等离子体表面处理技术在医疗器械领域的应用


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对气体施加电压使之产生辉光放电的技术,或者称做“等离子体”技术,在医疗器械领域已经成为了一种解决表面预处理问题的有力工具。等离子体不仅可用于表面的极端清洁和消毒,它还可以改善生物材料对体外诊断平台以及生物相容性涂层对体内器械的粘合性。的确,等离子体不仅可以活化表面从而有利于细胞或生物分子的固定,还可以反过来产生光滑的表面,从而抵抗生物污染,或用于计量药物的配制。等离子体还可以大大提高微流体器械的功效。临床诊断装置上的微通道可以在不影响自身分析性能的情况下变得对生物流体更加“浸润”。等离子体同样应用于一些低端技术领域,例如改善导管的油墨标记,提高注射器针头对针筒的粘合力。另外,由于等离子体是一种干法表面处理技术,不需要处理废弃的化学品,从而成为了只需极少量消耗品的绿色工艺。在这篇文章中,我们将讨论在体外诊断平台工业中等离子体技术的功能。我们将关注等离子体如何控制表面能量,以及如何修饰表面化学性从而改善对生物材料的粘附性。在等离子体魔术般的对表面进行改性的背后的科学依据是什么呢?

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/199290.htm

什么是等离子体?

图1:四种物质状态的示意图。等离子态与气态的根本区别是等离子态可以是电导性的。电子摆脱了原子或分子的引力从而可以通过电子的碰撞来传递能量。

等离子体和固体、液体或气体一样,是物质的一种状态。对气体施加足够的能量使之离化成等离子状态。等离子体的“活性”组分包括:离子、电子、活性基团、激发态的核素(亚稳态)、光子等。控制和驾驭这些活性组分聚集后的性能可进行各种各样的表面处理,例如纳米级别的清洁、活化表面的浸润性、化学接枝、涂层沉积等。

等离子体的高化学活性用来在不影响基材的情况下改变表面的性能。实际上可以控制这些部分离化的气体所携带的能量,使之含有很低的“热”能。实现的方法是通过把能量与自由电子而不是与更重的离子进行耦合,这样便可以处理对热量敏感的聚合物,例如聚乙烯和聚丙烯。能量是如何与气体耦合的呢?大多数情况下是通过在低压环境下在两个电极间施加电场。这就像荧光灯的工作原理,唯一的区别是不让光发出。我们支配他的化学性能来处理材料的表面。等离子体也可以在大气压力下产生。在过去,大气压等离子体温度太高而不能作为表面处理的工具。最近,改进的技术可以在大气压力下产生低温等离子体,可应用于大多数对温度敏感的聚合物的处理。

等离子体如何改变表面的性能?

图 2:作为表面处理工具的等离子体大多数情况下是在一个低压真空腔室内产生。随着技术的进步在大气压力下产生等离子体已经开始普及,并且被越来越多的应用。图 2a是PVA Tepla公司的台式低压等离子体系统。这种类型的系统具有先进的性能,很适合于单元式工业以及实验室中适用。图 2b是 PVATepla公司的大气压等离子体笔的特写。这种设计把电压和电流安全的控制在等离子体笔体内部,它可用于在线式应用或者选择性的局部处理。

假设一个固体的表面吸附了碳氢污染物。这些污染物很容易与等离子化的氧元素反应。氧攻击吸附的碳氢化合物,从而转变成CO2 和 H2O。图3是一个简单的反应机理。对于易氧化的表面,可以选择用等离子化的氢气进行表面清洁。氢不仅可以把表面的部分有机物变成挥发性的烃,还可以减少铜、镍、银等金属的氧化。

等离子体的化学特性几乎取决于原料气体。例如,O2, N2, N2O, CO2等可产生氧化性等离子体。这些气体用于把表面对于极性溶液变得更加浸润,或者亲水。这是通过等离子体诱导共价的氧键变为羰基、羧基、羟基等官能团来实现的。这些极性官能团可增加表面的能量,因此,可使组织细胞更好的黏附,或者使分配到诊断平台上的分析物可以更容易的流过微流体通道。

