“生物医用材料”课程创新性实验探索

孙怀远 周一凡 魏馨蕾 廖跃华 杨丽英

（上海健康医学院，上海201318）

0 引言

“生物医用材料”是生物医学工程专业的一门专业课程，它搭建起了如金属、陶瓷、高分子等各类材料与生物医学应用之间的桥梁。该课程涵盖了生物医用材料的核心内容，如生物医用金属、陶瓷、聚合物的表面化学和物理特性；生物材料表面修饰和表征方法；植入性生物材料的过敏和炎症反应、生物学评价及相关分析测试方法；生物材料的设计制备原则、基本制备方法；药物输送体系、生物医学诊断及组织工程等[1-2]。因此，它具有知识覆盖面广、内容与医学领域紧密联系的特点。

目前，该课程的学习存在两个问题，一是学生的学习兴趣不浓：课程涉及材料的许多内容较抽象，难以理解，且多数学生认为课程与未来职业取向及发展并无重要关系，导致学习积极性较差，动力不足，缺乏兴趣；二是学习层次不深：学习过程中，许多学生对生物材料有关概念、特性、分析测试的学习仅满足于记忆、认识、照做，缺乏内涵和深层次理解，不能掌握科学思维方法和分析处理问题的技巧，理论知识的迁移与运用能力不强。解决上述问题的有效途径之一就是开展多种形式的实验实践教学，以激发学生自主学习的兴趣，培养学生独立设计、实施实验的能力，提升学生创造性思维与实践动手的能力[3-4]。为此，针对“生物医用材料”课程特点，我们进行了创新性实验探索，即在教师指导下，以学生为主体，对课程某一研究或者项目自主进行实验方法的设计，组织设备和材料，完成创造性实验，分析处理数据，撰写实验报告等，着眼于培养学生独立解决问题和创新创造的能力[5]。本文以医用金属材料表面修饰改性为主题，介绍“生物医用材料”的创新性实验研究。

1 创新性实验设计

医用金属材料是指用于制造人体内医疗器件的金属材料，又称作植入类金属材料。现代医学上应用最为广泛的金属材料主要有不锈钢、钛合金、镁合金等。但由于植入类金属材料一直存在引发细菌感染，即“生物材料相关感染”（Biomaterial-Centered Infection，BCI）的问题，其发生概率为0.5%～6%，占医院总感染的45%左右，这使得基于植入类金属材料的抗菌改性研究成为当前热点之一[6-7]。医用金属材料抗菌改性采取的措施主要分为两类：一类是金属材料表面改性，即通过改变材料表面的物化性质、表面电性质和自身表面形貌等来抑制细菌的粘附，防止感染的发生；另一类则是通过在金属材料表面加载抗菌物质来达到抗菌目的。近几年来，随着对BCI发病机制的深入研究，人们对医用金属材料抗菌改性关注的热点逐渐集中到金属表面抗菌涂层上，认识到实施金属表面载药涂层是解决金属内表面感染问题的重要方式之一[8-9]。涂层制备有多种工艺方法，其各有优缺点。最近发展起来的微量喷射技术是基于微系统、微流体技术的发展和数字处理方法的不断完善的一种新型工艺技术，是微流体控制应用的一个重要体现，目前已在医学、生物制造工程、制药工程等领域获得了一定的发展和初步应用[10-11]。

在涂层方面主要涉及生物芯片制造、细胞打印、药物洗脱、支架表面涂覆等技术[12]。本项目结合“生物医用材料”课程教学，基于微量喷射技术，综合机器视觉和运动控制技术，对“医用金属材料”创新性实验进行研究，实施微量化、可视化、高精度和非接触式的涂层制备。

2 创新性实验目标

创新性实验是第二课堂教学，旨在提高学生的自主学习能力，同时它也是一种学习活动，不仅要求学生按既定步骤完成实验，获取数据，撰写实验报告等，还要求学生能学习实验原理，对实验过程、实验结果进行思考，理解实验的设计思路。所以，它更能培养学生的专业兴趣、科学思维能力、创新能力、动手能力以及独立分析和解决问题的能力[13]。

