PTFE功能化的TiO2纳米管：一种简单易行的方法，用于获得超疏水性和血液相容性的表面

《Applied Surface Science》：PTFE functionalized TiO2 nanotubes: a simple and facile approach to obtain a superhydrophobic and hemocompatible surface

血栓形成抑制；超疏水表面；血接触植入物；血小板粘附；PTFE涂层；TiO?纳米管

　　

苏巴什里·米什拉（Subhashree Mishra）|拉迪卡·拉文德拉恩（Radhika Ravindran）|苏比亚·阿尔瓦拉潘（Subbiah Alwarappan）|维格内什·穆图维贾扬（Vignesh Muthuvijayan）|索姆纳特·C·罗伊（Somnath C. Roy）

半导体氧化物材料、纳米结构及定制异质结（SOMNaTH）实验室，印度钦奈600036，印度理工学院马德拉斯分校物理系

摘要

与血液接触的植入物表面形成血栓是限制这些设备功能和效率的最大挑战。血浆与植入物表面之间的相互作用会导致蛋白质迅速吸附，从而引发血小板粘附和凝血。在过去的几十年里，关于极端润湿性（超亲水或超疏水）在血液相容性应用中的优越性一直存在争议。对于超疏水表面而言，尽管其表面能低且接触角大，从而减少了蛋白质与表面的相互作用，但真正的挑战在于在连续血液流动产生的机械应力环境下稳定Cassie-Baxter（CB）状态。本研究旨在探讨CB状态的稳定性及其对血小板粘附的影响。为了创建一个稳定的超疏水表面，制备了涂有PTFE的二氧化钛（TiO?）表面。钛箔经过阳极氧化处理生成TiO?纳米管，然后通过热蒸发法在其上涂覆PTFE。这使得PTFE颗粒机械地固定在多孔的TiO?纳米管（TiO?NT）上，从而形成接触角为150°、滚落角为7°的超疏水表面。通过进行液滴冲击试验以及在PBS溶液中浸泡5天后的SEM成像分析，发现pH值和形态均未发生显著变化。此外，与裸露的TiO?-NT相比，涂有PTFE的TiO?-NT表现出极低的血小板粘附性和抗血栓形成能力。我们的工作建立了一种简单、低成本且可工业化扩展的血液相容性表面制备方法。

引言

用于替代功能失调器官的血液接触型医疗设备常常与血栓形成相关，这最终会导致并发症并降低其效率。血液中的血浆蛋白在植入体内后很快就会吸附到设备表面。这一过程由多种物理相互作用控制，在表面形成一层蛋白质。由于Vroman效应，这层蛋白质会发生构象变化，从而信号传递给周围的血小板，使其粘附、激活并聚集，最终形成稳定的血栓，降低植入物的功能[1]、[2]、[3]。此外，血栓可能会脱落并移动到身体其他部位，导致中风或心脏病发作等危及生命的状况[4]、[5]、[6]。控制蛋白质吸附和血小板聚集的一种方法是修改设备表面。纳米结构表面因其纹理和表面粗糙度（r）可控而受到青睐，这有助于限制蛋白质吸附和血小板粘附[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。除了纹理外，表面化学性质和润湿性也对血液相容性起着重要作用。固体的润湿性使得水滴能够在某个称为接触角的特定角度稳定下来，该角度由杨氏方程计算得出[13]。 $\mathrm{Cos}{\theta }_e=(\gamma SV-\gamma SL)/\gamma LV$ 其中θ_e是平衡接触角，$\gamma$_SV、$\gamma$_SL和$\gamma$_LV分别是固体-蒸汽、固体-液体和液体-蒸汽界面的表面能。

考虑到表面粗糙度与润湿性之间的相关性，Wenzel提出了以下公式： $\mathrm{Cos}{\theta }^{=}$ 其中θ^W表示Wenzel接触角，θ表示粗糙度。根据Wenzel理论，表面粗糙度允许液体通过沟槽，从而实现最大润湿性或超亲水性[14]。当粗糙度值r增加到一定阈值时，Wenzel状态会发生转变，进入CB状态。在这种情况下，水滴下方会形成空气囊泡，成为液体-固体界面之间的屏障，阻止水渗透通过沟槽[15]。以下公式支持CB模型： $\mathrm{Cos}{\theta }^{=}$ 其中θ^CB表示CB接触角，f表示固体-液体接触面积的比例，θ表示杨氏接触角[16]。

