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低温等离子论文

Documentnumber：

NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT

低温等离子论文

低温等离子体技术在生物医用材料

表面改性中的应用

作者:

学号：

12141

摘要：

低温等离子体技术是一门已相对成熟和蓬勃发展着的应用学科，它已在传统和高技术领域得到了广泛的应用。

其中等离子体表面改性技术以其特有的优点，解决了合成高分子材料无法完全满足作为生物医用材料所需要的生物相容性和高度的生物功能要求这一难题。

通过等离子体处理后，能够在高分子材料表面固定生物活性分子，达到作为生物医用材料的目的。

关键词：

高分子材料；表面处理技术;等离子体聚合;生物医用材料

Thelowtemperatureplasmatechnologyinbiomedical

materialsApplicationofsurfacemodification

Authors:

Number:

12141

Abstract:

thelowtemperatureplasmatechnologyisanapplieddisciplinehasbeenrelativelymatureandvigorousdevelopment,,,canbe

fixedbiologicallyactivemolecules,soastoreachthe

purposeofbiomedicalmaterials.

Keywords:

polymermaterials;surfacetreatment;plasmapolymerization;biomedicalmaterial

引言

生物材料（Biomaterial）是生命科学、材料科学、医学、工程学等多学科相互渗透和发展的产物。

尤其，生物材料在医学材料和器件方面的应用，提高了解救人命方面的能力，刺激了许多研究通道。

表面改性方法包括化学的和物理的方法。

通常化学方法比较繁琐，且大量应用有毒化学试剂，容易对环境造成严重污染，对人体也有极大危害与其相比。

低温等离子体表面处理技术具有工艺简单、操作简便、易于控制、对环境无污染等优点，正日益受到人们的青睐。

低温等离子体目前研究在能源、信息、材料、化工、医疗、军工、航天等领域表现出了技术竞争力在同其他基础学科、技术领域的相互渗透、促进中，低温等离子体技术的研究与应用得到了不断发展。

