基于層層自組裝多層膜的耐用性超滑導(dǎo)管制備

程靜，陳蘇仰，孫文文，姚天平，堯婉辰，曾冬冬，林祥德

(1.上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)療器械學(xué)院，上海 201318；2.上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院，上海 201318；3.上海市醫(yī)療器械檢驗(yàn)研究院，上海 201318；4.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

以介入導(dǎo)管、導(dǎo)尿管、氣管插管、引流管和血管留置導(dǎo)管等為代表的醫(yī)用導(dǎo)管是臨床治療中應(yīng)用極為廣泛的醫(yī)療器械。然而，其使用過程中普遍存在微生物感染、潤滑效果差、器械間摩擦和生物相容性差等問題，嚴(yán)重影響了患者臨床治療效果和器械安全質(zhì)量。因此，除醫(yī)用導(dǎo)管材料的選取外，其表面改性或涂層修飾也至關(guān)重要。最近，通過賦予導(dǎo)管特定的浸潤性(如親水性、疏水性或超滑性)可有效緩解其臨床需求，特別是在表面抑菌、界面摩擦、生物相容性、抗血栓及生物大分子粘附等方面。

近來，受豬籠草的生物啟發(fā)，基于液體灌注多孔膜的超滑表面表現(xiàn)出優(yōu)異的抗生物污染性和低界面摩擦力，同時具有表面自修復(fù)特性，因此在不同應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[1–3]。目前，超滑表面的制備方法大致可分為三類。首先，在基底表面形成多孔結(jié)構(gòu)，利用低黏度潤滑油對多孔表面進(jìn)行液體灌注，最終形成超滑界面[4]。通常，表面多孔結(jié)構(gòu)可通過涂層涂覆[5]、層層自組裝[6]、激光刻蝕[7]、陽極氧化[8]、冷凍干燥[9]、呼吸圖案[10]、化學(xué)蝕刻[11]等方法構(gòu)建。此外，超滑界面可在硅膠基體或硅膠涂覆基體上利用高分子溶脹作用并結(jié)合其它物理方法直接灌注潤滑油[12]。其次，特定基體可通過化學(xué)修飾進(jìn)行表面接枝功能聚合物分子，進(jìn)而通過以硅油為代表的潤滑油液體灌注獲得超滑界面[13]。

層層自組裝技術(shù)是以聚電解質(zhì)分子間相互作用為交替沉積成膜驅(qū)動力，如靜電、氫鍵、疏水、主客體、共價鍵等相互作用力，可在不同基底界面上自組裝形成以多層為特點(diǎn)的功能涂層或薄膜，并且可對多層膜的厚度、粗糙度、成膜物質(zhì)、膜內(nèi)結(jié)構(gòu)、沉積方法等進(jìn)行可控選擇，具有適用性廣及成膜簡單的特點(diǎn)，已被大量用于生物醫(yī)藥、環(huán)境能源、光電器件等重大需求領(lǐng)域[14]。

因此，基于層層自組裝成膜技術(shù)，筆者選用支化聚乙烯亞胺(BPEI)作為富含氨基的聚電解質(zhì)，二氧化硅納米顆粒–倍半硅氧烷(SiSQ)復(fù)合材料作為富含羥基的聚電解質(zhì)，然后以兩者間的氫鍵相互作用作為成膜驅(qū)動力，在醫(yī)用硅膠導(dǎo)管內(nèi)外表面制備了層數(shù)、厚度、粗糙度、孔徑等可控的多孔薄膜，然后在其孔內(nèi)灌注低黏度硅油，最終經(jīng)過處理后制備了液體灌注的超滑醫(yī)用導(dǎo)管。由于耐用性是衡量超滑涂層的關(guān)鍵參數(shù)，對所制備的超滑硅膠導(dǎo)管的抗機(jī)械損傷，耐化學(xué)腐蝕和抗物質(zhì)污染進(jìn)行了初步測試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

1H，1H，2H，2H–全氟癸基三乙氧基硅烷(PFAS)：上海麥克林生化科技有限公司；

BPEI：分子量為25 000，美國Sigma-Aldrich 公司；

正硅酸四乙酯(TEOS)：純度96%，上海麥克林生化科技有限公司；

硅油(SO)：黏度為5，美國Sigma-Aldrich 公司；

膠態(tài)二氧化硅溶液：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34%，美國Sigma-Aldrich 公司；