Ar/H2,NH3等可产生还原性的等离子体。这些气体已证实可有效的活化碳氟化合物,如PTFE。因为PTFE的惰性和生物相容性,它是制造体内医疗器械的理想材料。但这些特点又是加工PTFE的不利因素,比如需粘附到合成支架上以促进体内装置上的组织生长。还原性的等离子体可通过降低整个表面的氟浓度,用羟基等官能团置换氟原子来解决这些问题。表面的羟基可提供支撑这些合成支架的定位点。

一些应用需要将主材料进行侵蚀。NF3,SF6,CF4等含氟的气体很适合用来刻蚀碳氢聚合物、硅以及氧化硅、氮化硅等材料。等离子体除了很强的化学作用之外,直接性的作用也扮演了很重要的角色,带有动能的粒子撞击表面可以去除更多的表面惰性污染物(例如金属氧化物以及其他无机污染物),以及在适当的位置使聚合物交联来保持等离子体处理的效果。

可以通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺来生长聚合物涂层。PECVD是通过在等离子体中活化单体等核素,并诱导它们在工件的基面发生聚合来工作的。PECVD涂层具有防护层、防粘、防划等一些性能。另外有些涂层含有一些特殊的官能团,例如-NH3,-OH,-COOH。这些官能团为后续的接枝提供了合适的接合位置(例如为生物材料而固定蛋白质或传感剂),或者可以提高官能团涂层的结合力(例如抗凝血酶原、润滑、IV型胶原质等)。沉积涂层的表面化学性决定于几十纳米深度的外表面。

等离子体能对IVD平台做些什么?

等离子体在医疗器械行业中的应用确实是非常广泛的。因此,本文将主要集中在已通过我们的研发部门证实以及和医疗诊断平台工业相关的应用领域。在这个领域等离子体用来为下游工艺做表面清洁的准备,以及活化表面从而有利于生物材料的粘合。后者通过改变表面极性、接枝特殊的官能团或在表面聚合涂层来实现。为了更好的理解等离子体如何调整表面来满足应用的需求,让我们来看一些重要的例子。
  
微流体装置和亲水性

表面能是一种决定浸润性、生物污染易感性等因素的材料性能。通常,具有高表面能的材料是亲水性的,对血浆、细菌细胞悬浮液、缓冲液、油墨、胶水等流体以及各种吸附物和涂层具有浸润性。另一方面,低能量的表面称为疏水性,具有“不粘”的特性。将在下面讨论这些“不粘”表面。

通常,微流体装置需要亲水性的表面以便于分析物可以持续平缓的流经微通道而到达探测和处理部件。这种流动可通过各种抽吸、电渗透、热量、机械等方法来实现。与培养基(见下面)一样,微射流器件由疏水性的聚合材料(丙烯酸、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成。由这些材料的疏水性导致的一个主要问题就是在微通道中捕集的气泡抑制了液体的流动。即便通道用酒精和缓冲液处理过,仍存在气泡问题。用等离子体处理可以氧化微通道的表面,使它们变成亲水性,从而防止气泡的形成。电动抽吸时的表面电荷密度同样会影响流动速率。电动抽吸通过把电能转换为动能的电反应原理来驱动流体通过微通道。带电表面会吸引电解液中的带有反性电荷的微粒。这样可以使这些微粒仍保留在流体中,通过电动抽吸而更容易的通过通道。等离子体可以有效地促进带电表面的电泳或电渗透流动。

图 3:上面的反应机理是等离子产生的氧基团攻击吸附在表面的碳氢化合物的简单示意图。还存在众多其它的机理包括不同的氧的激发状态,如自由基态和二价分子。吸附在表面的碳氢化合物可以被等离子体中的电子碰撞所激化,从而提供另外可行的反应路径。

