表面改性在提高硅膠基體與抗菌涂層結(jié)合力中的應(yīng)用

沙曉娟，郭睿劼，趙起，殷廣達(dá)，康虹，魏麗喬

（1 太原理工大學(xué)新材料界面科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；2 太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024；3 鄧迪大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，鄧迪 DD1 4HN，英國）

近年來高分子材料在醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用日漸廣泛，越來越多的高分子材料被應(yīng)用到醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，如聚氨酯的人工心臟、聚氯乙烯的血包、聚丙烯的注射器以及硅橡膠的導(dǎo)尿管等[1]。通常由高分子材料制備而成的醫(yī)療器械都需要和人體組織接觸，在這一過程中，細(xì)菌容易通過各種途徑入侵，形成生物膜，進(jìn)而引發(fā)感染，導(dǎo)致發(fā)病率與死亡率大大提高[2-3]。患者平均住院時(shí)間延長，承受的痛苦和醫(yī)療成本也隨之上升。在這種大背景下，具有抗菌功能的醫(yī)用高分子材料應(yīng)運(yùn)而生。

硅膠由于其高穩(wěn)定性、柔韌性、低毒性及優(yōu)良的生物相容性而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療材料領(lǐng)域，例如用作導(dǎo)尿管的原材料[4]。硅膠材料具有特殊的大分子低極性結(jié)構(gòu)，表面活性很低，易造成與表面抗菌層結(jié)合力差，抗菌涂層極易脫落，造成抗菌性失效。解決這個(gè)問題的有效方法之一是改性硅膠表面，從而顯著增加涂層與基體間結(jié)合力[4]。γ射線輻射作為一種低成本、環(huán)境友好型技術(shù)成為新興的聚合物材料表面改性方法[5-7]。γ射線輻射改性硅膠表面不僅可以粗化硅膠材料形成凹凸不平的粗糙表面，而且其高能量可破壞聚合物表面的C—H鍵，使其斷裂釋放H原子并導(dǎo)致交聯(lián)或者接枝，從而提高聚合物表面的活性[8]。γ-氨丙基三乙氧基硅烷[γ-APTS，(CH3O)3SiCH2CH2CH2NH2]是一種常用硅烷偶聯(lián)劑，可以與活化后的硅膠表面發(fā)生接枝反應(yīng)形成自組裝單層膜（SAM），表面氨基（—NH2）中的N原子錨定鍍液中的抗菌粒子，使其以化學(xué)鍵的方式鍵合在基體表面[9-11]。過程中的γ-APTS起到橋梁作用。

本實(shí)驗(yàn)中采用的抗菌劑為Ag，殺菌過程中發(fā)揮作用的為Ag+，Ag+通過與細(xì)菌的蛋白質(zhì)、酶等作用，使細(xì)胞壁與細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)改變，損害了細(xì)菌膜通透性從而使細(xì)胞瓦解最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡[12-13]。眾所周知，PTFE的低表面能使其具有抗粘附特性[14]，可減少細(xì)菌粘附。在γ射線改性后的硅膠表面無電鍍沉積Ag-PTFE復(fù)合抗菌涂層（Ag-PTFE復(fù)合抗菌涂層同時(shí)具備抗細(xì)菌粘附與殺菌特性），涂層與硅橡膠基體間以共價(jià)鍵結(jié)合，從而顯著提高金屬/聚合物間結(jié)合力。而低摩擦系數(shù)、低表面能的 PTFE納米顆粒的引入則可減少細(xì)菌粘附從而減少感染并發(fā)癥的發(fā)生[14]。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 材料

所用化學(xué)試劑均為分析純。硅橡膠為濟(jì)南晨生硅橡膠股份有限公司生產(chǎn)，厚度0.5mm，結(jié)構(gòu)為甲基乙烯基硅橡膠。偶聯(lián)劑γ-APTS（98.0%）和PTFE乳液（60%）購自A ldrich。AgNO3、葡萄糖、果糖購自天津基準(zhǔn)化學(xué)試劑有限公司，丙酮與氨水購自天津天力化學(xué)試劑有限公司。

1.2 樣品制備

將 10mm×10mm×0.5mm大小的硅橡膠片分別置于丙酮、鹽酸溶液、氫氧化鈉溶液、乙醇中超聲波清洗 15～20m in，取出后用去離子水清洗干凈。在室溫條件下將清洗并晾干的硅膠片置于60Co的γ射線源下（哈爾濱瑞普輻照技術(shù)有限公司），以6kGy/h的速率進(jìn)行輻照，輻照劑量為50kGy。將處理后的硅膠片置于偶聯(lián)劑中接枝24h后取出清洗干凈并晾干備用。用無電鍍法制備Ag-PTFE復(fù)合抗菌涂層。銀氨絡(luò)合溶液的組成為 AgNO3（1.3g/L）、NaOH（1.6g/L）、NH3?H2O（50m L/L），還原糖為C6H12O6（1.0g/L）與 C4H6O6（0.1g/L）。將配置好的還原糖溶液加入到銀氨絡(luò)合溶液中，置于無光條件下反應(yīng)30m in。

