也隨之而減少，從而最終降低了血栓的形成。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，生物界具有超疏水性能的昆蟲(chóng)翅膀表面的微結(jié)構(gòu)形狀和尺度也各不相同。 受此啟發(fā)，為制備具有超疏水性能的仿生人工心臟瓣膜表面，首先構(gòu)建了二維平行光柵、

3、三維周期方柱、方形凹坑以及乳突微結(jié)構(gòu)，同時(shí)根據(jù)兩種經(jīng)典超疏水理論——Wenzel理論和Cassie理論，分析了超疏水發(fā)生的條件，并分別建立了四種微結(jié)構(gòu)的表觀接觸角理論模型，初步探討了表面微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其疏水性能的影響以及不同微結(jié)構(gòu)形狀下兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。 仿生超疏水心臟瓣膜表面微細(xì)結(jié)構(gòu)的制備是其性能研究的前提和基礎(chǔ)。本課題利用飛秒激光加工技術(shù)分別在K9玻璃、聚氨酯、熱解炭等心臟瓣膜材料表面加工二維光柵和三維乳突微結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行疏水

4、性能的表征，探討了加工用激光參數(shù)對(duì)表面微細(xì)結(jié)構(gòu)及疏水性能的影響；同時(shí)用軟刻蝕法在PDMS表面加工出周期方柱和方孔微結(jié)構(gòu)，通過(guò)比較其超疏水性能發(fā)現(xiàn)參數(shù)相同、形狀互補(bǔ)的方柱和方孔微結(jié)構(gòu)的疏水性能也互補(bǔ)。 滑移減阻是超疏水微結(jié)構(gòu)人工心臟瓣膜表面的一個(gè)重要特性，也是其表面能減少血栓形成的主要因素。本課題利用流變儀研究了超疏水微結(jié)構(gòu)固體表面的流變減阻特性，在驗(yàn)證超疏水表面存在滑移的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了超疏水表面滑移長(zhǎng)度與減阻率的計(jì)算公式。分別用

5、新鮮血液、血漿和水在不同周期間距的乳突微結(jié)構(gòu)聚氨酯表面研究了超疏水表面的流變減阻性能。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，乳突微結(jié)構(gòu)周期間距越大，其表面減阻性能越好，但當(dāng)周期間距增大到一定的程度時(shí)，減阻效果反而降低了，這是因?yàn)橐旱卧诒砻娴某杷疇顟B(tài)發(fā)生了轉(zhuǎn)變的緣故。 血液相容性的好壞是衡量人工心臟瓣膜質(zhì)量高低的關(guān)鍵因素，通過(guò)在PDMS、聚氨酯、熱解炭三種材料表面構(gòu)建形狀不同、參數(shù)不同的微細(xì)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)血小板粘附實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)凝血實(shí)驗(yàn)以及溶血實(shí)驗(yàn)