（材料学专业论文）远程等离子体表面改性医用pvc及其抗凝血性研究.pdf

远程等离子体表面改性医用p v c 及其抗凝血性研究中文摘要 中文摘要 本课题利用远程等离子体表面改性技术对医疗储血袋用聚氯乙烯薄膜进行改 性处理，分别研究了远程等离子体活化处理、远程等离子体引发溶液接枝聚合两 种不同改性方法对聚氯乙烯薄膜的处理效果。 通过对处理前后医用聚氯乙烯薄膜进行的相关性能测试，系统地研究了各处 理方法所涉及的实验参数( 试样放置距离、反应功率、反应时间、反应压强) 对薄膜 改性效果的影响，利用红外光谱、扫描电镜、e d s 元素分析等仪器对薄膜表面的 化学组成和形态结构进行了表征分析，并通过凝血测试仪对材料改性后的抗凝血 性进行了表征。 研究结果表明，以上两种表面改性处理方法均可以在聚氯乙烯薄膜表面引入 亲水性基团和抗凝血性基团，改善薄膜的浸润性和抗凝血性，红外分析和e d s 表 征表明，经远程等离子体活化和远程等离子体引发接枝聚合处理后，在p v c 薄膜 表面成功引入了磺酸基团，p v c 薄膜表面上s 元素含量明显增高；扫描电镜观察 分析证实远程等离子体处理可以使材料表面刻蚀程度降低；抗凝血性能测试结果 表明，改性后薄膜的凝血因子a p t t 、p t 、丌时间显著提高，血液相容性得到了 明显的提高。 关键词：医用聚氯乙烯：远程等离子体；表面改性；抗凝血性 作者：冯璐 指导教师：王红卫 r e s e a r c ho nr e m o t ep l a s m as u r f a c em o d i f i c a t i o na n da n t i t h r o m b o g e n i c i t yo fm e d i c a lp v cf i l m a b s t r a c t r e s e a r c ho nr e m o t ep l a s m as u r f a c em o d i f i c a t i o na n d a n t i t h r o m b o g e n i c i t y o fm e d i c a lp v cf i l m a b s t r a c t t h es u r f a c eo f p o l y v i n y lc h l o r i d ef i l mi sm o d i f i e db yr e m o t ep l a s m at r e a t m e n tf o r m e d i c a lb l o o ds t o r a g ei nt h i sp a p e r t h es u r f a c et r e a t m e n ti sc a r r i e do u ti nt w od i f f e r e n t m e t h o d sa b o u tr e m o t ep l a s m aa c t i v a t i o nt r e a t m e n t ，r e m o t ep l a s m ai n i t i a t e d 伊m p o l y m e r i z a t i o nr e s p e c t i v e l y , a n dt h et r e a t m e n ta f f e c to fp v cf i l mi ss t u d i e d t h r o u g ht h er e l a t e dp e r f o r m a n c et e s t so fo r i g i n a lp v cf i l ma n dr e m o t ep l a s m a m o d i f yp v cf i l m ，t h ei n v o l v e dt r e a t m e n tp a r a m e t e r so fa l lm e t h o d sa b o v ea r es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l yi n c l u d i n gs a m p l el o c a t i o n ，p l a s m ap o w e r , t r e a t i n gt i m e ，t r e a t i n gp r e s s u r e e r e m o r e o v e r , i r , s e ma n de d sa r eu s e dt oc h a r a c t e r i z et h es u r f a c ep r o p e r t i e so ft h e s a m p l e ss u c ha sc h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm o r p h o l o g i c a ls t r u c t u r e t h ea n t i t h r o m b o g e n i c i t yo fm o d i f i c a t i o np v c f i l mi sd e t e r m i n e db yb