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生物材料表面細胞黏附是由表面吸附蛋白介導的,材料表面親疏水性對表面吸附蛋白質的構象具有重要影響,因而與細胞相容性有著密切聯系。盡管有研究認為材料表面親疏水性與細胞相容性關系不大,但大部分研究均表明適度親水性的表面有利于細胞黏附和鋪展,而親水性太強或疏水性太強的表面均不利于細胞的黏附與鋪展,這主要是因為材料表面親疏水性直接影響蛋白質在材料表面的黏附數量和構象。親水性很強的表面不利于蛋白質的吸附,從而不利于細胞黏附。對于疏水性很強的材料表面,一方面,非黏附蛋白(如白蛋白)在材料表面的吸附阻礙了黏附蛋白的吸附;另一方面,吸附在高度疏水材料表面的黏附蛋白,其分子鏈的天然構象遭到破壞,致使蛋白質分子鏈中與細胞膜表面整合素相結合的活性位點(RGD)無法完全暴露,不利于細胞黏附。只有在親水性適度表面,黏附蛋白既可吸附于材料表面,又保持分子鏈天然構象,使細胞黏附多肽RGD較多地暴露出來,從而有利于細胞在材料表面的黏附和鋪展。

殼聚糖是一種生物衍生的帶正電荷多糖,具有優良的生物相容性和降解性能,在軟骨組織工程,人工皮膚等領域得到廣泛研究。近年來,由于其優良的成膜性能和良好的光學性能,殼聚糖膜在角膜組織工程及角膜修復材料研究領域得到越來越廣泛重視,本課題組也開展了殼聚糖在角膜修復材料領域的相關應用研究。對殼聚糖及其復合膜的表面性能進行測試與綜合分析,研究材料表面親水性、自由能、化學基團及其分布和表面形貌,并對其表面特性進行改性,對于角膜修復材料及其臨床應用研究均具有重要的理論意義。

低溫等離子體處理

低溫等離子體可以在室溫下對材料進行表面改性處理,在材料表面引入自由基或活性官能團,其作用區域僅限于材料表面100nm范圍以內,而對材料本體性能不產生影響。近年來已廣泛應用于生物材料的表面改性研究。

本文采用表面接觸角測試、光電子能譜分析、原子力顯微鏡等對殼聚糖膜表面化學基團及其空間分布、表面形貌等特性進行表征,對殼聚糖膜表面物化特性與其生物學特性之間的關系進行初步探討。并采用氧化性O2低溫等離子體對殼聚糖膜進行表面處理,以提高其表面親水性,對等離子體表面改性的機理進行分析。

O2等離子體處理對殼聚糖膜表面性能的影響

O2等離子體處理時間對表面接觸角和自由能的影響

等離子體處理能夠在材料表面形成活性自由基,這些活性自由基與空氣中的氧氣、水汽等反應,從而在材料表面引入極性基團,這些極性基團的引入能夠有效改善材料表面的親水性和自由能。表面接觸角測試是表征材料表面親水性的有效途徑。圖1-1(a)是不同等離子體處理時間下,殼聚糖膜表面接觸角隨處理時間的變化。可以看出,在100W等離子體功率條件下,短短10s的等離子體處理就可以使殼聚糖膜表面水接觸角從約90°下降到58°,說明其表面親水性得到了改善,繼續延長等離子體處理時間,可以進一步改善其表面親水性,處理時間為30s時,其接觸角約為45°,60s的等離子體處理可使接觸角降到35°,120s的等離子體處理可使接觸角進一步降低。根據文獻報道,生物材料的表面接觸角處于30°~50°之間,有利于細胞的黏附和繁殖,因此,采用O2等離子體處理殼聚糖膜,在100W的功率條件下,60s的處理時間已經足夠了。殼聚糖膜表面二碘甲烷的接觸角在等離子體處理下具有同樣的下降變化趨勢,在60s以后殼聚糖膜表面二碘甲烷的接觸角已經幾乎不再下降。

圖1-1 O2等離子體處理時間對殼聚糖膜表面接觸角(a)和表面自由能(b)的影響 

表面自由能對材料表面的細胞黏附性能非常重要,圖1-1(b)是在其他條件相同情況下,殼聚糖膜表面自由能(包括其色散和極性分量)隨等離子體處理時間變化情況,可看出,未處理殼聚糖膜的表面自由能非常低,且其自由能的絕大部分為色散分量,極性分量非常小,這是因為殼聚糖膜表面的極性基團翻轉轉移到殼聚糖膜的內部,而暴露在外的主要是一些非極性基團。經過O2等離子體處理10s后,其表面能得到了很大的增加,且隨處理時間的延長,表面自由能有繼續增加的趨勢。在表面能的增加中,絕大部分為極性分量的增加,而色散分量基本保持不變,這主要是因為O2等離子體處理在樣品表面引入了活性自由基,這些活性自由基與空氣中的氧氣、水汽等反應形成含氧的極性基團,使得樣品表面極性增強。表面自由能的適當增加有利于改善材料表面細胞黏附。

O2等離子體處理對殼聚糖膜表面化學狀態的影響

等離子體處理在材料表面引入活性自由基,當材料暴露大氣后,這些活性性自由基與空氣中的氧氣、氮氣、水汽等進行反應,在材料表面引入極性基團。圖2-1是殼聚糖膜等離子體處理前后的表面XPS全譜分析,可以看出,樣品表面元素主要為O、N、C,隨著等離子體處理,表面元素沒有發生變化,但是元素的相對含量發生了較大的變化。樣品表面O的含量增加很大,而C的含量則相對減少,而N的變化不明顯。

