真空技術在醫療器械(如：牙種植體、心血管支架等)表面改性方面具有很大的優勢。與其他常規方法(如溶膠凝膠、微弧氧化等)相比，真空方法是非常潔凈的，能夠進行閉環控制而不受外界環境的影響。本文論述了真空技術在生物機械、醫療器械中的應用價值，包括采用真空等離子體氧化技術在牙種植體上制備超親水表面以提高生物相容性和初期穩定性，采用真空鍍膜技術制備碳基薄膜，降低摩擦系數，提高種植體系統的長期成功率;采用電子束蒸發技術在心血管支架上制備氧化鈦涂層，提高生物活性。研究結果表明真空技術制備的表面具有優異的潤濕特性，能夠控制細胞的吸附和擴展，改善種植體植入體內后的行為。因此，真空技術是一種提高醫療器械治療效果的有效方法，在醫療器械表面設計中具有重要的應用價值。

　　信息、生命、納米科技將引領21 世紀世界科技發展的潮流。中國進入信息時代后，將不可避免的迎接生物科學技術時代的到來。生物機械、醫療器械是機械工程、制造科技與生命科技的交叉，是現代制造的新領域。過去12 年來，中國醫療器械市場銷售規模由2001 年的179 億元增長到2012年的1700 億元，剔除物價因素影響，12 年間增長了近9.4 倍。據中國醫藥物資協會醫療器械分會抽樣調查統計，2013 年前10 月中國醫療器械市場總銷售規模達到1410 億元，預計全年銷售規模達到2120 億元，比上一年度增長21.19%。

　　在醫療器械的設計、制造和使用過程中，表面工程技術占有非常重要的地位。醫療器械的性能主要取決于它的成分及其微觀組織。多數醫療器械產品由于與表面相關的摩擦磨損、腐蝕氧化以及疲勞斷裂等導致失效或破壞，因此，表面改性技術日益受到重視。

　　本課題組之前用真空技術進行醫療器械表面改性以提高生物相容性，掌握了表面顯微結構、形貌、潤濕性與生物相容性的關系機理。真空技術網(http://203scouts.com/)與中國醫科大學、沈陽儀表科學研究院等單位合作，申報成功沈陽市生物機械與表面工程重點實驗室，正在實施建設。

　　醫療器械的表面設計及可靠性始終是產業化應用的瓶頸之一，本文論述了真空技術在生物機械、醫療器械中的應用，特別是從等離子體氧化、碳基薄膜制備及電子束蒸發的角度出發，探討了醫療器械的表面設計原則及真空技術在其中的應用價值。

1、等離子體氧化技術

1.1、表面改性工藝

　　利用真空輝光放電產生的氧離子轟擊種植體表面，生成一層氧化薄膜。以接觸角為衡量標準，通過改變處理時間、自偏壓和氣體流量比例對等離子體氧化工藝進行優化。有關設備和工藝的信息，詳見之前發表的文章。

2、表面特性表征

　　圖1 為樣片經等離子體氧化處理前后的表面結構圖。可以看出等離子體氧化處理沒有改變噴砂酸蝕(SLA)工藝產生的多孔表面結構。考慮到噴砂酸蝕多孔表面是種植體在臨床上成功應用的先決條件，這種多孔結構的保持具有重要的意義。

圖1 等離子體氧化處理前(a)、后(b)樣品表面的SEM 相片

圖2 等離子體氧化前后表面XRD 檢測結果

　　對等離子體氧化處理前后的樣品進行了XRD 檢測(如圖2 所示)，SLA 表面未出現二氧化鈦結構，而等離子體處理樣品的檢測中出現了銳鈦礦相結構，衍射角2θ=27.5°，晶面為(110)。氧化鈦晶粒在(110)晶面方向上發生了取向生長。對等離子體氧化處理的樣品進行了XPS 檢測，用XPS peak 軟件對Ti 2p、O1s 進行分峰處理，如圖3 所示，計算得到樣品表面Ti4+、Ti3+ 和Ti2+ 三種離子及-OH 功能團的含量分別為50.74%、18.01%、31.25%及56.18%。

圖3 等離子體氧化表面的Ti 2p(a)及O1s(b)擬合圖

　　等離子體氧化后樣品表面的接觸角如圖4 所示。可以看出樣品表面顯示為超親水特性，水滴在表面鋪開，接觸角為0.93°。該超親水性的獲得，得益于表面多孔結構的保持和表面氧化鈦涂層的制備，同時預示著該表面具有良好的生物活性。

圖4 等離子體氧化后樣品表面接觸角

　　成骨細胞的粘附和增殖是評價種植體生物活性的重要參數。圖5 顯示了等離子體氧化樣品表面成骨細胞的粘附情況。培養6 h 時，細胞處于增殖間期，細胞形態為橢圓或紡錘形，無方向性，此時成骨細胞的的肌動蛋白蛋白纖維素聚集于細胞中央，微足結構并不可見。培養24 h 時，此時細胞處于分裂前期，細胞的體積明顯增大。細胞數目明顯增多，并且鋪展良好，此時成骨細胞的的肌動蛋白蛋白纖維素向周圍擴散，可見到少量不規則伸展的偽足。多數成骨細胞呈不規則多角形，而個別細胞呈放射狀。培養48 h 時，細胞已經完成分裂增殖，圖中可以看出細胞數目明顯增多，細胞呈梭形，無明顯的排列方向。此時細胞已經伸出更多的板狀或絲狀偽足。可以預測，本文等離子體氧化工藝處理的種植體具有良好的骨結合能力和初期穩定性，目前課題組正在與國內某醫療器械龍頭企業合作，在其現有工藝的基礎上增加等離子體氧化工藝，制備超親水表面，縮短種植體的骨結合時間，預計今后將在其國外引進的生產線上增加真空處理裝置，該工作將對醫療器械生產、真空裝備制造等行業產生重要影響。

