孫懷遠(yuǎn) 周一凡 魏馨蕾 廖躍華 楊麗英

（上海健康醫(yī)學(xué)院，上海201318）

0 引言

“生物醫(yī)用材料”是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)的一門專業(yè)課程，它搭建起了如金屬、陶瓷、高分子等各類材料與生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用之間的橋梁。該課程涵蓋了生物醫(yī)用材料的核心內(nèi)容，如生物醫(yī)用金屬、陶瓷、聚合物的表面化學(xué)和物理特性；生物材料表面修飾和表征方法；植入性生物材料的過敏和炎癥反應(yīng)、生物學(xué)評價及相關(guān)分析測試方法；生物材料的設(shè)計制備原則、基本制備方法；藥物輸送體系、生物醫(yī)學(xué)診斷及組織工程等[1-2]。因此，它具有知識覆蓋面廣、內(nèi)容與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域緊密聯(lián)系的特點。

目前，該課程的學(xué)習(xí)存在兩個問題，一是學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不濃：課程涉及材料的許多內(nèi)容較抽象，難以理解，且多數(shù)學(xué)生認(rèn)為課程與未來職業(yè)取向及發(fā)展并無重要關(guān)系，導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性較差，動力不足，缺乏興趣；二是學(xué)習(xí)層次不深：學(xué)習(xí)過程中，許多學(xué)生對生物材料有關(guān)概念、特性、分析測試的學(xué)習(xí)僅滿足于記憶、認(rèn)識、照做，缺乏內(nèi)涵和深層次理解，不能掌握科學(xué)思維方法和分析處理問題的技巧，理論知識的遷移與運用能力不強。解決上述問題的有效途徑之一就是開展多種形式的實驗實踐教學(xué)，以激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨立設(shè)計、實施實驗的能力，提升學(xué)生創(chuàng)造性思維與實踐動手的能力[3-4]。為此，針對“生物醫(yī)用材料”課程特點，我們進(jìn)行了創(chuàng)新性實驗探索，即在教師指導(dǎo)下，以學(xué)生為主體，對課程某一研究或者項目自主進(jìn)行實驗方法的設(shè)計，組織設(shè)備和材料，完成創(chuàng)造性實驗，分析處理數(shù)據(jù)，撰寫實驗報告等，著眼于培養(yǎng)學(xué)生獨立解決問題和創(chuàng)新創(chuàng)造的能力[5]。本文以醫(yī)用金屬材料表面修飾改性為主題，介紹“生物醫(yī)用材料”的創(chuàng)新性實驗研究。

1 創(chuàng)新性實驗設(shè)計

醫(yī)用金屬材料是指用于制造人體內(nèi)醫(yī)療器件的金屬材料，又稱作植入類金屬材料?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)上應(yīng)用最為廣泛的金屬材料主要有不銹鋼、鈦合金、鎂合金等。但由于植入類金屬材料一直存在引發(fā)細(xì)菌感染，即“生物材料相關(guān)感染”（Biomaterial-Centered Infection，BCI）的問題，其發(fā)生概率為0.5%～6%，占醫(yī)院總感染的45%左右，這使得基于植入類金屬材料的抗菌改性研究成為當(dāng)前熱點之一[6-7]。醫(yī)用金屬材料抗菌改性采取的措施主要分為兩類：一類是金屬材料表面改性，即通過改變材料表面的物化性質(zhì)、表面電性質(zhì)和自身表面形貌等來抑制細(xì)菌的粘附，防止感染的發(fā)生；另一類則是通過在金屬材料表面加載抗菌物質(zhì)來達(dá)到抗菌目的。近幾年來，隨著對BCI發(fā)病機(jī)制的深入研究，人們對醫(yī)用金屬材料抗菌改性關(guān)注的熱點逐漸集中到金屬表面抗菌涂層上，認(rèn)識到實施金屬表面載藥涂層是解決金屬內(nèi)表面感染問題的重要方式之一[8-9]。涂層制備有多種工藝方法，其各有優(yōu)缺點。最近發(fā)展起來的微量噴射技術(shù)是基于微系統(tǒng)、微流體技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字處理方法的不斷完善的一種新型工藝技術(shù)，是微流體控制應(yīng)用的一個重要體現(xiàn)，目前已在醫(yī)學(xué)、生物制造工程、制藥工程等領(lǐng)域獲得了一定的發(fā)展和初步應(yīng)用[10-11]。

