基于仿生结构设计的Ta2O5/Au(Mg)纳米叠层复合血管支架涂层的制备与性能研究

In order to greatly improve the corrosion resistance and blood compatibility of metal vascular stent currently used in combating coronary artery disease (CAD), multilayer structured Ta2O5/Au(Mg) nanocomposite coatings are prepared, inspired by materials design principles of nacre, onto 316L stainless steel substrates by a novel duplex surface treatment technique. In preparing these coatings, alternating Ta/Au(Mg) layers are first deposited using double cathode glow plasma followed by a plasma oxidation process. The resulting Ta2O5 layers are expected to exhibit excellent corrosion resistance and hemocompatibility, while the Au or Mg layers would impart high toughness and adhesion strength to the coatings. By using various surface and subsurface characterisation techniques, the composition,microstructure, physical and mechanical properties of the newly developed coatings are studied, which will then be linked to their corrosion resistance and hemocompatibility. The project proposes a novel and feasible technical route to preparing a novel coating with excellent corrosion resistance, blood compatibility, toughness and adhesion performance. The results pave the way for a deep understanding of the interaction of materials and blood and the design of new generation anti-thrombus coatings formed on metal vascular stent.

本项目针对当前金属血管支架材料在生物体液中耐腐蚀性和血液相容性不足的缺陷，基于仿生结构设计原理，以医用316L 不锈钢为基材，采用双阴极等离子溅射沉积与离子氧化的复合工艺，在其表面制备Ta2O5/Au(Mg)纳米叠层复合涂层。该涂层中Ta2O5 层具有良好的耐蚀性和血液相容性，而金属Au 或Mg 层可改善复合涂层的韧性以及复合涂层与基体间的结合力。采用多种实验表征手段，深入研究离子氧化工艺对所生成的氧化层的微观组织结构、物理性能、耐蚀性和血液相容性的影响,揭示所合成的Ta2O5 的耐蚀性和血液相容性与其结构、成分、物理性能之间的相互关系，并探讨Ta2O5 与血液相互作用机理。本项目为探索在金属血管支架表面制备具有高韧性、高耐蚀、良好的血液相容性的涂层及其结构设计开辟了一条新的技术途径和思路。项目的研究成果对揭示材料与血液相互作用机理以及新型抗凝血涂层材料的研发具有重要的指导意义。

随着全球范围内人口老龄化的加剧，骨质疏松、退行性关节炎等骨科疾病的发病率日益增多，催生了巨大的骨替代修复材料市场。在金属生物材料中，钛合金以其优异的力学性能、高的腐蚀抗力和良好的生物相容性成为目前应用最广泛的骨科植入材料。然而，骨诱导能力的缺乏和潜在的有害离子释放，可能导致钛合金植入体的短期失效，引发健康危害和二次翻修。本项目针对当前金属血管支架材料在生物体液中耐腐蚀性和血液相容性不足，采用双阴极等离子溅射沉积与离子氧化的复合工艺制备了β-Ta2O5纳米涂层。所制备涂层厚度均为~25μm，其微观组织连续、致密，与基体良好结合；TEM分析表明所制备纳米晶涂层微观结构由12nm左右大小的等轴晶粒组成的；纳米压入测试表明两种涂层都极大提高Ti-6Al-4V的硬度及弹性模量。采用电化学测试方法研究了该涂层在Hank’s、0.9 wt.% NaCl 溶液和Ringer’s溶液中的耐蚀性能。结果表明：β-Ta2O5纳米涂层的耐蚀性能较Ti-6Al-4V有显著的提高，且随着浸泡时间的延长，其耐蚀性能基本保持不变。对比研究了β-Ta2O5纳米涂层与Ti-6Al-4V ELI基体磷灰石形成能力、细胞相容性、血液相容性以及抗菌性能。