胡慧怡 等
Figure 4. Scanning electron microscope of stainless steel after plastic deformation 图4. 塑性变形后不锈钢表面扫描电镜结果
3.2.3. 台阶仪结果
图5为台阶仪检测不同变形量不锈钢表面的结果，此结果反映了材料表面粗糙度的变化。由图中结果可以看出随着变形量的增大，样品表面粗糙度增大，当变形量达到60%之后，粗糙度不再大幅度变化，L1.0组与L0.6组相差无几。这是由于随着拉伸时间的增加，内部晶粒转动加剧，导致表面粗糙度增大，而当变形量很大时(本文为100%)，各晶粒位向与拉伸方向趋于一致，将形成排列整齐的有序结构，粗糙度有减小并趋于稳定的趋势。
Figure 5. Change of surface roughness of stainless steel after plastic deformation detected by step measuring instrument 图5. 台阶仪测量塑性变形前后不锈钢表面粗糙度结果
这一结果与前文扫描电子显微镜的结果相对应，说明塑性变形对生物医用不锈钢表面形貌有一定的影响，随着塑性变形的增加，表面粗糙度呈现先增大后减小并趋于稳定的趋势，在塑性变形为60%时，材料粗糙度最大。
3.3. 塑性变形后不锈钢的理化性质测定结果
3.3.1. 亲疏水性结果
图6为不同变形量不锈钢表面亲疏水性的结果，由图可知，相比于对照组水接触角值为74?左右，L0.2组水接触角减小至66?左右，更为亲水，L0.6组水接触角最小，达到52?左右，最为亲水，L1.0组水接触
DOI: 10.12677/ms.2020.106056
465
材料科学
胡慧怡 等
角数值为62?左右，大于L0.6组而小于对照组和L0.2组，较亲水；而对照组与实验组之间存在显著性差异，即塑性变形对生物医用不锈钢表面亲疏水性有显著性的影响，随着塑性变形的增加，表面亲水性呈现先增加后减小的趋势，在适当的塑性变形(本文为60%)后，材料能达到最亲水。前文测出样品表面粗糙度最大为6 μm，这符合Wenzel模型，Wenzel理论认为粗糙表面使得实际上固–液之间的接触面要大于表观观察到的面积，增大固体表面粗糙度会使疏水表面更疏水，亲水表面更亲水，而所有样品水接触角值皆小于90?，故为亲水表面，所以粗糙度最大的L0.6组表面最亲水。
Figure 6. Hydrophilic and hydrophobic changes of stainless steel surface after plastic deformation (*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001)
图6. 塑性变形后不锈钢表面亲疏水性变化(*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001)
3.3.2. 表面能及其分量计算结果
图7为不同变形量不锈钢表面能变化的结果，由图可知，对照组表面能最小，极性分量所占比例最小，而L0.6组表面能最大，且极性分量所占比例也最大。表面能和表面张力引起较强吸引从而导致水滴在固体表面可以更好的润湿，因而接触角更小，这与前文水接触角的结果相一致。这说明塑性变形会对生物医用不锈钢表面能大小产生影响，随着塑性变形的增加，表面能呈现先增加后减小的趋势，在适当的塑性变形(本文为60%)后，材料表面能最大。
Figure 7. Change of surface energy and proportion of polar component of stainless steel after plastic deformation 图7. 塑性变形后不锈钢表面能变化及极性分量占比
DOI: 10.12677/ms.2020.106056
466
材料科学
胡慧怡 等
3.4. 塑性变形后不锈钢表面血管壁细胞的生物学行为
3.4.1. 内皮细胞