本文介绍了低温等离子体的产生，低温等离子体材料表面改性主要技术，低温等离子体表面改性技术在生物医学方面的应用。

一．低温等离子体的产生

等离子体获得的方法和途径是多种多样的，会涉及许多经典的微观过程、物理效应、试验方法和反映装置。

其中，在生物材料制备工艺中，常用的等离子体反应

图1：

在生物材料制备工艺中常用的三类等离子体反应器示意图（1.单体及载气输入口；2.真空系统；3.等离子体；4.电极；5.被处理样品；6.磁场线圈；7.波导）

器主要有三类，如图1所示：

（a）内电极反应器，内电极反应器的电源可以是直流、交流或射频。

等离子体在一对电极间通过放电产生。

（b）外电极反应器，外电极反应器的电源通常采用射频，射频功率通过玻璃或石英器壁馈入反应器内，产生辉光放电等离子体。

（c）无电极反应器，无电极反应器的电源通常采用微波，微波功率通过波导穿过介电材料器壁传入反应器，维持反应器中的等离子体。

常用的获得等离子体的方法有气体放电法、射线辐照法和光电离法等。

下面就介绍这些常用的方法和原理。

气体放电法

通常把在电场作用下气体被击穿而导电的现象称之为气体放电。

如此产生的电离气体叫做气体放电等离子体。

（1）常用的电场类型

按所加电场频率的不同，气体放电可分为直流放电、低频放电、高频放电、微波放电等多种类型。

（2）主要的放电方式

气体放电的形式和特点与放电条件及电场类型有关，具体如表2所示。

激励源

放电类型

直、交

电晕放电、正常辉光放电、反常辉光放电

流二极

弧光放电

射频

容性耦合、感应耦合、螺旋波共振

微波

微波放电、微波电子回旋共振、磁增强微波放电

激光

高功率脉冲激光电离

表2：

典型的放电方式

射线辐照法

利用各种射线或粒子束辐照射气体，气体电离也能产生等离子体。

具体有以下几种：

（1）利用放射性同位素发出的α、β、γ射线。

（2）利用X射线，X射线也能像γ射线一样引起均匀电离，使难以获得高密度的等离子体。

（3）利用等离子体电子束，经加速器加速的电子束或离子束在与中性粒子碰撞时也能使其电离。

这种方法可以对离子束的加速能量、强度等加以控制。

因此比以上几种射线要优越得多。

光电离法

当入射电子的能量hν大于某种原子或分子的电离能Ei时，即hν

Ei，便能发生光电离。

A+hν

A++e。

显然，与电离能对应的入射光波长

为其波长阈值。

二.低温等离子体材料表面改性主要技术

近年来，等离子体表面改性技术在医用材料改性上的应用已成为等离子体技术的一个研究热点。

表面改性方法包括化学的和物理的方法，通常化学方法比较繁琐，且大量应用有毒化学试剂，容易对环境造成严重污染，对人体也有极大危害。

与其相比，低温等离子体表面处理技术具有工艺简单、操作简便、易于控制、对环境无污染等优点，正日益受到人们的青睐。

低温等离子体中含有各种活性粒子：

电子、离子，各种激发态的原子、分子及自由基等，在这些活性粒子的作用下，材料的表面性质将会发生改变。

同时，等离子体表面改性技术还有如下特点：

（1）它对材料表面的作用深度仅数百埃，不会影响基体材料的性质；

（2）能够处理各种形状的表面；（3）有较强的杀菌作用，因此低温等离子体技术是生物医用材料较为理想的表面处理技术。

低温等离子体对材料表面改性可分为四类：

等离子体聚合、等离子体引发聚合、等离子体共接枝与聚合和等离子体表面处理。

三．等离子体聚合及特点

等离子体聚合是利用放电把有机类单体等离子活化，使其产生各种活性，由这些活性之间或活性与单体之间进行加成反应形成聚合膜。

等离子体聚合是由气相直接进行聚合的一种新的高分子膜被覆方法。

生成的薄膜沉积在基片上或待敷膜的物体表面。

该过程中放电用得气体是有机单体。

对用作医用材料的高分子聚合反应来说，要求这种单体物质必须具有不饱和键或某种特定的官能团，这样限制了单体的范围。

等离子体聚合大大拓宽了单体物质的种类，例如像甲烷、苯等碳氢化合物在一般情况下是不能聚合的。

但若采用等离子体聚合法便能在几分钟聚合成3nm～1μm的透明薄膜。

等离子体聚合具有自身的一些特点，归纳起来主要有以下几点：

（1）大大拓展了单体物质的种类。

尽管各种单体所含的官能图不同、性质各异，聚合速率不一，但从本质上来看，即使说各种有机物质都能用作单体进行聚合也并不过分。

（2）生成的聚合膜具有高纳米级网络结构，而且网络的大小和支化程度在某种程度上可以控制。

这样制成的聚合膜机械强度、化学稳定性和热稳定性均很好。

四．等离子体表面处理

等离子体表面处理是利用非聚合性无机气体（Ar、

、

等）的等离子体进行表面反应，通过表面反应在表面引入特定官能团，产生表面侵蚀，形成交联结构层或生成表面自由基。

在经等离子体活化而成的表面自由基位置，能进一步反应产生特定官能团，如氢过氧化物，较为普遍的是在高分子材料表面导人含氧官能团（如-0H、-00H等），还有人在材料表面引入了胺基。

在材料表面生成自由基或引入官能团后，就可与其他高分子单体反应进行接枝（即材料表面形成的自由基或官能团引发单体分子与之发生作用）或聚合，或直接在材料表面固定生物活性分子。

