低溫等離子體技術在醫(yī)用材料表面改性中的應用

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2022-11-23

醫(yī)用生物材料的含義是指用于取代、修復活組織的天然或人造材料。它一般包括高分子材料、玻璃、陶瓷、金屬或多種材料的復合物等。廣泛地應用在人工器官、牙科材料、包敷材料、矯形器件、補缺材料、外循環(huán)設備以及醫(yī)藥等方面。功能性、力學特性和生物相容性是醫(yī)用材料的三要素，一般材料很難兼?zhèn)?。在三要素中，對能滿足功能性和力學特性要求的材料，用表面改性的方法便能獲得良好的生物相容性，是開發(fā)醫(yī)用材料最理想的方法。而采用等離子體進行表面改性僅局限于很薄的材料表面層，并不影響材料的固有性能，還具有殺菌作用。同時，等離子體改性所得的表面表現(xiàn)出特殊的性質(zhì)，一般難以用其它方法獲得。近年來，等離子體技術在醫(yī)用材料表面改性方面得到越來越廣泛的應用。

低溫等離子技術介紹

等離子體表面改性技術的特點

等離子體是由帶電粒子和中性粒子組成的表現(xiàn)出集體行為的一種準中性氣體。可根據(jù)不同的研究目的對其作不同的分類。例如，根據(jù)帶電粒子溫度的高低可以分為兩類：帶電粒子溫度為3×10²～3×10⁵K時稱為低溫等離子體；溫度為10⁵～10⁸K時稱為高溫等離子體。其中低溫等離子體按照溫度和熱力學平衡程度又可分為熱等離子體和冷等離子體。在醫(yī)用高分子領域主要應用的是冷等離子體，亦稱低溫等離子體。由于其中的離子、自由基、中性原子或分子等粒子的溫度接近或略高于室溫，故稱低溫等離子體。用低溫等離子體改性高分子材料有其獨特的優(yōu)點，既能使材料表面分子激發(fā)、電離或斷鍵，又不會使材料熱解或燒蝕，其改性的深度只是材料表面幾十至幾千埃的范圍。與其它表面改性方法相比，等離子體法既能較容易地在材料表面引入特定的官能團或其它高分子鏈，還可避免因加工而使支架材料表面改性效果降低或喪失。與傳統(tǒng)的“濕式”改性技術相比，等離子體技術是“干式”操作，成本低，操作簡便，改性的程度可通過工藝條件加以控制。理論上講，它可以對任何形狀、任何性質(zhì)的材料進行表面改性，并且它只改變材料的表面性質(zhì)，而不會改變其本體性質(zhì)。

醫(yī)用高分子材料等離子體技術表面改性的基本方法

等離子體直接處理
直接的等離子體表面處理是將材料暴露于非聚合性氣體(如氬、氮、氧等)中，利用等離子體中的能量粒子和活性物種與材料的表面發(fā)生反應，使其表面產(chǎn)生特定的官能團，引起高分子材料結構的變化而對高分子材料進行表面改性。

等離子體聚合
等離子體聚合是將高分子材料暴露于聚合性氣體中，表面沉積一層較薄的聚合物膜。等離子體聚合與常規(guī)的聚合方法相比具有以下特點。
(1) 等離子體聚合并不是嚴格地要求單體具有不飽和單元或兩種以上官能團，從而將單體的種類拓寬至乙二胺等多種有機物；
(2) 等離子體聚合物膜為無針孔的薄膜，具有高度交聯(lián)的網(wǎng)狀結構，對基體的粘著性很好。這種聚合膜的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及機械強度良好；
(3) 等離子體聚合物膜的交聯(lián)度以及物理、化學特性可以通過控制聚合參數(shù)而加以控制；
(4) 聚合過程中不使用溶劑，因此作為“干法”工藝技術，運作起來方便、靈活。

