发布时间:15-07-27 16:22分类:技术文章 标签:辐射技术 为了引导近年来,面向现代生物医药、临床医学、组织工程、仿生器官的巨大应用需求,生物医用材料已经成为当今材料科学发展的*重要热点之一。为了满足日益发展的生物医用材料的多样性需要,基于其应用的内在特点,高效、低残毒、清洁方便的反应与相关制备法受到极大的关注。 与传统的高分子化学制备方法相比,辐射法制备改性医用材料的优点在于: 1.不需要添加剂,没有引发剂残留,可以得到清洁、安全的接枝共聚物,保证材料的纯净性。 2.辐射接枝操作简单易行,可以在常温或者低温下进行,并可以通过调整射线辐照剂量、剂量率、接枝聚合单体浓度和基材溶胀的深度控制反应程度。 3.辐射过程对材料也是一个消毒过程,避免了其他消毒方法对制品的破坏。 改善医学材料表面生物相容性 生物相容性是贯穿生物材料研究的一大主题。国际标准化组织ISO制定了医用材料的生物相容性评价指导原则以及标准实验方法的国际标准,中国在上世纪70年代也开始了生物相容性研究以及评价方法的标准化。生物相容性是生物材料与人体之间的相互作用从而产生的物理、化学、生物反应的概念。 生物相容性包括组织相容性(Tissuecompatibility)和血液相容性(Bloodcompatibility)。 组织相容性是指材料与活体组织之间相互包容的程度,包括材料在生理条件下的老化,以及由于材料的存在而产生的生物学反应,除了全身毒性外,更多的是材料周围组织的局部反应,如炎症、免疫、诱变以及癌症。材料表面与蛋白质等生物大分子及细胞之间的相互作用是产生组织生物学反应的根本原因。 例如,矽胶植入人体後会产生纤维囊壁痉挛,这主要是由于矽胶材料表面的疏水性,使其不具备人体组织的水凝胶结构。在矽胶表面共辐射接枝亲水性单体N-乙酰烯基吡咯烷酮并植入人体後,矽胶表面形成一层稳定的水凝胶,大大降低了组织对矽胶的异物反应,增加了其生物相容性。 血液相容性是生物医用材料的一个十分重要的性质。理解血液相容性是研究血液相接触性材料的一项非常重要的内容。血管内壁是一层生物膜,该膜含有磷脂、固醇、糖鞘脂,其中磷脂和糖鞘脂含有两条烃链,能够组装成脂双层;脂双层的存在赋予了血管内壁的生理功能。外源医用材料不同于血管,它不能产生并释放抑制因子,从而促使凝血因子失活,必然不能避免血栓的生产。 生物材料的抗凝血性是由其表面与血液接触後所形成的蛋白质吸附层的组成与结构所决定的。而吸附层的组成与机构又取决于材料表面的化学结构与形态。因此,如果控制了蛋白质吸附层的组成与构象,也*决定了材料的血液相容性。当材料表面吸附层主要为球蛋白与纤维蛋白时,将激活凝血因子与血小板,导致级联反应而形成血栓,而当蛋白吸附层为白蛋白,植入物表面会出现白蛋白钝化,从而阻止凝血的发生。用Υ射线辐照技术能使植入物表面与白蛋白之间以共价方式结合,从而降低血小板的粘附量。 引起血栓的另一个重要因素是材料表面的物理化学特性以及血小板的活跃程度。常见的材料表面肝素化有明显的抗凝血与抗血栓功能,是由于肝素能作用于凝血酶,从而抑制纤维蛋白原向纤维蛋白的转变,*终达到抗凝血目的。如应用有机高分子功能材料制备的血液透析膜已经广泛应用于血液过滤、分离,其中由天然高分子纤维素制成的透析膜在范围内占85%的份额。为了提高其血液相容性,通过辐射接枝共聚的方法在纤维素血液透析膜的表面引进新的亲水性基团,并进一步接枝抗凝血剂,可以大大提高透析膜的生物相容性。 聚四氟乙烯(PTFE)塑胶板浸润性很差,滴上的水滴成球形,可以在板面上滚动,浸润角达135度。 