一种利用石墨烯包覆层改善生物材料及器械血液相容性的
方法
技术领域
背景技术
[0002] 具有血液相容性的生物材料在诊断与
治疗心
血管疾病及其他需要采集输送血液的疾病中具有重要意义。在医疗诊断过程中通常需要借助于外部接入器械或植入器械与血液
接触，如：血液采集器械、延长器、血液及血制品贮存和输入器械、心血管介入器械、
人工血管、血管
支架、
人工心脏、
心脏起搏器、
导管、
导线、血管镜等。这类器械除了要考虑材料本身的机械性能外，还必须要考虑材料的血液相容性。目前提高生物材料的血液相容性可分为两种途径：表面涂覆一层血液相容性较好的生物材料
薄膜；表面嫁接具有生物活性的抗凝基团如细胞、分子和蛋白等。其中基于
碳材料作为涂覆层用来提高生物材料的血液相容性已经有30多年的实验研究和临床应用，如
热解碳、类金刚石、石墨、碳
纳米管等。碳材料之所以得到如此广泛的应用除了其本身具有良好的血液相容性，其在机械性能方面也表现出较高的硬度、较低的
摩擦系数，从而促进了其与基底材料的相互作用和减少了对
生物组织的损伤。然而以类金刚石为代表的碳材料涂覆层在临床应用中也面临着机械性能与血液相容性相互制约和涂覆层容易脱落等
缺陷。因此一种性能优于类金刚石等涂覆层材料需要被挖掘。
[0003] 石墨烯是近几年来发展比较迅速的一种二维碳材料，在碳材料家族中具有诸多显著的优良性质：厚度只有一个单
原子层厚(0.335nm)、强度和硬度比金刚石还高、弹性形变可达20％、
单层石墨烯对全
波长光的吸收只有2.3％、高度不渗透性(只有质子可穿透)、还具有很好的导电导热性质。因此，以石墨烯做为涂覆层来提高生物材料的血液相容性具有潜在应用价值。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种利用石墨烯包覆层改善与血液相接触的生物材料及器械血液相容性方法。
[0005] 本发明要求保护石墨烯或石墨烯包覆层在提高生物材料和/或器械的血液相容性中的应用。
[0006] 本发明还要求保护一种提高生物材料和/或器械的血液相容性的方法，该方法包括：在所述生物材料和/或器械的表面制备石墨烯包覆层。
[0007] 上述方法中，所述石墨烯包覆层的层数为1-100层；
[0008] 所述生物材料选自玻璃、金属和
合金中至少一种；所述玻璃具体选自
石英玻璃、普通玻璃、蓝
宝石玻璃、
硼玻璃中至少一种；
[0009] 所述金属具体选自不锈
钢、钽、镍、
钛、镁、钴、铬、钨中至少一种；
[0010] 所述合金具体由
不锈钢、钽、镍、钛、镁、钴、铬和钨中至少两种组成；
[0011] 所述器械选自动脉粥样硬化
切除器械、血液监测器、血液贮存和输入设备、血液采集器械、延长器、体外模式
氧合器系统、血液
透析器、血液
过滤器、经皮循环辅助系统、导管、
导丝、血液
内窥镜、
血管内超声器械、激光系统、冠状逆行灌注导管、细胞贮存器、血液特异性物质
吸附器械、血液成分采输器、瓣膜成形环、机械
心脏瓣膜、主动脉内球囊
泵、人工心脏、心室辅助器械、栓塞器械、血管内
植入物、植入式
除颤器和复律器、起搏器导线、去白细胞滤器、起搏器导线、人工血管移
植物、动静脉分流器、支架、组织心脏瓣膜和组织血管植入物中至少一种。
[0012] 所述制备石墨烯包覆层的方法为
化学气相沉积法、转移或
喷涂。
[0013] 具体的，所述化学气相沉积法中，体系的
真空度不大于0.7Pa；具体为0.7Pa；
[0014] 体系中的载气为惰性气体和氢气；所述惰性气体具体为氩气；
[0015] 所述氩气的流量为0-500sccm；具体为100sccm；
[0016] 所述氢气的流量为50-500sccm；具体为50sccm；
[0017] 所用碳源气体选自甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、
乙醇和苯中至少一种；
