基于AFM的钛合金表面红细胞力学性能

谢雄，谭建平，龙东平，刘云龙

(1. 中南大学 机电工程学院，湖南 长沙，410083；2. 湖南科技大学 机电工程学院，湖南 湘潭，411201)

在血泵40余年的发展中，摩擦和磨损一直是阻碍其发展的重要因素，国内外众多学者对其润滑方式进行了探索和研究。Walowit等[1]对CCF的新一代血泵(IVAS)进行了研究，该血泵转子轴承采用血液直接润滑，通过计算机模拟对轴承的结构参数进行了优化；Malanoski等[2]对磁浮轴承血泵进行了研究，计算了径向滑动轴承在低剪切情况下保证低溶血的同时应具备的润滑膜厚度。Jarvik 2000钛合金血泵[3-4]及BaylorGyr系列离心泵[5]等均采用血液直接润滑。为了研究血液润滑特性，学者们从微观和宏观2个方面对血液的润滑特性进行研究。龚中良等[6-8]建立了刚脆性血细胞模型，并定性分析了血液通过不同最小间隙后的变化规律；云忠等[9-10]采用水力旋流场理论对高速螺旋流场内血液剪切损伤机理进行了研究， 得出了红细胞剪切破碎的判定依据；龙东平等[11-13]和 Chen等[14-15]结合血液的特殊流变性，利用线性黏弹性模型-Maxwell流变模型来描述血液的宏观的非牛顿流体特征和血细胞的微观黏弹性特征。此外，血液的微观吸附特性和吸附形貌也会对血液的润滑产生影响。因此，研究血细胞在材料表面的吸附，对改进血液润滑效果，减少血细胞受损是非常重要是非常必要的。但由于受到微观研究手段限制和活红细胞表面难以控制摩擦的限制，从微观角度去研究血细胞摩擦性能的研究尚鲜见报道。

本文作者从微观细胞力学的角度出发，探讨了在润滑过程中血细胞的吸附特性和微观力学行为，建立了血细胞黏附力模型，利用原子力显微镜(AFM)观察了吸附在钛合金基底上的红细胞表面形貌, 从材料的表面特征出发，研究了不同红细胞压积HCT的血液在不同粗糙度的钛合金表面的接触角、黏附功的变化规律，以及材料表面性能对血液的润湿性、润滑性能和相容性的影响规律，对损伤红细胞膜的过程和机理进行了讨论。

1 血细胞黏附力模型

为了从细胞生物力学的角度研究细胞黏附，首先要了解单个细胞的力学特性。红细胞膜内充满了可流动，不可压缩的血红蛋白，对于一对不可压缩的球形黏弹性细胞的黏附，可以用标准固体黏弹性(Kelvin)模型来近似，如图1所示。

从力的角度来看，红细胞黏附面上的接触应力分布为：

其中：h为2个红细胞开始接触到互相黏附的相对位移；a为接触圈的半径；r为黏附平面的极坐标；K=0.5k1k2/(k1+k2)，k1，k2分别为 2个红细胞的弹性系数；R=R1R2/(R1+R2)，其中 R1，R2分别为2个细胞的半径。则总的黏附力为：

其中：A为黏附区的面积。

黏附的能量密度为：

图1 细胞黏附模型(细胞均为不可压缩黏弹性球体)Fig. 1 Cell adhesion model(as incompressible viscoelastic sphere)

2 实验研究

2.1 试样准备

清晨空腹安静状态下，采集健康青年志愿者肘前静脉血 5～10 mL，使用肝素或乙二胺四乙酸二钠(EDTA)抗凝，肝素抗凝浓度20～30 IU/mL全血，EDTA浓度为3.4～4.8 mmol/L全血。将血均匀地涂到钛合金表面制成血涂片，室温风干备用。

2.2 实验条件

利用CSPM5000型原子力显微镜，在室温时对样品进行表面形貌和摩擦特性测试，相对湿度控制在75%左右，采用接触模式，所用针尖为CSPM5000型AFM自带针尖(ContactAl)探针，扫描频率为1.0 Hz，扫描面积(范围)为 20 μm2左右，扫描角为 90°，测吸附于钛合金表面的红细胞形貌，并测其摩擦力(横向力)。

2.3 钛合金表面吸附实验

图2所示为利用CSPM5000型原子力显微镜观察的抛光后的钛合金表面，平均粗糙度约为10 nm，图2(a)所示为钛合金的二维表面形貌，图2(b)所示为三维表面形貌。

图3所示为吸附在此钛合金表面的血细胞。由图可以看出：血细胞有部分开始变形，细胞周围伸出伪足，呈棘轮状。材料的生物兼容性与材料的表面能有关，红细胞变形的原因一方面是表面太粗糙，二是钛合金表面触使血细胞在吸附过程中产生形变。

