等离子体(plasma)由Langmuir于1928年首次提出,用来描述多组分相互作用的气体在放电管里的物质形态。等离子体是借电场或磁场的高动能将外层的电子击出,将原子转化为带电荷的离子,成为高位能、高动能的一种电离气体团。等离子体常被称作为物质的第四种形态,主要由电子、带正电或负电的离子、自由基、电磁辐射、分子及分子碎片等组成。因此,等离子体是集能量和反应物质共存的混合物,其重要的特征是处于带电平衡状态,即等离子体的总带电量为中性。因此,为了获得气体的等离子体状态,必须要在电离过程中传输能量,以获得足够的动能激发电离。产生等离子体需具备三个要素,即电离的能量、维持等离子体状态的真空系统和离子体反应室。气体源性的等离子体产生是将气体置于真空的等离子体反应器中,通过施以低电流、高压放电的方式激发电离原子和分子级联,进而产生非热性的等离子体,如射频辉光放电、电晕放电和大气电弧等。因其技术成熟,效果显著且操作简便,在生物、物理和化学等领域得到了广泛的应用,成为近年来医学工程领域的研究热点。

应用等离子体处理技术进行表面改性修饰

高分子聚合物表面的亲水性差,缺乏自然识别位点,限制了其在骨组织工程领域的应用。表面修饰技术可有效改变材料的表面性质如粗糙度、形貌、电荷、化学成分、表面能和湿润性,进而有效地促进高分子聚合物与组织的相互作用。等离子体中的活性物质如自由基、离子、受激发的原子、分子和电磁辐射等,在不对材料本身进行损害的基础上灭活微生物和病毒,并可以在不使用化学溶剂或产生有毒废物的情况下活化材料表面进而增加其生物相容性。此外改性的材料表面在受到更高的能量时会发生链断裂反应,通过共价键形成新的化学构型和化学功能,进一步促进材料与宿主之间相互作用,增强细胞的黏附增殖,提高材料的生物活性。

根据等离子体表面反应类型,主要分为以下四类:1)溅射蚀刻效应;2)功能化活性位点的引入;3)自由基的嫁接和聚合反应;4)沉积涂层。溅射蚀刻效应通过原子、分子和受激发物质的物理轰击于材料表面进行蚀刻,侵蚀程度主要取决于等离子源的输入功率、反应时间和施加电压等。材料表面形态通常是纳米级的改变,表面形态的改变会增加材料的表面积,从而影响生物界面反应,增强生物相容性。引入功能化活性位点分为两种形式,一种是以惰性气体通过自由基形式引入活性位点,另一种是以强氧化气体和高反应性气体通过官能基团形式引入化学功能位点。功能化活性位点既可以改变材料表面亲水性能,又可以基于此进一步修饰改性。自由基和官能基团接触液相或气相单体时引发聚合反应,新形成的嫁接表面为化学共价修饰提供了反应位点,如化学交联、大分子与生物分子静电相互作用等。沉积涂层通常采用化学气相沉积法在材料表面形成一层纳米级厚度的涂层,其性质、厚度、强度、光滑度和亲水性均会改善聚合物材料的生物相容性。

等离子体修饰处理提高高分子聚合物的生物相容性

等离子体处理修饰提高聚合物生物相容性主要有两种方式:一是通过等离子体修饰技术提高材料表面亲水性、引入活性基团、增加材料表面粗糙度、改变表面电荷;二是在等离子体修饰基础上固定生物反应活性分子,增强生物识别能力。材料界面自由能决定了亲/疏水性能,低表面能的材料上细胞的黏附性较差且数量相对较少。研究发现生物材料表面能为20~30mJ/m²时无黏附性能,在40~70mJ/m²时具有良好的黏附特征。等离子体通过在聚合物表面引入羧基(-COOH)、过氧化物(-O-O-)、羟基(-OH)、氨基(-NH3）基团和极性物质,引起极性基团重新排列和非极性基团表面迁移,增加材料表面能,促进体液血液的接触反应和细胞的黏附固定。高分子聚合物材料经等离子体蚀刻后形成微米至纳米级的沟槽样粗糙表面,细胞接触后沿粗糙面扩散、排列和迁移。该现象被称为“接触引导作用”,即细胞整合素受体根据所接触的不同表面形态,将张力或压力的变化转移至细胞骨架,细胞牵张感受器承受力量变化后激活重组细胞骨架,从而引起系列生物学效应,同时由于材料表面区域结构破坏导致表面自由能的变化,协同影响了细胞的黏附迁移。不同的粗糙表面对细胞的影响也取决于细胞类型、材料组成及两者间的相互作用。研究证实表面沟壑(深度0.5~1μm,宽度1~10μm)可有效增强大鼠骨髓细胞碱性磷酸酶活性并加速细胞外基质矿化。此外,等离子体处理后材料表面可产生广泛分布的阴阳离子、官能团、自由基等。阳离子通过静电相互作用促进蛋白的黏附,阴离子与钙离子结合促进细胞外基质矿化。