醫用硅橡膠親水改性研究進展

王 巖，石 艷，盧詠來

(有機無機復合材料國家重點實驗室 彈性體材料節能和資源化教育部工程研究中心 北京化工大學新型高分子材料制備與加工北京市重點實驗室 北京化工大學材料科學與工程學院先進彈性體材料研究中心,北京100029)

硅橡膠作為半無機高分子材料具有優異的化學穩定性、生理惰性和組織相容性，其產品在人造器官[1]、醫療器械[2]、整容修復[3]、藥物緩釋[4]等生物醫用領域有著廣泛的應用。但由于硅橡膠特殊的螺旋構象，連接在Si原子上的非極性R基處于螺旋外側，使得硅橡膠分子具有較低的極性和表面能，整體上表現出疏水性。其在用作與人體組織器官接觸的材料時易與組織摩擦形成損傷，在植入部位形成包膜攣縮，造成長期發熱，給患者增添更多痛苦[5-6]。此外，硅橡膠制備的植入或介入材料在與人體組織相接觸的過程中，細菌可能會通過各種渠道入侵，而硅橡膠的親水性被認為是影響細菌在表面黏附和生長的重要因素[7]。提升硅橡膠的親水性可以改善其與機體組織的親和性，進一步提升其生物相容性，基于此,國內外學者對提升硅橡膠的親水性進行了廣泛的研究。

硅橡膠親水改性方法分為表面改性和本體改性兩類，兩種改性方式具有不同的實現方法和性能特點，本文將對近年來醫用親水硅橡膠的改性方式和親水性能進行簡介。

1 表面改性

采用表面改性技術可以通過特定的儀器或少量的改性劑實現對硅橡膠材料表面的親水改性，而對橡膠基體本身性能的影響較小。目前表面改性的實施方式主要有等離子體處理、親水涂層改性和化學接枝三類。

1.1 等離子體表面改性

氣體被射頻、輝光、微波等放電裝置作用產生的電子激發成高能態時會產生部分電離，這種部分電離的氣體稱作等離子體，它由激發態的分子、原子、離子等與自由基和氣體原子組成，其中的高能粒子具有20 ev以上的能量，遠高于化學鍵的鍵能(10 ev)[8]。高能量的粒子作用于硅橡膠表面，可以引起化學鍵斷裂與重新組合，從而達到表面改性的目的。

使用等離子體技術可以直接或間接作用于硅橡膠表面從而引入各種極性基團。直接法常使用NH3、O2、N2、Ar或He等氣體源經等離子體處理后與硅橡膠表面作用，不同氣體等離子體對提升硅橡膠表面親水性機理不同，使用NH3等離子體處理會在表面引入—NH2；O2則會在材料表面引入—OH和—COOH的混合物；而以He和Ar等惰性氣體為反應介質則在硅橡膠表面引入大量自由基，自由基暴露在大氣或氧氣條件下則會形成過氧化物和氫過氧化物[9]。Amerian等[10]探索了O2等離子體處理時長對硅橡膠表面親水性的影響，發現隨著作用時間延長其親水性逐漸提高，作用時間為2.5 min時接觸角由初始的117.9°降至40°，且在儲存14 d后依然有極性基團殘留。值得提出的是，采用直接法雖然可以短時間內增大材料表面能并提升其親水性，但由于表面具有使表面能最小化的傾向，表面引入的極性基團易發生翻轉帶入內部從而恢復較低的表面能，因而親水改性效果常常不持久。間接法則是利用等離子體與硅橡膠的表面作用引入活性官能團，而后在聚合性的反應氣體環境中發生反應，從而在硅橡膠表面沉積親水性的聚合物薄膜，該方法又被稱為等離子體聚合。Massey等[11]使用Ar等離子體預處理聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面而后沉積烯丙胺蒸氣，在PDMS表面形成了100 nm厚的聚合物薄膜，將此種改性方式與氧氣等離子體直接處理的PDMS在老化條件下的親水性能進行對比，結果表明，采用間接法獲得的PDMS表面具有更優異的親水穩定性。