羅丹明：美國Sigma-Aldrich 公司；

熒光標(biāo)記牛血清白蛋白(BSA–FITC)：1 mg／mL，北京博奧森生物技術(shù)有限公司；

肝素鈉抗凝羊血：南京森貝伽生物科技有限公司；

無水乙醇、氨水溶液(28%)、鹽酸、氫氧化鈉等：市售。

1.2 儀器及設(shè)備

掃描電子顯微鏡(SEM)：Regulus 8100型，日立高新技術(shù)公司；

傅里葉變換紅外光譜(FTIR)儀：Spectrum two型，珀金埃爾默企業(yè)管理(上海)有限公司；

接觸角測量儀：SDC–100型，東莞市晟鼎精密儀器有限公司；

數(shù)控超聲波清洗器：KQ–300DE型，昆山市超聲儀器有限公司；

等離子清洗機(jī)：PDC–002–HP型，邁可諾技術(shù)有限公司；

透反射偏光顯微鏡：LWT300LP型，上海測維光電技術(shù)有限公司。

1.3 SiSQ 復(fù)合物制備

將1.33 g TEOS，0.015 g PFAS 和9.56 g 無水乙醇在室溫下，用磁子充分?jǐn)嚢?0 min，將1.14 g HCl 水溶液(pH=2)加入上述溶液中，繼續(xù)室溫攪拌3.5 h，制得倍半硅氧烷(SQ)溶液。然后取出500μL 新制備的SQ 溶液，加入1 mL的40 nm的膠態(tài)二氧化硅溶液，攪拌5 min，制得二氧化硅納米顆粒尺寸為30 nm的SiSQ 溶液。取出50 μL 新制備的SQ 溶液，加入1 mL 自制的80 nm 二氧化硅納米顆粒溶液，攪拌5 min 后，加入乙醇定容為10 mL，制得二氧化硅納米顆粒尺寸為80 nm的SiSQ 溶液。

1.4 基于層層自組裝的液體灌注ST／(BPEI／SiSQ)n-SO 超滑導(dǎo)管

首先，將硅片和硅膠導(dǎo)管用去離子水清洗，氮?dú)獯蹈桑褂玫入x子清洗機(jī)處理2 min 使其表面帶負(fù)電。接著，將其浸泡于1 mg／mL BPEI的乙醇溶液10 min 后，用無水乙醇分別清洗2，1 min 和1 min。然后，將底板浸泡于SiSQ溶液10min，繼續(xù)用無水乙醇分別清洗2，1 min 和1 min。將此沉積的雙層膜記為(BPEI／SiSQ)1。繼續(xù)重復(fù)上述過程，進(jìn)行n個循環(huán)后，分別在硅片和硅膠導(dǎo)管制備Si／(BPEI／SiSQ)n和ST／(BPEI／SiSQ)n多層膜，n分別取為10和20。將多孔多層膜浸泡于硅油中12 h，用吸水紙吸取表面過量的硅油后獲得Si／(BPEI／SiSQ)n-SO 和ST／(BPEI／SiSQ)n-SO。

1.5 耐用性測試與表征

機(jī)械耐用性測試：以未經(jīng)硅油浸泡的ST／(BPEI／SiSQ)n硅膠管作為空白對照，將基于兩種不同尺寸二氧化硅納米顆粒的ST／(BPEI／SiSQ)n-SO超滑導(dǎo)管機(jī)械彎折90°，分別折疊10 次、20 次、30次，對其彎折部位的滑動角（SA）進(jìn)行測量。

化學(xué)耐用性測試：經(jīng)1 mol／mL的氯化鈉溶液處理后，取20 μL 水滴對處理后的硅膠導(dǎo)管內(nèi)外表面SA 進(jìn)行測試。

抗污染測試：將原始未處理的硅膠導(dǎo)管和基于80 nm 二氧化硅顆粒的ST／(BPEI／SiSQ)20-SO 超滑導(dǎo)管分別在0.1 mg／mL 羅丹明水溶液、1 mg／mL的BSA–FITC 和肝素鈉抗凝羊血中分別污染浸泡一段時間，然后在去離子水中潤洗1 min，在透反射偏光顯微鏡下觀察污染物(有機(jī)染料、蛋白質(zhì)和血液)在導(dǎo)管內(nèi)表面的殘留情況。

SEM 表征：樣品充分干燥后，用導(dǎo)電膠固定在樣品臺，調(diào)節(jié)參數(shù)噴金后，采用SEM 觀察膜的表面微觀形貌。

FTIR 表征：掃描波數(shù)設(shè)置為4 000～400 cm–1，分辨率為2 cm–1。

接觸角(WCA)和SA 測量：在WCA 測量時，待測樣品置于水平樣品臺，取4 μL 去離子水滴到樣品表面，在不同位置測量三次，計算WCA 大小。在SA 測量時，取20 μL的去離子水滴到樣品表面，緩慢增加樣品放置角度，記錄液滴SA。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于層層自組裝多層膜的液體灌注超滑導(dǎo)管制備