内皮细胞(EC)能合成和分泌多种生物活性物质，保证血管正常的收缩和舒张，同时，在抑制血栓形成和维持血管内稳态等方面起着重要作用。当血管内产生动脉粥样硬化病变时，尤其在植入支架之后，如果内皮层受到了损伤，将会影响血管正常的收缩和舒张，内皮细胞分泌的因子也将受到影响，这会使动脉粥样硬化更加严重，因此内皮细胞的生物相容性是评价支架性能的一项重要指标。
图8分别为内皮细胞静态培养1天后荧光染色结果和静态培养1天和3天后CCK-8的结果。其中图8(a)为内皮细胞静态培养1天后荧光染色结果，由图可以看出，对照组L0中，细胞较均匀地铺展在样品表面，其生长方向具有随机性；L0.2组的生长与L0类似；而L0.6组细胞的长势明显变好，细胞铺展很开，且部分细胞的长径方向趋向于与拉伸方向平行，如图中箭头标注处所示；L1.0组细胞的生长状态不如L0.6组，但同样有部分细胞的长径方向趋向于与拉伸方向平行，如图所示。图8(b)是内皮细胞静态培养1天和3天后CCK-8测量细胞活性的结果，由图可知，当细胞生长1天之后，L0.6组的细胞活性较对照组有显著性增大，明显高于L0.2组和L1.0组；培养3天之后，L0.2组的细胞活性较对照组有所增加，L0.6组的细胞活性仍然最好，与其他三组均形成显著性差异，L1.0组与对照组相差不大。这说明，塑性变形会对内皮细胞的生长方向和细胞活性产生影响，当变形量达到一定程度(本文为60%)之后，ECs的生长方向会有趋向于与拉伸方向平行的趋势；同时，随着塑性变形量的增大，ECs的细胞活性将会呈现先增大后减小的趋势，在适当变形量(本文为60%)下，将会促进ECs的生长，细胞活性达到最大值，细胞形态最好。
Figure 8. Fluorescent staining results of endothelial cells cultured for 1 day (a); CCK-8 results of endothelial cells cultured for 1 and 3 days (b) (*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001) (The stretch direction is horizontal)
图8. 内皮细胞静态培养1天后荧光染色结果 (a)；内皮细胞静态培养1天、3天后CCK-8结果 (b)；(*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001) (拉伸方向为水平方向)
3.4.2. 平滑肌细胞
平滑肌细胞(SMC)的增殖会促使支架再狭窄及新生动脉粥样硬化，所以抑制SMCs的增殖同样是评价支架性能的一项重要指标。
图9(a)是平滑肌细胞静态培养1天和3天后罗丹明染色的结果，由图可以看出，培养1天之后，相比于对照组，L0.2、L0.6组细胞数量皆减少，L1.0组细胞数量没有明显变化，培养3天后，与对照组相
DOI: 10.12677/ms.2020.106056
467
材料科学
胡慧怡 等
比，L0.2组细胞数量变化不大，L0.6组细胞数量相对较少，而L1.0组细胞数量相对增多。就细胞形态而言，相比于对照组，L0.2组形态变化不明显，L0.6组有部分细胞有沿拉伸方向生长的趋势，而L1.0组此趋势更加显著，能明显观察到大部分细胞的长径与拉伸方向平行。图9(b)是平滑肌细胞静态培养1天和3天后CCK-8测量细胞活性的结果，可以看出，在培养1天以后，L0.2和L0.6组细胞活性有轻微下降，L1.0组细胞活性有轻微增大，但并没有出现显著性差异；培养3天以后，不同塑变形量之间的细胞活性变化结论与1天相似，但对于同一变形量来说，培养3天时的细胞活性相比于培养1天有所降低。这说明医用不锈钢对SMCs的生长有一定的抑制作用，而塑性变形量对SMCs在医用不锈钢316L表面的细胞活性没有显著的影响，但会影响SMCs在医用不锈钢316L表面的生长方向，当拉伸量达到一定程度(本文为60%)之后，SMCs的生长方向将会平行于拉伸方向。
Figure 9. Fluorescent staining (a) and CCK-8 (b) results of smooth muscle cells after static culture for 1 and 3 days (The stretch direction is horizontal)
