外科工具与医疗器械新进展

外科工具与医疗器械 第二版

引言

《外科工具与医疗器械》第二版提供了由各领域专家撰写的23章内容的全面概述。这些章节并未按特定主题分组，而是每章涵盖外科工具、医疗器械制造与表征、表面工程以及生物材料与细胞之间相互作用等方面的多个方面。除了材料科学和技术方面的内容外，读者还可以找到有关细胞与碳基医疗设备和骨移植材料等物品的生物学性能及相互作用的信息。

虽然本书没有特定的应用重点，但心血管设备似乎受到了更多关注，拥有一个专门的章节（第5章“心血管介入与植入式器械”），以及多个相关主题的章节，例如表面工程、类金刚石碳 (DLC) 涂层和碳基材料的细胞间相互作用，这些特性在心血管应用中尤为重要。

本书的主题集中在表面工程和涂层，旨在涵盖纳米技术领域的最新进展，包括生物医学设备的纳米涂层和纳米结构化。本书的目标是为该领域的未来发展提供思路，将纳米材料和纳米技术与生物医学设备及工具的开发相结合。

本书讨论的医疗设备主要涉及非可吸收材料，如钛基合金及其表面的纳米工程。因此，希望获取有关生物活性、可吸收骨移植材料及设备信息的读者可能会感到内容不足。仅有一章涵盖可吸收类骨移植材料。

由于本书是对广泛的主题进行全面概述，因此本篇书评将仅包含与评论者兴趣领域相关的精选章节。

钛基合金的阳极氧化

第2章由托马斯・韦伯斯特和姚畅（布朗大学，美国）撰写，介绍了钛合金的阳极氧化和纳米结构化，这是一种提高钛基植入物生物相容性的方法。

纳米结构钛表面已被证明可改善与金属植入物骨整合相关的细胞类型的黏附。通过阳极氧化可在钛表面形成纳米级粗糙度或纳米管。通过控制电解质类型（例如硫酸、氢氧化钠或氟化氢）以及电压、电流密度、pH值和温度等工艺参数，可调节表面纳米结构的尺寸和形貌。作者综述了现有研究，报道了通过调控工艺参数和电解质类型可实现的从纳米孔、高长径比纳米管到规则纳米空洞阵列的各种纳米结构。

本章还概述了关于纳米结构钛表面细胞相容性的部分体外研究。通常，通过阳极氧化获得的纳米结构表面表现出更佳的细胞黏附和细胞增殖行为，这可归因于纳米形貌与整联蛋白分子介导的细胞附着机制所需精确尺寸相匹配。

关于未来的发展方向，作者建议钛表面应在从宏观到纳米的所有尺度上都具有粗糙度和结构化特征，这可以通过结合机械研磨和阳极氧化步骤来实现。此外，阳极氧化还可作为一种工具，通过利用纳米结构在钛基表面上引入药物递送功能，将形貌作为化学信号分子（如骨形态发生蛋白（BMPs））的储存库，以促进骨再生。

镍钛合金的腐蚀行为

第4章由英国苏格兰佩斯利大学的 Frank Placido et al. 撰写，描述了一项关于表面处理对镍钛合金腐蚀行为影响的特定研究。除了生物相容性这一生物材料基本要求外，金属在生理环境中还存在额外的腐蚀风险。作者评估了不同表面处理（例如通过化学蚀刻和机械抛光形成的表面）对镍钛合金腐蚀的影响。腐蚀试验在0.9%盐水溶液中进行，评估指标包括电化学电位、开路电位（OCP）、腐蚀坑和电流密度测量。

研究表明，与未经处理的对照组和机械蚀刻导线相比，化学蚀刻镍钛合金丝最为稳定，具有最高的腐蚀电位、较低的腐蚀速率和较低的腐蚀电流。此外，通过对不同处理的导线进行阳极极化处理，评估了其点蚀腐蚀行为，并确定了“点蚀电位”和“钝化电位”。结果显示，化学蚀刻导线的“点蚀电位”和“钝化行为”数值更为接近，表明其对点蚀的敏感性较低。

腐蚀。这一观察结果通过电子显微镜评估得到证实，显示机械处理样品上出现了严重的点蚀腐蚀攻击，并伴随裂纹形成，而化学蚀刻样品在阳极处理后似乎几乎未受影响。总体而言，作者得出结论：化学蚀刻是一种适用于为暴露于腐蚀性盐环境中的镍钛诺材料提供增强腐蚀防护的有效技术。