[0018] 所述碳源气体的流量为1-200sccm，具体可10sccm；
[0019] 由室温升温至生长
温度的升温速率为25-28℃/min；
[0020] 所述生长温度为400-1200℃；具体为1050℃；
[0021] 生长时间为0.5-6h；具体为4h；
[0022] 所述化学气相沉积法还包括：在所述化学气相沉积步骤之前，对体系进行
退火；
[0023] 具体的，所述退火步骤中，退火温度为生长温度，退火的时间为0.5-1.5h；具体为1h或45min。
[0024] 所述转移法包括：
[0025] 1)在已长满石墨烯的基底表面制备粘附性介质层，再将所述基底与石墨烯分离，得到石墨烯与粘附性介质层结合体；
[0026] 2)将所述石墨烯与粘附性介质层结合体包覆在所述生物材料和/或器械的表面，再去除所述粘附性介质层。
[0027] 具体的，所述转移法的步骤1)中，所述基底材料选自
铜、镍、
硅、铂、金、钌、铱、碳化硅、氮化硅、玻璃和石英中至少一种；
[0028] 所述制备粘附性介质层的方法为
旋涂或包覆粘附性介质；
[0029] 所述粘附性介质具体选自聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚甲基
丙烯酸甲酯(PMMA)中至少一种；
[0030] 所述制备粘附性介质层的方法为化学反应或机械分离；所述化学反应具体为三氯化
铁(FeCl3)与所述基底材料进行反应；
[0031] 所述步骤2)中，去除所述粘附性介质层的方法为用
有机溶剂去除或机械分离；所述
有机溶剂具体为丙
酮。
[0032] 所述喷涂法包括：将石墨烯溶液喷涂在所述生物材料和/或器械的表面，自然
风干或加热烘干所述生物材料和器械的表面。
[0033] 具体的，所述石墨烯溶液中，溶剂选自
水、丙酮、乙醇、氯仿和庚烷中至少一种；
[0034] 所述石墨烯溶液的浓度为0.01-10mg/mL；具体为1mg/mL；
[0035] 所述加热烘干温度为50-200℃；具体为100℃。
[0036] 另外，按照上述方法所得血液相容性提高的生物材料和/或器械，也属于本发明的保护范围。
[0037] 本发明具有如下优点：
[0038] 1、由于石墨烯具有很好的柔性，因此石墨烯可以有效全部
覆盖生物材料或器械表面。石墨烯包覆的生物材料或器械完全绝缘了原来材料或器械与血液接触的界面，取而代之的是石墨烯界面与血液接触，由于石墨烯具有良好的血液相容性，可以改善原本生物材料或器械的血液相容性；
[0039] 2、由于石墨烯具有较低
密度，和较大
比表面积，包覆了石墨烯的生物材料或器械从形状、体积、
质量上几乎没有改变，因此不会对生物组织造成额外负担。
[0040] 3、由于石墨烯的高度不渗透性和化学惰性，同时石墨烯还具有较好的机械性能可以有效提高生物材料或器械的生物安全性和相容性。
附图说明
[0041] 图1为本发明所述石墨烯包覆玻璃材料表面血小板吸附电镜图；
[0042] 图2为本发明所述玻璃材料表面血小板吸附电镜图；
[0043] 图3为本发明所述石墨烯包覆的玻璃血小板激活与阳性(玻璃)、阴性(高密度聚乙烯(HDPE)、)材料和空白对照图；
[0044] 图4为包覆了石墨烯的玻璃、玻璃及阴性对照材料HDPE间接凝血时间测量；
[0045] 图5为石墨烯包覆的玻璃管和玻璃管在半在体兔子循环血液中血栓形成情况；
[0046] 图6为石墨烯包覆的玻璃管和玻璃管在半在体兔子循环血液中血栓形成质量百分比。
具体实施方式
[0047] 下面结合具体
实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
[0048] 实施例1、
[0049] 对一
块长宽为10*10mm，厚度为1mm的玻璃片进行清洗，即：分别用超纯水、丙酮、异丙醇超声10min；