圖2-1 O2等離子體處理前后殼聚糖膜表面XPS譜,(a)處理前,(b)處理后(100W,60s) 

圖2-2是O2等離子體處理時間對殼聚糖膜表面元素含量的影響,可以看出,殼聚糖膜經過O2等離子體處理后,表面C的含量減少,表面O的含量得到了極大的增加,且有一定量的N的增加,但60s后,變化趨緩,說明在表面形成了更多的含O基團,含O極性基團的引入能夠增加其表面親水性,這與表面接觸角的測試結果相對應。表面O的增加主要有兩個方面的來源,一為系統中引入的高純O2,在等離子體處理過程中,形成各種含O的自由基和分子碎片等,轟擊樣品表面,在樣品表面形成含O基團;此外,樣品經過等離子體處理后,在表面形成了各種活性自由基,活性自由基會與空氣中的O2和水汽等反應,引入含O基團。對于非反應性氣體,后者是最主要的表面活化過程。樣品表面N含量增加也是由于表面活性自由基與空氣中N2反應的結果。

圖2-2 O2等離子體處理時間對殼聚糖膜表面元素的影響

圖2-3是殼聚糖膜樣品等離子體處理前后的C1s高分辨譜,未處理樣品表面C主要以C-C/C-H、C-O和C=O三種存在的化學狀態,這是與殼聚糖的分子結構相對應的。隨著等離子體處理,樣品表面引入了更多的O,使得樣品表面C元素的化學狀態發生了大的變化。對比處理前后的譜圖可以看出,除了其三種化學狀態的相對比例發生了變化外,在高結合能端甚至出現了羧酸基團COO-,這主要是由于等離子體處理下形成的活性自由基與空氣中的O2反應形成的。C-O的比例增加很大,這是等離子體中的粒子能量使得C-C鍵發生斷裂,形成活性自由基,與O2等反應,形成C-OH、COOH等極性基團,使得表面以C-O、C=O和COO-化學狀態存在的C的比例增加。

圖2-3 O2等離子體處理前后殼聚糖膜表面C1s XPS,(a)處理前,(b)處理后(60s/100W) 

等離子體處理對表面形貌的影響

表面平整光潔的材料與組織接觸后,周圍形成的是一層較厚的與材料無結合的包囊組織。粗糙的材料表面促使細胞和組織與材料表面附著和緊密結合。粗糙表面一方面增加細胞、組織與材料表面的接觸面積,此外,還會對細胞形成擇優黏附,有報道指出,當材料表面粗糙度為1~3μm時,可以顯著促進細胞在材料表面的附著和生長。本實驗分別采用SEM和AFM對殼聚糖膜的表面形貌進行觀察。圖3-1(a)為SEM圖,可以看出,殼聚糖膜表面除了有部分溶劑揮發殘留微孔外,較為光滑平整。圖3-1(b)為殼聚糖膜表面原子力顯微鏡圖,AFM圖測試表明其表面粗糙度約為3.5nm,這種光滑均一的表面對殼聚糖膜的透光性是有利的,但作為角膜修復材料使用,為了增加細胞在材料表面的黏附,有必要提高材料表面的粗糙度。

圖3-1 殼聚糖膜表面SEM(a)、AFM(b)和粗糙度(c) 

等離子體處理可以在表面形成一定的粗糙度,粗糙度的適當增加可以為材料提供更好的細胞黏附表面,本實驗分別采用SEM和AFM對殼聚糖膜經等離子體處理前后的表面形貌進行了觀察。圖3-2為在相同等離子體處理功率,不同等離子體處理時間下處理前后的殼聚糖膜表面SEM圖?？梢钥闯?未處理殼聚糖膜樣品表面較為均勻,但存在一定的小孔,可能是在成膜過程中,溶劑揮發不均勻而造成的。經過O2等離子體處理60s后,殼聚糖膜表面變得平整均勻,說明等離子體對殼聚糖膜存在表面清潔作用。等離子體處理120s后,殼聚糖膜表面有少量燒灼痕跡,這是等離子體處理時間過長引起表面刻蝕而造成的。因而對于等離子體處理時間的把握非常重要。

圖3-2 殼聚糖膜表面經O2等離子體處理后的SEM圖 

圖3-3分別為采用100W和150W等離子體處理功率下得到的殼聚糖膜表面SEM圖,可以看出100W的等離子體處理殼聚糖膜表面光滑平整,而采用150W處理后,其表面部分位置出現了燒灼痕跡,因而,對于等離子體處理,功率大小的選擇非常重要,功率過大容易造成表面刻蝕,這與前面的XPS、表面接觸角等測試結果是相對應的。

圖3-3 不同O2等離子體處理功率下的殼聚糖膜表面SEM圖,(a)100W,(b)150W 

圖3-4為經過氧氣等離子體處理后的殼聚糖膜表面AFM,可以看出,因為等離子體刻蝕的作用,殼聚糖膜表面變得較為粗糙,表面粗糙度Rms增加為5.252nm。表面粗糙度的適當增加將有利于材料表面細胞的黏附。

圖3-4 表面O2等離子體處理(100W,60s)殼聚糖膜的表面AFM,(a)掃描面積 10×10μm,(b)掃描面積5×5μm,(c)掃描面積2.5×2.5μm,(d)表面粗糙度計算