介入性和植入性器械

第5章由迈克尔・惠特（美国加州州立理工大学）et al.撰写，概述了心血管应用对通用材料的要求，并举例说明了当前使用的材料和器械。对于介入器械（通常为导引导管和导引丝），两个最关键的参数是“跟踪能力”（器械顺利到达目标病灶的难易程度）和“推送能力”（推动器械通过病灶的能力），这些参数在体外 in vitro 测量时具有挑战性。摩擦性能可通过使用亲水涂层以及硅或聚四氟乙烯（PTFE）等疏水涂层来改善，这些涂层可起到润滑剂的作用。

植入性器械包括机械式（支架）和电子器械（起搏器）。对于永久植入器械，主要关注的问题是潜在的血栓形成（堵塞）以及血液相容性（血液相容性）。因此，对于植入性器械而言，表面特性是降低血栓风险的关键，旨在减少凝血、血小板黏附和血小板活化。本章将介绍血栓形成和血细胞生理学的基本内容。例如，已有研究提出材料的血液相容性与其电子结构之间存在关联，该理论基于纤维蛋白原在与人工材料表面发生电子交换时会发生变性（从而启动导致血栓形成的级联反应）。因此，开发血液相容性植入体的研究方向集中在具有半导体特性且带隙大于1.8 eV的材料上，该带隙值与纤维蛋白原的带隙相关（纤维蛋白原可被描述为一种半导体材料）。

自然界最血液相容的表面是内皮，这是一层衬于血管内部的扁平细胞，正常情况下可防止血液堵塞并允许平稳血流。因此，一种合乎逻辑且有前景的方法是提高材料血液相容性的一种方法是在植入前在移植物材料上接种内皮细胞。在此背景下，移植物材料与内皮细胞的相容性对于心血管器械材料的充分性能至关重要，会影响内皮细胞的黏附和增殖等特性。内皮细胞在人工表面上的黏附涉及特定的分子相互作用，必须对其进行严格控制，以实现融合细胞层形成，避免剪切应力和可能的并发症。

生物材料的表面特性对于生物医学器械的性能至关重要，因为最外层表面（几个原子层）对其在体内的界面相互作用起着关键作用。为了提高用于心血管应用的材料表面的生物相容性，人们广泛提出了表面改性方法。

使用类金刚石碳（DLC）对心血管设备进行表面工程

第6章由纳萨尔・阿里（葡萄牙阿威罗大学）et al.撰写，详细阐述了心血管器械材料的表面相容性，描述了基于 DLC 改善材料生物相容性的表面工程方法。由于 DLC 涂层具有化学惰性、高硬度、耐磨性和生物相容性，因此被应用于人工心脏瓣膜。研究表明，与钛表面相比，DLC 可减少血小板黏附，因而更具血液相容性。In vitro 研究显示，与钛、TiN 和 TiC 相比，DLC 上的血小板黏附更少。通常在 DLC 涂层上未观察到血小板活化、血小板凝结或血栓形成，这可能与 DLC 涂层上较高的白蛋白与纤维蛋白原比例有关。

DLC 涂层还可以通过掺杂铬或硅进行改性。研究表明，用硅掺杂 DLC 可提高内皮细胞的活力，并且已证明铬掺杂 DLC 涂层可产生更高的内皮细胞附着率。根据拉曼光谱对 D 和 G 石墨带强度的评估，作者认为 DLC 中存在的无序石墨相是铬掺杂 DLC 涂层上内皮细胞活力改善的原因。

生物实体（例如细胞和蛋白质）与人工表面的相互作用对于理解生物医学设备的性能至关重要。

本书包含一个专门讨论该主题的章节（第11章），探讨了细胞生物学与材料之间相互作用的基本原理，具有工程背景的读者将对此深有体会。本章对表面工程碳基生物医学材料中的材料‐细胞相互作用进行了全面概述，描述了决定人工材料表面对生物反应的关键因素，包括与蛋白质、各种人类细胞类型以及细菌的相互作用。因此，本章为开发适用于心血管应用的合适材料提供了研究空间。

尽管支架的机械性能、植入技术以及抗血栓治疗已取得显著进展，但支架和心脏瓣膜的使用仍常出现血栓性闭塞、狭窄和再狭窄等严重问题。此外，机械故障、磨损或碎屑、氧化和腐蚀也可能导致生物医学设备失效。

结论

总体而言，本书对生物医学设备和外科工具所用的材料与表面工程技术进行了很好的概述。尽管内容全面，但在具体技术讨论方面仍显得有些浅显。然而，本书将对生物医学设备、生物材料以及生物医学表面工程进行高层次的介绍。因此，本书特别推荐给对生物医学设备领域，尤其是心血管应用领域感兴趣的（生物）材料研究人员和技术人员。从事生物医学设备制造的专业人士可能会发现相关内容兴趣较少，但书中提供的全面概述和详细且最新的参考内容，可为各个主题的扩展研究提供参考范围。