近年来，具有可调润湿性的表面因其在多种应用中的潜力而受到广泛关注[17]。超疏水表面具有高接触角（150-180°），具有抗污染、抗菌和抗凝血特性，这拓宽了其在生物医学应用中的用途。其内部的空气层减少了蛋白质吸附和血小板粘附，因为它们限制了血液与表面的接触面积[18]。然而，尽管超疏水表面是理想的抗凝血材料，但其长期稳定性仍是一个问题。由于连续血液流动产生的压力，CB状态下的空气囊泡往往会消失，从而限制了其实际应用[19]。不过，通过在表面制造微小结构可以增强CB状态的稳定性[18]。

材料的选择对决定表面性质起着重要作用。市售的血液接触型植入物通常由不锈钢、钛、镁合金、钴铬合金等制成[20]、[21]、[22]、[23]。钛以其柔韧性、良好的机械性能、高强度重量比、优异的生物相容性和耐腐蚀性而著称；然而，其对蛋白质吸附和血小板粘附的敏感性限制了其血液相容性。可以通过等离子体蚀刻、不同薄膜沉积技术的氧化物涂层等方法来创建超疏水表面。在这种背景下，电化学阳极氧化提供了一种简单且可扩展的表面处理和氧化物形成方法，常用于工业应用[14]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。Smith等人使用基于HF的电解质制备了二氧化钛纳米管，但溶剂处理可能会影响工艺的可扩展性[37]。Manabe等人和Vijayan等人也使用PTFE作为基底，但其较差的机械强度可能会影响性能[38]、[39]。为了实现可扩展且稳定的疏水表面，我们的方法是将纳米结构氧化层与PTFE结合。虽然这两种材料都已被单独研究过，但将纳米结构TiO?与PTFE涂层结合以实现血液接触应用的超疏水性尚未被探索。支持信息部分1中的详细文献综述表明，尽管TiO?-PTFE在光催化和自清洁应用中得到广泛应用，但其作为血液相容性材料的潜力仍在研究中。

材料与方法

二氧化钛纳米管（TiO?NTs）是通过阳极氧化过程制备的。阳极氧化在恒电位模式下（KEYSIGHT E36106A）进行，使用钛和铂分别作为阳极和阴极。钛箔（厚度0.25毫米，纯度99.7%，Sigma Aldrich）被切割成1厘米×2厘米的矩形片，并用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗后，在氮气环境中干燥。电解质溶液由...

结果与讨论

如图2[43]、[44]所示，在电场作用下，二氧化钛纳米管通过氧化和氟化物辅助溶解的相互作用自组织并生长。图2(a)-c显示了垂直排列、多孔且分离良好的纳米管的形成。电解质中高浓度的氟离子可以促进形成分离良好的TiO?纳米管，而不是高度有序的阵列。

结论

总结来说，通过钛的阳极氧化获得了多孔的TiO?-NT，并通过热蒸发法涂覆了PTFE。XRD分析显示，在650℃的退火温度下形成了多晶金红石相。TEM图像表明PTFE覆盖了TiO?NT的顶部表面。FTIR的1200和1145 cm^?1光谱以及XPS的684.7 eV光谱证实了PTFE-TiO?NT之间的结合。润湿性测量结果显示了PTFE-TiO?的接触角和滚落角。

CRediT作者贡献声明

苏巴什里·米什拉（Subhashree Mishra）：撰写初稿、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。 拉迪卡·拉文德拉恩（Radhika Ravindran）：资源提供、方法学设计、实验研究。 苏比亚·阿尔瓦拉潘（Subbiah Alwarappan）：资源提供、实验研究。 维格内什·穆图维贾扬（Vignesh Muthuvijayan）：撰写、审稿与编辑、监督工作、资源协调。 索姆纳特·C·罗伊（Somnath C. Roy）：撰写、审稿与编辑、监督工作、资源协调、项目管理。

利益冲突声明

作者声明以下可能的财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：[索姆纳特·C·罗伊（Somnath C Roy）报告称获得了印度理工学院马德拉斯分校的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢印度政府DST-FIST计划部分资助的FE-SEM设施、印度理工学院马德拉斯分校冶金与材料工程系Soft Matter and Complex Fluids实验室提供的接触角测量设施、SAIF提供的FTIR设施以及IC&SR提供的透射电子显微镜（TEM）设施。作者衷心感谢印度理工学院马德拉斯分校的机构伦理委员会批准进行相关研究。