[0050] 将玻璃片置于用于化学气相沉积的反应系统中，对反应系统抽真空，使其真空度为0.7Pa，随后通入100sccm氩气和50sccm氢气；
[0051] 设定反应系统升温时间，即由室温升温至1050℃所需时间为40min；
[0052] 对玻璃片进行退火，退火时间为45min；
[0053] 向反应系统中通入10sccm甲烷，并设定石墨烯生长时间为4h；
[0054] 随后关断甲烷并将反应系统冷却至室温，关断氩气和氢气，取出样品获得石墨烯包覆玻璃，即石墨烯玻璃；
[0055] 分别取上述石墨烯玻璃和没有包覆石墨烯的玻璃片各三片放入24孔培养皿中备用；
[0056] 用规格为5mL的枸橼酸钠真空
采血管(枸橼酸钠与血液体积比为1：9)在兔子心脏活体采血并上下跌倒5次采血管混匀血液；
[0057] 在250g离心
力下离心上述血液，获得富集血小板
血浆PRP；
[0058] 分别取将上述血浆0.65mL加入每一个样品孔中，在37℃下孵育1小时；
[0059] 在每个样品孔加入PBS溶液清洗上述样品3次；
[0060] 取0.5mL 2.5％的戊二
醛在室温下固定样品表面血小板1小时；
[0061] 分别用1mL 25％、50％、75％、90％、100％乙醇溶液对样品进行脱醇15分钟；
[0062] 用CO2零界干燥仪对样品表面进行干燥处理；
[0063] 在样品表面溅射10-20nm厚的金；
[0064] 用扫描电镜观察样品表面血小板形貌及数量；
[0065] 结果如图1石墨烯玻璃表面血小板吸附情况和图2玻璃表面血小板吸附情况，发现石墨烯玻璃表面血小板数量明显减少。说明石墨烯包覆的玻璃改善了玻璃的血液相容性。
[0066] 实施例2
[0067] 对一块长宽为10*10mm，厚度为1mm的玻璃石英片进行清洗，即：分别用超纯水、丙酮、异丙醇超声10min；
[0068] 将玻璃片置于用于化学气相沉积的反应系统中，对反应系统抽真空，使其真空度为0.7Pa，随后通入100sccm氩气和50sccm氢气；
[0069] 设定反应系统升温时间，即由室温升温至1050℃所需时间为40min；
[0070] 对玻璃片进行退火，退火时间为45min；
[0071] 向反应系统中通入10sccm甲烷，并设定石墨烯生长时间为4h；
[0072] 随后关断甲烷并将反应系统冷却至室温，关断氩气和氢气，取出样品获得石墨烯包覆玻璃，即石墨烯玻璃；
[0073] 用肝素作为抗凝剂收集健康志愿者的新鲜血液20mL，使得肝素在血液中的浓度为0.01mg/mL；
[0074] 0.5mL抗凝
全血加入装有石墨烯玻璃、玻璃和高密度聚乙烯(做为阴性对照)等样品各三片的聚四氟乙烯材质的24孔板中，放在摇床上(65rpm/min)37℃孵育2小时；
[0075] 将孵育后的全血在1000g(4℃，15min)下离心以获得血浆；
[0076] 根据商用ELISA
试剂盒公司提供的步骤检测血小板因子PF4；
[0077] 结果如图3所示，石墨烯玻璃样品所引起的血小板激活因子PF4含量明显低于玻璃样品。说明包覆了石墨烯的玻璃相对于玻璃样品在PF4激活方面提高了血液相容性，并且与市场上血液相容性较好的生物材料高密度聚乙烯在PF4激活水平上相当。
[0078] 实施例3
[0079] 对一块长宽为10*10mm，厚度为1mm的玻璃石英片进行清洗，即：分别用超纯水、丙酮、异丙醇超声10min；
[0080] 将玻璃片置于用于化学气相沉积的反应系统中，对反应系统抽真空，使其真空度为0.7Pa，随后通入100sccm氩气和50sccm氢气；
[0081] 设定反应系统升温时间，即由室温升温至1050℃所需时间为40min；
[0082] 对玻璃片进行退火，退火时间为45min；
[0083] 向反应系统中通入10sccm甲烷，并设定石墨烯生长时间为4h；
[0084] 随后关断甲烷并将反应系统冷却至室温，关断氩气和氢气，取出样品获得石墨烯包覆玻璃，即石墨烯玻璃；