低压气体放电的环境，特别是高能电子及离子和自由电子、自由基的存在，提供了常规化

学反应器中所没有的化学反应条件，既能使原气体中的分子分解，又可以使许多有机物单体产生聚合反应。

等离子体聚合可提供超薄、均匀、耐磨的连续薄膜，而且具有较好的粘附性，其他性能也优于化学法制备的聚合膜。

五．低温等离子体表面改性技术在生物医学方面的应用

高分子材料在与生物体组织接触时发生各种各样的相互作用

利用低温等离子体表面改性技术制备的生物医学材料具有以下几个方面的特性：

（1）产生新的表面化学结构，增强材料的生物兼容性；

（2）产生了阻隔膜或渗透膜，可以控制药物的扩散速率；（3）在表面形成反应基团，用以固定特定的生物分子或蛋白质。

这些低温等离子体改性表面在生物医学方面有许多应用，下面是一些例子：

1.体内移植材料（如人造器官）首先选择具有所要求的体性质的材料，经过表面处理，在表面引入特定的功能团，这样在植入体内后可以和人体的血液以及组织相容，不会引起排异现象。

由于等离子体聚合膜与基底材料表面之间为共价键结合，非常稳定，使用寿命特别长。

2.生物传感器，有两种比较通用的生物传感器：

（1）催化型生物传感器,这种生物传感器是用于测尿糖的。

将有机单体在基片表面产生等离子体聚合薄膜，再用氨或氧等离子体在表面引入氨或羧基团。

表面的氨或羧基团会与尿液中的葡萄糖氧化酶耦合，起到检测尿糖的功能。

这种用等离子体方法制备的尿糖传感器检测速度快、准确，而且寿命长，满足了医疗器械方面的应用。

利用等离子体辅助化学气相沉积方法制备的类金刚石薄膜具有一些非常独特的性能，如：

非常好的机械、电学和光学特性，以及化学惰性；与生物组织和血液有很好的生物兼容性，因为它也是碳氢结构,类金刚石薄膜可以用于外科手术器械、人工关节等体内移植器官和器件。

六.展望与前景

目前，国内有不少单位正在利用等离子体表面处理技术积极开展生物医用材料的表面改性及表面膜合成研究，以解决抗凝血、生物相容性、高分子聚合物表面亲水性、抗钙化及细胞吸附生长、抑制等关键技术问题。

东华大学理学院准备利用脉冲等离子体材料表面修饰最新技术，在胶原材料表面涂覆有利于神经营养因子CNTF共价固定并具有特定物理形态的功能膜。

利用CNTF营养因子对细胞吸附生长的促进作用，促进常规细胞及CNTF转基因细胞在其上的吸附生长分化。

这对研究筛选适于常规细胞及转基因细胞发挥正常生理功能的生物活性表面涂层及技术，扩大现有生物材料的应用范围，深人研究这类因子对细胞吸附及生长的影响，及细胞与生物材料表面的反应机制，构建新一代具特定修复、再生功能的智能生物材料，都具有重要的意义。

随着全球人口老龄化和运动创伤的增多，人们对生物医用材料提出了非常大的需求，因此各国对生物材料的研究与开发都投人了大量的人力、物力和财力目前已有许多内植器官、人工组织和体外辅助装置等都在开发研究和临床应用中。

低温等离子体表面处理技术以其特有的优点正被许多科学工作者用于生物材料的表面改性及表面膜台成研究。

但是这些研究大多处于开发阶段或动物实验阶段，离实用化还有一段路程。

对医用高分子材料的抗凝血性、生物组织相容性的提高仍是今后医用高分子材料研究中的一个首要问题这些研究需要化学、物理化学、生物化学、生物学、物理学和医学等多方面专家的共同努力。

参考文献

[1]张谷令，敖玲，刘元富.应用等离子体物理学[M].北京：

首都师范大学出版社，2008.

[2]陈宝林，王东安，生物医用高分子材料的组织相容性研究，呼伦贝尔学院学报，第14卷6期，2006，12.

[3]戴秀娟，江南，低温等离子体在生物医用上的应用，澳大利亚科学院纺织纤维研究所.

[4]冯祥芬，谢涵坤，张菁，低温等离子体表面处理技术在生物医用材料中的应用，东华大学理学院，2000，5.

[5]赵化侨,等离子体化学与工艺,中国科技大学出版社,1993.