制備具有超滑界面的醫(yī)用硅膠導(dǎo)管采用在導(dǎo)管表面構(gòu)建納米級的多孔涂層或薄膜結(jié)構(gòu)，有利于低黏度潤滑油的擴(kuò)散、灌注、吸附和浸潤，最終形成超滑表面，進(jìn)而降低器械間的摩擦系數(shù)和微生物的粘附、聚集、生長和生物膜的形成，基于層層自組裝多層膜的液體灌注超滑導(dǎo)管ST／(BPEI／SiSQ)n-SO 制備示意圖如圖1 所示。原始硅膠管經(jīng)過等離子處理后表面富含負(fù)電荷的羥基或氧離子，首先經(jīng)過氨基基團(tuán)引導(dǎo)的BPEI 沉積，進(jìn)而由氨基和羥基間的氫鍵相互作用作為驅(qū)動力，富含羥基的SiSQ 進(jìn)行了一個交替沉積過程，重復(fù)n個沉積循環(huán)后，由于SiSQ 獨(dú)特的顆粒膠體形態(tài)以及層層自組裝過程中的聚電解質(zhì)不均勻結(jié)合，表面多孔結(jié)構(gòu)極易形成。最后經(jīng)過硅油的多孔灌注后，水滴可在基底稍微傾斜一定角度后，即可在表面滑動。

圖1 基于層層自組裝多層膜的液體灌注超滑導(dǎo)管ST／(BPEI／SiSQ)n-SO 制備示意圖

圖2 為制備層層自組裝多孔膜的40 nm 和80 nm 二氧化硅納米顆粒SEM 及直徑分布圖。

圖2 制備層層自組裝多孔膜的40 nm 和80 nm 二氧化硅納米顆粒SEM 及直徑分布圖

由圖2a的SEM 形貌圖可見，市售二氧化硅納米顆粒具有更小尺寸，呈現(xiàn)膠體部分聚集狀態(tài)(水分散)。由圖2b 可見，隨機(jī)選取100 個顆粒進(jìn)行尺寸統(tǒng)計后，顆粒大小約為40 nm。作為對比，圖2c為基于超聲法和溶膠凝膠合成的二氧化硅納米顆粒尺寸更大，膠體聚集狀態(tài)不明顯(乙醇分散)，顆粒直徑大約為80 nm(圖2d)。不同大小的二氧化硅納米顆粒作為多層膜的主要填充材料，極大程度上決定了薄膜孔徑、粗糙度、厚度等參數(shù)。

獲得不同大小的二氧化硅納米顆粒后，將其與經(jīng)酸催化和水解聚合合成的SQ 進(jìn)行復(fù)合，形成基于氫鍵穩(wěn)定結(jié)合的SiSQ 溶液。如前所述，將具有高度生物相容性的SiSQ 與BPEI 進(jìn)行氫鍵介導(dǎo)的層層自組裝，最終形成具有顆粒堆積的多孔結(jié)構(gòu)的多層膜，為超滑界面構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。圖3 為在硅片上制備的Si／(BPEI／SiSQ)n的SEM 形貌圖。首先，如圖3a 和圖3b 所示，基于40 nm 二氧化硅顆粒，在硅片底板上制備了10 和20 循環(huán)數(shù)的Si／(BPEI／SiSQ)10和Si／(BPEI／SiSQ)20。同樣地，如圖3c和3d 所示，基于80 nm 二氧化硅顆粒，在硅片底板上制備了10 和20 循環(huán)數(shù)的Si／(BPEI／SiSQ)10和Si／(BPEI／SiSQ)20。就SEM 表面形貌而言，其均顯示出了高粗糙和多孔表面結(jié)構(gòu)，40 nm 樣品相對孔徑更小，粗糙度更小，顆粒結(jié)合更密集。

