利用低氣壓電容耦合放電等離子體對聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面進(jìn)行親水改性，對比分析了Ar、N2、Air和O2四種等離子體放電氣體和不同放電功率對其表面的影響。結(jié)果表明，經(jīng)等離子體處理后的PMMA表面親水性和抗蛋白性能均有不同程度的改善，其中Ar等離子體主要起刻蝕的作用，N2、Air和O2等離子體在對PMMA刻蝕的同時(shí)，接枝的官能團(tuán)對其表面性能的改變起到主導(dǎo)作用。
甲基丙烯酸甲酯(PMMA)憑借易加工、高強(qiáng)度和低組織排異反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，被用作基體材料，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用復(fù)合材料領(lǐng)域。作為一種醫(yī)用材料，生物醫(yī)用復(fù)合材料綜合了基體與增強(qiáng)材料各自的優(yōu)點(diǎn)，使得復(fù)合材料兼具各組分的優(yōu)勢。利用PMMA的優(yōu)勢性能，能夠很好解決傳統(tǒng)醫(yī)用金屬材料與組織結(jié)合不牢固，生物活性差，以及生物陶瓷材料脆性大、不抗彎等問題。然而在醫(yī)用復(fù)合材料粘接過程中，由于PMMA的表面潤濕性差，醫(yī)用粘接劑無法完全潤濕，粘接不牢固，使用一段時(shí)間后基體與增強(qiáng)組分脫落，導(dǎo)致可靠性差。另一方面，在組織環(huán)境中，由于PMMA表面非特異性蛋白吸附，往往引起細(xì)菌感染和局部炎癥。國內(nèi)外大量研究表明，引入極性官能團(tuán)或者增加粗糙程度可以提高親水性，可使醫(yī)用粘合劑更好潤濕表面，從而增強(qiáng)醫(yī)用復(fù)合材料的可靠性。引入表面的親水官能團(tuán)還能夠與游離水之間形成緊密結(jié)合的水合層，排斥蛋白質(zhì)的接近與吸附，提高組織相容性。
表面親水性的變化
實(shí)驗(yàn)中分別采用Ar、N2、Air和O2作為等離子體工作氣體，對PMMA表面進(jìn)行改性處理。不同工作氣體放電等離子體對PMMA表面親水性的改善存在一定的差異，如圖1所示，其中經(jīng)Ar等離子體處理后，改性樣品的表面親水性最弱。在等離子體中，電子與Ar發(fā)生非彈性碰撞產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的Ar原子，對PMMA表面發(fā)生轟擊并起到刻蝕作用。一般認(rèn)為，等離子體刻蝕形貌有利于液滴在表面鋪展。對比N2、Air和O2等離子體對PMMA親水化改性效果，N2等離子體的親化效果不及含有O2分子的Air和O2等離子體。這三種均屬于反應(yīng)性氣體等離子體，在與PMMA表面作用過程中，不僅有物理刻蝕的效果，還會引發(fā)樣品表面的接枝反應(yīng)，導(dǎo)致其表面化學(xué)組成的變化，促進(jìn)其親水性的進(jìn)一步改善。相比較物理刻蝕作用而言，在反應(yīng)性氣體等離子體環(huán)境中，引入的親水官能團(tuán)對樣品表面的親水化起主導(dǎo)作用。而N2等離子體相比于O2等離子體所接枝官能團(tuán)，親水性較弱。
等離子體處理功率對接觸角的影響粗糙度的變化
圖2給出了未處理樣品表面及Ar、N2、Air和O2等離子體處理后的表面形貌圖，PMMA表面均出現(xiàn)了突起和溝壑，表面粗糙程度有不同程度的增加。經(jīng)Ar等離子體處理后，PMMA表面產(chǎn)生的刻痕較為尖銳，高低起伏劇烈，粗糙度算術(shù)平均偏差(meana-rithmeticdeviationofroughness，Ｒa)由未處理樣品的10.8上升到45.3nm，這主要是由于Ar等離子體中高能粒子的轟擊，會使PMMA表面產(chǎn)生大面積凹坑，側(cè)鏈節(jié)斷裂成獨(dú)立的小分子，其親水性的提高符合Wenzel對粗糙表面的預(yù)測，Ar等離子體刻蝕起伏實(shí)際上增大了“固-液”接觸面積，使得液滴鋪展接觸面大于表觀接觸面積，在幾何上增強(qiáng)了親水性。反應(yīng)性的N2、Air和O2氣體等離子體刻蝕過程中，反應(yīng)基團(tuán)作用于PMMA表面，與PMMA發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并生成可揮發(fā)物質(zhì)。由于氮等離子體的表面氨化反應(yīng)速率高于氧等離子體的表面氧化反應(yīng)速率，使氮等離子體刻蝕后的形貌比氧等離子體刻蝕后的形貌更加粗糙。從圖2觀察到，與O2相比，N2等離子處理PMMA的表面粗糙度相對更高。反應(yīng)性氣體N2、Air和O2等離子體處理表面，尖銳刻痕大量消失，出現(xiàn)較為平滑凹凸。這是由于反應(yīng)刻蝕部位活性化并產(chǎn)生大量自由基接枝位點(diǎn)，通過反應(yīng)接枝，官能團(tuán)以化學(xué)鍵的形式與接枝位點(diǎn)緊密結(jié)合，從而降低了樣品表面的粗糙度。243062430624306