醫用高分子材料表面潤滑性的研究狀況

劉 艷，徐立霞，李昕躍*

（大連大學 環境與化學工程學院, 遼寧 大連 116622）

目前醫用高分子材料的應用已遍及整個醫學領域，在人工器官、藥物控制緩釋系統、介入導管以及各種醫療器械中占據了很大比例；其中用高分子材料制成的各種醫用導管已廣泛應用于消化系統、呼吸麻醉系統、泌尿系統、引流系統、介入治療系統等。這些導管在使用時都需要插入病人體內或從病人體內取出，這就要求這類器械或材料表面與體液接觸后變得非常潤滑。目前醫用導管材料多為聚乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、聚酰胺、乳膠或硅橡膠，這些材料本身都是疏水性材料，表面潤滑性遠達不到介入導管的要求。因此，需要對材料或器械進行表面處理，以提高表面潤滑性。

研究發現，高親水或高疏水的高分子材料表面均具有潤滑性[1]。例如使用潤滑劑（如醫用硅油等）或凝膠直接涂覆在材料或器械表面即可獲得潤滑性，但這種潤滑性是暫時的，涂層與體液接觸后很容易脫落，或者溶解于體液，一方面降低材料表面的潤滑性，另一方面給人體液內（血液，血循環系統）引入雜質，帶來潛在的風險。因此，臨床上通常采用高親水性的高分子材料，因為在與體液的接觸過程中，高親水性的材料表面比高疏水性的材料表面顯示更優良的潤滑性，并且能減少蛋白質的吸附，另外，高親水性的物質與材料表面結合的更加牢固。因此，對材料表面進行親水改性將成為提高材料表面潤滑性的主要方式。

1 提高醫用高分子材料表面潤滑性的主要方式

按照涂層與材料表面結合方式的不同，提高醫用高分子材料表面潤滑性的方法有物理法、化學法、光接枝法等。

1.1 物理法

物理法即在材料表面直接涂覆親水性物質，常用的親水性的單體有丙烯酰胺(AAm)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)等；親水性聚合物包括聚丙烯酰胺(PAAm)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)、聚乙烯醇(PVA)等。這種方法中親水性物質通過分子間作用力附著在材料表面上，附著力較弱，涂層易脫落。

提高涂層和材料表面附著力的方法有兩種：一是在涂層材料中添加有粘附性的物質，二是通過共價鍵將親水性物質鍵接到材料表面；這兩種方法相比，后者更有利于材料表面潤滑性的長期保持。山東省醫療器械研究所在 2004年發表專利[2]，揭示了醫用潤滑液的組成成分包括纖維素酯類、粘附性聚合物、增塑劑等；其中粘附性物質包括聚氨酯、丙烯酸樹脂、聚碳酸酯等，并說明了各組分比例及使用方法，這種醫用潤滑液大幅度提高了醫用導管表面的潤滑性。

1.2 化學法

化學法是指通過偶聯反應將親水性小分子或聚合物偶聯到高分子材料表面，通常用的偶聯劑包括硅烷偶聯劑和含多個異氰酸基團的異氰酸酯。1986年美國出現了關于親水涂層的專利報道[3]，這種涂層適用于橡膠、聚氯乙烯、聚酯和聚丙烯酸酯材料，涂覆工藝為：（a)首先在材料表面涂覆至少含有兩個未反應異氰酸基團的異氰酸酯，(b)蒸發步驟（a)中的溶劑，(c)涂覆含氨基的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的溶液，(d)蒸發步驟（c)中的溶劑，異氰酸酯在逐步升溫和有大量水蒸汽存在的條件下固化；最后得到的親水涂層成分為聚乙烯吡咯烷酮和聚脲的互聚物。曲祥軍[4]分別用KH792、KH597硅烷偶聯劑和PVP對聚氨酯和硅膠表面進行親水改性；結果表明，偶聯劑的使用使親水涂層有效的結合到了材料表面，經偶聯劑處理后再涂覆親水涂層，材料表面的潤濕角大幅度減小。化學法制備的涂層和材料表面結合的更加牢固，短期的潤滑性較好，但涉及到了有毒的反應物質如異氰酸鹽，因此反應完成后必須將余下的異氰酸基團全部除去，否則會對人體產生不利影響。