提高医用材料表面亲水性 医用高分子材料往往具有疏水性基团,材料的疏水性容易引起材料对蛋白质的吸附,从而引起血栓,因此,生物材料的表面改性需要提高材料的亲水性。辐射技术能将亲水性分子接枝到疏水性高分子材料表面,从而使其接触角下降,提高材料表面的湿润性。 早在上世纪50年代,人们*发现,可以用辐射引发高聚物进行接枝反应。聚合物经辐射接枝後,可明显改善材料的表面状态。根据辐射与接枝共聚合反应的实施方法差异,可大体分为预辐射接枝共聚合法和共辐射接枝共聚合法。 预辐射接枝共聚合 预辐射接枝共聚合是高分子材料*深度辐照,产生稳定的自由基,或者*在空气中辐照生成稳定的过氧化物或者氢化物,然後在辐射场外使被辐照聚合物与单体溶液接触,进行接枝反应。 该方法的特点是射线辐射与接枝共聚合反应分开两步进行,具有下列特点: 1.接枝共聚合单体不直接受到射线辐射,*大限度地减少单体的均聚反应。 2.由于射线辐射和接枝共聚合是*立的两步反应,研究或者生产单位即使没有辐射源装置也能够从事某些辐射接枝共聚合的研究与较成熟的辐射接枝共聚合工艺的生产。 3.聚合物自由基的利用效率偏低。 经表面处理後聚四氟乙烯(PTFE)表面亲水性大大提高,浸润角为25度。水滴到聚四氟乙烯(PTFE)表面後,*会浸润整个表面。 将单体与高分子载体置于同一体系中,一起进行辐射*辐射接枝共聚合。单体可以是气相、溶液或者溶解于其他溶剂中,该法具有以下特点: 1.辐射与接枝共聚反应一步完成,操作简单,易行。 2.射线辐射产生的活性自由基,一旦生成可立即引发单体的接枝共聚合反应,自由基活性点与辐射能利用效率高。 3.在多数接枝共聚合反应体系中,单体可以作为聚合物基体的保护剂,这对射线辐射下稳定性较差的聚合物基体尤为重要。 4.聚合物基体与单体同时接受辐照,单体的均聚反应严重,降低了单体的接枝共聚合效率。中国科学院上海应用物理研究所的邓波等采用共辐射接枝共聚合方法将聚甲基丙烯酸(MAc)接枝到PES膜表面,发现PES超滤膜表面的水接触角从75度下降为42度,膜表面的亲水性呈现较大提高。

发布时间:15-07-28 17:54分类:技术文章 标签:辐射 提高医用材料的力学性能 生物医用材料除了应具备良好的生物相容性外,还应依据其使用目的而具备相应的力学性能和相应的生物功能。某些天然高分子材料具有良好的生物相容性和可降解性,但是其力学性能往往无法满足要求。天然水凝胶具有良好的生物学特性,它能够吸收并保持大量的水分而又不溶解。同时,由于其表面张力很低,可以减少对体液中蛋白质的吸附。另外,水凝胶有良好的水蒸气和空气透过率,因此,水凝胶成为生物医用材料研究的热门课题。但水凝胶的主要缺点是力学性能太差,一般只能和其他材料配合使用,或通过改性方法来提高其力学性能。 交联是增加材料力学性能的一种有效方法,辐射交联是利用射线的能量活化材料,使材料发生自身交联。辐射交联合成水凝胶有许多优点。首*,他解决了产品灭菌问题;其次,它不用额外添加材料,避免有毒残留物污染;再者,电离辐射对人体和环境是安全的。 目前提高高分子材料的力学性能能采用的方法是辐射交联技术。辐射交联一般不需要催化剂、引发剂,後处理简单,可在常温下反应,无污染,除辐射源之外不需特殊设备,在许多方面优于过氧化物交联技术。聚合物的辐射交联为自由基链式反应。 辐射交联反应可以分为3步:1.初级自由基及活性氢原子的形成;2.活泼氢原子可继续攻击大分子片段再产生自由基;3.大分子链自由基之间反应形成交联键。 高分子辐射交联改性不同于物理共混体系。物理共混由于各组分在其相界面往往存在缺陷而使性能受到影响,而辐射反应在相界面间发生,可改善组分间粘合力及相容性。