l o o d - d o tt e s ti n s t r u m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tc e r t a i nh y d r o p h i l i ca n da n t i t h r o m b o g e n i c i t y g r o u p sa r e i n t r o d u c e do n t ot h es u r f a c eo fp v cf i l mb yt w od i f f e r e n tm e t h o d so fs u r f a c e m o d i f i c a t i o nt r e a t m e n ta b o v e ，t h ef i l mh y d r o p h i l i c i t ya n da n t i t h r o m b o g e n i c i t ya r e i m p r o v e d t h ec h a r g er u l eo fm o d i f i c a t i o ne f f o r to fp v cf i l mv a r i e sw i t ht h et r e a t m e n t p a r a m e t e r s t h e c o n t a c ta n g l eo ft h ep v cf i l md e c r e a s e sw i mi n c r e a s i n gp l a s m ap o w e r , t r e a t i n gp r e s s u r e ，t r e a t i n gt i m ea n dg r a f t i n gd e g r e e w i t he x t e n d i n gs a m p l el o c a t i o n ，t h e c o n t a c ta n g l ef i r s tr e d u c e s ，t h e nr i s e s a f t e rr e m o t ep l a s m at r e a t i n gp v ca n di n d u c e p v cg r a f t i n gp o l y m e r i z a t i o n ，t h ep v cf i l m si n t r o d u c es u l f o n i cg r o u ps u c c e s s f u l l yb y i ra n a l y s i s i n c r e a s i n gs u l f u rc o n t e n to fp v cf i l m si sc h a r a c t e r i z e db ye d s t h e e t c h i n gt r a c eo nt h es u r f a c eo fp v c f i l m sr e d u c e st h r o u g hs e m t h ea n t i c o a g u l a n tt e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h ea p t t , p t , t to fm o d i f i c a t i o np v cf i l m si n c r e a s eo b v i o u s l y a sa r e s u l t ，t h eb l o o dc o m p a t i b i l i t yo fp v c f i l m si si m p r o v e dg r e a t l y k e y w o r d s ：m e d i c a lp v cf i l m ；r e m o t ep l a s m a ；s u r f a c em o d i f i e a f i o n ；a n f i t h r o m b o g e n i c i t y w r i t t e nb y ：f e n gl u s u p e r v i s e db y ：w a n gh o n g w e i l l 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：墨蛙 e l 期：毋：三：丝： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：丑盘 e l 导师签名：啦日 远程等离子体表面改性医用p v c 及其抗凝血性研究第一章绪论 第一章绪论弟一早三否下匕 1 1 引言 生物材料早在很久以前就出现了。公元前3 5 0 0 年，古埃及人用棉线、马鬃等 缝合伤口。墨西哥印第安人用木片修复受伤的颅骨。公元前2 5 0 0 年的中国、埃及 墓葬中已发现有假牙、假鼻、假耳等假体。1 8 5 1 年发明了天然橡胶的硫化方法后， 开始采用天然高分子硬胶木制作人工牙托和额骨。随着医学技术和近代材料科学 的不断发展进步，生物医用材料的研究逐渐成为当今科学领域的热点问题之一。 