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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形態。等離子體是借電場或磁場的高動能將外層的電子擊出,將原子轉化為帶電荷的離子,成為高位能、高動能的一種電離氣體團。等離子體常被稱作為物質的第四種形態,主要由電子、帶正電或負電的離子、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物質共存的混合物,其重要的特征是處于帶電平衡狀態,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,必須要在電離過程中傳輸能量,以獲得足夠的動能激發電離。產生等離子體需具備三個要素,即電離的能量、維持等離子體狀態的真空系統和離子體反應室。氣體源性的等離子體產生是將氣體置于真空的等離子體反應器中,通過施以低電流、高壓放電的方式激發電離原子和分子級聯,進而產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。因其技術成熟,效果顯著且操作簡便,在生物、物理和化學等領域得到了廣泛的應用,成為近年來醫學工程領域的研究熱點。

應用等離子體處理技術進行表面改性修飾

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域的應用。表面修飾技術可有效改變材料的表面性質如粗糙度、形貌、電荷、化學成分、表面能和濕潤性,進而有效地促進高分子聚合物與組織的相互作用。等離子體中的活性物質如自由基、離子、受激發的原子、分子和電磁輻射等,在不對材料本身進行損害的基礎上滅活微生物和病毒,并可以在不使用化學溶劑或產生有毒廢物的情況下活化材料表面進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生鏈斷裂反應,通過共價鍵形成新的化學構型和化學功能,進一步促進材料與宿主之間相互作用,增強細胞的黏附增殖,提高材料的生物活性。

根據等離子體表面反應類型,主要分為以下四類:1)濺射蝕刻效應;2)功能化活性位點的引入;3)自由基的嫁接和聚合反應;4)沉積涂層。濺射蝕刻效應通過原子、分子和受激發物質的物理轟擊于材料表面進行蝕刻,侵蝕程度主要取決于等離子源的輸入功率、反應時間和施加電壓等。材料表面形態通常是納米級的改變,表面形態的改變會增加材料的表面積,從而影響生物界面反應,增強生物相容性。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,另一種是以強氧化氣體和高反應性氣體通過官能基團形式引入化學功能位點。功能化活性位點既可以改變材料表面親水性能,又可以基于此進一步修飾改性。自由基和官能基團接觸液相或氣相單體時引發聚合反應,新形成的嫁接表面為化學共價修飾提供了反應位點,如化學交聯、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、厚度、強度、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提高材料表面親水性、引入活性基團、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上固定生物反應活性分子,增強生物識別能力。材料界面自由能決定了親/疏水性能,低表面能的材料上細胞的黏附性較差且數量相對較少。研究發現生物材料表面能為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）基團和極性物質,引起極性基團重新排列和非極性基團表面遷移,增加材料表面能,促進體液血液的接觸反應和細胞的黏附固定。高分子聚合物材料經等離子體蝕刻后形成微米至納米級的溝槽樣粗糙表面,細胞接觸后沿粗糙面擴散、排列和遷移。該現象被稱為“接觸引導作用”,即細胞整合素受體根據所接觸的不同表面形態,將張力或壓力的變化轉移至細胞骨架,細胞牽張感受器承受力量變化后激活重組細胞骨架,從而引起系列生物學效應,同時由于材料表面區域結構破壞導致表面自由能的變化,協同影響了細胞的黏附遷移。不同的粗糙表面對細胞的影響也取決于細胞類型、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)可有效增強大鼠骨髓細胞堿性磷酸酶活性并加速細胞外基質礦化。此外,等離子體處理后材料表面可產生廣泛分布的陰陽離子、官能團、自由基等。陽離子通過靜電相互作用促進蛋白的黏附,陰離子與鈣離子結合促進細胞外基質礦化。