專利名稱：一種研究血液相容性材料與纖維蛋白原的電子轉(zhuǎn)移模型及其驗(yàn)證方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)用材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種血液相容性生物材料領(lǐng)域中的有關(guān)半導(dǎo)體生物材料與纖維蛋白原之間電子轉(zhuǎn)移過程的研究模型及其驗(yàn)證方法，即電子轉(zhuǎn)移模型及其驗(yàn)證方法。
背景技術(shù)：
生物材料直接與人體組織接觸，必須滿足對(duì)人體無毒性、無致敏性、無刺激性、無遺傳毒性和無致癌性，對(duì)人體組織、血液、免疫等系統(tǒng)不產(chǎn)生不良反應(yīng)等。對(duì)于與血液相接觸的材料，首先必須滿足血液相容性，即生物材料與血液接觸時(shí)，不引起血漿蛋白變性，不引起凝血以及血小板黏附聚集，不破壞血液的有效成份。因此，材料血液相容性的優(yōu)劣是生物材料研究設(shè)計(jì)中首先考慮的問題。研究表明，當(dāng)生物材料與血液接觸的時(shí)候，會(huì)引起血液一系列變化，最快的變化是血漿蛋白在材料表面的吸附及其構(gòu)象的變化。在兩種與凝血有關(guān)的血漿蛋白中，白蛋白的吸附有助于抑制生物材料表面凝血，而纖維蛋白原的吸附和構(gòu)象變化將激活凝血因子和血小板，使血小板變形和聚集，導(dǎo)致凝血發(fā)生，產(chǎn)生級(jí)聯(lián)的凝血反應(yīng)，最后形成血栓。從血液生理和凝血的過程可以看到，纖維蛋白原在凝血中起著至關(guān)重要的作用，因此主要考慮生物材料對(duì)纖維蛋白原的激活觸發(fā)凝血。纖維蛋白原在生物材料表面吸附后，也不一定會(huì)引起凝血的發(fā)生，這關(guān)系到纖維蛋白原的構(gòu)象是否發(fā)生變化。纖維蛋白原可以看作具有類似本征半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)，禁帶寬度為I. 8eV，纖維蛋白原上的纖維蛋白肽帶有很大的負(fù)凈電荷，其靜電斥力阻止纖維蛋白原的聚集。纖維蛋白原構(gòu)象變化與其電子向材料表面的轉(zhuǎn)移密切相關(guān)，如果纖維蛋白原中的電荷向材料表面轉(zhuǎn)移，會(huì)導(dǎo)致纖維蛋白原分解為纖維蛋白原單體和纖維蛋白肽，纖維蛋白原單體間失去了靜電斥力，加上位點(diǎn)暴露，自發(fā)地聚集結(jié)合，促使凝血過程的發(fā)展。因此， 阻止纖維蛋白原的電荷轉(zhuǎn)移過程是抑制纖維蛋白原構(gòu)象變化的有效途徑。同時(shí)摻雜以及缺陷的增多，可以使費(fèi)米能級(jí)提高，功函數(shù)降低，電子更容易逸出體外，相對(duì)的纖維蛋白原中的電子進(jìn)入材料表面的可能性減少，纖維蛋白原更不容易分解，從而改善薄膜的血液相容性。西南交通大學(xué)黃楠小組研究了摻雜TiO2薄膜的抗凝血機(jī)理，Ta5+摻雜后TiO2的禁帶寬度為3. 2eV，纖維蛋白原的價(jià)帶和導(dǎo)帶均在摻雜TiO2薄膜禁帶范圍之內(nèi)，同時(shí)Ta5+摻雜于TiO2薄膜中形成為η型半導(dǎo)體，導(dǎo)帶存在電子而價(jià)帶空穴很少，纖維蛋白原的價(jià)帶電子向材料轉(zhuǎn)移受到阻礙，抗凝血性能得到提高。同時(shí)摻雜以及缺陷的增多，可以使費(fèi)米能級(jí)提高，功函數(shù)降低，電子更容易逸出體外，相對(duì)的纖維蛋白原中的電子進(jìn)入材料表面的可能性減少，纖維蛋白原更不容易分解，從而改善薄膜的血液相容性。LJ Yu研究了類金鋼石薄膜和熱解碳膜(LTI-carbon)的血液相容性，血小板黏附實(shí)驗(yàn)表明類金鋼石薄膜的抗凝血性能要優(yōu)于熱解碳膜，這是由于類金剛石薄膜的有效功函數(shù)(l.OeV)比熱解碳膜(5.5eV) 小，因此，電子容易從類金剛石表面脫離出去，也就是說纖維蛋白原上的電荷要轉(zhuǎn)移到類金剛石薄膜比較困難。根據(jù)半導(dǎo)體物理的能帶理論和上述細(xì)胞學(xué)理論，要抑制纖維蛋白原的電子轉(zhuǎn)移， 和它接觸的生物材料應(yīng)該具有很低的電子親和勢(shì)和較小的表面功函數(shù)。因此，有必要研究生物材料與纖維蛋白原之間的電子轉(zhuǎn)移過程，建立電子轉(zhuǎn)移模型，研究其驗(yàn)證方法。本發(fā)明提供了一種研究血液相容性材料與纖維蛋白原的電子轉(zhuǎn)移模型，利用理論計(jì)算驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證，其中實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證包括成鍵能帶結(jié)構(gòu)表征和生物表征方法，目的在于篩選血液相容性優(yōu)異的生物材料，開發(fā)設(shè)計(jì)出血液相容性優(yōu)異的材料體系。