免疫测定、微阵列和组织培养基

用于临床诊断基片的平台,例如免疫测定、微阵列和细胞培养基等主要是由合成聚合物制作的。从工业上来说,这些材料具有很好的惰性、稳定的机械性以及很低的成本同时,它们的表面性能也有固有的局限性。尤其是它们没有合适的结合点来使生物活化分子或细胞有效的固着在它们的表面。对于固定生物材料以及体外细胞培养来说,有力、均匀分配的结合点是十分重要的先决条件。为了改进合成聚合物平台的性能,以便于细胞繁殖和双分子的吸附,必须对它们的表面进行改性。这里我们将讨论等离子体在对这些分析装置进行表面改性时所扮演的角色。

等离子体提高细胞生长率

组织培养(细胞取自于动物或植物)在体外生长需要营养、激素、以及其他生长因素,而这些都可以在体内被自然的提供。黏附在固体表面的组织细胞繁殖扩散到富含营养的液体培养基中,例如血清(以动物细胞为例)。培养基的表面性能必须能够使细胞均匀的黏附和生长。尽管如此,在调节表面性能之前,必须去除它们的污染物。通过冷却来去除细胞培养平台的脱模剂、挥发性的碳氢化合物以及其他污染元素,这也是使用等离子体所需的合适环境。

用于制造培养基的聚合材料固有的疏水性不利于组织细胞的黏附。因此,需要一个亲水的表面。氧化性的等离子体用于增加表面的氧官能团,从而增加它们的极性,使它们趋向于亲水。亲水性的表面可以诱导组织细胞的吸附。亲水性表面吸附组织细胞,诱导它们被吸附。当需要特殊的化学性能时,可以进行化学接枝或聚合一些含有所需官能团的单体。我们将在下面的章节中更加详细的讨论这一点。

图4:左边和中间的图像显示的是未处理的的聚苯乙烯孔。左侧的图像显示了细胞黏附不均匀,出现了细胞聚集。中间的图像显示了一部分区域没有黏附上细胞。右侧的图像显示的是经过等离子体处理后的培养基上细胞均匀的黏附和繁殖。

粗糙的表面具有更大的表面积,在理论上等于含有更多的可以结合细胞的位置。由于通常情况下细胞的大小在10μm的级别,因此表面的微粗糙化可以显著的提高细胞粘合。纳米级别的表面粗糙化并不能有效地提高细胞的粘合,因为相对来说尺寸更大的细胞并不能利用这些增加的纳米级的表面积。然而,一个真实的例子是,纳米级别的粗糙化可以诱导药物发生分化和凋亡。虽然还不清楚具体的原因(可能的原因包括增加了细胞受体的数量以及提高了通往核子的信号路径),但这对于改进注入装置上的组织支架的发展存在重要意义。

在等离子体环境下表面的形态可以被选择性的改变,既可以通过提高离子撞向表面的加速度,也可以通过化学刻蚀工艺。电容耦合射频等离子体中的离子通常情况下是网状方向性的向基体移动。这取决于离子和电子对于产生等离子体的电场极性改变的反应时间。由于电子比离子轻的多,电子的反应要更快。因此,置于电子移动路径内的基体在等待正离子到达时将带有负电。由于带有负电荷表面的静电吸引作用,正离子将加速移向该表面。通过碰撞,这些离子将能够去除表面上的材质。氩气很适合用这种方法来微粗糙化表面。可以通过设置等离子体的能量和压力来控制加速离子的能量。例如,使压力提高一毫托可以很明显的减少离子的碰撞能量(假如碰撞能量没有被完全消除),这样便可以去掉等离子体对表面的粗糙作用。相对于刚才所说的氩气,氧气等离子体工艺要轻微得多,它的轻微的化学刻蚀作用可以用来对聚合材料进行纳米级别的粗糙化。

