一种低表面能抗粘附的镍钛丝及其加工方法与流程

1.本发明属于医疗器械领域，涉及镍钛合金丝，尤其是一种具有防粘附功能的镍钛合金丝及其加工方法。


背景技术：

2.很多疾病会导致人体管腔如血管、结肠、胆道、尿道、食道、气管等的狭窄、梗阻，临床上往往通过在腔道狭窄处植入支架以解决此类疾病。镍钛合金具有超弹性、低弹性模量及形状记忆效应，且生物相容性良好，因此被用于制备适用于各种管腔狭窄的自膨胀式支架，如心血管支架、外周血管支架、颅内支架、食道支架、胆道支架、气管支架及尿道支架等。
3.随着临床实践的深入，对于赋予镍钛合金支架表面抗肉芽增生、抗蛋白粘附及抑制细菌粘附功能受到越来越广泛的关注。由于目前现有的镍钛合金表面较光滑，对成纤维细胞成纤维细胞的粘附增殖没有抑制作用，因此植入后支架表面成纤维细胞大量粘附，导致严重的肉芽增生，堵塞支架。同时，镍钛合金支架表面没有抗蛋白粘附的能力，长期使用中，蛋白沉积在支架表面，导致支架的堵塞。另外，镍钛合金支架表面还存在细菌感染的风险，可导致植入部位的炎症反应及手术失败，严重时甚至危及患者的生命。且尿路支架、胆管支架、气道支架等的服役环境极度复杂，这些环境中大量存在着包括革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌在内的细菌和真菌，而现有的支架表面不具备抑制细菌粘附的能力，这严重限制了镍钛合金丝在支架领域的应用。因此如何实现镍钛合金支架表面抗肉芽增生、抗蛋白粘附同时抑细菌粘附具有迫切的临床需求。
4.目前解决上述问题的主要思路是在用于编制支架的镍钛合金丝表面制备具有抑成纤维成纤维细胞粘附、抗蛋白粘附及抗感染功能的涂层。其中负载抑菌、抗增生药物的载药涂层收到关注，但是目前没有表面载药的镍钛合金支架获批上市。另外，由于临床中镍钛合金支架被应用于尿道、气道、胆道等部位，其服役环境较复杂，因此也无法通过化学接枝等方法在其表面制备具有抗肉芽增生和抗粘附功能的化学涂层，且相关技术无法满足医疗器械生产中的品控、灭菌及长期保存的要求，也很难通过当前医疗器械注册证的监管审批。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有的镍钛合金丝编织支架存在的肉芽增生、蛋白粘附及易感染的问题，本发明提出了一种同时具有抑成纤维细胞粘附、抗蛋白粘附及抗感染功能的镍钛合金丝及其加工方法。
6.本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
7.该镍钛合金丝表面带有微纳结构，该微纳结构具有抑成纤维细胞粘附、抗蛋白粘附及抗感染功能。该微纳结构由两种级别尺寸的结构叠加组成，第一级结构为微米级阵列突起结构，第二级结构为纳米级突起结构。第一级结构由底面尺寸3.5μm
‑
7μm、高0.5
‑
1.8μm的阵列突起组成。第二级结构为宽500
‑
700nm的周期性条纹，或直径400
‑
600nm的颗粒状、锥状、片状的突起结构，第二级结构分布于第一级结构表面。
8.因为用于编织支架的镍钛丝直径很小，因此常规的表面微观结构制备方法不适用于镍钛丝的表面处理，因此选用脉冲激光加工方法进行表面微纳结构的制备，且选择单脉冲能量高、热影响小的低脉冲频率。脉冲激光参数及加工工艺为：激光波长800，脉冲能量600
‑
900μj，脉冲宽度150fs，脉冲频率1khz，加工速度0.1
‑
2mm/s，光斑尺寸50
‑
200μm，激光扫描线间距30
‑
180μm。
9.上述第一级微米或亚微米突起结构尺寸小于纤维状的成纤维细胞，可以有效减少成纤维细胞粘附。第二级结构的纳米或亚微米凸起可以有效减少蛋白粘附，同时可以抑制包括革兰氏阳性菌、革兰氏阴性细菌的粘附，起到抑菌作用。上述两种结构的综合作用使金属表面同时具有抑成纤维细胞粘附、抗蛋白粘附及抗感染的功能。
10.本发明的优点和积极效果是：
11.本发明通过脉冲激光加工方法在镍钛合金丝表面制备了微纳结构，赋予了镍钛合金支架表面抗成纤维细胞粘附、抗蛋白粘附及抗感染功能，可有效避免镍钛丝编制成的镍钛合金支架植入后的堵塞及感染问题。同时脉冲激光处理技术仅涉及物理加工，避免了化学涂层的引入。
附图说明
12.图1为实施例1中脉冲激光加工形成的微纳结构图，其中a为第一级结构，b为第二级结构；
13.图2为对照例1中表面成纤维细胞粘附情况对比图；
14.图3为对照例2中四种表面形貌图；
15.图4为对照例2中四种表面及光滑表面成纤维细胞粘附情况对比图；
16.图5为对照例3中表面细菌粘附情况对比图，其中a
‑
g分别为：大肠埃希氏菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯杆菌、粪肠球菌、屎肠球菌、金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌；
17.图6为对照例4中表面蛋白粘附对比图。
具体实施方式
18.下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
19.实施例1
20.本实施例中应用脉冲激光加工方法在镍钛丝表面制备具有抗成纤维细胞粘附、抗蛋白粘附及抗感染功能的微纳结构，具体步骤如下：