“医用金属材料”涂层创新性实验的目标：

（1）熟悉金属材料用于植入性生物材料的要求与特点；

（2）了解金属材料表面进行抗菌改性和涂层制备的工艺措施与方法；

（3）通过学习和实验系统操作，进一步了解微量喷射技术的原理，熟悉微量喷射技术在生物医学工程领域的广泛应用情况，尤其是在植入性生物材料表面改性方面的应用，探索微量喷射技术在材料表面抗菌涂层领域的应用可行性；

（4）通过科学实验与研究，将“生物医用材料”课程理论知识与实践有机结合，并在实验中努力提升学生制定学习目标及计划、自我监测与调节、获取及处理信息、交流合作等多方面的能力，为培养技术应用型人才奠定良好基础。

3 创新性实验实施

3.1 组织实验设备

医用金属材料涂层制备可采用的微量喷射技术有ink-jet微喷技术、超声雾化喷射技术、空气雾化喷射技术。其中，ink-jet微喷技术基于压电控制，其原理是喷头内部的换能器产生体积变化导致腔体内液体产生压力波，压力波传到喷嘴孔处转变为流体速度，使微滴从喷嘴喷出[14]，该技术的喷射液滴单个可控，可实现定点、定量、定向及精细图形化喷射。超声雾化喷射技术是利用超声波对喷头喷射出的液滴进行雾化后而实施喷涂的技术，该技术涂层超薄均匀、塑形可控，可实现超低喷雾流量喷射。空气雾化喷射技术基于空气控制，其原理与ink-jet微喷技术相似，所不同的是空气雾化驱动力来自于喷头系统的空气，该技术的喷射流量和流速可控，可产生低流量、低压力的喷雾，从而保证涂层具有高度的一致性。上述三种微量喷射技术均可用于医疗器械行业的各种支架、导管导丝、球囊的喷涂。

基于实验室现有设备和条件，本项目选用基于压电控制的微量喷射实验系统和基于超声雾化的生物材料喷涂系统作为“医用金属材料”涂层创新性实验的主体设备。

3.2 筛选实验材料

3.2.1 确定涂层基材

针对“生物医用材料”课程教学目标和创新性实验设计思想，依托课堂和课外学习的知识，进一步熟悉和掌握植入性金属材料的要求与特点，筛选机械性能优良、耐腐蚀性能及生物相容性好的医用金属材料作为涂层基材。现代医学上应用最为广泛的金属材料有不锈钢、钛合金、镁合金等。因为镁合金质量轻、能量衰减系数高、减震性好、强度和刚度高、阻尼性与抗冲击性能好，所以它具有良好的导热导电性、电磁屏蔽特性和辅助散热功能，而且可以回收利用[15]；钛合金强度高，热稳定性好，在高温高压下仍具有一定的耐腐蚀性能，是目前已知的生物亲和性最好的金属之一，已成为全球外科植入物及矫形器械产品生产所需的主要金属材料[16-17]。因此，本研究利用微量喷射技术对镁合金和钛合金进行表面涂层处理，以此提高它们的表面性能，以符合植入性金属材料的要求。

3.2.2 确定喷涂材料

作为植入性金属材料的喷涂材料，必须满足安全无毒、生物相容性好、可降解、能载药等医用材料应具备的要求。诸如胶原蛋白、纤维素、透明质酸、明胶、海藻酸钠、聚酯纤维、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乳酸、聚乙烯以及单体聚合物的共聚物等高分子材料已在医学领域被广泛使用，成为生物医用材料的一部分[18]。聚乳酸-羟基乙酸共聚物（poly lactic-co-glycolic acid，PLGA）是由两种单体——乳酸和羟基乙酸共聚而成，是一种可降解的有机高分子聚合物，它无毒、生物相容性和成囊成膜性能良好、抗腐蚀，具有可控的机械性能，是FDA批准的医用聚合物之一，被广泛应用于制药、医用工程材料和现代化工业等领域[19]。因此，本研究选用PLGA作为镁合金和钛合金表面载药材料进行涂层基础研究。

