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等離子體(plasma)由Langmuir于1928年首次提出,用來描述多組分相互作用的氣體在放電管里的物質(zhì)形態(tài)。等離子體是借電場或磁場的高動能將外層的電子擊出,將原子轉(zhuǎn)化為帶電荷的離子,成為高位能、高動能的一種電離氣體團(tuán)。等離子體常被稱作為物質(zhì)的第四種形態(tài),主要由電子、帶正電或負(fù)電的離子、自由基、電磁輻射、分子及分子碎片等組成。因此,等離子體是集能量和反應(yīng)物質(zhì)共存的混合物,其重要的特征是處于帶電平衡狀態(tài),即等離子體的總帶電量為中性。因此,為了獲得氣體的等離子體狀態(tài),必須要在電離過程中傳輸能量,以獲得足夠的動能激發(fā)電離。產(chǎn)生等離子體需具備三個要素,即電離的能量、維持等離子體狀態(tài)的真空系統(tǒng)和離子體反應(yīng)室。氣體源性的等離子體產(chǎn)生是將氣體置于真空的等離子體反應(yīng)器中,通過施以低電流、高壓放電的方式激發(fā)電離原子和分子級聯(lián),進(jìn)而產(chǎn)生非熱性的等離子體,如射頻輝光放電、電暈放電和大氣電弧等。因其技術(shù)成熟,效果顯著且操作簡便,在生物、物理和化學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,成為近年來醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究熱點。

應(yīng)用等離子體處理技術(shù)進(jìn)行表面改性修飾

高分子聚合物表面的親水性差,缺乏自然識別位點,限制了其在骨組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用。表面修飾技術(shù)可有效改變材料的表面性質(zhì)如粗糙度、形貌、電荷、化學(xué)成分、表面能和濕潤性,進(jìn)而有效地促進(jìn)高分子聚合物與組織的相互作用。等離子體中的活性物質(zhì)如自由基、離子、受激發(fā)的原子、分子和電磁輻射等,在不對材料本身進(jìn)行損害的基礎(chǔ)上滅活微生物和病毒,并可以在不使用化學(xué)溶劑或產(chǎn)生有毒廢物的情況下活化材料表面進(jìn)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時會發(fā)生鏈斷裂反應(yīng),通過共價鍵形成新的化學(xué)構(gòu)型和化學(xué)功能,進(jìn)一步促進(jìn)材料與宿主之間相互作用,增強(qiáng)細(xì)胞的黏附增殖,提高材料的生物活性。

根據(jù)等離子體表面反應(yīng)類型,主要分為以下四類:1)濺射蝕刻效應(yīng);2)功能化活性位點的引入;3)自由基的嫁接和聚合反應(yīng);4)沉積涂層。濺射蝕刻效應(yīng)通過原子、分子和受激發(fā)物質(zhì)的物理轟擊于材料表面進(jìn)行蝕刻,侵蝕程度主要取決于等離子源的輸入功率、反應(yīng)時間和施加電壓等。材料表面形態(tài)通常是納米級的改變,表面形態(tài)的改變會增加材料的表面積,從而影響生物界面反應(yīng),增強(qiáng)生物相容性。引入功能化活性位點分為兩種形式,一種是以惰性氣體通過自由基形式引入活性位點,另一種是以強(qiáng)氧化氣體和高反應(yīng)性氣體通過官能基團(tuán)形式引入化學(xué)功能位點。功能化活性位點既可以改變材料表面親水性能,又可以基于此進(jìn)一步修飾改性。自由基和官能基團(tuán)接觸液相或氣相單體時引發(fā)聚合反應(yīng),新形成的嫁接表面為化學(xué)共價修飾提供了反應(yīng)位點,如化學(xué)交聯(lián)、大分子與生物分子靜電相互作用等。沉積涂層通常采用化學(xué)氣相沉積法在材料表面形成一層納米級厚度的涂層,其性質(zhì)、厚度、強(qiáng)度、光滑度和親水性均會改善聚合物材料的生物相容性。

等離子體修飾處理提高高分子聚合物的生物相容性

等離子體處理修飾提高聚合物生物相容性主要有兩種方式:一是通過等離子體修飾技術(shù)提高材料表面親水性、引入活性基團(tuán)、增加材料表面粗糙度、改變表面電荷;二是在等離子體修飾基礎(chǔ)上固定生物反應(yīng)活性分子,增強(qiáng)生物識別能力。材料界面自由能決定了親/疏水性能,低表面能的材料上細(xì)胞的黏附性較差且數(shù)量相對較少。研究發(fā)現(xiàn)生物材料表面能為20~30mJ/m²時無黏附性能,在40~70mJ/m²時具有良好的黏附特征。等離子體通過在聚合物表面引入羧基(-COOH)、過氧化物(-O-O-)、羥基(-OH)、氨基(-NH3）基團(tuán)和極性物質(zhì),引起極性基團(tuán)重新排列和非極性基團(tuán)表面遷移,增加材料表面能,促進(jìn)體液血液的接觸反應(yīng)和細(xì)胞的黏附固定。高分子聚合物材料經(jīng)等離子體蝕刻后形成微米至納米級的溝槽樣粗糙表面,細(xì)胞接觸后沿粗糙面擴(kuò)散、排列和遷移。該現(xiàn)象被稱為“接觸引導(dǎo)作用”,即細(xì)胞整合素受體根據(jù)所接觸的不同表面形態(tài),將張力或壓力的變化轉(zhuǎn)移至細(xì)胞骨架,細(xì)胞牽張感受器承受力量變化后激活重組細(xì)胞骨架,從而引起系列生物學(xué)效應(yīng),同時由于材料表面區(qū)域結(jié)構(gòu)破壞導(dǎo)致表面自由能的變化,協(xié)同影響了細(xì)胞的黏附遷移。不同的粗糙表面對細(xì)胞的影響也取決于細(xì)胞類型、材料組成及兩者間的相互作用。研究證實表面溝壑(深度0.5~1μm,寬度1~10μm)可有效增強(qiáng)大鼠骨髓細(xì)胞堿性磷酸酶活性并加速細(xì)胞外基質(zhì)礦化。此外,等離子體處理后材料表面可產(chǎn)生廣泛分布的陰陽離子、官能團(tuán)、自由基等。陽離子通過靜電相互作用促進(jìn)蛋白的黏附,陰離子與鈣離子結(jié)合促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)礦化。