如己有研究发现,辐射交联不仅能改善材料的力学性能,而且能改善共混物的相界面。上海科技大学的刘钰铭等辐射合成甲基丙烯酸β-羟乙酯(PHEMA)水凝胶,发现完成这一聚合-交联过程所需剂量很小,不到1×10-4Gy即可得到高于90%的凝胶含量的水凝胶产物,且水凝胶的力学性能明显提高。 生物活性物质的固定化 生物活性物质是指酶、抗体、抗原、抗生素、激素以及各类药物等,可以用各种方法将他们结合在生物高分子材料内部或者表面。这种技术统称为活性物质的固化。这一新技术的进展对疾病的诊断、治疗和药物的合理使用开辟了一条新路径。以药物缓释为例治疗某一疾病,摄入的药量往往要超过实际药量的数百倍,以维持局部患病区血液中药物的必要浓度,因而增加了副作用。如何将低分子药物与高分子材料结合起来植入患区,然後让药物缓慢地释放出来,*可以使药物在指定部位持续安全稳定的发挥药效是现在研究的一项重大课题。 目前,研究和应用的固定化方法可以归纳为吸附法、包埋法、共价结合法、肽键结合法和交联法等几大类。酶和细胞的固定化方法虽然很多,但是每种方法都各有其优缺点。从制备的难易程度上看,吸附法是将酶直接或者通过离子交换吸附到载体上的一种方法,相对比较容易。包埋法是将酶包埋于凝胶或其它聚合体格子内,工艺也比较简便。而共价结合法则涉及到酶的功能团与聚合物载体的共价键结合条件较剧烈,制备过程繁琐。交联法是利用功能团试剂与酶分子之间进行分子交联,制备程序相对复杂。 从结合程度方面看,物理吸附法中酶与载体的结合不牢固,易于脱落,因此很少有实用价值,而离子吸附法中酶与含有离子交换基团的水不溶性载体结合相对牢固。包埋法、共价结合法、交联法的结合程度都比吸附法更强。可以看出,吸附法操作简单,对酶活性影响不大,但酶与载体的结合较弱,易于脱落,并不是一种理想的固定化方法。共价结合法和交联法中酶与载体的结合较强。 南京大学环境学院污染控制与资源化研究*重点实验室的李芳捷等应用低温辐射技术辐射诱导甲基丙烯酸β-羟乙脂丙烯酸羟乙酯共聚合制备了高分子载体固定氨氧化细菌,经充分溶胀後的聚合物表面水接触角几乎为0,含水率为450%,润湿性能良好;聚合物表面具有极性官能团;聚合物的非晶结构有利于小分子尤其是水分子的渗透和扩散,多孔结构有利于微生物的生长和繁殖。 医用材料的消毒 早在伦琴发现X射线的第二年,Mink*提出了射线灭菌的猜想,到上世纪50年代,由于大功率辐射源的出现,辐射灭菌进入实用阶段。辐射灭菌即在一定剂量的Υ射线或者高能电子束对材料进行辐照时,引起的微生物DNA、蛋白质、脂类等有机分子化学键的断裂,从而导致微生物死亡,使材料无菌,保证材料的安全卫生。 医用品的辐射灭菌与传统的高压灭菌、化学灭菌相比,具有灭菌彻底、操作安全、不污染环境、可对带包装的物品以及热敏物质进行灭菌、以及可实现连续化操作等优点。因而,辐射灭菌已经成为辐射加工中发展*快,应用*成功的领域之一。 随着人类逐步进入老龄化社会,开发生物相容性优良、力学性能好、具有特殊功能的生物材料显得日益重要。同时由于核辐照与电子射线技术的进步以及在材料制备中的应用日趋广泛,辐射技术已成为研制生物医用材料以及材料改性中一个重要方向。我们相信伴随着辐射接枝、交联、固定化等辐射技术在生物医用材料制备、改性、消毒上的研究和应用,将大大促进生物医用材料的发展。