等離子體技術可以實現均勻改性硅橡膠表面而不受本體幾何形狀的影響，改性過程不使用溶劑，而且借助特定的儀器可以實現快速、高效的改善硅橡膠表面親水性，但如何提高改性后的親水穩定性、延長親水性能作用時間還需進一步研究和優化。

1.2 親水涂層改性

親水涂層改性是改善醫療介入材料表面親水性能的常用途徑，對無機金屬和聚合物材料都有著良好的適用性[12]。對于硅橡膠材料，常用的方法是使用硅烷偶聯劑，硅烷偶聯劑兩端基團分別具有親水性和疏水性，根據相似相容原理，可利用偶聯劑兩端不同的親和基團使親水性聚合物與疏水性硅橡膠表面發生偶聯作用而結合起來。邵雯等[13]探索了親水聚合物聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)溶液濃度和硅烷偶聯劑種類對硅橡膠親水性能的影響，發現KH792為最佳硅烷偶聯劑、最佳質量分數為2%，在最優條件下得到接觸角小于20°的改性膠,且在水中浸泡一周后仍維持良好的親水性，該結果與此前曲祥軍等[14]研究成果相近，具有較高的可信度。除硅烷偶聯劑外，時曉嫚等[15]以聚碳化二亞胺作為偶聯劑(交聯劑)、利用乙酸乙酯對硅橡膠溶脹作用預處理后涂敷聚甲基乙烯基醚共聚馬來酸，發現溶脹處理后更有利于偶聯劑黏附在硅橡膠表面，相較于未進行預處理親水涂層改性的硅橡膠，溶脹后可以進一步降低接觸角30%以上。

近來利用仿生法在材料表面誘導制備羥基磷灰石(HA)涂層改善基體生物相容性的手段備受青睞，該方法是將基體浸入模擬人體血漿的液體中，利用材料表面的—OH[16]、—COOH[17]等基團誘導晶核形成從而制備親水涂層。對于硅橡膠材料，韋明等[18]使用CaCl2的乙醇溶液在硅橡膠表面引入Ca2+，而后與三水合磷酸氫二鉀反應沉淀一層無定型磷酸鈣，進而誘導生成磷灰石晶核，晶核形成后通過晶體自發生長出HA涂層，HA涂層可以有效提升基體的表面親水性。孫艷榮等[19]綜述了HA與其他材料復合的方法，指出HA復合材料的關鍵是界面結合問題，目前通過聚多巴胺(PDA)仿生法制備HA涂層有效解決了這一問題。徐炎安等[20]利用PDA的超強黏附能力通過仿生法制備HA涂層，結果表明，涂層的水接觸角可達20°左右。HA既可以用于表面改性，也可以直接用作填充物改善硅橡膠的親水性，這將在后面章節進行綜述。

親水涂層改性具有工藝簡單，不需要大型設備等特點，非常適用于短期人體介入材料的表面親水改性。

1.3 接枝改性

接枝改性通過鍵合的方式使基體與親水性聚合物大分子相連，親水性大分子鏈以共價鍵的形式連接到硅橡膠的表面，因此采用該種方式改性后的硅橡膠親水性能更穩定持久。接枝法包括臭氧活化接枝、化學刻蝕接枝、以及高能粒子活化接枝，在硅橡膠親水改性領域使用十分廣泛。