3.3 实施喷涂实验

在培训、学习基础上，掌握微量喷射实验系统和生物材料喷涂系统的喷涂方式、实时监测、运动控制等，测试喷涂材料PLGA的可行性和微量喷涂特性，摸索微喷技术参数，选用并优化运动控制参数，最终采用单因素实验法，以不同喷涂条件（PLGA浓度、脉冲驱动电压、喷射频率）对镁合金片和钛合金片进行表面喷涂实验，记录实验数据。图1是PLGA涂层制备实验流程。

图1 PLGA涂层制备流程

其中，喷射成型具体又分为以下几个步骤：首先是喷射液滴状态调试，即在实验设备视觉观测系统的辅助下，通过调整系统参数，调试出相对稳定的液滴喷射状态。然后，通过系统操作确定目标喷涂区域的坐标位置。最后，调用预设的喷涂程序，设置坐标参数后进行喷涂。具体喷射成型步骤如图2所示。

图2 喷射成型步骤

3.4 分析实验结果

通过对喷涂实验进行单因素设计和参数优化，归纳并分析实验数据，对喷射成型液滴、扫描电镜等仪器检测结果进行比较和评估，得出PLGA浓度、脉冲驱动电压、喷射频率对喷射液滴状态（形状、直径、速率）、涂层形貌（致密性、均匀性、平整性）等的影响关系，为下一步制备PLGA载药涂层提供参考依据。

以钛合金材料表面涂覆PLGA为例，其最佳喷涂工艺条件：PLGA溶液浓度为24%，微量喷头的驱动电压为52 V，喷射频率为1 000 Hz，采用单因素法实验得出如下结果：

（1）随着PLGA溶液浓度的增大，喷射液滴直径呈现逐渐变小的趋势，其原因是溶液浓度增大使表面张力减小，在一定驱动电压的作用下，液滴以较小体积喷出；液滴直径太大或太小均会使涂层效果变差。

（2）随着驱动电压逐渐增大，液滴直径呈现由小到大、再由大到小的变化，这是因为驱动电压在较低阶段时，随着压电控制信号的增大，液体运动的动能随之增大，而在喷射频率一定的情况下，液滴将以较大体积喷出。当驱动电压增大到一定值后，更大的压电控制信号所产生的液体运动动能，会使喷射速率明显加大，从而克服溶液表面张力，使液滴反而以较小体积喷出。过低或过高的驱动电压，尽管喷射液滴直径较小，但由于喷射速率等因素的影响，会使液滴状态不稳定，从而使涂层表面出现凹坑或凸起的状况。

（3）喷射液滴直径随着频率的增大而逐渐减小，这是因为在驱动电压一定的情况下，液体运动的动能是不变的，而喷射频率的增大使液滴喷出的间隔缩短，液滴将以较小体积喷出；过高的频率尽管可以获得更小的液滴，但同时会使液滴状态趋于不稳定，易出现液滴漂移等现象，反而使涂层表面形貌变差。

4 结语

本项目研究针对“生物医用材料”课程特点，基于微量喷射原理，在镁合金和钛合金材料表面进行PLGA涂层，探索植入性金属材料表面抗菌修饰的手段和方法，以进一步深化学习“生物医用材料”的课程知识。

实践证明，创新性实验研究采用“指导老师—研究生—本科生”多层次的组合团队，本科生作为实验研究主体，在老师和研究生的指导下，承担了实验设计、材料选型、实验实施的主要任务。通过实验探索，学生对生物医用材料，尤其是医用金属材料的可植入特性、表面修饰和表征方法等内容有了深刻理解，对“生物医用材料”课程在专业中的地位有了进一步的认识，学习课程的积极性明显提高；同时也提升了学生分析问题和解决问题的能力，培养了学生动手实践、团结协作和沟通交流的能力。