血管鞘作为血管介入诊疗领域的一种医疗器械,通过经皮穿刺方式建立皮肤到血管的进出通道,实现介入器械的进入或退出,并在介入器械反复进出血管时保护被穿刺血管壁,降低血管受到的伤害。达到血管疾病诊断或治疗的目的。血管鞘使用2种出色的生物医用材料粘接而成,分别为热塑性弹性聚氨酯(TPU)材质的血管鞘延长管与聚丙烯(PP)材质的鞘座,2个部件通过紫外固化胶进行粘接。TPU是一种(AB)n型的多嵌段共聚物,分子结构中包含柔性软段链和刚性硬段链,属于特种合成的高分子橡胶材料。PP由CH=2CH—CH3构成,结构单一,不含有电子分布不均的极性基团,表面吸附能力较差。TPU和PP这种高分子材料具有高表面化学惰性,粘接性能较差,影响临床使用。

粘接剂的固化是利用扩散、吸附及机械锚合等复杂机制粘附在一起,由液态转变成固态的过程。界面预处理、界面粘附以及界面吸收能量是粘接的3个过程。为了提升粘接性能,通常对低极性材料采取不影响基底材质的等离子体处理。等离子处理是聚合物表面活化常用的方法之一,其原理为等离子体中的高能态粒子通过轰击基材表层,提升聚合物表面的活性。等离子处理活化只是影响粘接性能的因素之一,此外,还受多种物理因素的影响,例如,界面粘附过程中采用不同黏度粘接剂以及紫外光固化时受固化距离、固化时间、辐照照度调节比率影响的吸收能量等。

等离子处理对TPU延长管及PP血管鞘座粘接性能的影响

根据吸附理论,基材粘接剂的润湿性(接触角和表面能)对分子间作用力的影响较大。利用光学接触角测量仪测得的不同等离子处理时间下,TPU与PP表面的静态水接触角,并计算得到表面自由能,测试结果如图1所示。由图1a可知,当处理时间小于90s时,等离子处理的表面活化作用显著,基材表面的静态水接触角明显降低,PP的接触角由85.887°减小至53.552°,TPU的接触角由70.049°减小至21.328°。

当处理时间为90~180s时,静态水接触角的变化较小,120s后,等离子表面改性效果达到饱和。在等离子体的作用下,随着时间的增加,活性粒子的密度增大,而活性粒子的能量约为几到几十电子伏特,一般高于材料表面的碳碳键能(2.6~5.2eV)或其他含碳键能,这表明,有足够的能量可以与基材表面发生活化作用,改善基材润湿性,使基材亲水化。基材亲水化的过程实际是活性基团引入的过程,TPU和PP材料的低能表面生成极性的含氧官能团,如羟基(—OH)以及不饱和含氧键(—C=O)等。随着表面处理时间的延长,测量值趋于稳定,这是由于,此时表面新生成的官能团被高能粒子破坏并重组,润湿性能达到饱和。润湿是胶粘剂和基材之间形成连续性接触的过程。根据扩散理论,润湿性的增加有利于胶黏剂或涂层等粘接材料的扩散,增大吸附面积,对粘接性能的提高有促进作用。由图1b可知,对于低表面能塑料,通过等离子处理的方式,采用Fowker法计算得到PP的表面自由能由61.0961mJ/m2增大至120.5973mJ/m2,提高了1.97倍;TPU的表面自由能由73.9959mJ/m2增大至169.6084mJ/m2,提高了2.29倍。这表明,随着接触角的降低,材料的表面自由能增大,低表面能塑料被改性成高表面能,亲水性得到显著改善,增大基材与粘接剂界面的分子间作用力,提高了粘接性能。

图1 不同等离子处理时间下,TPU和PP的接触角(a)及表面自由能(b)

通过等离子体表面处理活化血管鞘基材表面,可以降低接触角、提高化学惰性塑料的表面自由能,改善了粘接剂在基材表面的附着力,进一步提升粘接性能。