低溫等離子體技術(shù)在醫(yī)用材料表面改性中的應(yīng)用
文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2022-11-23
醫(yī)用生物材料的含義是指用于取代、修復(fù)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(fù)合物等。廣泛地應(yīng)用在人工器官、牙科材料、包敷材料、矯形器件、補(bǔ)缺材料、外循環(huán)設(shè)備以及醫(yī)藥等方面。功能性、力學(xué)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，?duì)能滿足功能性和力學(xué)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(kāi)發(fā)醫(yī)用材料最理想的方法。而采用等離子體進(jìn)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(shí)，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(lái)，等離子體技術(shù)在醫(yī)用材料表面改性方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
低溫等離子技術(shù)介紹
等離子體表面改性技術(shù)的特點(diǎn)
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(zhǔn)中性氣體。可根據(jù)不同的研究目的對(duì)其作不同的分類(lèi)。例如，根據(jù)帶電粒子溫度的高低可以分為兩類(lèi)：帶電粒子溫度為3×102～3×105K時(shí)稱為低溫等離子體；溫度為105～108K時(shí)稱為高溫等離子體。其中低溫等離子體按照溫度和熱力學(xué)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(lǐng)域主要應(yīng)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，既能使材料表面分子激發(fā)、電離或斷鍵，又不會(huì)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(tuán)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(shù)相比，等離子體技術(shù)是“干式”操作，成本低，操作簡(jiǎn)便，改性的程度可通過(guò)工藝條件加以控制。理論上講，它可以對(duì)任何形狀、任何性質(zhì)的材料進(jìn)行表面改性，并且它只改變材料的表面性質(zhì)，而不會(huì)改變其本體性質(zhì)。
醫(yī)用高分子材料等離子體技術(shù)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(yīng)，使其表面產(chǎn)生特定的官能團(tuán)，引起高分子材料結(jié)構(gòu)的變化而對(duì)高分子材料進(jìn)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(diǎn)。
(1) 等離子體聚合并不是嚴(yán)格地要求單體具有不飽和單元或兩種以上官能團(tuán)，從而將單體的種類(lèi)拓寬至乙二胺等多種有機(jī)物；
(2) 等離子體聚合物膜為無(wú)針孔的薄膜，具有高度交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對(duì)基體的粘著性很好。這種聚合膜的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及機(jī)械強(qiáng)度良好；
(3) 等離子體聚合物膜的交聯(lián)度以及物理、化學(xué)特性可以通過(guò)控制聚合參數(shù)而加以控制；
(4) 聚合過(guò)程中不使用溶劑，因此作為“干法”工藝技術(shù)，運(yùn)作起來(lái)方便、靈活。
等離子體接枝聚合
等離子體接枝聚合是先對(duì)高分子材料進(jìn)行等離子體預(yù)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(jìn)行接枝共聚。也就是說(shuō)，把等離子體作為一種能源對(duì)材料做短時(shí)間的照射，然后可以放置在適當(dāng)溫度下與單體進(jìn)行熱接枝，也可以進(jìn)行紫外光接枝。但熱接枝往往需要高溫，且反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。將等離子體與紫外光接枝相結(jié)合對(duì)醫(yī)用高分子材料進(jìn)行改性。可大大縮短反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)條件也較溫和，成為近年等離子體表面技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新方向。
低溫等離子體技術(shù)在醫(yī)用材料表面改性中的應(yīng)用
提高抗凝血性能