等離子體接枝聚合
等離子體接枝聚合是先對高分子材料進行等離子體預處理，利用表面產(chǎn)生的活性自由基引發(fā)具有功能性的單體，在材料表面進行接枝共聚。也就是說，把等離子體作為一種能源對材料做短時間的照射，然后可以放置在適當溫度下與單體進行熱接枝，也可以進行紫外光接枝。但熱接枝往往需要高溫，且反應時間較長。將等離子體與紫外光接枝相結合對醫(yī)用高分子材料進行改性。可大大縮短反應時間，反應條件也較溫和，成為近年等離子體表面技術發(fā)展的一個新方向。

低溫等離子體技術在醫(yī)用材料表面改性中的應用

提高抗凝血性能
對于應用于臨床的生物醫(yī)用材料來說，材料的抗凝血性能十分重要。而對于植入體內(nèi)與血液相接觸的醫(yī)用材料來說，其抗凝血性能更是至關重要。很多醫(yī)用材料就是因為抗凝血性的不足，而限制了其在臨床及生物醫(yī)學領域的應用。從第一代血液相容性生物醫(yī)用材料問世，至今已逾4O年，但目前仍沒有能完全符合臨床要求的抗凝血醫(yī)用材料。近年來，國內(nèi)外的一些研究小組開始嘗試利用等離子體技術對醫(yī)用高分子材料表面進行改性，期望在保持材料原有的優(yōu)異的力學機械性能的基礎上，賦予材料良好的抗凝血性能。如采用等離子體表面磺酸化技術在高分子材料表面引入了磺酸基，從而提高了材料的抗凝血性能；利用等離子體技術實現(xiàn)肝素在醫(yī)用高分子材料表面高活性的固定；將等離子體技術與紫外接枝聯(lián)用，在醫(yī)用高分子材料表面固定具有抗凝血性能的生物大分子。

改善細胞親和性
隨著高分子科學的迅速發(fā)展，人們逐漸將高分子材料用來修復人體的器官或組織。三維可降解組織工程支架的研究是目前生物材料研究的熱點之一。但是目前所使用的大多數(shù)組織工程醫(yī)用高分子材料屬于生物“惰性”材料，不能為種子細胞的附著和生長提供良好的生物界面。為了使材料具有良好的細胞親和性，需對材料進行表面改性。與其它表面改性方法相比，等離子體法既能較容易地在材料表面引入特定的官能團或其它高分子鏈，還可避免因加工而使支架材料表面改性效果降低或喪失的優(yōu)點。國內(nèi)外曾有多個課題組研究了不同氣體等離子體對醫(yī)用高分子材料表面細胞親和性的影響。實驗表明，經(jīng)過各種含氮等離子體(氣態(tài)酰胺、胺基化合物及氨氣)處理后，能在材料表面引入氨基，促進了細胞的粘附和生長，同時材料表面氯基的數(shù)量和密度對于細胞的粘附有重要影響。但是簡單的等離子體表面處理能夠在短時間內(nèi)賦予材料一定的細胞相容性。由于等離子體處理效果的時效性，在材料表面引入的功能基團會逐漸向表面內(nèi)運動和翻轉(zhuǎn)。為了獲得持久的表面改性效果，大多采用等離子體聚合和等離子體接枝對醫(yī)用高分子材料進行表面修飾。此外，近年來也有課題組采用等離子體化學氣相沉積對醫(yī)用高分子材料進行表面修飾，以提高材料的細胞親和性。

增強抗菌性
隨著生物醫(yī)學的飛速發(fā)展，每年都有大量的人工器官或部件植入人體，但半數(shù)以上的植入物有感染。特別是人工瓣膜心內(nèi)膜炎，感染對于瓣膜置換的病人往往是一個災難性的后果。以往預防生物材料感染為中心的研究集中于細菌污染、細菌的毒力、侵入途徑、病人的抵抗力等方面。近年來，一些研究結果表明，引起這種感染的初始動因就是細菌粘附在材料表面。表皮葡萄球菌是最常見和最嚴重的人工心臟瓣膜感染致病菌。研究人員發(fā)現(xiàn)以氬等離子體對醫(yī)用硅橡膠反復進行處理，可明顯降低細菌的粘附和生長。西南交通大學黃楠等人在不同工作條件下，使用乙炔對人工心瓣膜用聚對苯二甲酸乙二醇酯進行等離子體浸沒離子束沉積，提高材料表面的親水性，對改性后的材料做細菌的動態(tài)粘附實驗，結果表明其抗細菌粘附能力有顯著的提高。