生物材料或生物医用材料，是一类具有特殊性能，特种功能，用于人工器官、外 科修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾患等医疗、保健领域而对人体组织、血 液不致产生不良影响的材料。医用高分子材料发展的第一阶段始于2 0 世纪3 0 年 代，其特点是所用高分子材料都是已现有的材料，如用聚丙烯酸甲酯制造义齿的 牙床，用赛璐路薄膜于血液透析。第二阶段则始于始于2 0 世纪5 0 年代，高分子 工业发展以后，高分子材料广泛用于医学领域。5 0 年代，有机硅聚合物开始用于 人体组织的修复和替代。6 0 年代初，聚甲基丙烯酸甲酯开始用于散关节的修复。 到了7 0 年代，随着高分子化学工业的发展，出现了大量的医用新材料和人工装置， 如人工瓣膜、人工血管、人工肾透析用膜、软组织增强、心脏起搏器以及骨生长 诱导剂等。这个阶段的显著特点是，在分子水平上对合成高分子的组成、配方和 工艺进行优化设计，有目的地开发所需高分子材料。7 0 年代以后，由于生物医学 工程、材料科学和生物技术的发展，医用高分子材料和其医疗装置又得到迅速发 展，如植入型全人工心脏、肝、肾、胰、膀肌、皮、骨、接触镜、角膜、晶体、 内外耳修复、心瓣膜、各种尺寸的血管，以及缝线都得到了临床应用。生物医用 材料由于直接用于人体或与人体健康密切相关，对其使用有严格的要求。作为生 物医用高分子材料要求具有良好的生物相容性，对于与血液直接接触的材料则不 仅要求其组织相容性好，而且要求其具有良好的抗凝血性【”】。 1 2 生物医用高分子材料与抗凝血性 1 2 1 生物医用高分子材料的抗凝血性网 从广义上讲，植入体内的各种医用材料都首先要求具有优良的组织相容性。 远程等离子体表面改性医用p v c 及其抗凝血性研究第一章绪论 而循环系统用的人工心脏心脏瓣膜、人工血管及进入血管中的各种血管支架、导 管等生物医用材料，在与组织、细胞接触的同时还与血液直接接触，所以还有血 液相容性问题。血液相容性包括抗血小板血栓形成、抗凝血性、抗溶血性、抗自 细胞减少性、抗补体系统亢进性、抗血浆蛋白吸附性、抗细胞因子吸附性等。不 过最突出的问题是血液与医用高分子材料接触后，由于材料的影响而产生凝固作 用，所以抗凝血性( a n t i t h r o m b o g e n i c i t y 或t h r o m b o r e s i s t a n c e ) 往往成为血液相容 性的代名词。 血液凝固是指血液由流动状态转变为胶冻状态。对于血液凝固，体系中存在 两个对立的系统：一是凝血系统，主要包括血小板以及把纤维蛋白原转变为纤维 蛋白凝胶的所有凝血因子，促使血小板和凝血因子生成；另一是抗凝血系统，主 要是肝素、抗凝血酶以及使纤维蛋白凝胶降解的溶纤系统。生物医用材料与血液 直接接触时，血液与材料之间将产生一系列生物反应。通常情况下，材料表面在 与血液接触的数秒内，首先被吸附的是血浆蛋白( 白蛋白、球蛋白、纤维蛋白原 等) ，接着发生血小板粘附、聚集并被激活，同时凝血系统、溶纤系统被激活等一 系列凝血因子相继被激活，参与材料表面血栓的形成，血管内形成的血栓将引起 机体致命性后果。 1 2 2 生物医用高分子材料的凝血原理 生物医用高分子材料与血液接触导致凝血及血栓形成，其主要途径是血液的 凝固系统和细胞系统被激活。当然，也与补体系统的变化有关。此外，还与材料 的种类和血液的流动情况有关。图1 1 概要地表示生物医用高分子材料与血液接触 形成血栓的情况【5 】。图1 1 所示血液与生物医用高分子材料接触导致凝血过程。 血液与生物医用高分子材料接触会引起血液一系列变化，最快的变化就是血 浆蛋白在材料表面的吸附。依材料表面的结构性能不同，在一分钟甚至几秒钟内， 在材料表面产生白蛋白和球蛋白以及蛋白质的竞争吸附，在此表面上形成复杂的 蛋白质吸附层。某些吸附过程是部分或完全可逆的。根据表面的性质，某些吸附 的蛋白质可引发不同的凝血途径。当材料表面吸附球蛋白、纤维蛋白原易于使血 小板粘附表面，进而导致血小板变形聚集，继而引发凝血形成。蛋白表面也可引 起红细胞的粘附。虽然红细胞在凝血中的作用仍然不十分清楚，但是如若红细胞 发生细胞膜破裂，即出现溶血，红细胞释放的红细胞素( 凝血促进因子) 和二磷 酸腺苷( 简称a d p ，促血小板聚集物质) ，它们可引起血小板的粘附、形变和聚集， 2 远程等离子体表面改性医用p v c 及其抗凝血性研究 第一章绪论 进而导致凝血。此外，材料表面吸附的蛋白，还会引起血液中内源性凝固系统的 激活，经过一系列复杂的生化反应导致血栓的形成。 高分子材料 v 二一1 l r x i i 因子激活一蛋白质吸附红细胞粘附 血栓 图1 1 血液与生物医用高分子材料接触导致凝血过程 生物医用高分子材料不管是引起内源凝固系统激活还是外源凝固系统激活， 凝血反应均引起凝血酶的生成，凝血酶又会促使血小板聚集和释放。总之，人体 的每一个凝血因子都以无活性的形式存在于血浆或组织中，一旦高分子材料和血 液接触或损伤组织及血管壁，则可激活内源性及外源性凝固系统，各种凝血因子 被活化，即变成有催化活性的酶，进而活化下一个相应的凝血因子。这样，一个 因子即受上一个因子激活，又可激活相应下一个因子。