等離子體處理技術對疝修補用聚丙烯網(wǎng)表面性能的影響*

王憲朋，李文明，吳倩倩，馬麗霞，王傳棟，王勤，紀青，劉陽

(山東省藥學科學院 山東省醫(yī)用高分子材料重點實驗室，濟南 250101)

1 引 言

疝氣是一種外科常見病和多發(fā)病，包括腹壁疝、股疝、盆壁疝、膈疝、會陰和盆底疝等[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，每年我國新增疝氣病例約200萬。植入補片取代缺損組織的無張力修補術是目前臨床常用的治療方法[4-5]。聚丙烯材料因其穩(wěn)定的化學性質、較高的物理強度、良好的抗感染性和易于編織等優(yōu)點，作為不可吸收補片被廣泛應用于疝修補術中，但聚丙烯網(wǎng)的表面潤濕性差，不易與親水性材料結合以改善其表面性能[6]。聚丙烯網(wǎng)補片植入后與臟器粘連的情況時有發(fā)生，對聚丙烯網(wǎng)的表面處理一直是該領域的研究熱點。

提高聚丙烯網(wǎng)表面的親水性能，一般采用等離子體處理、紫外光誘導、表面涂覆等方法[7-9]。等離子體處理技術因具有節(jié)能環(huán)保、處理效率高、僅對材料表面進行改性而不損傷力學性能等優(yōu)點，已成為改善材料表面性能的重要手段之一[10]。在一定條件下，將處于低氣壓狀態(tài)的氧氣、氮氣、氬氣等氣體分子通過輝光放電激發(fā)為等離子體，等離子體沖擊材料表面后破壞原有化學鍵，通過形成親水性官能團以達到表面改性的目的[11]。

本研究采用等離子體表面處理技術對疝修補用聚丙烯網(wǎng)材料的表面進行改性，考察了發(fā)射功率、處理時間、氣體氛圍等因素對改性效果的影響，采用掃描電鏡、X射線光電子能譜儀、接觸角測量儀等對聚丙烯網(wǎng)的表面形貌、元素組成、親水性能進行了表征。

2 實驗

2.1 實驗材料與設備

實驗材料：聚丙烯網(wǎng)補片，日照天一生物醫(yī)療科技有限公司；無水乙醇；純化水。

設備：CPC-B等離子體處理儀，美國CIF公司；XG-CAMC31型接觸角儀，上海軒準儀器有限公司；SUPRA55掃描電子顯微鏡，德國Zeiss公司；AGS-H電子萬能試驗機，日本島津公司；ESCALAB 250 X射線光電子能譜儀，美國THERMO公司。

2.2 等離子體表面處理

將聚丙烯網(wǎng)浸入乙醇中，超聲波清洗15 min去除表面雜質，取出后置于37℃恒溫烘箱中干燥24 h。將干燥后的聚丙烯網(wǎng)固定在等離子體處理儀的基板上，接入氣體并調節(jié)流量，設定功率和處理時間對聚丙烯網(wǎng)表面進行改性處理。

2.3 改性效果的表征

2.3.1形貌觀察 將樣品外表面真空鍍金后，使用掃描電子顯微鏡觀察等離子體處理前后聚丙烯網(wǎng)的表面形貌。

2.3.2親水性能 采用水滴靜態(tài)接觸角表征親水性能，使用接觸角測量儀測試處理前后聚丙烯網(wǎng)表面的靜態(tài)接觸角，加液量為3.50 μL，每個樣品測試5個點，取5次的平均值。

2.3.3元素分析 使用ESCALAB 250 X射線光電子能譜儀對處理后聚丙烯網(wǎng)的組成元素進行分析。

3 結果與討論

等離子體表面處理技術主要是使用氮氣、氧氣等非聚合性氣體產(chǎn)生的等離子體對高分子材料表面進行處理，等離子體與高分子材料表面相互作用生成自由基團，進而在高分子材料表面引入羥基、羧基等官能團，達到改善材料表面親水性的目的。

3.1 等離子體處理對聚丙烯網(wǎng)表面形貌影響

采用掃描電子顯微鏡對等離子體處理前后聚丙烯網(wǎng)的表面形貌進行了比較，見圖1。由圖可知，未經(jīng)等離子體處理的聚丙烯網(wǎng)表面比較平整光滑，粗糙感不強。在等離子體處理過程中，氣體分子在輝光放電條件下分解為具有較高能量的等離子體，并沖擊聚丙烯網(wǎng)的表面，從而使聚丙烯網(wǎng)表面呈現(xiàn)出不同程度的凹坑，粗糙感變強。等離子體處理后的聚丙烯網(wǎng)表面發(fā)生了較為明顯的變化。