图2 抛光后的钛合金Ti-6Al-4V表面形貌Fig. 2 Surface morphologies of Ti-6Al-4V after polishing

2.4 钛合金表面黏附实验

从材料的表面特征出发，研究组分变化时血液在不同粗糙度钛合金表面的接触角、黏附功的变化规律。

2.4.1 不同钛合金表面接触角实验

材料的表面性能的表征，主要包括4个方面的性能：物理形态(主要指表面粗糙度)；化学形态(主要表现在材料的亲、疏水性上)；化学形态主要表现在材料的亲、疏水性上；电性能(指材料表面所带的电荷对血液相容性的影响)；表面能量参数(包括表面张力、临界表面张力、界面自由能、极性色散比、黏附功)。通过测量不同血液组分在不同粗糙度的生物材料表面的接触角、表面张力，研究血液润滑的润湿性、润滑性能和相容性。

采用JY-82接触角测定仪，测试了不同红细胞压积HCT的血液对3种钛合金TA2(纯钛)，TC4 (Ti6Al4V)和 TLM (TiZrSnMoNb) 在不同表面粗糙度下的接触角θ，如图4所示。

结果表明：

图3 吸附在钛合金表面的血细胞的形态形貌Fig. 3 Surface morphologies of cell adsorpted on titanium alloy

(1) 无论是蒸馏水，还是 HCT不同的血液，对TA2，TC4和TLM 3种钛合金表面的接触角随着合金表面粗糙度的增加而下降。因此，钛合金表面越粗糙，血液的润湿性越好。

(2) 在蒸馏水和各种成分的血液中，血浆对TA2，TC4和TLM合金表面的接触角最小，蒸馏水的最大，随着血液HCT的增加，血液对3种合金表面的接触角呈均匀上升的趋势。血浆对钛和钛合金表面的润湿性最好。蒸馏水与各种成分的血液相比，对合金表面的润湿性都要差一些。

(3) 各种成分的血液对 3种钛合金的接触角都是按TA2，TC4和TLM顺序均匀减少；血液中，TLM合金表面的润湿性最好，TC4的次之，TA2的最差。

2.4.2 不同钛合金表面黏附功实验

润滑液的润滑性能与其对摩擦界面的黏附功 Wa有关。通过测量不同 HCT血液的表面张力及其对TA2，TC4和TLM 3种生物钛合金界面在不同粗糙度下的接触角θ(如图3所示)，得出HCT为0%(血浆)，10%，20%，30%和45%(全血)的血液对3种生物钛合金TA2，TC4和TLM表面的黏附功Wa随表面粗糙度的关系如图5所示。

图4 不同红细胞压积HCT的血液对3种钛合金表面的接触角Fig. 4 Contact angle of three kinds of titanium alloysblood with different HCT

结果表明：

(1) 随着血液HCT的增加，血液对TA2，TC4和TLM 3种合金表面的黏附功都呈均匀上升的趋势，血浆对3种合金表面的黏附功最小，全血的最大。这表明：随着血液HCT的增加，血液润滑剂对3种生物钛合金表面的润滑性能有所提高。为了让血液有效成分均匀充满润滑区，在血液润滑运动副设计时，选取最小膜厚 hmin≥8 μm。

图5 不同红细胞压积HCT的血液对3种钛合金的黏附功Fig. 5 Adhesive work of three kinds of titanium alloys and blood with different HCT

(2) 随着合金表面粗糙度值的增加，HCT不同的血液润滑剂对TA2，TC4和TLM 3种生物钛合金表面的黏附功都呈均匀上升趋势，但上升的幅度较小。因此，生物钛合金表面越粗糙，血液润滑剂的润滑性能较好。但考虑到血液润滑一定要处在流体动压润滑状态下且其溶血和血栓等生理指标因素，钛合金表面的粗糙度不能太大。

(3) 每种人体血液对 3种生物钛合金的接触角都是按TA2，TC4和TLM顺序均匀减少，而黏附功Wa均是按TA2，TC4和TLM顺序增加的。因此，血液润滑剂对 TLM 合金表面的润湿性和润滑性能最好，TC4次之，TA2最差。且钛合金表面的亲水性与血液润滑的性能有关，亲水性好的钛合金表面血液润滑性能也好。

3 结论

(1) 随着血液HCT的增加，血液对钛合金表面的接触角上升，润滑性能提高；随着血液HCT的增加，血液润滑剂对3种生物钛合金表面的润滑性能有所提高。各种成分的血液对生物钛合金表面的润滑性能血浆是最差的，全血是最好的。

(2) 随着合金表面粗糙度的增加，HCT不同的血液润滑剂对TA2，TC4和TLM 3种生物钛合金表面的接触角下降，而黏附功略有增大，润滑性能较好。但考虑到血液润滑一定要处在流体动压润滑状态下且其溶血和血栓等生理指标因素，钛合金表面的粗糙度不能太大。

(3) 血液对 3种生物钛合金表面的接触角都是按TA2，TC4和 TLM 顺序均匀减少，而黏附功均是按TA2，TC4和TLM顺序增加的。因此，血液润滑剂对TLM合金表面的润湿性和润滑性能最好，TA2最差。且钛合金表面的亲水性与血液润滑的性能有关，亲水性好的钛合金表面血液润滑性能也好。

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