“生物醫用材料”課程創新性實驗探索

孫懷遠 周一凡 魏馨蕾 廖躍華 楊麗英

（上海健康醫學院，上海201318）

0 引言

“生物醫用材料”是生物醫學工程專業的一門專業課程，它搭建起了如金屬、陶瓷、高分子等各類材料與生物醫學應用之間的橋梁。該課程涵蓋了生物醫用材料的核心內容，如生物醫用金屬、陶瓷、聚合物的表面化學和物理特性；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、生物學評價及相關分析測試方法；生物材料的設計制備原則、基本制備方法；藥物輸送體系、生物醫學診斷及組織工程等[1-2]。因此，它具有知識覆蓋面廣、內容與醫學領域緊密聯系的特點。

目前，該課程的學習存在兩個問題，一是學生的學習興趣不濃：課程涉及材料的許多內容較抽象，難以理解，且多數學生認為課程與未來職業取向及發展并無重要關系，導致學習積極性較差，動力不足，缺乏興趣；二是學習層次不深：學習過程中，許多學生對生物材料有關概念、特性、分析測試的學習僅滿足于記憶、認識、照做，缺乏內涵和深層次理解，不能掌握科學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，以激發學生自主學習的興趣，培養學生獨立設計、實施實驗的能力，提升學生創造性思維與實踐動手的能力[3-4]。為此，針對“生物醫用材料”課程特點，我們進行了創新性實驗探索，即在教師指導下，以學生為主體，對課程某一研究或者項目自主進行實驗方法的設計，組織設備和材料，完成創造性實驗，分析處理數據，撰寫實驗報告等，著眼于培養學生獨立解決問題和創新創造的能力[5]。本文以醫用金屬材料表面修飾改性為主題，介紹“生物醫用材料”的創新性實驗研究。

1 創新性實驗設計

醫用金屬材料是指用于制造人體內醫療器件的金屬材料，又稱作植入類金屬材料。現代醫學上應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細菌感染，即“生物材料相關感染”（Biomaterial-Centered Infection，BCI）的問題，其發生概率為0.5%～6%，占醫院總感染的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前熱點之一[6-7]。醫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、表面電性質和自身表面形貌等來抑制細菌的粘附，防止感染的發生；另一類則是通過在金屬材料表面加載抗菌物質來達到抗菌目的。近幾年來，隨著對BCI發病機制的深入研究，人們對醫用金屬材料抗菌改性關注的熱點逐漸集中到金屬表面抗菌涂層上，認識到實施金屬表面載藥涂層是解決金屬內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，其各有優缺點。最近發展起來的微量噴射技術是基于微系統、微流體技術的發展和數字處理方法的不斷完善的一種新型工藝技術，是微流體控制應用的一個重要體現，目前已在醫學、生物制造工程、制藥工程等領域獲得了一定的發展和初步應用[10-11]。

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

2 創新性實驗目標

創新性實驗是第二課堂教學，旨在提高學生的自主學習能力，同時它也是一種學習活動，不僅要求學生按既定步驟完成實驗，獲取數據，撰寫實驗報告等，還要求學生能學習實驗原理，對實驗過程、實驗結果進行思考，理解實驗的設計思路。所以，它更能培養學生的專業興趣、科學思維能力、創新能力、動手能力以及獨立分析和解決問題的能力[13]。

“醫用金屬材料”涂層創新性實驗的目標：

（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行抗菌改性和涂層制備的工藝措施與方法；

（3）通過學習和實驗系統操作，進一步了解微量噴射技術的原理，熟悉微量噴射技術在生物醫學工程領域的廣泛應用情況，尤其是在植入性生物材料表面改性方面的應用，探索微量噴射技術在材料表面抗菌涂層領域的應用可行性；

（4）通過科學實驗與研究，將“生物醫用材料”課程理論知識與實踐有機結合，并在實驗中努力提升學生制定學習目標及計劃、自我監測與調節、獲取及處理信息、交流合作等多方面的能力，為培養技術應用型人才奠定良好基礎。