圖1 聚丙烯網(wǎng)表面的SEM照片 (a),(c).等離子體處理前;(b),(d).等離子體處理后Fig.1 SEM images of polypropylene mesh surface(a),(c).before plasma treatment;(b),(d).after plasma treatment

3.2 發(fā)射功率和時間對聚丙烯網(wǎng)表面親水性的影響

由表1可知，當發(fā)射功率一定時，隨著處理時間的延長，聚丙烯網(wǎng)表面的水滴靜態(tài)接觸角變小。當處理時間一定時，發(fā)射功率越大，聚丙烯網(wǎng)表面的接觸角越小。表明隨著發(fā)射功率的增大和處理時間的延長，聚丙烯網(wǎng)表面的親水改性效果越明顯。由圖2可知，處理2 min的聚丙烯網(wǎng)表面水滴靜態(tài)接觸角

圖2 不同等離子體處理時間聚丙烯網(wǎng)表面接觸角水滴圖型(a).2 min;(b).5 min;(c).8 min;(d).10 minFig.2 Droplet pattern of contact angle for polypropylene mesh surface after plasma treatment at different time(a).2 min;(b).5 min;(c).8 min;(d).10 min

表1 發(fā)射功率和時間對聚丙烯網(wǎng)接觸角的影響Table 1 The effect of plasma treatment power and time on the contact angle of polypropylene mesh

為104.1°，隨著處理時間的延長，聚丙烯網(wǎng)表面的水滴靜態(tài)接觸角下降為39.6°，親水性有了較大改善。處理后的聚丙烯網(wǎng)接觸角越小，說明聚丙烯網(wǎng)表面的親水改性效果越好。但等離子體處理過程中生熱較快，當溫度達到聚丙烯的玻璃化轉變溫度時，聚丙烯網(wǎng)將發(fā)生形變。

3.3 氣體氛圍對聚丙烯網(wǎng)表面處理的影響

在一定的真空負壓下，等離子體表面處理儀將氣體轉化為高活性的電子、自由基等粒子進而沖擊樣品表面，破壞樣品表面原有化學鍵，其中高活性粒子與樣品表面相互作用后，形成新的官能團，從而達到改變表面特性的目的，當氣體氛圍不同時，引入的官能團的種類及數(shù)量也會有差異[12]。

由表2和圖3可知，氧氣氛圍下對聚丙烯網(wǎng)進行等離子體處理后，引入的氧元素的質量分數(shù)為5.85%，略高于空氣氛圍下引入的氧元素，是氮氣氛圍下引入氧元素的2.04倍。而在不同氣體氛圍下等離子體處理后，引入氮元素的變化較小，此現(xiàn)象的原因可能是在等離子體處理儀輝光放電下，氧氣較易轉化為高活性的粒子去沖擊聚丙烯網(wǎng)表面，從而在材料表面引入親水性的羧基、羥基等官能團。而氮氣的惰性較強，被電離的離子較難在材料表面引入含氮的親水基團。由圖4可知，隨著處理后聚丙烯網(wǎng)表面氧元素含量的增加，聚丙烯網(wǎng)表面接觸角越小，其親水效果越好，間接表明了改性后的親水效果是由于引入含氧官能團所致。

表2 不同氣體氛圍下，聚丙烯網(wǎng)表面的C、N、O元素占比Table 2 The contents of C,N and O elements in polypropylene mesh surface treated by plasma in different atmospheres

圖3 不同氣體氛圍下，等離子體處理后聚丙烯網(wǎng)表面的XPS圖譜Fig.3 XPS of polypropylene mesh surface after plasma treatment in different atmospheres

圖4 三種不同氣體氛圍下，聚丙烯網(wǎng)表面接觸角Fig.4 Contact angle of polypropylene mesh surface after plasma treatment in different atmospheres

4 結論

本研究采用等離子體處理技術對疝修補用聚丙烯網(wǎng)進行表面改性，對處理前后聚丙烯網(wǎng)的表面形貌進行對比，研究了發(fā)射功率和處理時間對聚丙烯網(wǎng)表面親水性能的影響，考察了空氣、氮氣和氧氣氛圍對聚丙烯網(wǎng)表面C、N、O元素占比的影響。結果表明,等離子體處理后的聚丙烯網(wǎng)表面變得粗糙，隨著放射功率的增加和處理時間的延長，聚丙烯網(wǎng)表面接觸角變?。谎鯕夥諊绿幚淼木郾┚W(wǎng)表面的接觸角最小，親水性能改善顯著。