低温,等离子体,表面改性介绍了低温等离子体技术的性质、特点、表面改性原理,从表面处理、表面聚合、表面接枝三个方面综述了低温等离子体技术在表面改性中的应用进展。低温等离子体中粒子的能量一般约为几个至几十电子伏特,大于聚合物材料的结合键能(几个至十几电子伏特),完全可以破裂有机大分子的化学键而形成新键;但远低于高能放射性射线,只涉及材料表面,不影响基体的性能[1~ 3]。处于非热力学平衡状态下的低温等离子体中,电子具有较高的能量,可以断裂材料表面分子的化学键,提高粒子的化学反应活性(大于热等离子体),而中性粒子的温度接近室温,这些优点为热敏性高分子聚合物表面改性提供了适宜的条件。 1 形成装置及影响因素选择适宜的放电方式可获得不同性质和应用特点的等离子体,通常,热等离子体是气体在大气压下电晕放电产生,冷等离子体由低压气体辉光放电形成。热等离子体装置[4]是利用带电体尖端(如刀状或针状尖端和狭缝式电极)造成不均匀电场,称电晕放电,使用电压和频率、电极间距、处理温度和时间对电晕处理效果都有影响。电压升高、电源频率增大,则处理强度大,处理效果好。但电源频率过高或电极间隙太宽,会引起电极间过多的离子碰撞,造成不必要的能量损耗;而电极间距太小,会有感应损失,也有能量损耗。处理温度较高时,表面特性的变化较快。处理时间延长,极性基团会增多;但时间过长,表面则可能产生分解物,形成新的弱界面层。冷等离子体装置[5]是在密封容器中设置两个电极形成电场,用真空泵实现一定的真空度,随着气体愈来愈稀薄,分子间距及分子或离子的自由运动距离也愈来愈长,受电场作用,它们发生碰撞而形成等离子体,这时会发出辉光,故称为辉光放电处理。辉光放电时的气压大小对材料处理效果有很大影响,另外与放电功率,气体成分及流动速度、材料类型等因素有关。不同的放电方式、工作物质状态及上述影响等离子体产生的因素,相互组合可形成各种低温等离子体处理设备。2 在表面改性中的应用低温等离子体技术具有工艺简单、操作方便、加工速度快、处理效果好、环境污染小、节能等优点,在表面改性中广泛的应用。2.1 表面处理通过低温等离子体表面处理,材料表面发生多种的物理、化学变化,或产生刻蚀而粗糙,或形成致密的交联层,或引入含氧极性基团,使亲水性、粘结性、可染色性、生物相容性及电性能分别得到改善。用几种常用的等离子体对硅橡胶进行表面处理,结果表明N2、Ar、O2、CH4-O2及Ar-CH4-O2等离子体均能改善硅橡胶的亲水性,其中CH4-O2和Ar-CH4-O2的效果更佳,且不随时间发生退化[6]。英国派克制笔公司将等离子体技术用于控制墨水流量塑料元件的改性工艺中,提高了塑料的润湿率。文献[7~9]表明,用低温等离子体在适宜的工艺条件下处理PE、PP、PVF2、LDPE等材料,材料的表面形态发生的显著变化,引入了多种含氧基团,使表面由非极性、难粘性转为有一定极性、易粘性和亲水性,有利于粘结、涂覆和印刷。塑料、橡胶、纤维等高分子材料在成形过程中加入的增塑剂、引发剂及残留单体和降解物等低分子物质很容易析出而汇集于材料表面,形成无定形层,使润湿性等性能变差。尤其对医用材料,低分子物渗出会影响到生物机体的正常功能。低温等离子体技术可在高分子材料表面形成交联层,成为低分子物渗出的屏障。李瑛等[10]采用不同等离子体改性PI、PET、PP薄膜,发现经处理的薄膜表面电阻降低了2~4个数量级,材料的介电损耗和介电常数也发生了变化。将该技术运用于微电子技术领域,可使电子元件的连接线路体积大为缩小,运行可靠性明显提高。2.2 表面聚合大多数有机物气体在低温等离子体作用下,聚合并沉积在固体表面形成连续、均匀、无针孔的超薄膜,可用作材料的防护层、绝缘层、气体和液体分离膜以及激光光导向膜等,应用于光学、电子学、医学等许多领域。以聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯塑料均可制成价廉且易于加工的光学透镜,但其表面硬度太低,易产生划痕。采用有机氟或有机硅单体,采用低温等离子体聚合技术在透镜表面沉积出10nm的薄层,可改善其抗划痕性和反射指数[6]。国外还有等离子体化学气相沉积技术应用于塑料窗用玻璃、汽车百叶窗和氖灯、卤天灯的反光镜的报道。等离子体聚合膜具有多种性能,可使同样的基材应用于很多领域。在金属和塑料上涂类金刚石碳耐磨涂料的化学气相沉积技术是把含碳气体导入等离子体中,该涂层耐化学药品、无针孔、不渗透,能防止各种化学药品侵蚀基材。同样还可将减摩涂料涂于挡风玻璃雨刮器上,或将低摩涂层涂于计算机磁盘上以降低磁头磁撞。等离子聚乙烯膜沉积于硅橡胶表面后,硅橡胶对氧气的透过系数明显降低。由含氮单体制备反渗透膜,最高可阻出98%的食盐。生物体内的缓释药物一般采用高分子微囊,亦可采用等离子体聚合技术在微囊表面形成反渗透膜层。等离子体聚合物膜在传感元件上的应用研究表明,放电功率等因素对膜电阻值有较大影响。用各种乙烯基单体和Ar辉光放电处理织物,其疏水性及染色性能在极短时间里便有改善。2.3 表面接枝以等离子体接枝聚合进行材料表面改性,接枝层同表面分子以共价键结合,可获得优良、耐久的改性效果。美国曾将聚酯纤维进行辉光放电等离子体处理与丙烯酸接枝聚合,改性后纤维吸水性大幅度提高,同时抗静电性能也有改善。白敏冬等[5]用Ar等离子体处理尼龙绸表面,引入丙烯酸,接枝聚合使尼龙绸抗静电性增强。低温等离子体接枝改性毛织物原料及成品,可改善毛绒表面性能、增强着色性、软化织物、降低缩水率,且毛织物本体不受影响[11]。涤纶纤维坚固耐穿,但其结构紧密、吸水性差、难染色,王雪燕[12]等用低温氮等离子体引发丙烯酰胺对涤纶织物进行接枝改性,接枝后涤纶织物的上染百分率、染色深度及亲水性都有明显提高。低温等离子体对医用材料表面处理,可引入氨基、羰基等基团,生物活性物质与这些基团接枝反应可固定于材料表面。用等离子体处理聚丙烯膜,引入氨基,再通过共价键接枝,固定上葡萄糖氧化酶,经测定,接枝率分别达52μg/cm2和34μg/cm2。参考文献1 叶先科,张开.低温等离子体改性聚合物膜的原理.高分子通报,1991,(2):762 任兆杏,丁振峰.低温等离子体技术.自然,1996,18(4):2013 陈国荣,张开.低温等离子体在高分子材料表面改性中的应用.塑料,1991,20(1):54 肖迎红等.等离子体处理玻璃纤维增强PP表面的研究.现代塑料加工与应用,1996,7(6):205 白敏冬等.低温常压等离子体材料表面改性研究.表面技术,1993,22(5):2016 刘被,张开.低温等离子体在高分子材料中的应用.化学与粘合,1989,(2):1067 刘声雷.低温等离子体在塑料表面改性上的应用.江苏化工,1994,22(1):428 刘学恕等.低温等离子体对聚偏氟乙烯表面处理的研究.广州化学,1992,(3):289 胡建芳等.低温等离子体对低密度聚乙烯材料的表面改性.材料科学进展,1990,4(2):18310 李瑛,茅素芳.高分子薄膜等离子体表面改性的研究.功能材料,1995,8(1):111 唐敦乙等.低温等离子体处理羊毛的实验研究.真空与低温,1989,8(1):112 王雪燕等.低温等离子体接枝聚合用于涤纶织物改性.印染,1997,23(3):5

几种临床用的人工肾透析器用中空纤维膜

