我国瓣膜性心脏疾病的发病率达3.8%,即约有2500万人患有心脏瓣膜疾病,其中75岁以上老年群体的患病率高达13.3%。而随着社会人口老龄化日趋严重,瓣膜心脏疾病的风险日益加剧。目前,机械式心脏瓣膜置换手术仍是最有效的治疗办法,但机械心脏瓣膜存在生物相容性差、极易引起血栓、耐久性不足、需终生服用抗凝药物等问题。因此,亟需研制能够自主抗凝且具备表面自洁特性的人工心脏瓣膜材料。受自然界荷叶等典型超疏水表面启发,采用医工结合研究理念,本文开展了仿生超疏水自洁表面设计、润湿性尺寸效应、尺度复合结构制备以及体外循环测试系统设计等研究工作,主要内容以及结论如下:1.对典型动物心脏瓣膜表面结构进行了表征分析,根据其统计特征构建了仿生阵列式微结构模型,计算了结构表面在Wenzel与Cassie状态下的接触角。设计了具有非均匀复合结构序列的超疏水表面,以实现梯度接触角的调控。在此基础上,考虑到液滴因为表面张力的不同可以从接触角大的区域向接触角小的区域自发移动,基于结构和温度双重梯度作用对表面张力变化的马兰戈尼效应,设计了力热耦合超疏水表面,以实现表面润湿性和自洁特性的结构-温度耦合调控,即通过耦合结构诱导液滴按照梯度设定方向实现定向移动,并从仿生人工瓣膜表面自动滚落。2.利用慢走丝电火花线切割在黄铜和紫铜表面制备了仿生微阵列结构,研究了其表面润湿特性,揭示了不同相对尺寸的液滴在不同结构和材料表面的润湿性尺寸效应。根据对润湿性的影响,可以将液滴相对尺寸大小划分为两个区域,当相对尺寸低于208.6时,接触角随着液滴相对尺寸的增加而逐渐减少;而相对尺寸大于178.8的较大液滴在试件表面的接触角展示出不规则的变化趋势。进一步,通过液滴弹跳试验,阐明了液滴接触时间随液滴相对尺寸的减小而逐渐降低的规律,表明相对尺寸较大的液滴更难克服结构的粘附力。与此同时,当液滴相对尺寸超过临界值时,液滴由于界面粘附作用无法与固体表面分离,从而导致液滴接触时间缩短,这是因为过小的毛细力不足以抵消液滴重力,因此所消耗的接触时间更少。3.通过激光烧蚀,在钛合金和高熵合金表面制备了超疏水仿生结构,烧蚀间距为50μm和100μm,基于4h热处理、0.5 h-4 h氟化处理的复合制备工艺,制备了“微柱-微突起-纳米颗粒-氟化层”跨尺度多元耦合复合结构,并对其润湿性开展了深入研究。试验结果表面:长时间的表面氟化处理会极大地降低接触角,与只进行氟化处理相比,热处理后再氟化处理显著地改善了金属表面的润湿性。因激光扫描间距为50μm的微柱间表现出高度交联的特性,其结构使得固液接触状态从Cassie模型转变为Wenzel模型。经过复合处理后的交联结构表面出现了5次液滴弹跳现象。氟化层覆盖着不均匀的微突起和纳米颗粒以及有机吸附层和氟化层之间形成了间隙或在连续的液滴弹跳过程中起到“机械弹簧”的作用。此外,液滴接触时间随着弹跳次数的增加而显著增加,5次液滴弹跳的接触时间从10.1 ms单调增加到15.6 ms。4.结合人工心脏瓣膜在机体微环境下的服役工况,搭建了接近其实际服役工况的体外循环系统,用以研究仿生人工心脏瓣膜材料的润湿性和自洁特性。选取猪血浆构建血液系统生理环境,通过流体泵向瓣膜材料供给特定流量的循环血浆介质,并利用信号发生器输出频率为1 Hz的方波信号,进而通过继电器模拟心脏的跳动节律。通过光固化3D打印制备外循环系统涉及的基础构件。在粘附性和自洁特性研究过程中,借助光学显微镜实时观测仿生人工心脏瓣膜材料表面的上粘附情况和凝血行为。