1.3.1 臭氧活化接枝

使用臭氧活化技術處理硅橡膠可以在其表面引入羥基、羧基以及過氧基團，產生反應活性位點，而后與各種親水物質進行化學反應從而改善其表面親水性[21]。臭氧活化具有操作簡單、成本低、適用性廣等優點，最重要的優點是不論基體表面形狀如何，都可實現均勻的表面改性。Xu等[22]使用臭氧活化法誘導2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰膽堿(MPC)的接枝聚合，發現質量分數在1%的MPC接枝率下，基體接觸角由102.9°降至66.8°，大大減少了血小板的黏附。單純使用臭氧處理，硅橡膠表面活化效率較低，可采用臭氧與紫外輻照相結合的方式，該方法稱作紫外臭氧輻照(UVO)，可以提高表面活化效率。UVO是通過臭氧和紫外輻照產生的氧自由基提取聚合物基質中的氫原子從而產生碳自由基位點[23]。Maher等[24]對比了臭氧直接處理與UVO處理對硅橡膠親水性能的影響，結果顯示，UVO處理較臭氧直接處理可產生較多的—OH，但容易在硅橡膠表面形成裂紋，影響后續接枝反應的進行，原因是紫外輻照導致了主鏈和側基的分解并探索了減少表面裂紋的方法。臭氧活化接枝具有較廣的適用性，如何在不損傷硅橡膠表面的前提下實現快速改性是未來需要解決的問題。

1.3.2 化學刻蝕接枝

化學刻蝕通過利用強氧化性溶液與硅橡膠作用使之產生—OH極性基團，而后可選擇與功能性化合物進行接枝反應實現對硅橡膠材料的親水改性。該方法操作簡便，不需要昂貴的精密儀器即可實現高穩定的親水改性。Esteban等[25]使用質量分數為1%的NaOH和質量分數為1%的KOH的堿性溶液處理硅橡膠基體，表面活化后接枝多糖化合物，改性后硅橡膠的接觸角顯著下降，且兩周內未出現“疏水回復”現象，具有良好的親水穩定性。Sui等[26]利用體積比為5∶1∶1的H2O/H2O2/HCl的混合液預處理硅橡膠表面而后進行聚乙二醇(PEG)接枝，結果表明，雖然接枝后其親水接觸角有所下降，但相較于混合溶液直接處理后親水性在24 h內消失的現象，接枝PEG后的硅橡膠在放置24 h內親水性出現較小損耗，而后則保持長期穩定。除此以外，化學刻蝕接枝反應具有很強的可設計性，Zhang等[27]采用體積比為3/1的H2SO4/H2O2溶液處理硅橡膠，在其表面引入—OH基團，而后將原子轉移自由基活性聚合(ATRP)的引發劑固定在其表面，利用自由基活性聚合機理接枝PEG，通過長時間的水接觸角測試表明，接枝改性后硅橡膠由于親水PEG的共價鍵偶聯作用而具有持久的親水性能。

1.3.3 高能粒子活化接枝

通過等離子體、電暈、激光、真空紫外、γ射線輻照等方法處理硅橡膠表面引入活性/極性基團而后進行親水物質的接枝反應，接枝反應后由于親水物質與橡膠基體形成鍵合作用可以使硅橡膠的親水性能更加持久。常用的親水物質有乙烯醇(VA)、乙二醇(EG)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、丙烯酰胺(AAm)、丙烯酸(AAc)、丙烯腈(AN)、甲基丙烯酸乙酯(EMA)、甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)和2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿(MPC)等。瞿鵬等[28]利用O2等離子體對硅橡膠表面進行活化，而后在基體表面固定ATRP引發劑繼而進行聚合接枝聚丙烯酰胺(PAM)，結果表明，隨著氨基和酰胺基團的引入，基體表面極性逐漸增大，同時氫鍵的形成進一步增大其表面能，改性后的硅橡膠親水接觸角下降至49.5°，且細菌黏附率最高降至本體的1.3%。Chen等[29]首先用大氣等離子體預處理硅橡膠表面，而后分別使用O2、N2和Ar等離子體誘導MPC的接枝聚合，對比了直接處理硅橡膠表面與接枝聚合后硅橡膠在儲存過程中接觸角的變化，結果顯示，接枝改性后的硅橡膠具有更低的接觸角且親水性的保持時間更為持久。He等[30]發現等離子體處理后接枝含有氰基的聚丙烯腈(PAN)，硅橡膠表面接觸角可降至24°且一個月后仍保持相同的親水性，作者利用全反射紅外光譜(ATR-FTIR)對比測試原膠和改性后的樣品，證實了極性基團是以化學鍵形式與基體相連。

