RF-PECVD聚合類聚乙烯氧PEO-like薄膜的蛋白質(zhì)吸附性

1、RF-PECVD聚合類聚乙烯氧( PEO-like )薄膜的蛋白質(zhì)吸附性研究胡文娟 1，謝芬艷 1，付亞波 1，陳強 1*, 翁靜 21- 北京印刷學院印刷包裝材料與技術北京市重點實驗室，北京大興，102600；2- 首都醫(yī)科大學基礎醫(yī)學部，北京 100069北京印刷學院等離子體物理及材料研究室，北京大興， 102600摘要： 本文采用射頻等離子體( 13.56MH) ,以乙二醇二甲基醚( Ethylene Glycol DiMethylEther )為聚合單體 , 氬氣為輔助氣體 , 合成類聚乙烯氧( PEO-like )功能聚合薄膜。采用連續(xù)與 脈沖射頻 (RF)等離子體兩種放電模式聚合

2、PEO功能薄膜。 實驗研究了等離子體放電參數(shù)： 如等離 子體放電功率、工作氣壓、放電模式(連續(xù)或脈沖) 、聚合時間等對聚合物表面結(jié)構、功能團含量 表面成分以及性能和蛋白質(zhì)吸附等的影響。 利用接觸角測定儀 ( WCA)、傅立葉變換紅外光譜 (FTIR) 、 原子力顯微鏡 ( AFM)等手段對其進行結(jié)構、 成分和形貌分析。 同時本文也采用了體外細胞培養(yǎng)的 方法研究了類 PEO功能薄膜對富血血小板以及蛋白細胞的吸附。通過倒置顯微鏡觀察細胞黏附的數(shù)量和形態(tài)。結(jié)論是：采用 RF-PECVD可以在連續(xù)等離子體模式下較小的功率，或脈沖等離子體模式 下較長時間得到結(jié)構、性能優(yōu)異的PEO生物功能薄膜，所制備的

3、PEO生物功能薄膜具有良好的血液相容性以及抗蛋白吸附性能。關鍵詞： RF-PECVD；PEO-like ；血液相容性； 蛋白吸附PEO-like film polymerization by RF-PECVD and its adsorption ofproteinAbstract： The paper presents the PEO-like functional film was polymerized by plasma-enhanced vapor chemical deposition (PECVD) on P-Si(100) surface with precursor EGDM

4、E and diluted Ar in continuous wave (CW) and pulse plasma mode. We explored the effect of plasma parameter such as the discharge power, working pressure, the discharge mode on the film properties. The structure of coatings was analysed by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, contact angle

5、 measurement and Atomic Force Microscope (AFM). And we obtain that the lower power in CW or the longer Toff in pulsed plasma is contribute to more density of EO on the surface. At the same time, this paper also studied in vitro the adsorption of platelet-rich plasma (PRP) and protein cells, and obse

6、rved the configuration of attached cell by invert microscope. We concluded that the plasma polymerization PEO-like functional film with outstanding structure and performance, can either in the smaller power CW, or in the longer Toff pulsed plasma mode, in which the PEO-like functional films demonstr

7、ate well blood compatibility and anti-protein adsorption performance.Keywords: RF-PECVD PEO-like blood compatibilityprotein adsorption* chenqiangTel: 010-6026-1099Fax: 010-6026-11081 前言聚乙烯氧 (PEO)具有較好的化學穩(wěn)定性， 它既耐酸又耐堿， 具有廣泛的應用范圍 1 。它毒性低、具有高親水性和高流動性， 呈現(xiàn)出良好的生物惰性 , 可阻抗多種蛋白質(zhì)和血細胞的粘附 , 是一種改 善高分子材料血液相容性的理想材料

8、2 。用等離子體放電的方式聚合材料 / 薄膜具有表面無針孔、 膜質(zhì)均勻和基體的結(jié)合力強、聚合效率高速度快等優(yōu)點 3,4,5 ，是合成類聚乙烯氧的理想方法。探 索合成性能一致的聚乙烯氧和類 - 聚乙烯氧 （PEO-like） 薄膜方法研究，在世界范圍內(nèi)也在廣泛進 行。本文報道了采用射頻等離子體（ 13.56MH）,以乙二醇二甲基醚（ Ethylene Glycol DiMethyl Ether ）為聚合單體 , 氬氣為輔助氣體 , 合成類聚乙烯氧（ PEO-like ）功能聚合薄膜。利用接觸角 測定儀（ WCA）、傅立葉變換紅外光譜 （FTIR） 、原子力顯微鏡（ AFM）等手段對其進行結(jié)構、成