對(duì)于應(yīng)用于臨床的生物醫(yī)用材料來(lái)說(shuō)，材料的抗凝血性能十分重要。而對(duì)于植入體內(nèi)與血液相接觸的醫(yī)用材料來(lái)說(shuō)，其抗凝血性能更是至關(guān)重要。很多醫(yī)用材料就是因?yàn)榭鼓缘牟蛔?，而限制了其在臨床及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。從第一代血液相容性生物醫(yī)用材料問(wèn)世，至今已逾4O年，但目前仍沒(méi)有能完全符合臨床要求的抗凝血醫(yī)用材料。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的一些研究小組開(kāi)始嘗試?yán)玫入x子體技術(shù)對(duì)醫(yī)用高分子材料表面進(jìn)行改性，期望在保持材料原有的優(yōu)異的力學(xué)機(jī)械性能的基礎(chǔ)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(shù)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(shù)實(shí)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(shù)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(xì)胞親和性
隨著高分子科學(xué)的迅速發(fā)展，人們逐漸將高分子材料用來(lái)修復(fù)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(diǎn)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(xì)胞的附著和生長(zhǎng)提供良好的生物界面。為了使材料具有良好的細(xì)胞親和性，需對(duì)材料進(jìn)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(tuán)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(diǎn)。國(guó)內(nèi)外曾有多個(gè)課題組研究了不同氣體等離子體對(duì)醫(yī)用高分子材料表面細(xì)胞親和性的影響。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)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(jìn)了細(xì)胞的粘附和生長(zhǎng)，同時(shí)材料表面氯基的數(shù)量和密度對(duì)于細(xì)胞的粘附有重要影響。但是簡(jiǎn)單的等離子體表面處理能夠在短時(shí)間內(nèi)賦予材料一定的細(xì)胞相容性。由于等離子體處理效果的時(shí)效性，在材料表面引入的功能基團(tuán)會(huì)逐漸向表面內(nèi)運(yùn)動(dòng)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(duì)醫(yī)用高分子材料進(jìn)行表面修飾。此外，近年來(lái)也有課題組采用等離子體化學(xué)氣相沉積對(duì)醫(yī)用高分子材料進(jìn)行表面修飾，以提高材料的細(xì)胞親和性。
增強(qiáng)抗菌性
隨著生物醫(yī)學(xué)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(duì)于瓣膜置換的病人往往是一個(gè)災(zāi)難性的后果。以往預(yù)防生物材料感染為中心的研究集中于細(xì)菌污染、細(xì)菌的毒力、侵入途徑、病人的抵抗力等方面。近年來(lái)，一些研究結(jié)果表明，引起這種感染的初始動(dòng)因就是細(xì)菌粘附在材料表面。表皮葡萄球菌是最常見(jiàn)和最嚴(yán)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(duì)醫(yī)用硅橡膠反復(fù)進(jìn)行處理，可明顯降低細(xì)菌的粘附和生長(zhǎng)。西南交通大學(xué)黃楠等人在不同工作條件下，使用乙炔對(duì)人工心瓣膜用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯進(jìn)行等離子體浸沒(méi)離子束沉積，提高材料表面的親水性，對(duì)改性后的材料做細(xì)菌的動(dòng)態(tài)粘附實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明其抗細(xì)菌粘附能力有顯著的提高。
形成阻隔膜
大量實(shí)驗(yàn)結(jié)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(huì)對(duì)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(guó)外一些研究者以此制備出抗?jié)B漏型生物材料，通過(guò)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(guò)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(dāng)于在微膠囊表面加上1件外衣，但不會(huì)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(jì)4O年代就開(kāi)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(dǎo)致眼翳長(zhǎng)期閉合而引起佩戴者的不適。它的氧氣通透性也較差，嚴(yán)重者還會(huì)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?dú)?、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(xì)胞的粘連。在聚合物夾層中加入一種有機(jī)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(wèn)題可利用輝光放電的辦法來(lái)處理。經(jīng)氧等離子對(duì)PMMA和聚硅氯烷的結(jié)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(diǎn)是透氣性佳、質(zhì)地柔軟、機(jī)械彈性好、經(jīng)久耐用。它的缺點(diǎn)是粘性過(guò)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(lái)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(qiáng)的細(xì)胞族，因?yàn)樗鼈儾荒艽龠M(jìn)細(xì)胞的附著、散播及生長(zhǎng)。過(guò)去，一些化學(xué)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(xì)胞生長(zhǎng)。但同許多濕法處理一樣，化學(xué)方法僅是一個(gè)方面的反應(yīng)。并且對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)來(lái)說(shuō)價(jià)格較貴。