3 創新性實驗實施

3.1 組織實驗設備

醫用金屬材料涂層制備可采用的微量噴射技術有ink-jet微噴技術、超聲霧化噴射技術、空氣霧化噴射技術。其中，ink-jet微噴技術基于壓電控制，其原理是噴頭內部的換能器產生體積變化導致腔體內液體產生壓力波，壓力波傳到噴嘴孔處轉變為流體速度，使微滴從噴嘴噴出[14]，該技術的噴射液滴單個可控，可實現定點、定量、定向及精細圖形化噴射。超聲霧化噴射技術是利用超聲波對噴頭噴射出的液滴進行霧化后而實施噴涂的技術，該技術涂層超薄均勻、塑形可控，可實現超低噴霧流量噴射?？諝忪F化噴射技術基于空氣控制，其原理與ink-jet微噴技術相似，所不同的是空氣霧化驅動力來自于噴頭系統的空氣，該技術的噴射流量和流速可控，可產生低流量、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均可用于醫療器械行業的各種支架、導管導絲、球囊的噴涂。

基于實驗室現有設備和條件，本項目選用基于壓電控制的微量噴射實驗系統和基于超聲霧化的生物材料噴涂系統作為“醫用金屬材料”涂層創新性實驗的主體設備。

3.2 篩選實驗材料

3.2.1 確定涂層基材

針對“生物醫用材料”課程教學目標和創新性實驗設計思想，依托課堂和課外學習的知識，進一步熟悉和掌握植入性金屬材料的要求與特點，篩選機械性能優良、耐腐蝕性能及生物相容性好的醫用金屬材料作為涂層基材?，F代醫學上應用最為廣泛的金屬材料有不銹鋼、鈦合金、鎂合金等。因為鎂合金質量輕、能量衰減系數高、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熱導電性、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品生產所需的主要金屬材料[16-17]。因此，本研究利用微量噴射技術對鎂合金和鈦合金進行表面涂層處理，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、能載藥等醫用材料應具備的要求。諸如膠原蛋白、纖維素、透明質酸、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學領域被廣泛使用，成為生物醫用材料的一部分[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，具有可控的機械性能，是FDA批準的醫用聚合物之一，被廣泛應用于制藥、醫用工程材料和現代化工業等領域[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行涂層基礎研究。

3.3 實施噴涂實驗

在培訓、學習基礎上，掌握微量噴射實驗系統和生物材料噴涂系統的噴涂方式、實時監測、運動控制等，測試噴涂材料PLGA的可行性和微量噴涂特性，摸索微噴技術參數，選用并優化運動控制參數，最終采用單因素實驗法，以不同噴涂條件（PLGA濃度、脈沖驅動電壓、噴射頻率）對鎂合金片和鈦合金片進行表面噴涂實驗，記錄實驗數據。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調試，即在實驗設備視覺觀測系統的輔助下，通過調整系統參數，調試出相對穩定的液滴噴射狀態。然后，通過系統操作確定目標噴涂區域的坐標位置。最后，調用預設的噴涂程序，設置坐標參數后進行噴涂。具體噴射成型步驟如圖2所示。

圖2 噴射成型步驟

3.4 分析實驗結果

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

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果：

（1）隨著PLGA溶液濃度的增大，噴射液滴直徑呈現逐漸變小的趨勢，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）隨著驅動電壓逐漸增大，液滴直徑呈現由小到大、再由大到小的變化，這是因為驅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。當驅動電壓增大到一定值后，更大的壓電控制信號所產生的液體運動動能，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，會使液滴狀態不穩定，從而使涂層表面出現凹坑或凸起的狀況。

（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趨于不穩定，易出現液滴漂移等現象，反而使涂層表面形貌變差。

4 結語

本項目研究針對“生物醫用材料”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，以進一步深化學習“生物醫用材料”的課程知識。

實踐證明，創新性實驗研究采用“指導老師—研究生—本科生”多層次的組合團隊，本科生作為實驗研究主體，在老師和研究生的指導下，承擔了實驗設計、材料選型、實驗實施的主要任務。通過實驗探索，學生對生物醫用材料，尤其是醫用金屬材料的可植入特性、表面修飾和表征方法等內容有了深刻理解，對“生物醫用材料”課程在專業中的地位有了進一步的認識，學習課程的積極性明顯提高；同時也提升了學生分析問題和解決問題的能力，培養了學生動手實踐、團結協作和溝通交流的能力。