在涂層方面主要涉及生物芯片制造、細(xì)胞打印、藥物洗脫、支架表面涂覆等技術(shù)[12]。本項目結(jié)合“生物醫(yī)用材料”課程教學(xué)，基于微量噴射技術(shù)，綜合機(jī)器視覺和運動控制技術(shù)，對“醫(yī)用金屬材料”創(chuàng)新性實驗進(jìn)行研究，實施微量化、可視化、高精度和非接觸式的涂層制備。

2 創(chuàng)新性實驗?zāi)繕?biāo)

創(chuàng)新性實驗是第二課堂教學(xué)，旨在提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，同時它也是一種學(xué)習(xí)活動，不僅要求學(xué)生按既定步驟完成實驗，獲取數(shù)據(jù)，撰寫實驗報告等，還要求學(xué)生能學(xué)習(xí)實驗原理，對實驗過程、實驗結(jié)果進(jìn)行思考，理解實驗的設(shè)計思路。所以，它更能培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣、科學(xué)思維能力、創(chuàng)新能力、動手能力以及獨立分析和解決問題的能力[13]。

“醫(yī)用金屬材料”涂層創(chuàng)新性實驗的目標(biāo)：

（1）熟悉金屬材料用于植入性生物材料的要求與特點；

（2）了解金屬材料表面進(jìn)行抗菌改性和涂層制備的工藝措施與方法；

（3）通過學(xué)習(xí)和實驗系統(tǒng)操作，進(jìn)一步了解微量噴射技術(shù)的原理，熟悉微量噴射技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用情況，尤其是在植入性生物材料表面改性方面的應(yīng)用，探索微量噴射技術(shù)在材料表面抗菌涂層領(lǐng)域的應(yīng)用可行性；

（4）通過科學(xué)實驗與研究，將“生物醫(yī)用材料”課程理論知識與實踐有機(jī)結(jié)合，并在實驗中努力提升學(xué)生制定學(xué)習(xí)目標(biāo)及計劃、自我監(jiān)測與調(diào)節(jié)、獲取及處理信息、交流合作等多方面的能力，為培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用型人才奠定良好基礎(chǔ)。

3 創(chuàng)新性實驗實施

3.1 組織實驗設(shè)備

醫(yī)用金屬材料涂層制備可采用的微量噴射技術(shù)有ink-jet微噴技術(shù)、超聲霧化噴射技術(shù)、空氣霧化噴射技術(shù)。其中，ink-jet微噴技術(shù)基于壓電控制，其原理是噴頭內(nèi)部的換能器產(chǎn)生體積變化導(dǎo)致腔體內(nèi)液體產(chǎn)生壓力波，壓力波傳到噴嘴孔處轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w速度，使微滴從噴嘴噴出[14]，該技術(shù)的噴射液滴單個可控，可實現(xiàn)定點、定量、定向及精細(xì)圖形化噴射。超聲霧化噴射技術(shù)是利用超聲波對噴頭噴射出的液滴進(jìn)行霧化后而實施噴涂的技術(shù)，該技術(shù)涂層超薄均勻、塑形可控，可實現(xiàn)超低噴霧流量噴射?？諝忪F化噴射技術(shù)基于空氣控制，其原理與ink-jet微噴技術(shù)相似，所不同的是空氣霧化驅(qū)動力來自于噴頭系統(tǒng)的空氣，該技術(shù)的噴射流量和流速可控，可產(chǎn)生低流量、低壓力的噴霧，從而保證涂層具有高度的一致性。上述三種微量噴射技術(shù)均可用于醫(yī)療器械行業(yè)的各種支架、導(dǎo)管導(dǎo)絲、球囊的噴涂。