有的凝血因子有加速凝血 反应的作用，因此，有人用“瀑布 一词来描述生物医用高分子材料接触血液引 起的凝血过程。 1 3 提高生物医用高分子材料抗凝血性的几种途径 1 3 1 材料表面的接枝改性 材料表面的接枝改性是从减少材料与血液成分相互作用，阻抗血浆蛋白吸附 的角度，通过接枝亲水性基团或疏水性基团来改善血液相容性的。极端亲水性表 面的材料，由于界面自由能大大降低，减少了材料表面对血液中多种组分的作用， 因而呈现优良的抗凝血性。而极端疏水性表面的材料，由于表面能低，与血液各 组分作用小，同样可呈现优良的抗凝血性。因此，以表面接枝来改变材料表面的 亲疏水性是提高材料抗凝血性的一个重要途径。 远程等离子体表面改性医用p v c 及其抗凝血性研究第一章绪论 人们通过各种表面接枝方法，将丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺及其他一些亲水性 单体接枝到聚氨酯、聚丙烯、聚四氟乙烯、硅橡胶等材料表面 6 - 1 0 】。抗凝血性评价 表明，这类表面确有优良的抗凝血性。而h a i l 在s p u 上接枝全氟代烷基后，发 现这种极端亲水性聚氨酯也具有相当的抗凝血性。 在亲水性表面的一系列研究中，具有长p e o 接枝链表面的抗凝血材料引人注 目。根据n a g a o k a 1 2 】的假说，由于p e o 是一种具有高度亲水性和柔顺性的分子链， 一方面可与水结合形成水合p e o 链，通过位阻排斥效应阻碍血液组分的吸附，另 一方面，水合p e o 的快速运动影响了血液一材料的微区流体力学性质，阻止了蛋 白质在材料表面的停滞粘附与变性。进一步的研究表明，材料的抗凝血性并不简 单地由亲水性或疏水性决定，而是取决于它们地平衡值【1 3 1 ，这可能是由于具有亲 水疏水平衡的材料与人体组织天然水凝胶十分相似【1 4 】。 1 3 2 材料表面负载电荷 由于血液中多种组分( 如血红蛋白、血小板、部分血浆蛋白质等) 在血液环 境中呈负电性，血管内壁也呈负电性，因此人们认为静电排斥作用可以阻碍血浆 蛋白及血小板等物质的吸附，从而有利于抗凝血。用阴离子修饰材料表面来提高 抗凝血性能已被广泛研究。事实上，由于材料表面吸附蛋白质层及血液中阳离子 的存在，以材料一血液的静电作用理论来设计抗凝血材料表面有很大欠缺，例如 玻璃、陶瓷表面带有负电荷却引起强烈的血液凝固，因为负电荷同时也是激活凝 血因子x i i 而导致内源性凝血的原因。 有人提出宏观呈现负电而微观小区域带正电的微相分离结构才能具有良好的 抗凝血性能，为了抑制血小板的粘附，材料总体呈负电荷，而在局部微观上为防 止凝血因子活化，在1 0 0 埃范围内带正电。 但是不管材料带哪种电荷，大量实验发现，加大材料表面的电荷密度，均能 损伤血小板的功能，因此，适度的电荷密度也是影响生物材料的抗凝血性的重要 因素。研究表明，纤维蛋白原是一种类似于本征半导体的材料【1 5 】，要抑制它的电荷 转移和它接触的生物材料必须具有较小的功函数，从生物材料的能带图来看，如 果生物材料的禁带较宽，包含纤维蛋白原的价带和导带，则纤维蛋白原很难向材 料转移电子而发生构象改变；如果使生物材料通过掺杂等方法成为n 型半导体， 导带存在电子而空穴很少，纤维蛋白原价带电子向材料转移受到阻碍，从而使得 材料出现良好的抗凝血性f j 6 】7 。 4 远程等离子体表面改性医用p v c 及其抗凝血性研究第一章绪论 1 3 3 材料表面生物化 生物内的凝血与抗凝血是一个相互制约的平衡系统，许多生物活性物质都有 较高的抗凝血活性。因而，将这些具有抗凝血功能的生物活性物质通过共价键合、 离子键合、交联、吸附等方式负载到材料表面是提高抗凝血性的有效手段。依据 表面负载生物活性物质不同的抗凝血机理，这类材料可分为两类：一类是抗凝材 料。表面负载肝素、前列腺素、白蛋白等活性物资，能抑制多凝血酶原的活性， 阻抗血小板粘附。其中以肝素化高分子材料的研究最多。另一类是纤溶材料【1 8 2 0 】， 表面负载尿激酶。纤维蛋白溶酶、链激酶等活性物质，具有纤溶作用，可溶解材 料表面已形成的血栓。这类生物活性材料的研究相对较少，但纤溶在抗凝血方面 的作用正日益受到重视。由于抗凝( 阻止血栓形成) 和纤溶( 溶解已形成的血栓) 是理想抗凝血性材料的两个不可分割的重要方面。因此，最近的研究已经开始尝 试将这两种活性物质集于同一高分子材料，制得一种同时具有抗凝血和纤溶活性 的新型抗凝血性材料1 2 1 - 2 2 。 依据天然抗凝与纤溶物质的活性官能团、话性片段，用磺酸基、磺胺基磷脂 极性基团等对材料表面进行修饰，也是获得较好抗凝血性能的手段之一。 1 3 4 材料表面微相分离 亲水层 疏水层 图1 2 生物膜脂双分子结构 与血液接触的血管内膜是由上皮细胞构成的，细胞膜是细胞表面结构的“核 心”部分。按照生物膜流动镶嵌模型，这层生物膜骨架为脂质双分子，蛋白质镶 嵌其中。脂质双分子以非极性基团相对，极性基团向外，形成亲水区，与蛋白质 疏水区共同形成微观非均相结构。因此，材料表面微相分离也是获得良好血液相 容性的有效途径。 人们对嵌段聚醚氨脂( s p e u ) 的大量研究【2 3 。