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了電子轉(zhuǎn)移模型，材料與血液接觸后，吸附了纖維蛋白原，由于纖維蛋白原具有半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，因此將材料與吸附纖維蛋白原的作用視為半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，材料的表面能帶發(fā)生彎曲。纖維蛋白原價(jià)帶電子若向材料表面彎曲的價(jià)帶的空態(tài)轉(zhuǎn)移，則被激活形成纖維蛋白，促使凝血發(fā)生。通過材料不同的能帶結(jié)構(gòu)和材料與血液的相互作用勢(shì)的共同影響，纖維蛋白原價(jià)帶電子向材料轉(zhuǎn)移應(yīng)呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，從而影響其血液相容性性能。為了驗(yàn)證本發(fā)明中的電子轉(zhuǎn)移模型，本發(fā)明一方面提供了理論計(jì)算驗(yàn)證， 另一方面提供了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。模擬仿真驗(yàn)證方法中，假設(shè)生物材料吸附纖維蛋白原后，二者形成了半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，定義一個(gè)電子在血液中的能級(jí)Eblwd，分別將生物材料導(dǎo)帶底、纖維蛋白原的導(dǎo)帶底與電子血液能級(jí)Eblwd的間距稱為生物材料和纖維蛋白原的功函數(shù)X1和X2，接觸生物勢(shì)Λ X(I)電子的轉(zhuǎn)移方向由材料和纖維蛋白原的費(fèi)米能級(jí)高低決定，首先計(jì)算費(fèi)米能級(jí)差A(yù)Ef = Efl-Ef2 = Δ X +0. 9-ΛEdi，其中纖維蛋白原導(dǎo)帶底到費(fèi)米能級(jí)的能級(jí)差A(yù)E112 =O. 9eV，生物材料導(dǎo)帶底到費(fèi)米能級(jí)的能級(jí)差為AEdi ；(2)計(jì)算價(jià)帶頂?shù)哪芗?jí)差A(yù)Ev = Evl-Ev2 = Δ x+1. 8_Egl,其中纖維蛋白原的帶隙 Eg2 = I. 8eV,生物材料的帶隙為Egl ；(3)如果 AEf · AEv > 0，則定義 U。= | | AEf |-| ΔΕν | ;如果 AEf · AEv < 0，則定義 U。= I I ΔΕ,Ι + Ι ΔΕν| I ；將表面能帶彎曲近似看作階躍勢(shì)，根據(jù)異質(zhì)結(jié)隧穿理論，建立一個(gè)目標(biāo)函數(shù)
權(quán)利要求
1.一種研究血液相容性材料與纖維蛋白原的電子轉(zhuǎn)移模型，其特征在于其包括電子 轉(zhuǎn)移模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)、理論計(jì)算驗(yàn)證方法和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法及材料體系三部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電子轉(zhuǎn)移模型，其特征在于所述模型的參數(shù)包括生物材料 帶隙Eg、費(fèi)米能Ef和表面勢(shì)能。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電子轉(zhuǎn)移模型，其特征在于所述理論計(jì)算驗(yàn)證方法以半導(dǎo) 體能帶和電子隧穿理論作為理論基礎(chǔ)，建立半導(dǎo)體生物材料能帶模型和纖維蛋白原的能帶 模型，計(jì)算了生物材料的禁帶寬度、生物材料與血液接觸的接觸生物勢(shì)以及電子摻雜對(duì)纖 維蛋白原價(jià)帶電子穿透幾率的影響。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電子轉(zhuǎn)移模型，其特征在于所述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法通過實(shí)驗(yàn)沉 積四面體非晶碳薄膜，通過調(diào)節(jié)沉積過程中的脈沖重復(fù)頻率，改變薄膜的成鍵結(jié)構(gòu)和光學(xué) 帶隙，采用血小板黏附實(shí)驗(yàn)，研究不同生物材料對(duì)血小板的黏附數(shù)量，以及被黏附血小板的 形態(tài)，觀察薄膜上黏附血小板的數(shù)量和變性程度，驗(yàn)證電子轉(zhuǎn)移模型。