用於体外膜式氧合器的膜,有赛璐玢、氧化纤维素、聚乙烯、聚亚烃砜、硅氧烷、微孔聚丙烯、微孔聚四氟乙烯等。这些膜既可以制成平板膜组件,也可以纺制成中空纤维膜。然而,中空纤维膜更有利於从氧合器中的气体分离出血液,气体转换到中空纤维膜氧合器的血液中,和血液在纤维内流动是同时进行的,因此气体在内部、血液在外部的这种模式更为有效。聚丙烯中空纤维膜价格低廉,且化学稳定性和热绝缘性均优於醋酸纤维素膜和混合纤维素膜。但因聚丙烯是憎水性材料,血液相容性较差。许多研究者将亲水性单体接枝到聚丙烯上,以改善其血液相容性。日本三菱人造丝通过熔融纺丝-冷却拉伸开发的聚丙烯中空纤维膜式人工肺,已广泛应用於临床;复旦大学开发的膜型人工肺已投放市场多年。目前,人工肺只能应用於短期体外气体交换,主要是因为其存在着许多不足。针对这些问题,新型人工肺正在研究和开发中。日本可乐丽采用复合膜的制备工艺,在人工肺用聚丙烯微孔中空纤维膜表面再涂上小於1um厚的致密层的复合膜,膜研制成了一种复合膜型人工肺;Palanzo发现白蛋白涂层组能显着降低血小板聚集数目。Body在心肺旁路中用NO气体来抑制血小板和白细胞的吸附、激活和聚集;肝素化的中空纤维人工肺被证明能长期应用於常规心脏手术前後,这是向具有更好血液相容性材料迈进的重要一步,清华大学与东华大学合作获得了一个关於抗凝血人工肺的发明专利。Mueller的研究表明,用硅树脂涂层的人工肺有良好的气体传输功能,并保持了传统中空纤维人工肺所有机械装置的优点。Eyak采用中空纤维膜微孔盲端技术防止血浆渗漏,从而延长了使用时间。美国西北大学开发了一种可植入型人工肺,称为胸内人工肺,由聚丙烯中空纤维膜组成,它能提供大约2m2的表面面积进行全部气体交换,尽管这仅为正常人肺表面面积(约90m2)的一小部分,但它能为处於静止休息状态下的病人提供足够的气体交换,已在动物模型的实验中获得成功。混合型生物人工肝采用中空纤维组件在过去的十几年,器官移植是治疗暴发性肝衰竭和慢性肝衰竭的唯一临床有效方法,然而其应用受到了器官供体缺乏、高成本、高相关发病率、需要肌体长期免疫抑制的限制。因此研究人员发展可替代的方法用於治疗肝功能不全,人工肝即是一种能代替肝脏功能的人工器官。人工肝有非生物型、中间型、生物型和混合生物型等四种类型。国外模拟肝脏功能的研究从上世纪五十年代开始,1958年人工肝开始临床应用。国内东华大学於80年代开始研究人工肝,材料采用聚丙烯腈中空纤维膜,与瑞金医院合作通过了上海市科委鉴定。目前,国内外临床应用的人工肝主要是非生物型人工肝。用於人工肝的中空纤维膜,包括聚丙烯腈中空纤维膜、活性炭中空纤维膜、中空活性碳纤维和聚砜中空纤维膜等。非生物型人工肝只能用於短期治疗。人工肝的的发展动向是开发混合型生物人工肝,它能成为提供各种肝功能的“替代肝”,给病人提供充足的解毒和新陈代谢功能,以长期支持肝衰竭患者,执行肝的基本功能。大多数混合型生物人工肝包括生物成分、生物反应器和血(或血浆)灌流三个部分。随着中空纤维肝细胞培养技术的提高,混合型生物人工肝能在中空纤维膜表面增植活体肝细胞,培养液缓慢流过中空纤维膜内腔,中空纤维膜间充满肝细胞。这方面的研究热点是肝细胞的附着材料。对於基质涂层,研究表明以胶原最好。混合型生物人工肝采用中空纤维组件,易於上临床进行试验。但大多数中空纤维型人工肝有扩散表面积不足和肝细胞容量小的缺陷。Dix it新的设计采用微囊包裹肝细胞,克服了上述缺点。沈新元是东华大学材料科学与工程学院教授,同时也是教育部高等学校高分子材料与工程专业教育指导委员会委员、上海化学化工学会膜技术及应用专业委员会副主任、上海生物医学工程学会生物材料专业委员会委员。(end)