2 5 1 充分证明了具有微相分离结构 的材料，尤其是同时合亲疏水成分并达到一定平衡值时，具有良好的抗凝血性。 至于这类材料的抗凝血机理，n a l ( a j i m a 【2 6 】曾提出覆盖控制( c a p p i n gc o n t r 0 1 ) 假说。 远程等离子体表面改性医用p v c 及其抗凝血性研究第一章绪论 当微相分离材料和血液接触时，立即吸附血浆蛋白，亲疏水性不同的蛋白质被选 择性地吸附到不同微区，这种特定的蛋白质吸附层不会激活血小板表面的糖蛋白， 血小板就不以异物来识别，从而阻碍了凝血的发生。 1 3 5 材料表面伪内膜和内皮化 伪内膜化表面是指当材料与血液接触时，在两者界面上会先形成一层稳定的 红色血栓膜，成分为血浆蛋白质、血小板、纤维蛋白、白细胞等。进而有成纤细 胞、内皮细胞在此膜上生长，形成了一种结构与血管壁类同的内膜，即所谓伪内 膜( p s e u d o i n t i m a ) 。目前，表皮伪内膜的聚四氟乙烯人工血管已在临床上得到了应 用【2 7 2 引。 值得注意的是，人工血管的伪内膜如果过厚，营养将供养不上，细胞会坏死 脱落，使得裸露的部分发生凝血。为此进行了大量研究来控制伪内膜的厚度。如 多孔性的聚四氯乙烯侵入水溶性的聚乙烯醇中，在表面形成多孔性亲水膜，减少 对血浆蛋白的吸附。人工血管壁形成的伪内膜并非真正意义上的血管内膜，由于 形成的蛋白质层的成分和厚度并不能得到很好地控制，目前尽管采取了一些改进 措施，但人工血管壁上这层伪内膜还是没有达到和移植部分有效的相容性。 内皮化的表面主要是指伪内膜化表面或内皮细胞和高分子的杂化表面。 t s e n g 【2 9 】等将e p t f e 人工血管用丁胺等离子体处理，比较了处理前后的细胞黏附情 况，用等离子体处理后的人工血管对内皮细胞的黏附能力增强，而且处理后能使 细胞在不同剪切力下保持基本不变的黏附数量。m a 3 0 等将电纺丝p e t 纳米纤维表 面用c e 4 + 弓l 发聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 的聚合，然后用e d a c 将明胶接枝在 p m m a 上，使内皮细胞能更好地在p e t 表面生长。这种方法有望用于血管组织工程。 以上五种方法都能有效地改善材料表面的抗凝血性。由于材料表面生物化、 微相分离和伪内膜等方法难以操作，且效率较低，因此，常采用接枝改性和增加 材料表面负电荷的方法改善材料的抗凝血性。等离子体改性技术具有处理效率高、 易控制、节能和环保等优点，对材料表面接枝和增加材料表面负电荷有独特的作用。 1 4 等离子体改性概述 等离子体被认为是除固态、液态和气态之外的第四种形态。它是由离子、电子 和中子粒子所组成的电离气体，整体显中性，其改性材料表面的作用机理主要归 结为粒子的非弹性碰撞。等离子体又分为高温等离子体和低温等离子体，一般来 说，高温等离子体主要应用于金属表面改性，而高分子材料表面改性主要采用低 6 远程等离子体表面改性医用p v c 及其抗凝血性研究第一章绪论 温等离子体。通过等离子体改性材料表面后可提高其表面的亲水性、抗凝血性、 抗菌性、生物相容性、抗静电性等特性。和其它方法相比，等离子体表面改性具 有很多优点，比如，等离子体具有更高的温度和能量密度，在等离子体辅助作用 下易于产生活性成分，从而引发在常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和 化学变化，活性成分包括紫外和可见光子、电子、离子和自由基，可以精确地控 制表面处理工艺参数，对表面进行微观改性，并且等离子体处理具有节省能源， 减少污染等特点，对环境保护和实现可持续发展显得更有意义【3 1 3 3 1 。 1 4 1 等离子体处理 等离子锋 山0 士0 图1 3 等离子体处理示意图 一般来讲，高分子材料表面等离子体改性主要包括等离子体处理、等离子体 聚合和等离子体表面接枝三个方面。其中，等离子体处理是指将材料曝露于非聚 合性气体等离子体中，利用等离子体轰击处理表面，引起高分子处理结构的诸多 变化进而对高分子材料表面进行改性的过程，图1 3 给出了等离子体处理的示意 图。在等离子体处理高分子材料表面过程，由于等离子体中的活性物质与高分子 材料表面发生各种相互作用，因此在不同的等离子体处理参数条件下高分子材料 表面改性就有不同的作用机理。目前已报道的等离子体处理所采用的气体包括 c f 4 ，c 2 f 6 、c f 3 h ，c f 3 c i ，c f 3 b r ，n h 3 ，n 2 ，n o ，0 2 ，h 2 0 ，c 0 2 ，s 0 2 ，h e ， a r 、k r 、n e 等，研究得较多的医用高分子材料包括p u 、p v c 、p t f e 、p p 、p m m a 、 p c 等。等离子体处理在提高高分子材料表面各种特性方面包括：1 ) 改善生物相容 性，包括血液相容性、组织相容性；2 ) 形成交联表面层，减少材料中低分子物的渗 透或使药物缓解，或保护医用设备；3 ) 等离子体处理提高高分子医用材料表面，提 供能固定生物分子的基材。在提高材料抗凝血性中，等离子体处理具有操作简单， 实验效果明显，且对材料基材本体性能影响小等优点，因此人们被广泛应用于改 7 远程等离子体表面改性医用p v c 及其抗凝血性研究第一章绪论 善材料抗凝血性中。 