基于實驗室現(xiàn)有設(shè)備和條件，本項目選用基于壓電控制的微量噴射實驗系統(tǒng)和基于超聲霧化的生物材料噴涂系統(tǒng)作為“醫(yī)用金屬材料”涂層創(chuàng)新性實驗的主體設(shè)備。

3.2 篩選實驗材料

3.2.1 確定涂層基材

針對“生物醫(yī)用材料”課程教學(xué)目標(biāo)和創(chuàng)新性實驗設(shè)計思想，依托課堂和課外學(xué)習(xí)的知識，進(jìn)一步熟悉和掌握植入性金屬材料的要求與特點，篩選機(jī)械性能優(yōu)良、耐腐蝕性能及生物相容性好的醫(yī)用金屬材料作為涂層基材。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)上應(yīng)用最為廣泛的金屬材料有不銹鋼、鈦合金、鎂合金等。因為鎂合金質(zhì)量輕、能量衰減系數(shù)高、減震性好、強度和剛度高、阻尼性與抗沖擊性能好，所以它具有良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性、電磁屏蔽特性和輔助散熱功能，而且可以回收利用[15]；鈦合金強度高，熱穩(wěn)定性好，在高溫高壓下仍具有一定的耐腐蝕性能，是目前已知的生物親和性最好的金屬之一，已成為全球外科植入物及矯形器械產(chǎn)品生產(chǎn)所需的主要金屬材料[16-17]。因此，本研究利用微量噴射技術(shù)對鎂合金和鈦合金進(jìn)行表面涂層處理，以此提高它們的表面性能，以符合植入性金屬材料的要求。

3.2.2 確定噴涂材料

作為植入性金屬材料的噴涂材料，必須滿足安全無毒、生物相容性好、可降解、能載藥等醫(yī)用材料應(yīng)具備的要求。諸如膠原蛋白、纖維素、透明質(zhì)酸、明膠、海藻酸鈉、聚酯纖維、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乳酸、聚乙烯以及單體聚合物的共聚物等高分子材料已在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛使用，成為生物醫(yī)用材料的一部分[18]。聚乳酸-羥基乙酸共聚物（poly lactic-co-glycolic acid，PLGA）是由兩種單體——乳酸和羥基乙酸共聚而成，是一種可降解的有機(jī)高分子聚合物，它無毒、生物相容性和成囊成膜性能良好、抗腐蝕，具有可控的機(jī)械性能，是FDA批準(zhǔn)的醫(yī)用聚合物之一，被廣泛應(yīng)用于制藥、醫(yī)用工程材料和現(xiàn)代化工業(yè)等領(lǐng)域[19]。因此，本研究選用PLGA作為鎂合金和鈦合金表面載藥材料進(jìn)行涂層基礎(chǔ)研究。

3.3 實施噴涂實驗

在培訓(xùn)、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，掌握微量噴射實驗系統(tǒng)和生物材料噴涂系統(tǒng)的噴涂方式、實時監(jiān)測、運動控制等，測試噴涂材料PLGA的可行性和微量噴涂特性，摸索微噴技術(shù)參數(shù)，選用并優(yōu)化運動控制參數(shù)，最終采用單因素實驗法，以不同噴涂條件（PLGA濃度、脈沖驅(qū)動電壓、噴射頻率）對鎂合金片和鈦合金片進(jìn)行表面噴涂實驗，記錄實驗數(shù)據(jù)。圖1是PLGA涂層制備實驗流程。