形成阻隔膜
大量實驗結果表明，聚合物中的增塑荊、填充劑、抗氧化劑、引發(fā)劑和殘余單體會對人體造成危害。采用等離子體聚合或等離子體接枝可在醫(yī)用高分子表面形成一層阻隔膜，從而降低有害物質(zhì)的滲透性，阻止聚合物中低分子量添加劑的泄漏。國外一些研究者以此制備出抗?jié)B漏型生物材料，通過等離子體聚合膜成功地降低了二辛酞酸酯(增塑劑)從聚氯乙烯中滲到血液中的量。采用四甲基二硅氧烷等離子體聚合物鍍膜也可阻止聚氯乙烯管的浸出物。通過等離子體聚合在高分子微膠囊表面形成阻隔膜，以形成的聚合膜作為一道限速屏障，可以控制藥物的釋放速度。相當于在微膠囊表面加上1件外衣，但不會影響材料本身的性能。

眼科材料
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)在本世紀4O年代就開始用作隱形眼鏡材料。由于PMMA具有折射率高、硬度合適、生物親和性好等性質(zhì)，直到今天仍然廣為使用。但是PMMA親水性不佳，這將導致眼翳長期閉合而引起佩戴者的不適。它的氧氣通透性也較差，嚴重者還會引起并發(fā)癥。如果有辦法能夠克服PMMA的上述缺陷，將可以大大提高它的使用效能。利用乙炔、氮氣、水生成的等離子體聚合物鍍于PMMA透鏡表面形成一層薄膜，可以改善材料的親水性，減小角膜上皮細胞的粘連。在聚合物夾層中加入一種有機硅氧烷，可以提高材料的透氣性。但是，由于硅氧烷固有的疏水特性，使得材料的保濕性能降低。解決含硅聚合物表面疏水問題可利用輝光放電的辦法來處理。經(jīng)氧等離子對PMMA和聚硅氯烷的結合物處理后，它的表面含碳量降低而含氧量增高，PMMA保濕性能提高。通常使用硅橡膠制備的隱形眼鏡被稱為“軟”透鏡。硅橡膠的優(yōu)點是透氣性佳、質(zhì)地柔軟、機械彈性好、經(jīng)久耐用。它的缺點是粘性過大、疏水、液體容易滲透。如果將等離子體沉積甲烷薄膜鍍于硅橡膠表面，則可以提高它的保濕性，減小粘性和液體的滲透，又保持了透氣性。

組織培養(yǎng)材料
由于塑料材料成本低廉、使用方便、易于消毒，所以利用它們作為組織培養(yǎng)的材料變得越來越普遍。然而，未經(jīng)處理的塑料表面通常不適宜培養(yǎng)許多附著性強的細胞族，因為它們不能促進細胞的附著、散播及生長。過去，一些化學方法(如置于硫酸或鹽酸的蒸汽中處理，水解或臭氧分解)被用于修飾聚合物表面以利于細胞生長。但同許多濕法處理一樣，化學方法僅是一個方面的反應。并且對工業(yè)化生產(chǎn)來說價格較貴。