高能粒子活化接枝改善硅橡膠表面親水性受多種因素的影響，如表面處理時間、儀器功率、氣體介質、接枝單體等。另一方面，高能粒子活化接枝步驟較為繁瑣，需要反應介質環境的切換，因而優化反應條件、簡化操作流程是未來需要探索的方向。

2 本體改性

通過表面改性獲得的親水硅橡膠，其親水性能往往不能持久保持，此外在臨床使用時通常需要對材料進行雕刻和塑形從而破壞材料表面，此時需要對材料整體進行親水性能改善，即進行本體改性。目前本體改性通常采用的方法包括生物活性物質混合法、共聚法以及互穿聚合物網絡(IPN)法。

2.1 生物活性物質混合法

采用共混法在硅橡膠硫化成型過程中加入各種生物活性物質，可以整體上改善硅橡膠的親水性，同時可以通過設計添加物賦予改性后硅橡膠的其他性能如抗菌性[31]。常用的生物活性物質有聚醚(PE)、聚甲基丙烯酸羥乙酯(PHEMA)、PEG、PVP和HA等。孫麗麗等[32]使用端烯丙基聚醚與含氫硅油進行硅氫加成合成了聚醚改性硅油(PEPO-Si)，而后將其作為填料與乙烯基硅油共混，并于100～120 ℃條件下進行硫化制備PEPO-Si/硅橡膠復合材料，研究了PEPO-Si對復合材料親水性及力學性能的影響，結果表明，PEPO-Si在添加量為30%(質量分數)時，硅橡膠接觸角降至50°以下，且聚醚硅油的混入起到了增塑作用，使得復合材料斷裂伸長率提升了將近一倍，但拉伸強度有所下降。此外，值得提出的是，HA作為動物骨骼的主要無機成分因其具有無毒、不老化以及良好的骨傳導性從而在醫學材料改性方面有著重要的應用。通過共混法制備HA/硅橡膠復合材料提升基體親水性已有很多報道[33-34]，但是共混改性會不可避免地導致硅橡膠基體本體性能如力學性能、透明性的變化，這些改變通常是負面的。為了降低填料加入對力學性能的影響，文季秋等[35]嘗試預制1 mm厚度的HA/硅橡膠復合材料，將其與硅生膠混合物共同硫化制備成雙層HA/硅橡膠復合材料，結果表明，采用該方法制備的復合材料力學性能僅有小幅度下降，可以達到醫用植入材料的要求。作者只是利用相對基體而言極薄的改性層實現適宜的力學性能和有限的生物相容性提升，若通過增加HA的量來進一步生物相容性勢必會造成力學性能下降。近來，通過原位生成磷酸鈣形成n-HA/硅橡膠復合材料用于提升硅橡膠親水性和力學性能的方法受到人們的關注，它無需借助偶聯劑實現了目標填料與基體的均勻混合。Ferreira等[36]利用磷酸與氫氧化鈣原位生成磷酸鈣與PDMS在雙輥攪拌機中混合，經185 ℃高溫硫化35 min后得到改性硅橡膠，性能測試表明，改性后的硅橡膠接觸角隨著氫氧化鈣含量的增加而降低，且在體積分數低于30%時機械強度最高可提升15%左右。