9、分和 形貌分析。同時本文也采用體外細胞培養(yǎng)的方法研究了類PEO功能薄膜對富血血小板以及蛋白細胞的吸附，通過倒置顯微鏡觀察細胞黏附的形態(tài)。2 實驗部分類 PEO薄膜的制備是在平板式電容耦合等離子體化學氣相沉積裝置上進行。平行板電極間距為 50mm， 13.56MHz射頻源通過匹配器耦合輸入到下電極, 上電極接地，基片放置于下電極表面。單體乙二醇二甲基醚由輔助電離氣體 Ar 載入， 從上極板表面均勻分布的小孔進入真空室。 裝置本 底真空在 3Pa以下,然后在 RF電源的激發(fā)下，放電形成等離子體 , 進行化學氣相聚合。實驗裝 置簡圖見圖 1。圖1 等離子體實驗裝置簡圖（ 1 工作氣體 2 閥 3 進

10、氣管 4真空計5朗謬探針 6 上電極 7 玻璃擋板 8 基 片 9 下電極 10 射頻（ RF）發(fā)生器 11 支架 12 閥 13 機械泵 14 直流電源 15 朗繆探針掃描電源 16 計 算機）為了滿足聚合薄膜分析，基片采用不同的材料：在KBr壓片上聚合薄膜進行 FTIR 分析；在用吹P-Si（100） 單晶硅表面聚合薄膜， 用于：（1）原子力顯微鏡 （ AFM）表面形貌分析； （2）研究類 PEO 功能薄膜對富血血小板以及蛋白細胞的吸附； 在載玻片上聚合薄膜， 研究薄膜的表面親 / 疏水性能 等。其中除 KBr壓片， 其它基片在放入真空室之前， 都在乙醇或丙酮溶液中超聲清洗十分鐘，5分鐘。

11、風機吹干后備用；放入真空室腔體后，用氬等離子體再清洗工作單體乙二醇二甲基醚，購自百靈威化學藥品試劑公司，輔助氣體為氬氣。在材料性能分析中，接觸角（ WCA）測試采用 JY-82 接觸角儀，以水為介質(zhì)；表面張力測試使 用德國 KRUESS公司的 K100 表面張力測試儀，去離子水和乙醇為介質(zhì)，結(jié)果都是五個數(shù)據(jù)的平均-1 值；紅外光譜測試（ FTIR）使用日本島津公司的 FTIR-8400 紅外光譜儀，精度為 4cm-1 ；表面形 貌分析采用本原生產(chǎn)的 CSPM4000掃描探針顯微鏡。3 結(jié)果與分析3.1 FTIR3.1.1 功率對聚合膜生長的影響500 1000 1500 2000 2500 3

12、000 3500 4000-1Wavenumber (cm ).u.a(SBWavenumber(cm-1).u.a(SB圖 2 a- 連續(xù)等離子體聚合類-PEO; b- 乙二醇二甲基醚單體的紅外分析光譜圖采用 RF-PECVD制備聚合物的結(jié)構性能和等離子體的工藝參數(shù)有很大的聯(lián)系，不同的輸入功率對薄膜的成分有很大的影響。乙二醇二甲基醚作單體，紅外分析（見圖 2（b） ）其結(jié)構為典型的 -CH2CH20- 。而等離子體聚合薄膜，低功率條件下聚合的薄膜CO-C特征峰明顯。從圖 2（a） 5w 曲線中可以看到在連續(xù)放電模式下，圖中 1124cm-1 出現(xiàn)了比較強的吸收峰，所對應的是 C-O-C的反對

13、 稱伸縮振動，比單體圖（ b）所示的 C-O-C吸收峰 1130cm-1 略往低頻方向偏移，但保持了單體的化 學結(jié)構。隨著功率的升高，峰高降低，表明在功率較高的條件下，由于能量增加、碰撞加強不利 于醚鍵功能團的形成，不利于單體中功能團結(jié)構的保留。3.1.2 占空比對聚合膜生長的影響由圖 3可知，在脈沖放電模式下脈沖占空比對薄膜成分的影響也是較大的。特征功能基團峰在 1100 5 cm-1C-O-C基團反對稱伸縮振動，在較大的脈沖占空比下的功能團，明顯增加。由此分析其主要原因可能是大功率條件下，得到小功率， 或長脈沖條件下似乎有利于功能基團醚鍵的形成。高能粒子的碰撞作用，使分子鏈斷開，CO 的含

14、量增加，降低薄膜中的特征基團的C-O-C的含量6 。在較長脈沖的條件下，薄膜中的EO含量高是因為較長脈沖時間，等離子體的平均功率小，在7，8。脈沖放電階段主鏈斷開，而在脈沖間隔期間，特別是長脈沖間隔時間，大量等離子體作用產(chǎn)生的活性基團，在脈沖放電間隔期間采用自由基聚合機理，形成帶有功能團結(jié)構的聚合物.).u.a(SB500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 -1Wavenumber(cm )圖 3 脈沖放電條件下占空比對類 -PEO結(jié)構的影響紅外光譜圖3.1.3 時間對聚合膜的影響圖 4 所示，在連續(xù)放電模式下，薄膜沉積時間對薄膜成分的影響不明顯。).u.a