1 4 2 等离子体聚合 等离子体聚合是指将处理高分子处理曝露于聚合性气体中，在其表面沉积一 层较薄的聚合物膜的过程，图1 4 给出了相应的示意图。等离子体聚合膜的研究始 于本世界6 0 年代，目前关于等离子体聚合的反应机理尚不清楚，具有代表性的见 解是自由基机制说、离子机制说、c p a 机制说。但等离子体聚合物膜其独特的性 能越来越受到重视，这是因为等离子体作用下能发生聚合的体系很多，无论是单 体分子结构上是否含有可发生化学反应的官能团，这些单体都能在等离子体作用 下发生聚合，因此它大大扩展了单体物质的种类。同时，等离子体聚合与通常的 化学聚合所得到的聚合物相比结构上也有很大差异，形成的膜具有高度交联的网 状结构，并有着优良热稳定性、化学稳定性、力学强度等特征。这些特征的等离 子体聚合物膜进而能赋予基体材料大量新的特性，包括抑菌抗菌性能、抗凝血性、 药物缓释、亲水性、疏水性、粘合性、印刷性、染色性、保护性、耐磨性、耐污 性、抗静电等。而且等离子体聚合具有如下优点：成膜均匀，膜中无气体，膜与基 体附着性能好，可进行大面积的涂复，易和其它气相法( c v d ) 法、真空蒸镀法等结 合。由于其优点，人们常采用等离子体聚合的方法在材料表面形成一层具有肝素 或其它抗凝血物质性能的薄膜，以提高材料的抗凝血性，具有良好的效果。 图1 - 4 等离子体聚合示意图 1 4 3 等离子体接枝聚合 等离子体接枝聚合就是首先对高分子材料进行等离子体处理，利用表面产生 的活性自由基或官能基团引发功能性的单体在材料表面进行接枝共聚的过程，其 中根据不同的接枝聚合机理又可分为自由基接枝聚合、反应官能团接枝聚合、起 “遥抓 作用的化合物接枝聚合三种等离子体接枝聚合，分别如示意图1 5 所示。 由于等离子体处理虽然在高分子材料表面形成了交联双键和自由基，也可能引入 极性基团，但改性效果会随时间增长而渐渐衰退，等离子体聚合形成的薄膜，往 8 远程等离子体表面改性医用p v c 及其抗凝血性研究第一章绪论 往因内部应力而产生卷曲和破裂，或因与基质是非共价键结合而产生剥离。等离 子体接枝聚合往往能弥补了等离子处理和等离子体聚合的缺点，因而在高分子材 料表面改性方面的应用研究也越来越广泛。一般来讲，等离子体接枝聚合包括：( 1 ) 气相法，材料表面经等离子体处理后接触单体进行气相接枝聚合；( 2 ) 脱气液相法， 材料表面经等离子体处理后直接进入液状单体内进行接枝聚合；( 3 ) 常压液相法：材 料表面经等离子体处理后接触大气形成过氧化物，再进入液状单体内由过氧化物引 发接枝聚合；( 4 ) 同时照射法：单体吸附于材料表面再暴露于等离子体中进行接枝聚合。 a ) 觋觋觋殇嬲呻 淼二盎监 c ) 接枝 图1 5 等离子体接枝示意图 a ) 自由基接枝聚合b ) 反应官能团接枝聚合c ) 起“遥抓”作用的化合物接枝聚合 等离子体接枝聚合遵循自由基机理，影响等离子体接枝聚合的因素包括等离子 体处理参数、所用气体、改性高分子种类、接枝聚合条件等。目前研究得较多的 9 远程等离子体表面改性医用p v c 及其抗凝血性研究第一章绪论 聚合物有p e 、p p 、p v c 、p e t 等，单体有a a 、a a m 、a n 等。例如，利用等离 子体的接枝共聚能够在p e 、p p 等憎水性薄膜表面进行a a 、a m p s 等亲水性或电 解质单体的接枝聚合，改变其表面性能，赋予种种功能，包括改善亲水性、抗凝血性、 光学性能、染色性、吸附性、渗透膜、粘接性、透明性、光电导性、耐磨擦性等。 等离子体接枝聚合在提高材料抗凝血性能的应用中较为广泛，国内外多采用其接 枝肝素或类肝素等抗凝血物质，且取得了很好的抗凝血效果。 1 5 远程等离子体技术 等离子体改性是一种即改变高分子材料表面性能，也改变材料表面形貌的技 术。高分子材料可以通过等离子体处理后轻易地使其具有亲水性或者拒水性。在 改性过程中，拒水或者亲水基团由于在等离子体状态下反应被引入到高分子材料 表面。在等离子体状态反应下，激发态粒子起到了十分重要的作用。首先激发态 粒子夺取高分子主链上的氢原子形成自由基，然后主链自由基与其他激发态粒子 或者自由基发生反应，使得在高分子材料表面生产拒水或者亲水基团，从而使材 料具有拒水或者亲水性。另一方面，等离子体状态下的其它粒子( 如电子、离子 等) 在反应过程中不断轰击材料表面，在材料表面引发降解反应。结果在材料表 面生成了大量低分子产物，而且还侵蚀了材料表面。 因此，在等离子体表面改性的过程中，材料表面同时发生着引入基团反应和 降解反应。而降解反应是实验中希望尽量避免的反应。人们为了避免这种有害的 反应，对等离子体改性技术进行了改善，提出了远程等离子体这个概念。 远程等离子体是将实验试样放置在远离等离子体处理区域的位置上。而通常 称传统等离子体处理为直接等离子体处理或者常规等离子体处理，以区别远程等 离子体处理。等离子体中包含电子、离子和激发态粒子。这些粒子在复合的过程 ( 电子与正离子复合、正离子和负离子复合、激发态粒子和激发态粒子复合) 中 消失，它们的复合速率分别是：1 0 、1 0 刁、1 0 3 3 e m 3 s 。