利用輝光放電改變聚合物表面性質(zhì)以利于細胞生長，可將聚乙烯培養(yǎng)皿在減壓環(huán)境下采用氣體等離子體處理。這種處理大大提高了聚乙烯的細胞培養(yǎng)能力，并且經(jīng)過處理的培養(yǎng)皿的老化不會對它們支持細胞生長的能力有大的影響?；谔荚庸庾V的檢測，觀察等離子體處理過的聚乙烯可得出結論，C—O官能團是影響細胞粘著力的主要因素。因此，可以認為對于多種單體制備的等離子體修飾表面，細胞培養(yǎng)效率的提高同表面C—O官能團有關。一些聚合物的等離子體處理，如聚乙烯用O2或含O2的物質(zhì)來處理，結果顯示表面C—O官能團大有增加。通過細胞培養(yǎng)試驗表明，這種表面的細胞附著能力有所提高，細胞散播特性體現(xiàn)得也較好。盡管各種表面性質(zhì)和傳遞細胞的表面化學過程的相互關系仍是一個值得探討的問題，但通常認為輝光放電可用于處理襯底以使其適合于細胞培養(yǎng)的應用。另外，等離子體處理也適用于大規(guī)模細胞培養(yǎng)皿的生產(chǎn)，它能抑制孢子增生，提高親代細胞和子代細胞培養(yǎng)的可靠性。

生物材料的表面清洗和消毒
在電子制造業(yè)和表面科學中，使用非沉積氣體的等離子輻射做表面清洗已有多年。等離子體處理用于去除表面的接觸污染，消除濺射留下的殘渣，減小表面吸附。一般輝光放電的清洗方法是將材料置于部分電離的氣體中，用低能離子和電子去轟擊材料表面。轟擊的能量取決于功率、射頻或直流電流等放電的特性和被清洗物質(zhì)的性質(zhì)(如是否絕緣或?qū)щ?。例如采用氧氣放電產(chǎn)生的離子和電子轟擊材料表面，不僅表面釋放雜質(zhì)，而且表面存在的有機物被氧化生成揮發(fā)性物質(zhì)，從而達到清洗的目的。

氬等離子體清洗使某些材料在相當長的一個時期內(nèi)能有效地減少有機物污染。等離子體清洗與常規(guī)清洗技術相比，能有效地去除碳的污染，并且對材料本身性質(zhì)的影響也較小。經(jīng)等離子體清洗過的材料從真空室取出時，需防止二次污染，并且要特別注意檢測表面化學性質(zhì)的變化。生物材料的表面在植入體內(nèi)之前進行等離子體清洗，并檢驗它與生物體的反應。例如半導體鍺(Ge)和一種鈷鉻鉬(Co—Cr—Mo)合金與金屬鉭(Ta)經(jīng)等離子體清洗之后，在兔的背部作皮下植入和在猴的某組織內(nèi)植入時都顯示出良好的組織反應，如增強細胞結構、減少纖維細胞的碎片、減少免疫反應等。經(jīng)過等離子體清洗的玻璃環(huán)植入狗的下腔靜脈時仍能保持潔凈和舒展，在其腎和肺部都沒有發(fā)現(xiàn)血栓。

消毒是指利用物理或化學的方法使病原體及其孢子失活。滅菌則是指殺死一切細菌及其孢子。等離子體環(huán)境的有效殺菌性質(zhì)早已經(jīng)為人所知。等離子體消毒應用于生物材料，制造外科醫(yī)用材料和器件、食品加工和生物技術。與加熱、加壓、輻射等普通消毒方法相比，等離子體消毒技術有其獨特之處，它非常適用于那些對高溫和輻射敏感的材料，不會引起材料大范圍的溫度變化；也可以殺滅那些抗輻射的細菌；還可用于那些預先包裝的物品，且可省去某些物理消毒方法必要的充氣時間。

綜上所述，表面改性是改善生物材料表面性能的最直接、最有效的途徑。要實現(xiàn)理想的表面改性，需要兼顧生物材料與生物體的相容性和生物材料本身的機械、物化性能。低溫等離子體技術綜合了這兩個方面而成功地應用于生物材料表面改性，但由于等離子體反應及等離子體與材料表面相互作用過程的復雜性，在對等離子體表面改性反應的了解、對處理條件的控制以及對處理效果的有效表征方面還有待于完善。隨著等離子體技術在理論研究和應用研究方面的進一步發(fā)展，與生物材料的交叉融合必將更加深入，在眾多領域中將有更加廣闊的應用前景。