圖1 PLGA涂層制備流程

其中，噴射成型具體又分為以下幾個步驟：首先是噴射液滴狀態(tài)調(diào)試，即在實驗設(shè)備視覺觀測系統(tǒng)的輔助下，通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，調(diào)試出相對穩(wěn)定的液滴噴射狀態(tài)。然后，通過系統(tǒng)操作確定目標(biāo)噴涂區(qū)域的坐標(biāo)位置。最后，調(diào)用預(yù)設(shè)的噴涂程序，設(shè)置坐標(biāo)參數(shù)后進(jìn)行噴涂。具體噴射成型步驟如圖2所示。

圖2 噴射成型步驟

3.4 分析實驗結(jié)果

通過對噴涂實驗進(jìn)行單因素設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化，歸納并分析實驗數(shù)據(jù)，對噴射成型液滴、掃描電鏡等儀器檢測結(jié)果進(jìn)行比較和評估，得出PLGA濃度、脈沖驅(qū)動電壓、噴射頻率對噴射液滴狀態(tài)（形狀、直徑、速率）、涂層形貌（致密性、均勻性、平整性）等的影響關(guān)系，為下一步制備PLGA載藥涂層提供參考依據(jù)。

以鈦合金材料表面涂覆PLGA為例，其最佳噴涂工藝條件：PLGA溶液濃度為24%，微量噴頭的驅(qū)動電壓為52 V，噴射頻率為1 000 Hz，采用單因素法實驗得出如下結(jié)果：

（1）隨著PLGA溶液濃度的增大，噴射液滴直徑呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢，其原因是溶液濃度增大使表面張力減小，在一定驅(qū)動電壓的作用下，液滴以較小體積噴出；液滴直徑太大或太小均會使涂層效果變差。

（2）隨著驅(qū)動電壓逐漸增大，液滴直徑呈現(xiàn)由小到大、再由大到小的變化，這是因為驅(qū)動電壓在較低階段時，隨著壓電控制信號的增大，液體運動的動能隨之增大，而在噴射頻率一定的情況下，液滴將以較大體積噴出。當(dāng)驅(qū)動電壓增大到一定值后，更大的壓電控制信號所產(chǎn)生的液體運動動能，會使噴射速率明顯加大，從而克服溶液表面張力，使液滴反而以較小體積噴出。過低或過高的驅(qū)動電壓，盡管噴射液滴直徑較小，但由于噴射速率等因素的影響，會使液滴狀態(tài)不穩(wěn)定，從而使涂層表面出現(xiàn)凹坑或凸起的狀況。

（3）噴射液滴直徑隨著頻率的增大而逐漸減小，這是因為在驅(qū)動電壓一定的情況下，液體運動的動能是不變的，而噴射頻率的增大使液滴噴出的間隔縮短，液滴將以較小體積噴出；過高的頻率盡管可以獲得更小的液滴，但同時會使液滴狀態(tài)趨于不穩(wěn)定，易出現(xiàn)液滴漂移等現(xiàn)象，反而使涂層表面形貌變差。

4 結(jié)語

本項目研究針對“生物醫(yī)用材料”課程特點，基于微量噴射原理，在鎂合金和鈦合金材料表面進(jìn)行PLGA涂層，探索植入性金屬材料表面抗菌修飾的手段和方法，以進(jìn)一步深化學(xué)習(xí)“生物醫(yī)用材料”的課程知識。

實踐證明，創(chuàng)新性實驗研究采用“指導(dǎo)老師—研究生—本科生”多層次的組合團(tuán)隊，本科生作為實驗研究主體，在老師和研究生的指導(dǎo)下，承擔(dān)了實驗設(shè)計、材料選型、實驗實施的主要任務(wù)。通過實驗探索，學(xué)生對生物醫(yī)用材料，尤其是醫(yī)用金屬材料的可植入特性、表面修飾和表征方法等內(nèi)容有了深刻理解，對“生物醫(yī)用材料”課程在專業(yè)中的地位有了進(jìn)一步的認(rèn)識，學(xué)習(xí)課程的積極性明顯提高；同時也提升了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生動手實踐、團(tuán)結(jié)協(xié)作和溝通交流的能力。