所以，在等离子体中激发 态粒子比电子和离子的寿命更长。远程等离子体技术正是基于等离子体气氛中各 种活性粒子的存活寿命不同的特点而提出的。与常规等离子体一样，远程等离子 体区含有激发态的原子、离子、分子以及分子碎片等活性粒子，但是由于处理区 域与放电区域被适当分离，短寿命的电子、离子的浓度迅速衰减，所以长寿命的 亚稳态原子、活性自由基等具有化学活性的离子的浓度较高【3 4 , 3 5 】。同时，还将电 子、离子等粒子对材料表面的有害影响尽可能的降低。 1 0 远程等离子体表面改性医用p v c 及其抗凝血性研究 第一章绪论 远程等离子体不仅具有常规等离子体的特点，还具有以下优点：远程区域中 活性粒子的能量适中，等离子体聚合反应温和、副反应少、可控性强；放电区域 与处理区域相分离，减轻了因离子轰击、紫外辐射及激发源( 如微波) 的电磁场 对载体材料及沉积聚合物的损伤；可以在敏感载体材料表面上进行等离子体聚合； 由于单体可以在等离子体的下游区域引入，避免了等离子体放电区域中高能态活 性粒子对单体分子的直接作用，沉积膜的结构容易控制，纯度较高；降低了单体 在容器壁或内电极表面上的聚合。 1 5 1 远程等离子体的应用 近年来，常规等离子体对高分子材料表面改性取得了很大的进展，目前在工 业生产上已开始应用。通过气体放电形成的等离子体中含有各种高活性的粒子， 如电子、离子、激发态原子、分子及自由基等，通过对其处理，可显著地改善高 分子材料的表面性能。这种改性有许多显著的优点：改性仅发生在表面层，在高 分子材料表面形成超薄、致密、牢固、无真空且高度交联的改性层，而不影响材 料本身的热稳定性和机械性能，作用时间短，效率高，无污染，工艺简单，操作 方便等。但是，这种等离子体改性的方法只限于在放电区进行，放电过程生成的 等离子体中各种活性物种混合存在，同时作用于高分子材料表面，发生表面修饰、 聚合、交联或溅射、刻蚀等反应，导致反应结果的重现性差，难以控制等缺点。 远程等离子体使各种活性粒子分离，在距离等离子体放电区一定距离处形成较纯 的高浓度自由基氛围，实现可控等离子体化学反应，强化了等离子体目的性反应。 因此，远程等离子体可以更好地改善材料的表面性能、生物性能、透过性能等。 1 5 1 1 改善亲水性 材料表面对液体的润湿性是材料表面的一个重要性质。它是由材料表面的化 学性质和微观结构共同决定的。高分子材料的润湿性与许多领域有关，如印刷、 喷涂和染色等。但是由于高分子材料表面自由能低，故而导致润湿性能不好。用 化学的方法来改善其特性不但会损坏高分子材料基质，而且还会放出大量有毒性 的水，同时还需要消耗大量的能量，并且成本较高。采用远程等离子体处理克服 了这些缺点，并降低了在常规等离子体处理中高能粒子对材料微观结构的损害。 远程等离子体表面改性医用p v c 及其抗凝血性研究第一章绪论 迫 嫂 墓 鲻 乓 嫂 墨 鲻 时间s ( 1 ) 远程氲等离子体 时间s ( 2 ) 远程氢等离子体 1 2 远程等离子体& 面改性医用p v c 厦其抗凝m 性研究 第一章绪论 娅 丞 划 搿 w 时间s ( 3 1 远程氧等离子体 图1 - 6 远程等离子体的亲水性曲线 p a r k 等人比较了a r 、0 2 、h 2 等的远程等离子体和常规等离子体对p v d f 薄膜 的表面处理效果，发现3 种等离子体方法均有良好的亲水化处理效果，但远程等 离子体对载体膜表面微观结构的刻蚀轻微，常规等离子体则刻蚀严重，如表l 一1 所示【3 6 】。王琛通过远程氲等离子体和常规氲等离子体对聚四氟乙烯的表面改性对 比研究发现，远程等离子体比常规等离子体处理具有更好的亲水效果，远程等离 子体处理接触角减小程度比常规处理要大，而且远程等离子体可以显著减少等离 子体中高能粒子对基体表面微观结构的刻蚀效应，减少对基体本相性能的影响【”】。 15 12 改善生物相容性 禽i 蘑0 三 远程等离子体表面教性医用p v c j 抗m 性研究 第一章绪论 旺 圈1 7 医用聚醚聚氨酯表面微相结构 目前等离子体提高高分子材料的抗凝血性能主要集中下列两种方法，其中一 种方法是利用等离子件活化高分予材料表面，在表面生成活性基团然后在利用 化学的方法将抗凝剂接枝到材料表面来达到抗凝血的目的：另外一种方法就是利 用等离子体在高分子材料表面沉积一层具有抗凝血性能的薄膜，通过这层膜来使 得材料具有抗凝血性能。然而，常规等离子体处理时不管采用哪种方法都不可避 免对材料表面产生了严重的刻蚀，影响了抗凝血性的效果。因此，国内外有人尝 试利用远程等离子体处理医用生物材料来提高其抗凝血性。 g r a y 等人通过空气远程等离子体表面改性医用聚醚聚氨酯提高抗凝血性， x p s 显示材料表面成功引入了亚胺、醛、羟等有利基团，并通过a f m 对材料表面 微观结构研究发现，材料表面不仅减小了常规等离子体出现的刻蚀现象，而且产 生更有利于微相分离的结构【3 q ，如图1 - 7 所示。李茹等人用远程a r 离子体表面改性 医用聚氯乙烯( p v c ) 通过改善其润湿性来提高材料的抗凝血性。