5.權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的研究血液相容性材料與纖維蛋白原的電子轉(zhuǎn)移模型 的驗(yàn)證方法，其特征在于包括以下的模擬仿真驗(yàn)證方法步驟假設(shè)生物材料吸附纖維蛋白原后，二者形成了半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，定義一個(gè)電子在血液中 的能級(jí)Ebltrad,分別將生物材料導(dǎo)帶底、纖維蛋白原的導(dǎo)帶底與電子血液能級(jí)Ebltrad的間距稱 為生物材料和纖維蛋白原的功函數(shù)乂1和X2，接觸生物勢(shì)Ax = X2-X1 ;其中，接觸生物 勢(shì)Λ X可取正值或者負(fù)值，其量級(jí)可能從O. IeV 幾eV。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子轉(zhuǎn)移模型的驗(yàn)證方法，其特征在于其還進(jìn)一步包括步驟(1)電子的轉(zhuǎn)移方向由材料和纖維蛋白原的費(fèi)米能級(jí)高低決定，首先計(jì)算費(fèi)米能級(jí) 差A(yù)Ef = Efl-Ef2 = Δ X +0. 9-ΔEdi,其中纖維蛋白原導(dǎo)帶底到費(fèi)米能級(jí)的能級(jí)差A(yù)Ed2 =0.9eV，生物材料導(dǎo)帶底到費(fèi)米能級(jí)的能級(jí)差為AEdi ；(2)計(jì)算價(jià)帶頂?shù)哪芗?jí)差ΔΕν= Evl-Ev2 = Δ X +1. 8_Egl,其中纖維蛋白原的帶隙Eg2 =1.8eV,生物材料的帶隙為Egl ；(3)如果AEf. ΛΕν> 0，則定義 U。= I I AEf|-| ΛΕν| | ;如果 AEf. ΛΕν<0，則定義 U0 = I I Δ Ef I +1 Λ Ev I I ；將表面能帶彎曲近似看作階躍勢(shì)，根據(jù)異質(zhì)結(jié)隧穿理論，建立一個(gè)目標(biāo)函數(shù)
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子轉(zhuǎn)移模型的驗(yàn)證方法，其特征在于其還進(jìn)一步包括以下 的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法步驟(1)采用脈沖激光沉積方法制備四面體非晶碳薄膜；(2)表征四面體非晶碳薄膜的成鍵結(jié)構(gòu)；(3)表征四面體非晶碳薄膜的能帶結(jié)構(gòu)，測量薄膜的透過光譜，求出薄膜吸收系數(shù)隨光 能量的變化曲線，來確定薄膜的光學(xué)禁帶寬度；(4)在生物表征方面，采用的方法是血小板黏附實(shí)驗(yàn)，研究不同生物材料對(duì)血小板的黏附數(shù)量，以及被黏附血小板的形態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電子轉(zhuǎn)移模型的驗(yàn)證方法，其特征在于步驟(I)中，所述脈沖激光沉積方法中采用極限真空可達(dá)6. 7X 10_6Pa的真空系統(tǒng)，工作氣體為KrF，激光波長 248nm,工作氣壓10_3 KT4Pa脈沖重復(fù)頻率5 IOOHz，脈沖寬度為20ns，單脈沖激光能量O 250mJo
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電子轉(zhuǎn)移模型的驗(yàn)證方法，其特征在于步驟(2)中，所述的四面體非晶碳薄膜結(jié)構(gòu)表征其方法是拉曼光譜分析和紫外-可見光譜分析，表征四面體非晶碳薄膜的成鍵結(jié)構(gòu)，sp2C與sp3C成分變化，以及能帶結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電子轉(zhuǎn)移模型的驗(yàn)證方法，其特征在于步驟(4)中，所述血小板黏附實(shí)驗(yàn)，研究不同生物材料對(duì)血小板的黏附數(shù)量，以及被黏附血小板的形態(tài)；采用的血小板溶液的濃度分別為100-5000個(gè)/μ 1，優(yōu)選為1000-3000個(gè)/μ I ;在掃描電鏡的低倍視野下觀察黏附血小板的數(shù)量，在高倍視野下觀察黏附血小板的形態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種研究血液相容性材料與纖維蛋白原的電子轉(zhuǎn)移模型及其驗(yàn)證方法。本發(fā)明還公開了對(duì)該模型的驗(yàn)證方法包括理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證。理論計(jì)算是采用半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)理論，計(jì)算了生物材料的禁帶寬度、生物材料與血液接觸的接觸生物勢(shì)以及電子摻雜對(duì)纖維蛋白原價(jià)帶電子穿透幾率的影響；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法是由在不同條件下制備出的四面體非晶碳薄膜，通過分析薄膜結(jié)構(gòu)、能帶等，并結(jié)合血小板黏附實(shí)驗(yàn)，觀察不同薄膜對(duì)血小板黏附數(shù)量和形態(tài)的變化，驗(yàn)證不同能帶結(jié)構(gòu)的薄膜對(duì)纖維蛋白原電子轉(zhuǎn)移的影響。本發(fā)明的電子轉(zhuǎn)移模型及其研究方法，為生物材料制備改進(jìn)工藝條件，提高血液相容性提供了實(shí)驗(yàn)和理論參考。
文檔編號(hào)G01N27/00GK102608165SQ20121005557
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月5日
發(fā)明者何振輝, 羅平, 陳弟虎, 黃展云 申請(qǐng)人:中山大學(xué)