利用輝光放電改變聚合物表面性質(zhì)以利于細(xì)胞生長(zhǎng)，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(xì)胞培養(yǎng)能力，并且經(jīng)過(guò)處理的培養(yǎng)皿的老化不會(huì)對(duì)它們支持細(xì)胞生長(zhǎng)的能力有大的影響。基于碳原子光譜的檢測(cè)，觀察等離子體處理過(guò)的聚乙烯可得出結(jié)論，C—O官能團(tuán)是影響細(xì)胞粘著力的主要因素。因此，可以認(rèn)為對(duì)于多種單體制備的等離子體修飾表面，細(xì)胞培養(yǎng)效率的提高同表面C—O官能團(tuán)有關(guān)。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(lái)處理，結(jié)果顯示表面C—O官能團(tuán)大有增加。通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)表明，這種表面的細(xì)胞附著能力有所提高，細(xì)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(xì)胞的表面化學(xué)過(guò)程的相互關(guān)系仍是一個(gè)值得探討的問(wèn)題，但通常認(rèn)為輝光放電可用于處理襯底以使其適合于細(xì)胞培養(yǎng)的應(yīng)用。另外，等離子體處理也適用于大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)皿的生產(chǎn)，它能抑制孢子增生，提高親代細(xì)胞和子代細(xì)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(xué)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?jiān)?，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(jī)物被氧化生成揮發(fā)性物質(zhì)，從而達(dá)到清洗的目的。
氬等離子體清洗使某些材料在相當(dāng)長(zhǎng)的一個(gè)時(shí)期內(nèi)能有效地減少有機(jī)物污染。等離子體清洗與常規(guī)清洗技術(shù)相比，能有效地去除碳的污染，并且對(duì)材料本身性質(zhì)的影響也較小。經(jīng)等離子體清洗過(guò)的材料從真空室取出時(shí)，需防止二次污染，并且要特別注意檢測(cè)表面化學(xué)性質(zhì)的變化。生物材料的表面在植入體內(nèi)之前進(jìn)行等離子體清洗，并檢驗(yàn)它與生物體的反應(yīng)。例如半導(dǎo)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(shí)都顯示出良好的組織反應(yīng)，如增強(qiáng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)、減少纖維細(xì)胞的碎片、減少免疫反應(yīng)等。經(jīng)過(guò)等離子體清洗的玻璃環(huán)植入狗的下腔靜脈時(shí)仍能保持潔凈和舒展，在其腎和肺部都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)血栓。
消毒是指利用物理或化學(xué)的方法使病原體及其孢子失活。滅菌則是指殺死一切細(xì)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(yīng)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(shù)。與加熱、加壓、輻射等普通消毒方法相比，等離子體消毒技術(shù)有其獨(dú)特之處，它非常適用于那些對(duì)高溫和輻射敏感的材料，不會(huì)引起材料大范圍的溫度變化；也可以殺滅那些抗輻射的細(xì)菌；還可用于那些預(yù)先包裝的物品，且可省去某些物理消毒方法必要的充氣時(shí)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(shí)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(jī)械、物化性能。低溫等離子體技術(shù)綜合了這兩個(gè)方面而成功地應(yīng)用于生物材料表面改性，但由于等離子體反應(yīng)及等離子體與材料表面相互作用過(guò)程的復(fù)雜性，在對(duì)等離子體表面改性反應(yīng)的了解、對(duì)處理?xiàng)l件的控制以及對(duì)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(shù)在理論研究和應(yīng)用研究方面的進(jìn)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(lǐng)域中將有更加廣闊的應(yīng)用前景。
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