圖5 等離子體氧化樣品表面成骨細胞粘附的SEM圖片(a)6 小時(b)24 小時(c)48 小時.(b)、(c)右上角為放大圖

3、碳基薄膜制備技術

　　相關研究表明：在種植體內螺紋及基臺螺絲表面鍍制碳基薄膜能夠有效降低連接螺紋副間摩擦系數，實現在不增加旋緊扭矩的前提下提高預緊力，從而達到防止螺釘松動失效的目的[8]。本文采用射頻輝光放電PECVD 系統在種植體基臺螺絲上制備碳膜，在所用真空裝置中進行了特別設計為基片提供脈沖直流負偏壓。

圖6 基臺螺絲表面的拉曼光譜圖

　　所制備表面的Raman 光譜扣除本底噪聲并進行高斯分峰擬合后，光譜圖如圖6 所示。由圖可知，光譜顯示出了類金剛石碳的兩個典型峰值：G峰(1548.76 cm-1 處)和D 峰(1351.91 cm-1 處)，這說明沉積的薄膜是類金剛石碳膜。

　　為研究表面的化學成分，進行了XPS 光譜測試，結果如圖7 所示。

圖7 基臺螺絲表面的C1sXPS 譜圖

　　由C1sXPS 譜圖可知，樣片的C1s 主峰位于284.8 eV，介于金剛石(285.6 eV)和石墨(284.4 eV)之間，說明表面沉積的薄膜既包含sp2 雜化碳原子，又包含sp3 雜化碳原子。將C1s 譜進行高斯分峰擬合，得到sp3 和sp2 的兩個峰，利用譜峰面積積分強度法計算出sp3 含量36.28%。納米壓痕硬度測試結果表明，表面沉積的碳膜硬度值在4 GPa 左右，與純鈦基底相比有了較大提高。將樣片浸泡在1%的NaCl 溶液中，利用UMT-2MT 型摩擦磨損試驗機對碳膜的生物摩擦學特性進行了研究。實驗條件為：采用Φ5 mm 鈦對磨球，載荷為10 g，轉速為120 rpm，回轉半徑為1 mm。摩擦系數曲線如圖8 所示。

圖8 沉積碳膜前后樣片在生理鹽水環境中的摩擦系數

　　純鈦樣片在生理鹽水環境中的平均摩擦系數為0.389，沉積碳膜后的摩擦系數為0.187。可見制備碳膜后，基臺螺絲能夠獲得更好的生物摩擦性能。該技術有望明顯提高種植體系統的預緊力，改善種植體系統的長期成功率和可靠性，解決困擾牙種植體臨床手術的“機械并發癥”問題。

4、電子束蒸發技術

　　目前血管支架由于內膜增生帶來的再狹窄仍然是制約該項技術的主要瓶頸。這些問題引發了對于諸如表面特性、生物相容性、藥物攜帶等的討論研究。本課題組用電子束蒸發的方法制備氧化鈦薄膜獲得了具有良好生物活性的表面。

　　用電子束蒸發系統在心血管支架材料上沉積氧化鈦薄膜的具體工藝在之前的文章中已經詳細論述。用XPS 分析所制備的表面，結果如圖9所示，XPS 分析表明所制備的薄膜是由TiO2，Ti2O3和TiO 組成的多晶體。

圖9 電子束蒸發制備氧化鈦薄膜的XPS 譜圖

　　將樣品浸泡在PBS 溶液中，進行平滑肌細胞培養實驗，測定樣品的生物活性(如圖10 所示)。

圖10 沉積氧化鈦薄膜前(左圖)后(右圖)平滑肌細胞吸附圖片

　　結果表明，電子束蒸發制備的氧化鈦薄膜具有良好的生物活性，能夠用于心血管支架表面改性，降低再狹窄的幾率。下一步，將在此基礎上進行載藥涂層制備及真空冷凍干燥實驗，探索新型心血管支架的表面設計法則。

5、結論

　　本文論述了利用真空技術進行醫療器械表面改性的幾種方法，特別是等離子體氧化、碳基薄膜制備及電子束蒸發三種方法，列舉了最新的一些進展。通過等離子體氧化制備親水性的氧化鈦表面，有助于促進成骨細胞的粘附和增殖，為縮短醫用種植體的愈合時間提供了可能;通過碳基薄膜制備，能夠增強種植體系統的預緊力，提高其長期成功率及可靠性;電子束蒸發等技術為解決心血管支架再狹窄及長期成功率等問題提供了可行的方案。由于真空技術能夠為醫療器械提供更潔凈、更有效的表面，更好地滿足臨床的需求，因此可以預見真空技術及裝備在醫療器械行業的應用將越來越大，將擁有更為廣闊的空間。