第38卷第10期2010年10月化 工 新 型 材 料N EW CH EM ICAL M A T ERIA L S Vo l 38No 1021作者简介:文晓文(1985-),女,在读硕士研究生,研究方向为含氟功能高分子材料。

联系人:张永明,教授,博士生导师。

含氟高分子生物材料的表面改性研究进展文晓文 李 虹 艾 飞 陈 欢 张永明*(上海交通大学化学化工学院,上海200240)摘 要 含氟高分子材料因具有优异的稳定性和物理机械性能而成为目前研究和应用广泛的医用生物材料,但是,生物相容性的不足影响和限制了其作为体内长期植入材料的应用。

因此,提高含氟高分子材料的生物相容性,尤其是通过表面改性的方法提高其生物相容性是一项有意义的研究课题。

分别从改性手段和改性物质两方面综述了近年来国内外含氟高分子生物材料表面改性的研究发展。

关键词 含氟高分子材料,表面改性,生物相容性Surface modification of fluoropolymer biomaterialsWen Xiao w en Li H o ng Ai Fei Chen H uan Zhang Yongming(Shang hai Jiao T ong U niv ersity ,Shanghai 200240)Abstract Fluoro po ly mer is w idely used as biomedical mater ials due to its o ut standing mechanical pr operty ,chemical st abilit y and biolog ical inertness.H owev er,the biocompatibility of fluor opolymer is not satisfied when it is used as lo ng term implant biomedical mater ial.T herefor e,to impro ve t he fluor opolymer s bio compatibility via differ ent strateg ies,especially via surface modificatio n is of sig nificant impo rtance.Recent prog r esses in surface mo dificatio n on fluor opolymers wer e review ed and wer e detailed illustr ated in tw o aspects including t he mo dif ication methods and modifier s.Key words fluor opolymer ,surface modificatio n,biocompatibilit y含氟高分子材料具有优良的机械性能和化学稳定性,因而成为高分子生物材料中的研究热点。

在现有的医用材料中,含氟高分子材料已被广泛应用于人造血管、组织充填物、人造血液、载药体、眼科修复,超声核磁检测等方面[1 3]。

总体而言,含氟高分子材料无毒无害,表面能低,所制成的材料在体内呈现惰性,不被生物降解也不引起严重生理反应。

但是,现有含氟高分子材料的生物相容性还不能完全令人满意。

为了解决这一难题,以含氟高分子材料为基质材料,通过合适的表面改性手段,既保留了含氟材料本体的优点,又赋予其表面更好的生物相容性和特殊功能,可以获得具有理想性能的生物材料[4]。

Kang E T[5]曾详细介绍了基于分子设计的氟材料表面改性,但对含氟高分子生物材料研究还比较少。

由于含氟材料特殊的表面性能和化学稳定性,对其进行表面改性较一般材料困难,可行方法有限。

本文综述了含氟高分子生物材料的表面改性研究概况,并就改性手段和改性物质两方面进行简要介绍。

1 含氟高分子生物材料的改性手段从改性手段上,主要分为物理吸附法和化学接枝法。

物理吸附最为简便也最早使用。

例如,可将一次性手术用品直接浸泡肝素溶液,在其表面形成肝素涂层,可以减少使用时与血液接触产生的凝血和不良反应,但失效快,只限临时使用[1]。

与物理吸附相比,化学接枝法更为有效,可控性强,稳定性好,可构建具有生物活性的分子结构,从而达到改变材料生物相容性的目的,目前应用较多。

化学接枝法包括等离子法、辐射法、臭氧活化法、表面A T R P 法、化学试剂法、偶联剂法等,其中前四种较为常用。

1 1 等离子体法等离子体法是目前使用最广泛的方法。

等离子体是电子、离子、自由基、紫外线等的集合体,它能在材料表面引起化学反应和聚合反应。

等离子法在材料表面进行接枝聚合主要包括两步:(1)在材料表面引入活性基团;(2)单体在活性基团上开始聚合。

T u C Y 等[6]用氧气等离子处理膨体四氟乙烯(eP T F E)表面,将处理后的材料浸入单体溶液进行表面接枝聚合,成功地在表面接枝聚丙烯酰胺,改变了ePT F E 的表面性能,提高了细胞与表面的结合能力。

Zou X P 等[7]通过等离子体法将甲基丙烯酸聚乙二醇酯(P EGM A )接枝到聚四氟乙烯(P T F E)表面:预先将PT F E 表面进行氢气等离子处理,再利用氩气等离子引发PEG M A 在该表面接枝聚合,可以通过控制氩气等离子的射频电源功率和辉光放电时间来控制表面接枝密度。

蛋白吸附实验证明,通过表面接枝PEG M A ,可有效降低PT FE 表面对蛋白质的吸附从而提高生物相容性,如图1所示。

K onig U 等[8]用水等离子体处理PT FE 膜,产生自由基,然后进行丙烯酸气相表面接枝反应,在P T FE 膜表面形成稳定均相的聚丙烯酸层,厚度约70nm,用于固定蛋白质。

Ko nig U [9]还研究了几种常用等离子体对PT F E 表面的处理效果,结化工新型材料第38卷图1 等离子法接枝PEM GA于PT F E表面示意图果证明,用水等离子处理最为有效,处理后的材料表面具有最好的亲水性和稳定性。