1.3 表征

復(fù)合抗菌涂層的表面形貌用 FEI-quanta-200F掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，EDS用于表征涂層組成；涂層與基體間結(jié)合力采用美國標(biāo)準(zhǔn)測試方法ASTM D3359-02進(jìn)行測試[15]；用抑菌環(huán)試驗(yàn)與震蕩燒瓶實(shí)驗(yàn)表征涂層抗菌性。其中抑菌環(huán)實(shí)驗(yàn)使用的細(xì)菌為革蘭氏陰性細(xì)菌（大腸桿菌），細(xì)菌濃度為(1～5)×107cfu/m L，培養(yǎng) 18～24h后，硅膠片周圍未長細(xì)菌區(qū)域的寬度即為抑菌環(huán)大小。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌分析

樣品橫切面表面形貌如圖1所示。與未經(jīng)改性的樣品[圖1(a)]相比，γ射線改性后的抗菌涂層與基體間結(jié)合更加緊密，表面更加致密、平整。

2.2 抗菌涂層成分分析

圖2(a)是樣品EDS圖。從圖2(a)中可以看出，Ag元素的峰值較高，其含量可高達(dá)27.35%，這與抗菌涂層主要成分為Ag相符；F元素的出現(xiàn)說明PTFE納米顆粒隨著Ag共沉積到了基體表面，形成Ag-PTFE復(fù)合抗菌涂層。值得注意的是，同時(shí)檢測到N元素的存在，根據(jù)硅膠基體的成分與實(shí)驗(yàn)過程可知，N元素的出現(xiàn)有可能且僅可能為γ-APTS偶聯(lián)劑中的氨基，接枝結(jié)束后的表面是用有機(jī)溶劑多次清洗過的，此處N元素的出現(xiàn)說明了γ-APTS已接枝到硅膠基體表面。由樣品的面分布[圖2(b)]可以看出，N、F、Ag元素在基體中分布均勻。

圖1 樣品橫切面掃描電鏡圖

2.3 結(jié)合力測試

圖2 樣品的EDS圖及面分布圖

由ASTM D 3359-02法測試涂層與基體間結(jié)合力[15]，測試結(jié)果如圖3所示。圖3(a)圖中樣品未經(jīng)改性處理，僅清洗樣品表面后無電鍍，經(jīng)過膠帶測試后，樣品表面涂層幾乎全部脫落，根據(jù)ASTM D 3359-02結(jié)合力分級標(biāo)準(zhǔn)，其結(jié)合力為0B；經(jīng)γ射線輻射但不接枝偶聯(lián)劑而直接進(jìn)行無電鍍，其涂層沿切口邊緣處有長條狀剝落，受影響面積約35%～65%，結(jié)合力等級為1B[圖3(b)]；硅膠基體先經(jīng)過γ射線輻射并接枝偶聯(lián)劑后進(jìn)行無電鍍，其涂層僅在沿切口邊緣和切口的交叉點(diǎn)處有少量涂層剝落，結(jié)合力等級達(dá)到4B，涂層與基體之間的結(jié)合力明顯得到提高。由此說明，γ射線改性硅膠基體可以在基體表面形成粗糙表面，能部分提高基體與涂層間結(jié)合力；而通過γ射線改性并接枝偶聯(lián)劑γ-APTS，在粗化基體表面的同時(shí)還可以形成強(qiáng)而有效的化學(xué)鍵，從而顯著提高基體與涂層之間的結(jié)合力。

圖3 樣品結(jié)合力測試結(jié)果

2.4 抗菌性測試

用抑菌環(huán)法與震蕩燒瓶法測試樣品的抗菌性。對未經(jīng)改性[圖4(a)]和 γ射線輻射并接枝偶聯(lián)劑的樣品[圖4(b)～(d)]測試其抗菌活性，采用的細(xì)菌為大腸桿菌。從圖4(a)中可以看出，樣品表面涂層有部分脫落，抑菌環(huán)大小不明顯，抗菌涂層的剝落使抗菌性能下降，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，其抗菌性未達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)；而圖4(b)～(d)中，三組樣品表面涂層均勻、無脫落現(xiàn)象，抑菌環(huán)大小均大于標(biāo)準(zhǔn)的1mm，說明此樣品具有良好的抗菌性。此外，抗菌樣品對大腸桿菌的震蕩燒瓶實(shí)驗(yàn)表明，抗菌樣品的抗菌性高達(dá)99.996%。

3 結(jié) 論

圖4 抑菌環(huán)測試結(jié)果

采用γ射線輻照并接枝硅烷偶聯(lián)劑的方法對硅膠基體進(jìn)行表面改性，成功制備出與基體結(jié)合力強(qiáng)同時(shí)抗菌性能優(yōu)異的Ag-PTFE復(fù)合抗菌涂層。偶聯(lián)劑的使用使結(jié)合力由弱的物理作用力轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼜?qiáng)的化學(xué)鍵力，從而顯著提高了涂層與基體間結(jié)合力，同時(shí)抗菌性能符合使用要求，使制品的臨床使用性能更加優(yōu)異，使用壽命隨之延長。此方法操作簡單，成本低廉，工業(yè)化應(yīng)用前景廣闊。

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