研究中发现采 用远程a r 等离子体处理p v c 在远程区的处理效果明显高于放电区，可能是远程 a r 等离子体通过将含氧基团和含氢基团引入p v c 的表面，使得材料表面极性改变， 提高了材料表面的润湿性，另外远程处理可以在一定程度上抑制电子、离子的刻 蚀作用，可在材料表面获得改性效果的同时减少对材料的损害。从而增强了p v c 的生物环境协调性，提高了抗凝血性【3 9 1 。 l5 13 改善其它性能 由于远程等离子体的能量水平较低，其等离子体聚合物主要通过单体的双键 进行聚合，同时可以较大程度地保留单体或聚合物的其他宫能团，所以远程等离 子体还应用在其他许多方面。g a n c a r a 以烯丙基醇的远程法脉冲等离子体处理了聚 雪 远程等离子体表面改性医用p v c 及其抗凝j | l 性研究第一章绪论 砜超滤膜，通过调整载体距等离子体辉光外缘间距离的方法来调节等离子体处理 强度，表明距离越远则沉积膜表面的羟基含量越高，说明此时等离子体对单体及 其沉积膜的羟基破坏较轻。n e d e l m a n n 同样用远程等离子体聚合法在p e t 微孔膜 表面沉积了聚丙烯酸，发现膜表面的羧基浓度随着体系压力的升高而升高，随着 等离子体功率的增加而下降，表面羧基浓度在0 i - 0 9 m m o v c m 3 范围内变化，同 时膜孔尺寸也可以通过改变聚合时间来调节【4 0 】。 1 5 2 研究现状和发展前景 目前，国内外对远程等离子体研究都集中在两个方面：一是利用远程等离子 体对材料表面制备各种性能的薄膜，以达到提高材料表面性能的目的。i b l a s z c z y k - l e z a k 用远程等离子体化学气相沉积法从四甲基二硅烷氮中制备了硅碳 氮薄膜材料，使碳硅氮薄膜在基体材料较低的温度下降低了解吸附作用，而且显 著减少了薄膜材料表面形貌的粗糙度【4 1 1 。d k o r z e e 分别利用常规和远程等离子体 沉积h m d s o 薄膜，并对薄膜进行对比分析，虽然远程等离子体沉积率低于常规 等离子体，但沉积高质量的耐摩擦薄膜材料范围宽度比常规等离子体要大，因此， 更适合较大面积基体材料的薄膜制备，并且远程等离子体沉积不会造成等离子体 处理室的沉积，对温度敏感材料也不会产生热应力1 4 2 】。另一方面，利用远程等离 子体对材料表面进行直接处理，通过引入各种活性基团改善材料表面性能。j b e h n i s c h 用远程等离子体处理p e ，使其润湿性得到明显改善【4 3 】。a h o l l a n d e r 也 对p e 材料进行了远程等离子体处理，得到了相同的结果瞰】。 随着技术进步的要求及材料科学的发展，对材料的表面结构及性能进行设计 及控制，使之符合特定的要求已成为表面改性领域的重要课题。远程等离子体以 其优于常规等离子体的优点及特性，对材料表面改性具有重要的意义。随着远程 等离子体表面处理理论、处理工艺及表征技术的发展，远程等离子体技术在材料 科学领域应有广阔的应用前景。 1 6 选题意义与研究目的 随着材料科学、医学和生物学的迅速发展和相互渗透，生物医用高分子材料 已成为具有广泛研究和应用前景的功能性材料。然而，大量研究表明，绝大多数 高分子材料在与血液接触时都导致不同程度的凝血，在临床应用上受到限制，因 此，研制具有优良抗凝血性能的高分子材料成为生物应用高分子研究中的关键问 题。目前，解决生物医用高分子材料的抗凝血性问题有两条有效途径：一是用完 1 5 远程等离子体表面改性医用p v c 及其抗凝m 性研究 第一章绪论 全抗凝血性的生物材料，但由于至今尚未开发出完全抗凝血的生物材料，此种解 决方法也被束之高阁；另一种方法是对现有的生物医用高分子材料改性，提高其 抗凝血性，由于此种方法在保留原有材料的优良性能的基础上改善了其不良性能， 因此被普遍看好。 生物医用高分子材料的表面改性对于改变材料的性能，提高抗凝血性有着非 常重要的意义。等离子体表面处理的作用仅涉及表面极薄层，一般在离表面几十 到数千埃的范围内，能使界面性质显著改善而材料本体却不受到影响。同时，表 面改性装置比较简单，因此是医用生物材料较为理想的表面处理技术。但是常规 等离子体处理技术在对材料表面处理后，对材料表面微观结构形貌有较大的影响， 由此削弱了改性后材料抗凝血性的效果。而远程等离子体表面改性技术在保留常 规等离子体技术优点的同时，还很好的克服了其微观结构影响的缺点，并增强了 改性中有效粒子的作用，提高了改性的效果。通过文献检索，尚未发现通过远程 等离子体表面改性的方法来提高医用p v c 抗凝血性能的研究。 本论文采用远程s 0 2 0 2 等离子体活化处理和远程0 2 等离子体引发丙磺酸内酯 溶液接枝处理医用p v c 材料，在材料表面引入磺酸基团和羧基来提高材料表面抗 凝血性和亲水性，并探讨远程等离子体表面改性p v c 材料的一般性规律和机理。 本文的主要工作是通过远程等离子体表面改性医用p v c ，并对改性p v c 材料表面 的抗凝血性进行相关评价，期望获得具有优良抗凝血性表面的p v c 材料。目前国 际上对远程等离子体技术应用于生物材料领域的研究工作做的不多，尤其是系统 研究开展的较少，因此系统研究远程等离子体表面改性医用p v c 材料及其抗凝血 性能的研究是一项开拓性的工作。 1 6 远程等离子体表面改性医用p v c 及其抗凝血性研究 第二章实验原理与方法 第二章实验原