2.2 共聚法

硅氧烷單體可以與多種單體發生共聚反應，可通過選擇共聚單體的種類和控制不同單體之間的比例來調控材料的親疏水性。通過共聚合將硅氧烷分子與親水性分子連接在同一分子鏈中，通常使用的親水性分子有PEG[37]、聚酰胺(PA)[38]、聚己內酯(PCL)[39]、PVP[40]等。這些共聚合反應獲得的高聚物共有的特征是具有兩親性。Yilgor等[41]以端氨基PDMS為引發劑、辛酸錫為催化劑進行己內酯的開環聚合反應合成PCL-PDMS-PCL三嵌段共聚物，研究了疏水性的PDMS鏈節對共聚物靜態接觸角的影響，結果表明，PDMS在共聚物中的質量分數為33.3%時，共聚物接觸角即增大至90°以上，呈現出疏水性。單純的共聚合通常難以大幅提升硅橡膠的親水性，但研究人員利用共聚法來平衡硅橡膠親疏水性用于藥物釋放等領域[42]。近來，為了改善共聚硅橡膠的親水性，Kalulu等[43]在端基官能化PDMS上引入HEMA，然后通過自由基聚合反應生成PDMS-HEMA薄膜，接觸角測試表明，共聚物接觸角高達104°，呈現疏水性，而后作者利用2-[甲氧基(聚氧化乙烯)6-9-丙基]七甲基三硅氧烷(Silwet L-77)水溶液處理共聚物薄膜，改性后的水接觸角測試表明，質量分數為0.2%的Silwet L-77吸附量即可降低接觸角至6°左右，且在5個月的儲存期后僅有少量疏水回復。可以看出，利用共聚法與其他親水改性方式結合降低接觸角提升親水保持能力具有很大的應用前景。

2.3 IPN法

IPN是一種聚合物同另一種合成交聯的聚合物以網絡形式互相貫穿的聚集態結構。利用IPN法在聚硅氧烷交聯網絡中穿插親水聚合物可以大大改善硅橡膠的親水性，同時最重要的是IPN的形成不會損傷硅橡膠基體的力學性能，這是由于重疊網絡的存在抑制了兩種聚合物間的微相分離[44]。

硅橡膠近表面端IPN的形成可以大大改善表面親水性。姚海楠等[45]對比了HEMA和PVP半IPN的親水性能，發現引入PVP聚合物網絡的復合材料其靜態接觸角僅為20.8°，極大地改善了硅橡膠的親水性。Ghoreishi等[46]詳細論證了HEMA在硅橡膠近表面端IPN的形成過程，并指出表面IPN的形成能在保持持久親水性的同時保持良好的本體性能。

在本體改性方面IPN法同樣表現優異，孫九立等[47]利用端氨基超支化有機硅聚合物與端羥基聚二甲基硅氧烷固化形成IPN，得到的硅橡膠具有良好的親水性，并且超支化有機硅聚合物的加入增加了其拉伸強度和斷裂伸長率。Xie等[48]分別合成了氨基硅烷樹脂和環氧硅油，利用兩者在高溫條件下的固化反應制備了具有IPN結構的硅橡膠，IPN體系的交聯拓撲結構使得改性后的聚硅氧烷具有優異的親水保持性，而且其力學性能隨著氨基-環氧基團的含量增加而增加。

3 結束語

目前醫用硅橡膠親水改性方式多樣，但整體上可分為對表面和本體親水性能的改進，兩者可適用于不同的使用場景，一般對短期接觸人體的硅橡膠材料可以使用表面改性，而長期植入人體且需要雕刻賦形的硅橡膠則需要進行本體改性，兩種改性途徑所面臨的突出問題略有差異，但是如何保持持久的親水性和適宜的力學性能始終是需要關注的問題。需要強調的是，醫用材料特別是介入材料的性能，只有與接觸介質的各種理化性能相匹配時才具有使用價值，近來的研究結果表明，親水-疏水平衡的硅橡膠更有利于調控抗凝血能力，實現更為理想的生物相容性。未來根據不同植入部位的需要，通過精準設計與其相匹配的親水-疏水平衡的硅橡膠將成為新的焦點。