总之,用等离子体进行表面清洁、活化以及微粗糙化后的综合效果可以增加细胞黏附(与未处理的基体相比最多可增加30%),使细胞分布的更加均匀。

用等离子体改善生物分子在免疫测定和微阵列平台的粘附性

等离子体技术可以解决生物材料在诊断基体上的黏附性问题。它通过给表面提供特殊的化学官能团,使生化元素能够耦合成共价键来实现。羧基、羟基和氨基是用等离子体工艺可以轻易获得的常见的化学官能团的重要实例。例如,在微列阵工业,氨基可以为工作表面提供可直接黏附核苷(DNA或RNA)和寡核苷酸的粘结点。如果原子间的排列空间阻碍了结合这些大生物分子,这时可以使用原分子,有时也叫做“键合”。键合可以使生物分子以适当的结构吸附在表面提供空间。确实,键合分子本身也需要表面被活化以帮助它们固着在基体上。通常,氧气等离子体的直接作用就可以满足改善这些分子的结合效果。尽管如此,有时也需要一些特定的官能团。例如,有些捕获剂可以在酸性或碱性环境下很好的工作。如果捕获剂通过羟基进行键合,则可提供酸性环境。相反,氨基可以提供一个碱性的环境。

有两种碱性方法可以使表面带上特定的化学基团。一种方法是通过PEC V D沉积含有所需官能团的涂层,另一种方法是使现有的官能团产生等离子体并使之能够结合在表面上。虽然后面的方法更加简单,但前者具有更高的表面官能团浓度(10%-20%)。使用氨气作为原料气可以在表面上结合-NH3。甲醇用来结合羟基,同时使用甲醇和CO2可以提供羧基。不幸的是,沉积这些官能团同时会发生一些副反应,从而改变主官能团。例如,氨气等离子体在沉积伯氨基的同时也会沉积季氨、叔胺、腈、亚胺等。这些基团的比例根据等离子体系统和使用的参数变化而变化。尽管如此,这种方法也可提供2-8%的所需官能团。

有时仅提供正确的化学官能团是不够的。氨基可增加表面能量使之更加呈现出亲水性。有时并不需要过度亲水的表面,例如在微阵列平台上的凝胶滴剂排列,因为这些微滴可以湿润表面。这种类型的湿润形成了难看的小滴。同样,等离子体可以解决这个问题,通过控制表面能量来保持小滴的形态,即使在有氨基的情况下。在微列阵平台的等离子体氨化处理时,在工艺中加入氟元素是一种控制的方法。氟可以约束平台的基底并增加它的疏水性,因此可使小滴保持它的球态。幸运的是该工艺既不会影响表面沉积的伯氨浓度,也不会影响凝胶与平台的共价键合。

图6:等离子体表面处理增加化学官能团:通过把表面暴露在含有特殊官能团的等离子体中(可增加2-8%的所需官能团(例如用氨气等离子体增加氨基)),或通过PECVD使用含有所需官能团的单体来在表面生长涂层(可增加10-29%的官能团)。
 
免疫测定平台的形状、尺寸和结构会经常发生变化和改变。96和384孔板是最常见的基板类型。等离子体处理是使孔板变得亲水,从而有利于固定抗原、抗体以及其他生物活化小分子。一个潜在的问题是在流体分配时会形成气泡,可以用等离子体来控制。在图7中我们把两个孔进行对比,(7a)未经等离子体处理,(7b)经过了等离子体处理。孔(7a)含有一个捕集到的气泡。这个气泡会导致分光光度计的读数错误,甚至根据其所占用的空间而有可能溢出到邻近的孔内。等离子体可以确保孔内的分析物完全被浸润,从而实际上排除了形成气泡的可能性。
上述段落解释了疏水性的池如何在分析液中捕集气泡。但是,过于亲水的池会导致分析液在毛细作用下爬到平台层上并可能污染临近的池。有这样一个实例,我们得到了一个由疏水聚合物制造的免疫测定平台。这个聚合物提供了许多底部带有金检测器的池孔。在沉积生物传感器之前需要清洁金面,因此需要把平台暴露在氧气等离子体中。当等离子体对金面进行很好的清洁的同时,它对池孔侧面有一个不好的作用,会导致分配的生物传感液在毛细作用下爬到侧面上。对于等离子工艺工程师来说难点在于在清洁金板的同时要维持池孔壁的亲水程度。可以通过使用混合原料气的等离子体来实现该目的:一方面用来去除金面上的碳氢污染物,另一方面通过添加氟基使孔壁趋向于疏水。不管任务有多困难,工艺的运行已经证明了等离子体表面改性的全能性。