圖3 在硅片上制備的Si／(BPEI／SiSQ)n的SEM 形貌圖

除以硅片為基底外，醫(yī)用硅膠導(dǎo)管同樣可以在其內(nèi)外表面有效制備層層自組裝多孔多層膜。圖4 為在醫(yī)用硅膠管上制備的ST／(BPEI／SiSQ)n的SEM 形貌圖。40 nm (圖4a 和圖4b)和80 nm (圖4c 和圖4d)二氧化硅顆粒的ST／(BPEI／SiSQ)10和ST／(BPEI／SiSQ)20被成功制備。對比40 nm和80 nm 樣品，可以看出，由于層層自組裝過程是在乙醇溶劑環(huán)境下進(jìn)行，硅膠導(dǎo)管表面部分受高分子溶脹作用影響，薄膜表面形貌稍微區(qū)別于硅片基底。另外，均隨著組裝層數(shù)增多，兩者顆粒表面覆蓋率升高，薄膜厚度增加，其受溶脹影響減弱。此外，80 nm 樣品相對具有更高的粗糙度和顆粒間部分相互排斥造成的更大膜內(nèi)空隙，可能為超滑界面構(gòu)建提供更有利條件。

圖4 在醫(yī)用硅膠管上制備的ST／(BPEI／SiSQ)n的SEM 形貌圖

為了進(jìn)一步證明超滑多層膜的成功制備和分析其化學(xué)成分，利用FTIR 來表征(BPEI／SiSQ)20和(BPEI／SiSQ)20-SO 多層膜，其FTIR 譜圖如圖5 所示。在1 000～1 100 cm–1處出現(xiàn)了Si—O—Si的吸收特征峰，為Si—O 對稱和不對稱伸縮振動，在800 cm–1處出現(xiàn)Si—C的伸縮振動譜帶和CH3搖擺振動譜帶，在1 300 cm–1處出現(xiàn)Si—C的伸縮振動譜帶。因此，F(xiàn)TIR 譜圖表明(BPEI／SiSQ)n多層膜可成功沉積于硅片和硅膠導(dǎo)管表面?；?BPEI／SiSQ)20和(BPEI／SiSQ)20–SO多層膜的FTIR 光譜位置吸收差異，表面灌注硅油后的超滑樣品比未灌注硅油的普通樣本在1 300，1 000～1 100 cm–1和800 cm–1處的吸收峰均有所增強(qiáng)，800～900 cm–1出現(xiàn)差異吸收峰，可得知硅油的液體多孔灌注、吸附和浸潤，以及超滑界面的成功構(gòu)建。

圖5 基于80 nm 二氧化硅納米顆粒的(BPEI／SiSQ)20 多層膜和液體灌注的(BPEI／SiSQ)20-SO 超滑涂層的FTIR 譜圖

2.2 液體灌注的(BPEI／SiSQ)20–SO 超滑表面的浸潤性

界面浸潤性是測試超滑表面的關(guān)鍵性能，也可從側(cè)面反映出不同階段的樣品制備過程。WCA 和SA的超滑界面浸潤性表征如圖6 所示。由圖6a 可見，原始硅片由于存在高表面能Si–O，表現(xiàn)出親水性，WCA 約為41°，水滴可在其表面懸掛，處于高粘附狀態(tài)，未顯示出滑動行為。由圖6b 可見，經(jīng)過(BPEI／SiSQ)20多孔多層膜修飾后，盡管其具有更高的粗糙度，但水滴WCA 約為58°，略高于原始硅片表面，是受疏水性物質(zhì)PFAS的摻雜影響，水滴同樣處于懸掛狀態(tài)，未展現(xiàn)滑動行為。但經(jīng)過硅油灌注后，由圖6c 可見，水滴靜態(tài)WCA 約為104°，處于硅油影響下的疏水狀態(tài)，水滴SA 為(4±1)°。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過液體多孔灌注后的Si／(BPEI／SiSQ)20-SO 超滑表面展現(xiàn)出良好的超滑特性。

圖6 WCA 和SA的超滑界面浸潤性表征

2.3 ST／(BPEI／SiSQ)n-SO 超滑導(dǎo)管的耐用性

通常，界面浸潤材料的微納多孔結(jié)構(gòu)以及化學(xué)表面成分具有一定的脆弱性。因此，致力于工業(yè)化實(shí)際應(yīng)用的涂層耐用性是非常關(guān)鍵的。影響整體耐用性的因素通常分為物理(機(jī)械損傷)、化學(xué)(化學(xué)腐蝕)和生物(生物污染)等方面。因此，針對超滑導(dǎo)管的耐用性作了初步性能測試。