21.将直径为0.4mm，长1m的镍钛丝固定，两端加力将镍钛丝拉直，使激光光斑照射到镍钛丝表面。激光加工工艺为：脉冲能量800μj，激光扫描速度1mm/s，光斑尺寸100μm，激光扫描线间距80μm。激光光斑沿镍钛丝轴向扫描一遍，镍钛丝绕轴旋转15
°
，激光光斑再次沿轴向扫描一遍，如此循环，扫描整个镍钛丝表面。加工后的表面微纳结构如图1所示，其中a，b分别为第一级和第二级结构。其中第一级结构为尺寸约4
‑
6μm，高约0.8
‑
1.2μm的微米级突起，第二级结构为400
‑
600nm宽的周期性条纹结构。
22.对照例1
23.本对照例比较了具有微纳复合结构的镍钛合金表面和光滑镍钛合金表面对成纤
维细胞粘附、增殖的影响。其中，光滑镍钛合金表面由机械抛光方法在尺寸为4mm
×
4mm、厚度为1mm的镍钛合金片上制备，微纳复合结构镍钛合金表面按照实施例1中的方法和工艺在相同尺寸的镍钛合金片上制备。
24.细胞粘附实验方法为：将40μl，5
×
104个/ml成纤维细胞悬液分别滴在两种样品表面上，每种样品设置三个平行样品，分别培养24h后,用pbs冲洗表面，用cck
‑
8法比较两种样品表面粘附细胞数量。如图2所示，成纤维细胞接种24h后，应用cck
‑
8法检测od值的结果显示，具有微纳复合结构的镍钛合金表面od值明显低于光滑镍钛合金表面，这表明具有微纳复合结构的镍钛合金表面细胞粘附数量少于光滑表面，证明了飞秒激光制备的微纳复合结构对成纤维细胞的粘附、增殖具有抑制作用。
25.对照例2
26.本对照例通过调整飞秒激光加工工艺，制备了四种尺寸的微纳复合结构，随后进行了成纤维细胞粘附实验，探究不同尺寸微纳结构对成纤维细胞粘附影响的规律。四种表面的制备工艺如下表所示，其他与实施例1相同：
[0027][0028]
图3为四种表面的形貌。其中a为1号样品，b为2号样品，c为3号样品，d为4号样品，其中3号样品的制备工艺与实施1中的制备工艺一致。
[0029]
随后进行了成纤维细胞粘附实验，实验样品为具有光滑表面的镍钛合金样品及本对照例中制备的四种带有微纳复合结构表面的镍钛合金样品。其中具有光滑表面的镍钛合金样品由机械抛光方法制备。细胞粘附实验方法与对照例1中的相同。
[0030]
如图4所示，光滑表面的镍钛合金与1号样品表面成纤维细胞粘附数量最大，1号样品表面具有的条纹结构的形状、尺寸与纤维状的成纤维细胞很接近，其表面上的纳米突起结构为成纤维细胞粘附提供了更多的粘附位点，因此促进了成纤维细胞的粘附。2号样品表面微纳结构的岛状突起结构与成纤维细胞形态、尺寸差异较大，不利于其粘附，因此粘附细胞较少。随着岛状突起的进一步增大，表面结构与成纤维细胞差异更大，对细胞粘附的抑制作用更强，因此3号样品细胞粘附数量最少。4号样品表面突起结构尺寸最大，但是其突起结构的尺寸远大于成纤维细胞的尺寸，其增大了细胞可粘附的面积，因此其表面粘附的成纤维细胞数量也较大。这一结果表明，3号样品的结构特征及尺寸最有利于抑制成纤维细胞的粘附。
[0031]
对照例3
[0032]
尿路支架、胆管支架及气管支架服役环境复杂，其服役环境中存在大量多种细菌和真菌，本对照例选择尿路支架服役环境常见的细菌进行细菌粘附实验，比较光滑镍钛合
金表面和具有微纳复合结构镍表面的镍钛合金表面对多种革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌在其上粘附的影响。
[0033]
将镍钛合金片材切割成为尺寸4mm
×
4mm，厚1mm的镍钛合金小片，随后对小片进行表面处理。具有光滑表面的镍钛合金样品通过机械抛光方法制备，具有微纳复合结构表面的镍钛合金样品按照实施例1中的方法和工艺制备。
[0034]
抑菌实验所用菌种选择常见的存在于尿路、胆管及气管中可能引起感染的七种细菌：大肠埃希氏菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯杆菌、粪肠球菌、屎肠球菌、金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌。
[0035]
抑菌实验方法为：将40μl，浓度为106个/ml细菌菌液分别滴在两种样品表面上，培养6h后，用pbs冲洗表面菌液，进行荧光染色，用激光共聚焦显微镜进行观察，每个表面统计任意10个位置的荧光强度。
[0036]
如图5所示，相比具有光滑表面的镍钛合金样品，具有微纳复合结构表面的镍钛合金对包括革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌在内的多种细菌均具有明显的抑制作用，这证明了这一微纳复合结构抑制细菌粘附具有的广谱性。
[0037]
对照例4
[0038]
本对照例进行了带有微纳结构表面的镍钛合金与带有光滑表面的镍钛合金的蛋白吸附实验，比较了两种样品抗蛋白粘附的能力。所用两种样品均选择尺寸为20mm
×
20mm，厚1mm的镍钛合金片制备，制备方法与对照例3中的一致。
[0039]
蛋白吸附实验使用microbca试剂盒进行，该试剂盒成分中的cu
2
离子与蛋白反应时会被还原成cu