[0085] 分别取上述石墨烯玻璃、玻璃片和高密度聚乙烯(做为阴性对照)各三片放入24孔培养皿中备用；
[0086] 用肝素作为抗凝剂收集健康志愿者的新鲜血液20mL，使得肝素在血液中的浓度为0.01mg/mL；
[0087] 将100μL全血滴在上述石墨烯玻璃、玻璃片和高密度聚乙烯样品表面上；
[0088] 经不同时间(30分钟，60分钟，120分钟)孵育后在孔板中加入3mL超纯水；
[0089] 5分钟后吸取上述混合溶液，用酶标仪在540nm测得吸光度。
[0090] 结果如图4所示，在30分钟时，发现玻璃的吸光度低于高密度聚乙烯和石墨烯玻璃。高密度聚乙烯和石墨烯玻璃的吸光度几乎相同。这种现象在其他时间段(60分钟，120分钟)也表现出类似的情况。随着时间的增加，高密度聚乙烯和石墨烯玻璃的吸光度缓慢下降，但玻璃的吸光度迅速下降。此结果说明，血液在玻璃表面凝血时间更快，在石墨烯玻璃和高密度聚乙烯表面凝血时间慢。即石墨烯包覆的玻璃提高了玻璃的血液形容性。
[0091] 实施例4
[0092] 对空心玻璃管(外径：2mm，内径：1.59mm，长度：15mm)进行清洗，即：分别用超纯水、丙酮、异丙醇超声10min；
[0093] 将空心玻璃管置于用于化学气相沉积的反应系统中，对反应系统抽真空，使其真空度为0.7Pa，随后通入100sccm氩气和50sccm氢气；
[0094] 设定反应系统升温时间，即由室温升温至1050℃所需时间为40min；
[0095] 对玻璃片进行退火，退火时间为45min；
[0096] 向反应系统中通入10sccm甲烷，并设定石墨烯生长时间为4h；
[0097] 随后关断甲烷并将反应系统冷却至室温，关断氩气和氢气，取出样品获得石墨烯包覆空心玻璃管，即石墨烯玻璃管；
[0098] 选取质量为2.5kg的雄性兔子，分别通过肌肉注射氯胺酮(10mg/kg)和静脉注射戊巴比妥(30mg/kg)麻醉兔子以使其
镇静。然后将兔子仰卧平放固定在手术台上。用电动剃须刀除去颈毛。在
锁骨上方和喉下方的颈部用75％酒精和碘伏消毒剂灭菌，然后用手术刀从正中间剪开表皮。使用组织分离针分离兔子右侧的颈动脉和左侧的颈静脉。在体外血液循环之前，夹住动脉和静脉血管。在该体外回路中总共使用六个输液连接管(聚丙烯，长10cm)。将玻璃管和石墨烯玻璃管放入连接器中。然后向连接管内填充注入生理盐水和肝素(1.3mg/kg)。然后将无菌输液连接管的一端剪成像
注射器针一样尖锐的端口并分别插入颈动脉和颈静脉。当输液连接管在血管上固定好时，尽快让兔子侧卧，使得兔子能顺利呼吸。
最后松开颈动脉和颈静脉，血液从颈动脉循环到颈静脉；
[0099] 样品在30分钟后取出放入盛有生理盐水的培养皿中。新一批样品随后放入充满生理盐水的输液连接管中继续重复以上步骤，分别再保持45分钟和60分钟。最后通过
腹腔注射过量麻醉剂使兔子安乐死；
[0100] 所有样品一旦取出就用生理盐水漂洗。漂洗后将样品自然干燥过夜。通过在实验之前和之后称量样品的重量来获得增加的血栓重量百分比；
[0101] 从图5可以看出取出样品的在30分钟和45分钟时，石墨烯玻璃管上几乎没有血栓，从管子的横截面图可以看出这些石墨烯玻璃管的通畅度也很好。60分钟时，石墨烯玻璃管上有明显的血栓，通畅性虽然不如30分钟和45分钟，但依然通透可见说明石墨烯玻璃管在此刻没有堵塞。对于玻璃管在30分钟时，其表面血栓略高于石墨烯玻璃管，通透性与石墨烯玻璃管几乎相同；在45分钟时玻璃管上形成明显的血栓，与石墨烯玻璃管相比通畅性差；在60分钟时，在玻璃管上形成了更多的血栓，并且玻璃管被血栓堵塞；
[0102] 从图6可以看出随着时间的增加玻璃管和石墨烯玻璃管的血栓重量百分比都有增加。玻璃管增加的血栓的重量百分比明显大于石墨烯玻璃管的重量百分比。此实验说明石墨烯包覆的玻璃管相对玻璃具有良好的血液相容性。