15、(SBWavenumber(cm )圖 4 時間對類 -PEO 結(jié)構的影響3.2 接觸角測試和親水性分析5(a) 表明連續(xù)放電條件下對薄膜的親 / 疏水性的研究是了解薄膜的表面性能的方法之一。圖制備的薄膜對水的接觸角隨著功率的增加先降低然后再升高。在相同的有效功率下，脈沖放電所制備的薄膜，其表面接觸角要比在連續(xù)放電條件下小，而且較大的占空比下其接觸角會進一步降低，即薄膜的親水性要優(yōu)于較小的脈沖占空比。這和前面紅外的分析結(jié)果是一致的 : 在脈沖條件下薄膜中極性基團 EO含量高，薄膜的親水性好。ACW61.060.560.059.559.058.558.00 10 20 30 40 50 6070

16、 80toff (ms)90圖 5 制備的薄膜接觸角和放電模式的關系（a-功率對接觸角的接觸角的影響圖； b- 脈沖占空比對接觸角的影響(Ton=3 ms) )4 AFM圖 8 顯示的是單晶硅上 PEO薄膜的表面形貌圖。 從形貌和三維圖中看到表面形成了一層致密均 勻的聚合物薄膜。圖 8 晶硅上 PEO薄膜的表面形貌圖5 生物測試5.1 連續(xù)放電功率對聚合膜生物性能的影響圖 6 是在相同的氣壓、氣體比例和反應時間下，功率對對血小板吸附的影響。由圖可見，隨 著功率的增加， 功能薄膜對血小板的吸附能力變大， 不利于生物應用； 在 5W和 10W時，對血小板的吸附最少， 即生物性能較好。 這和前面紅外

17、的分析結(jié)果是一致的 : 在連續(xù)放電小功率條件下薄膜 中極性基團 EO含量高，薄膜的親水性好，聚合的薄膜抗吸附性能強。圖 6 連續(xù)等離子體聚合功率對血小板吸附圖影響a-blank;b-5W;c-10W;d-20W;e-40W;f-80W5.2 脈沖占空比對聚合膜生物性能的影響圖 7 是在相同的氣壓、氣體比例、脈沖平均輸入功率和反應時間下，脈沖占空比對血小板吸附的影響。 由圖可見， 隨著脈沖平均功率的增加， 對血小板的吸附減少， 雖然在占空比 3:20 和占 空比 3:40 時吸附也較少，但血小板有變形，因此采用脈沖占空比 3:10 較好。ba-blank;b-3:10;c-3:20;d-3:40

18、;e-3:80圖 7 脈沖等離子體聚合占空比對血小板吸附圖影響（6 結(jié)論以乙二醇二甲基醚為單體 , 用 Ar 氣作為工作氣體，采用射頻等離子體的不同放電模式和放 電參數(shù)，研究聚合功能性類 PEO薄膜結(jié)構性能和對蛋白質(zhì)吸附的影響。通過實驗我們得出了以下 幾個結(jié)論：（1）通過接觸角測試發(fā)現(xiàn)， 等離子體放電功率和放電模式是影響功能性薄膜的親水性的的主要因 素；（2）與連續(xù)放電相比，脈沖放電條件下聚合薄膜，更能保留單體中EO結(jié)構的完整性。這是因為 通過控制脈沖寬度從而控制了單體主鏈裂解速度，為電子激發(fā)原位氧化還原反應提供了可能，因此脈沖放電條件下更有利于聚合完整EO功能團薄膜。 在脈沖條件下， 占空比

19、越大， 對單體的裂解越少，特征功能團的保留越高；（3）連續(xù)放電低功率， 或脈沖放電低占空比下制得的薄膜， 對血小板的吸附明顯改善， 表現(xiàn)出良 好的生物性能。致謝本課題受到國家自然基金 （ 10475010）、北京市留學人員重點資金， 北京人才強校拔尖人才計 劃，印刷包裝材料與技術北京市重點實驗室開放課題 （KF060201） 資助，在此表示衷心的感謝！ 參考文獻：1 K.M. Abraham and Z. Jiang, Journal of The Electrochemical Society, PEO-Like Polymer Electrolytes with HighRoom Temperature Conductivity, V olume 144, Issue 6, pp. L136-L138 , June 1997,2 Eloisa Sardella , Roberto Gristina , Giorgio S. Senesi .et al ， Homogeneous and Micro-Patterned Plasma-DepositedPEO-Like Coatings for Biomedical Surfaces, Plasma