利用等离子体法对其他材料表面处理后进行氟化,也能获得较好的生物相容性。

Szmig ie D等[10 11]用等离子法将硅橡胶表面氟化。

袁佳琴等[12]在人工晶体表面用肝素进行修饰,同时又用等离子法进行氟化,取得了比仅使用肝素修饰更佳的效果。

等离子体法操作简单,适用的材料种类多,但该方法也存在一定缺点,如对形状复杂的物体处理效果不甚理想。

1.2 辐射法辐射法可以在照射过程中一步完成接枝,N aeem M E 等[13]把全氟烷氧基树脂(PF A)膜浸在丙烯酸溶液中,用Co60照射在材料表面接枝了聚丙烯酸。

Adem E等[14]用Co60和加速器照射两种方法,在P T F E表面接枝了丙烯酸和异丙基丙烯酰胺。

K ereszt ur i K等[15]分别用氢、氦和氮的鞍型场快原子束照射PT FE材料表面,经过处理,材料表面的亲水性提高,且表面粗糙程度因处理过程中使用的原子束种类不同依次增加,顺序为H>H e>N。

1.3 臭氧活化法臭氧活化法也是一种应用较多的表面处理方法,而且特别适合于处理形状复杂的物体,但由于含氟材料稳定性好,表面不易氧化,该法对含氟材料处理效果不是很理想,特别是对于聚四氟乙烯、聚六氟丙烯等全氟材料。

因此,对该法的研究较少。

Bro ndino C等[16]研究了在聚偏氟乙烯(P V DF)表面的臭氧活化条件,在不同温度、时间下P VDF表面的过氧基团浓度如表1。

表1 利用臭氧活化法处理PVDF表面,不同处理条件下PVDF表面的过氧基团浓度臭氧氧化时间/h温度/!表面过氧基团浓度/(3 1025mol/g)000.05a6320.4224320.906400.602440 2.10660 1.202460 6.00a.未处理PVDFChen Y等[17]对PV DF溶液进行臭氧活化,引入过氧基团,然后用R AF T(可逆加成断裂链转移)的方法接枝P EG M A,此法亦可用于材料表面。

1.4 ATRP法A T RP(原子转移自由基聚合)是一种可控的自由基聚合方法,近来也被用于材料表面处理。

由于全氟高分子材料稳定性好,很难在其表面进行A T RP接枝,相关研究还未见有关报道。

Zhang M等[18]在P(V DF co CT FE)表面,利用氯原子,用A T RP方法接枝了苯乙烯、丙烯酸丁酯,并且聚丙烯酸丁酯水解后成为聚丙烯酸,形成亲水性的表面,有效地改变了材料表面性质。

Singh N等[19]用等离子法等复杂过程在PV DF表面引入溴,之后用A T RP方法接枝2 乙烯基吡啶,可通过控制反应时间控制接枝量。

M atyjaszewski K等[20]推进了AT RP 表面接枝方法的可操作性和实用性,即使在有少量空气的情况下也能进行反应。

研究证明,AT RP是一种表面改性的有效手段,而且不受材料表面的形状限制,难度在于如何使氟材料表面产生活性点。

将以上几种方法相结合会有新的突破,T u C Y等[21]先用氢等离子体处理P T F E膜,氢原子取代表面的一些氟原子,然后用臭氧活化法在材料表面引入过氧基团,再在单体溶液中进行表面的接枝聚合,成功地在P T F E表面接枝了丙烯酸、丙烯酰胺和甲基丙烯酸缩水甘油酯,而对于接枝邻苯二胺缩合物的P T FE表面,还可以进一步用A T RP方法继续接枝树形聚合物层,如图2所示。

图2 PT F E表面接枝丙烯酸、丙烯酰胺,甲基丙烯酸缩水甘油酯和邻苯二胺缩合物示意图除了以上所列的表面处理方法,还有一些使用较少的方法,如化学刻蚀、电晕放电等。

由于氟材料特别稳定,化学蚀刻的试剂必须很强,萘钠就是其中一种[22]。

电晕放电所产生的能量对全氟材料影响很小,不能用来处理全氟材料,但对部分氟代的材料有效。

2 用于含氟高分子生物材料的表面改性的物质要使含氟高分子材料具有很好的生物相容性,除了选择适当的改性手段外,还需要进行表面的分子设计,确定要引入22第10期文晓文等:含氟高分子生物材料的表面改性研究进展的分子结构和基团。

下面简要介绍几类用于含氟高分子材料表面改性的常用物质。

2.1 亲水单体研究结果表明,在材料表面引入亲水基团,提高材料表面的亲水性可以提高其生物相容性。

聚乙二醇(P EG)是目前最为常用的提高含氟高分子材料表面亲水性能的接枝基团,研究最多。

Zo u X P 等[7]在PT F E 表面接枝PEGM A ,有效减少蛋白质吸附。

Chang Y 等[23]用氢等离子体处理ePT F E 表面,在ePT F E 膜表面引入自由基,然后在P EG M A 溶液中引发膜表面接枝聚合,在材料表面成功接枝了聚乙二醇结构,有效地降低了表面对蛋白质和血小板的吸附,提高了生物相容性,如图3所示。