图9. 平滑肌细胞静态培养1天、3天后荧光染色 (a)及CCK-8 (b)结果(拉伸方向为水平方向)
4. 分析与讨论
4.1. 塑性变形对材料特征的影响
支架的扩张过程是一个塑性形变的过程，本文使用万能试验机对医用不锈钢进行拉伸以模仿支架变形后的状态，取变形量分别为20%、60%和100%。首先对其材料特征进行了探讨。由前文结果可知，拉伸会使医用不锈钢的组织由等轴晶粒逐渐变得细长，并产生滑移带，当变形量达到一定程度(本文为100%)时，各晶粒的位向与拉伸方向趋于一致，晶粒将会逐渐趋向于整齐排列。由于在拉伸过程中晶粒相对于外力轴发生转动，随着变形量的增加，样品表面将逐渐变得粗糙，而当大多数晶粒聚集到某些取向上来，晶粒趋向于整齐排列时，会形成变形织构，样品表面粗糙度将有所下降。Wenzel理论认为当粗糙度在微米以及纳米级别时，粗糙表面使得实际上固–液之间的接触面要大于表观观察到的面积，于是，当增大固体表面粗糙度时会使亲水表面更亲水；而表面能与表面张力越大，会使得液体在固体表面更易润湿，使得固体表面更亲水，水接触角值也更小；故当样品表面粗糙度越大时，样品表面能越大，样品更亲水；
DOI: 10.12677/ms.2020.106056
468
材料科学
胡慧怡 等
这是样品表面形貌、粗糙度、亲水性及表面能的联系所在。本文的实验结果也与之对应，即当塑性变形量从0增加至60%时，样品表面逐渐变得粗糙，变得更亲水，且表面能逐渐增大；而当变形量由60%增加至100%时，样品表面粗糙度轻微减小，亲水性逐渐减弱，表面能逐渐降低。
4.2. 塑性变形对材料表面细胞的影响
细胞在感受细胞内外的力学刺激后，经过一系列的信号通路将力学信号传递到细胞骨架，引起细胞骨架的变构、重组等，并最终将力学信号向下游传导，影响细胞增殖、分化、迁移以及凋亡等一系列生物功能。支架植入之后会与血管壁上的细胞发生作用，内皮细胞的增殖会促进血管支架内皮化，提高血管支架的生物相容性，而平滑肌细胞的生长则会促使支架再狭窄及促进形成新生动脉粥样硬化，因此评价内皮细胞及平滑肌细胞的生长行为对血管支架性能的评价尤为重要。图10反应了不锈钢塑性变形后的变化及其作用于动脉粥样硬化区域时对细胞的影响。
由以上实验结果可知，塑性变形对生物医用不锈钢表面的细胞有一定的影响。对于ECs而言，塑性变形会影响其生长方向和细胞活性，当变形量达到一定程度(本文为60%)之后，ECs的生长方向将会有与拉伸方向平行的趋势；同时，随着塑性变形量的增大，ECs的细胞活性将会呈现先增大后减小的趋势，在适当变形量(本文为60%)下，会促进ECs的生长，细胞活性达到最大值。对于SMCs而言，塑性变形对于细胞活性没有显著性影响，但对细胞的生长方向有一定影响，随着变形量的增大，SMCs有向平行于拉伸方向生长的趋势。这是因为当塑性变形量逐渐增大时，材料表面的亲水性呈现先增大再慢慢减小的趋势，研究表明，亲水性表面更能促进细胞的生长[17] [18]，在ε = 60%时，材料最亲水，故ECs细胞活性最好。而随着塑性变形量增大，材料表面粗糙度也随之增大，且由于晶粒转动，表面出现凹凸不平导致表面形貌发生变化，当塑性变形量为60%时，材料表面的粗糙度达到最大；当塑性变形量达到100%时，材料表面出现与拉伸方向平行的变形织构。在L0.6组表面，有部分ECs和SMCs的生长方向趋向于与拉伸方向平行；在L1.0组表面，部分ECs和大部分SMCs的生长方向与拉伸方向平行。据此推测，当材料塑性变形量足够大时(本文为60%)，材料表面粗糙度变化及产生织构引起的表面形貌的变化会对细胞的生长方向有影响，细胞的生长方向会逐渐与拉伸方向平行。
Figure 10. Effect of plastic deformation on material characteristics and surface cells 图10. 塑性变形对材料特征及表面细胞的影响
DOI: 10.12677/ms.2020.106056
469
材料科学
不锈钢支架的塑性变形量对血管壁细胞行为的影响 - 图文
