钛合金表面仿生结构改性在血液润滑下的摩擦机理研究

本项目以植入式人工血泵的摩擦为研究对象，从植入材料（钛合金）的表面改性出发，运用仿生学的方法和原理，结合血液润滑的特殊性，改善材料的血液相容性，提高其耐磨强度。拟在钛合金表面进行表面改性，制备微米结构和纳米结构相结合仿生结构，控制钛合金材料的表面形貌，研究微纳结构协同作用下血液粘附力、流动阻力，血液各成分与材料表面发生反应机理；对改性后材料进行微纳米尺度摩擦学研究，建立相应的理论模型。首先通过阳极氧化、微弧氧化等方法在钛合金表面制备二氧化钛薄膜，再采用纳米压印等技术构筑微/纳结合的双重结构；通过模拟生理环境实验研究改性后的材料表面的血液相容性，及相容性对血液润滑的影响；再利用磨损试验评价改性后的钛材料表面的摩擦学性能，接着在模拟血泵工作条件下，进行血液润滑的摩擦实验，研究改性后材料的纳米尺度效应对血液润滑的影响，进一步揭示微/纳尺度下的摩擦机理，建立相应的摩擦理论模型。

血泵（人工心脏）是以血液为工作介质的流体机械，血液相容性好，流动阻力小，是血泵材料的基本要求。钛合金是最主要的血泵材料，为了改善其表面血液相容性，减小摩擦，本项目提出在钛合金表面构筑微/纳结构达到仿荷叶表面效果的方案，改善血液相容性，提高其耐磨性、减小摩擦，减小血液流动阻力。本项目主要做了以下几方面研究工作：通过阳极氧化方法对钛合金进行表面改性，制备出具有微/纳TiO2薄膜；通过控制反应参数和条件，从微纳尺度控制薄膜的结构和形貌，改善氧化膜与基材的结合强度，提高的表面膜性能；利用纳米压痕、划痕实验及摩擦磨损试验评价了改性后的钛材表面的摩擦学性能及力学性能。(2)研究了钛合金表面仿生改性前后血液润湿性及相容性的变化；探索了表面改性前后的由于血液各成分的粘附对血液润滑效果的影响。(3)参考流体在超疏水表面流动时存在滑移的现象，建立了非牛顿流体在仿生表面的流动理论模型；结合血液自身的非牛顿流体特性，从理论上推导了具有粘弹性特性的血液在超疏水表面(改性后的材料表面)润滑模型。从微/纳尺度下研究了改性后的材料与血液之间的摩擦，进一步揭示微/纳观摩擦机理，建立微/纳观尺度上的血液润滑理论模型。