人工心瓣熱解炭涂層的微觀結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、人工心瓣是供心瓣病變患者使用,代替病變?nèi)梭w心瓣功能的人造器件。經(jīng)過四代的改進(jìn)與發(fā)展,人工機(jī)械心瓣的臨床應(yīng)用已取得了很好的效果。目前臨床應(yīng)用最為廣泛的是雙葉式機(jī)械瓣,它主要由瓣環(huán)、瓣架和瓣片三部分組成,其中瓣架和瓣片上涂覆有一層各向同性熱解炭材料。各向同性熱解炭是一種由含碳物質(zhì)在低于1500℃高溫下熱解,并沉積在基體上的過渡態(tài)碳材料。碳?xì)浠衔锢没瘜W(xué)氣相沉積方法,在氣態(tài)條件下熱解,并在沉積的過程中共沉入硅就生成了含硅熱解炭材料。含硅熱解

2、炭材料具有良好的抗血凝性能、生物相容性、強(qiáng)度高和耐磨性好等特點(diǎn),在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。受人工心瓣熱解炭涂層缺陷瓶頸的制約,我國高品質(zhì)的雙葉式人工機(jī)械心瓣的研制和生產(chǎn)進(jìn)度緩慢,無法滿足臨床應(yīng)用的需求。系統(tǒng)深入地研究人工心瓣熱解炭涂層材料微觀結(jié)構(gòu),有效地分析其擇優(yōu)取向度,準(zhǔn)確地測定其力學(xué)性能,可以為進(jìn)一步掌握人工心瓣熱解炭涂層材料微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能之間的關(guān)系、揭示沉積機(jī)理提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐,最終解決人工心瓣熱解炭涂層的缺

3、陷問題、提高國產(chǎn)人工心瓣的使用性能。
　　 本文采用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、X射線能譜儀(EDS)、透射電鏡(TEM)和偏光顯微鏡(PLM)等分析手段,從宏觀尺度到微觀尺度,分析了人工心瓣熱解炭涂層的結(jié)構(gòu):采用選區(qū)電子衍射(SAED)法測定取向角(OA)和培根各向異性因子(BAF),分析了人工心瓣熱解炭涂層的擇優(yōu)取向度;采用三點(diǎn)彎曲法和維氏硬度法,分別測試了經(jīng)熱處理前后人工心瓣熱解炭涂層的抗彎強(qiáng)度、彈性模量和顯

4、微硬度等力學(xué)性能。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　 (1)研究了人工心瓣熱解炭涂層的物相組成。結(jié)果表明,涂層只由兩種物相組成,即β-SiC和亂層結(jié)構(gòu)熱解炭。
　　 (2)研究了人工心瓣熱解炭涂層的結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明,涂層主要由球形顆粒狀碳結(jié)構(gòu)(直徑均為300 nm到1μm)組成;顆粒無規(guī)則堆積偶爾形成直徑約為0.1-1μm的閉合孔洞;顆粒之間由片層狀碳結(jié)構(gòu)緊密相連;球形顆粒狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部碳層平面趨向于同心環(huán)排列,即沿著球形顆粒

5、的圓周方向排列。
　　 (3)研究了人工心瓣熱解炭涂層中硅元素的含量以及β-SiC的分布。結(jié)果表明,涂層中硅元素分布相對均勻,其含量約為6.48wt％,也可以說少量的β-SiC均勻地分散在連續(xù)碳基質(zhì)之中;涂層中β-SiC晶粒(直徑約6-8nm)分布無規(guī)則取向,在宏觀尺度內(nèi)均勻分布,但微觀尺度內(nèi)存在集聚現(xiàn)象。
　　 (4)通過測定取向角分析了熱解炭的擇優(yōu)取向度。結(jié)果表明,通過選區(qū)電子衍射圖譜測定取向角可以有效地分析熱解炭的

6、擇優(yōu)取向度,取向角越大則擇優(yōu)取向度越低;本文所測涂層試樣在局部區(qū)域(直徑為190 nm的選區(qū))內(nèi)熱解炭涂層的平均取向角為72°;并且球形顆粒內(nèi)芳香碳平面的擇優(yōu)取向方向平行于顆粒表面;這種球形顆粒狀結(jié)構(gòu)決定了涂層的取向角隨選區(qū)面積的增大而增大,而球形顆粒較高的體積比又將進(jìn)一步導(dǎo)致熱解炭涂層整體呈現(xiàn)各向同性。
　　 (5)研究了利用選區(qū)電子衍射圖譜測定含硅熱解炭涂層的培根各向異性因子(BAF)的方法。結(jié)果表明,BAF能夠定量表征熱解