首先，在機(jī)械耐用性方面，分別基于40 nm 和80 nm 二氧化硅納米顆粒，制備了液體灌注ST／(BPEI／SiSQ)n-SO 超滑導(dǎo)管，并探究水滴SA 與機(jī)械折疊次數(shù)之間的關(guān)系如圖7 所示。測試結(jié)果表明，隨著折疊次數(shù)的逐漸增多，ST／(BPEI／SiSQ)n-SO超滑導(dǎo)管折痕處的水滴SA 均有所增加，表明機(jī)械耐久性受到一定損失和影響。其中，40 nm 顆粒的ST／(BPEI／SiSQ)n-SO 超滑導(dǎo)管經(jīng)過30 次折疊后，其SA 依然小于5°，展現(xiàn)出優(yōu)異的抗機(jī)械損傷性，然而80 nm的ST／(BPEI／SiSQ)n-SO 超滑導(dǎo)管經(jīng)過折疊測試后，其SA 也均在10°左右，雖然依然具有超滑性，但超滑導(dǎo)管浸潤性顯現(xiàn)出一定的機(jī)械損失。

圖7 40 nm 和80 nm 二氧化硅納米顆粒的液體灌注超滑導(dǎo)管ST／(BPEI／SiSQ)n-SO 表面的SA

由于醫(yī)用導(dǎo)管實(shí)際使用環(huán)境的復(fù)雜性，特別是經(jīng)常接觸人體組織液、血液等，因此探究化學(xué)耐用性具有一定的價值意義。通過用去離子水和1 mol／L的氯化鈉溶液作為模擬溶液對40 nm 和80 nm二氧化硅顆粒的ST／(BPEI／SiSQ)n-SO 超滑導(dǎo)管進(jìn)行溶液處理，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。不同化學(xué)溶液處理后的不同ST／(BPEI／SiSQ)n-SO 超滑導(dǎo)管未展現(xiàn)出明顯差異，其表面SA 均大約是(1.5±0.5)°或(2±0.5)°，某種程度上說明了超滑導(dǎo)管的化學(xué)穩(wěn)定性，未有明顯的化學(xué)腐蝕影響。

表1 化學(xué)溶液處理后不同的ST／(BPEI／SiSQ)n-SO 表面SA

圖8 為液體灌注的超滑導(dǎo)管在羅丹明溶液，熒光標(biāo)記蛋白溶液和血液中的抗污染測試。在醫(yī)用導(dǎo)管的實(shí)際使用過程中，生物體內(nèi)的有機(jī)分子、生物大分子及不同組織細(xì)胞均會對其產(chǎn)生一定影響，盡管超滑導(dǎo)管具有優(yōu)異的抗生物污染特性，但這也是超滑導(dǎo)管構(gòu)建制備的最大挑戰(zhàn)之一。選用了3 種模式污染物質(zhì)，涉及0.1 mg／mL的羅丹明溶液、1 mg／mL BSA–FITC 和肝素鈉抗凝羊血。分別對原始硅膠導(dǎo)管(圖8a)和80 nm 二氧化硅顆粒的ST／(BPEI／SiSQ)20-SO 超滑導(dǎo)管(圖8b)進(jìn)行體外污染和水清洗后，在透反射偏光顯微鏡下，以565 nm 激光和590 nm 發(fā)射光觀察羅丹明染料對導(dǎo)管的染色情況，可反映出其表面有機(jī)污染物的殘留或粘附情況。同樣地，以495 nm 激發(fā)光和520 nm 發(fā)射光觀察BSA–FITC 對導(dǎo)管的染色情況。另外，在光學(xué)顯微鏡下，觀察不同樣品的血液污染或血細(xì)胞粘附情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過3 種模式物質(zhì)的體外污染測試，普通的硅膠導(dǎo)管表面都有明顯的物質(zhì)粘附污染，而液體灌注ST／(BPEI／SiSQ)20-SO 超滑導(dǎo)管可有效避免物質(zhì)殘留粘附，展現(xiàn)了其良好的抗物質(zhì)污染性。

圖8 液體灌注的超滑導(dǎo)管在羅丹明溶液，熒光標(biāo)記蛋白溶液和血液中的抗污染測試

3 結(jié)論

(1)成功制備了以支化聚乙烯亞胺和二氧化硅納米顆粒–倍半硅氧烷的氫鍵作用力為驅(qū)動力的層層自組裝(BPEI／SiSQ)n多孔多層膜，并可對顆粒大小和循環(huán)層數(shù)進(jìn)行控制。

(2)通過低黏度硅油多孔灌注，在硅膠導(dǎo)管表面成功制備了ST／(BPEI／SiSQ)20-SO 超滑界面，并展現(xiàn)出了良好的超滑浸潤性能，水滴滑動角低于5°。

(3)致力于實(shí)際臨床應(yīng)用，ST／(BPEI／SiSQ)20-SO 超滑導(dǎo)管初步展現(xiàn)出較好的抗機(jī)械損傷性、化學(xué)穩(wěn)定性和抗物質(zhì)污染性。