离子，cu

离子与试剂盒成分中的bca发生显色反应，此时发生显色反应的溶液od值与蛋白含量成正比。具体实验步骤如下：
[0040]
(1)向两种样品表面分别浸泡于等量40mg/ml的标准胎牛血清中溶液中，每种样品设置三个平行样品，在37℃无菌环境下放置30分钟。
[0041]
(2)分别取出样品，在无菌pbs溶液中充分清洗并烘干。
[0042]
(3)依microbca试剂盒使用说明配置检测试剂，向每个样品表面滴加200μl检测试剂，在37℃环境下放置15分钟，使显色反应充分进行。
[0043]
(4)分别从每个样品表面吸取显色后的溶液100μl于96孔板中，测量562nm波长下的溶液吸光度，统计并比较两种样品表面蛋白吸附量。
[0044]
如图6所示，表面带有微纳结构的镍钛合金样品蛋白粘附量明显低于带有光滑表面的样品，这证明了脉冲激光表面处理有效的提升了镍钛合金样品表面抗蛋白粘附的能力。
[0045]
实施例2
[0046]
本实施例中通过两次脉冲激光加工在镍钛丝表面制备具有抗成纤维细胞粘附、抗蛋白粘附及抗感染功能的微纳结构，具体步骤如下：
[0047]
将直径为0.6mm，长0.5m的镍钛丝固定，两端加力将镍钛丝拉直，使激光光斑照射到镍钛丝表面。激光加工工艺为：脉冲能量600μj，激光扫描速度2mm/s，光斑尺寸80μm，激光扫描线间距50μm。激光光斑沿镍钛丝轴向扫描一遍，镍钛丝绕轴旋转30
°
，激光光斑再次沿轴向扫描一遍，如此循环，扫描整个镍钛丝表面。加工得到的结构为一级结构，该结构为尺寸约6μm、高约1.2μm的微米突起，突起表面分布着少量直径约600nm的突起结构。
[0048]
随后，其他参数和工艺不变，将脉冲能量降低为100μj，用2mm/s的加工速度进行第二次加工。镍钛丝旋转360
°
，随后沿轴向移动50μm，如此往复，再次扫描整个镍钛丝表面。加工得到的结构为两级复合结构，该结构为尺寸约6μm、高约0.8μm的微米突起，突起表面分布着大量直径400
‑
600nm的突起结构。
[0049]
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。