医疗器械需要“不粘”性能

图7:图7a是流体分配到未处理的孔内后捕集到的气泡。疏水性的孔表面经常会捕集空气。图7b显示的是等离子体处理的分配流体时完全浸润的孔表面。

“不粘”表面的概念在耐用厨具行业众所周知。在蒸煮罐的表面涂上一层Teflon?可防止食物粘附在烹饪的表面上。“不粘”的应用范围已经很好的扩展到煎锅产品。体内和体外医疗器械有时需要表面能够阻止蛋白质或细胞的粘附,以便提高血液相容性。例如,可以通过在表面涂覆类P T F E材料来控制抗凝血酶的活性。

降低表面自由能可以减少表面的吸附力,表面自由能也就是表面可以用来形成化学键的能量。可行的方法之一是涂上低表面能的涂层。碳氟聚合物涂层具有类Teflon?的性质,并且和Teflon?一样都是由(C Fx ) n化学单元组成。这种涂层可以很容易的通过PEC V D粘附在各种材料上。等离子体处理通过在表面聚合碳氟化合物而提供了一个可靠、生物相容且绿色的减少材料表面能量的方法,且具有高可控性。泵出口处的净化器可以吸收所有出气口处的碳氟化合物。

据报道,过长时间的DNA与聚丙烯PCR板的交互作用会导致DNA变性。这就意味着当使用聚丙烯容易贮存DNA时,时间过久会降低所贮存DNA的质量和数量。研究表明用氧气等离子体处理后的聚丙烯板会降低对DNA的吸附力。氧气等离子体可使表面带负电荷。人们相信这些负电荷可以排斥人造DNA的硅酸盐主链,这样便可阻止DNA粘附在表面上。

如何验证等离子体的作用?

图8:左边的照片为一滴水珠在未经处理的疏水表面上。右边的照片未经过等离子体处理后的同一表面。经等离子体处理后,表面变为亲水性。

接触角测量是一种广泛使用的测量表面粘合力的方法。未处理的聚合物表面能较低,滴在这种表面上的水珠呈现出高接触角。这是由于水珠的内聚力强于对表面的粘合力。等离子体处理后的表面的水滴接触角非常低,这是因为通过极性化学官能团的形式增加了表面的能量。这些能量用来粘结水分子,使水珠沿着表面展开。这就是亲水性或浸润性的表面。因此低表面接触角表示表面是可浸润的。

X射线光电子能谱(xps)和表面衍生技术用来确定被所需化学基团修饰的表面的百分比。例如:丙烯胺的表面聚合能够形成氨基。为了确定伯胺的数量,可以通过试剂选择性的将伯胺氟化。用氟是因为它很容易被xps检测出来,而且它的化学性质没有改变(例如氮可以和含氮的功能团共存)。用xps检测出表面氟的浓度就可以得出表面原有伯胺的浓度。

结束语

多年来,等离子体技术已经应用于半导体行业的微芯片制造领域。众所周知这些工艺具有很高的复杂性,但等离子体系统很适合于这种工业。最近,等离子体技术已经延伸到聚合材料领域。尽管在该领域等离子体技术具有优势和可操作性,但该应用领域扩展的很慢。原因之一是通常等离子体方法的成本高,且限制生产过程的灵活性。如今,等离子体公司不仅要求工程师尽量降低产品的成本,同时要提高产品的灵活性和多功能性。如今的系统可提供批次式和在线式结构,也可提供低压或大气压系统。它们很容易被集成到现有的生产线上,非常容易使用,且只需很低的人力成本进行操作。

等离子体技术在医疗器械领域获得了很高的评价,因为它可以很好的对表面进行清洁和改性,实际是它也是一个干法、绿色的工艺。它不再被认为是一种“巫术”或需要进行表面预处理的昂贵选择。这种高效工艺使生产制造变得更加容易,为未来的技术奠定了基石。

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