1.3 光接枝法

光接枝改性是使材料表面能夠長期保持潤滑性的一種有效方法。聚合物光接枝改性研究始于20世紀50年代，1957年Oster[5]首先利用紫外光照射天然橡膠，表面接枝聚丙烯酰胺。光接枝通常有兩種模式：一是以材料表面活性自由基為中心的鏈增長，二是用光化學固定法將目的分子偶聯到材料表面。無論哪種模式都使涂層和材料表面之間產生了共價鍵，所以涂層和材料表面結合的更加牢固。

1.3.1 以材料表面活性自由基為中心的鏈增長

這種光接枝模式是指在紫外光照射下親水單體在材料表面的接枝聚合。對于含有光敏基團（如羰基）的材料，可以在紫外光照射下產生表面自由基引發乙烯基單體的接枝聚合，對于不含光敏基團的材料則可以通過以下方式使材料表面產生自由基，進而引發功能單體的接枝共聚。

（1）加入光敏劑

光敏劑如二苯甲酮能夠吸收長波紫外光(300～400 nm)，從而奪取高分子材料表面的氫，使高分子材料表面產生活性中心，進而引發單體的接枝聚合。

（2）表面預處理

對高分子材料表面預處理的方法通常有：輝光放電、表面氧化、電暈放電、等離子體處理[6]等。

Loh等人[7]用臭氧對聚乙烯表面預處理，然后用紫外光輻照將單體接枝到聚合物表面。結果表明臭氧與飽和碳氫鍵反應形成過氧化物和碳的含氧化合物，在紫外光照射下過氧化物等分解生成自由基，引發接枝聚合。左文瑾[8]用PVP直接涂覆、等離子預處理結合PVP物理涂覆和等離子體接枝PVP三種方法對聚丙烯表面親水改性；結果表明，后兩種方法均能顯著提高材料表面親水性并能使親水性穩定保持。Zhang[9]研究了用電暈預處理HDPE，使表面產生過氧化物，紫外光輻照分解引發甲基丙烯酸縮水甘油酯單體接枝到PE表面，提高了HDPE與環氧樹脂的粘結性。無論是哪種接枝方式，自由基引發單體接枝共聚的同時也引發了單體的均聚反應，在一定程度上降低了接枝效率。因此，如何控制好光接枝的條件以減少均聚反應的發生，以及如何控制好接枝的深度以免破壞材料的本體性能將成為光接枝改性的主要方向。

1.3.2 用光化學固定法進行光偶聯

光化學固定法始于上世紀80年代末到90年代，是指在紫外或可見光(300～800 nm)照射下，利用光偶聯劑（一端為光活性基團，另一端熱活性基團）將具有特定性質的組分或生物分子偶聯到材料表面的方法[10]。其途徑通常為：將目的分子與光偶聯劑上的熱活性基團反應，形成具有光活性基團的衍生物，然后在紫外光照射下將目的分子共價偶聯到高分子材料表面，來達到改性表面的目的。常用的光偶聯劑為芳香疊氮類和二苯甲酮類（圖1），R代表熱活性基團或化學連接組分，疊氮類光偶聯劑中硝基的存在使光解反應波長由紫外光向可見光區域移動，從而避免了對紫外光對敏感的生物分子的破壞。

圖1 常用光偶聯劑結構

光化學固定法的優點：（1）光偶聯反應在材料表面進行，所以既能獲得理想的表面性能，又不影響材料的本體性能；（2）不需要復雜的儀器，易于操作，反應迅速，成本較低；（3）通用性很強，可適用于幾乎所有醫用高分子材料，這種新方法已為生物材料學家所關注和研究[11-17]。光活性高分子（PAA、PVP的衍生物）涂層已用于降低各種醫用高分子材料的摩擦系數[18]（圖 2）。2010年美國專利[19]中用二苯甲酮的衍生物（光偶聯劑）、聚碳化二亞胺和含羧基的物質對醫用導管表面進行潤滑改性，改性前各導管的摩擦力均大于450 grams，改性后尼龍導管摩擦力為10～20 grams，聚氨酯導管為5～10 grams，聚氯乙烯導尿管低于30 grams，且涂層不易脫落。

圖2 不同高分子材料表面潤滑性

2 影響潤滑性的因素

光接枝法比物理和化學法改性更有利于表面潤滑性的長期保持，影響光接枝的因素有很多，這些因素也會直接影響材料表面的潤滑性。

2.1 高分子材料的性質

接枝反應是從高分子材料表面脫氫開始的，故高分子材料表面的物理化學性質對接枝反應有很大影響。越容易脫氫的材料表面越容易發生接枝反應。Yang[20]研究了用BP(二苯甲酮)為光敏劑，不同聚合物基體接枝丙烯酸(AA)的活性為：PA＞PET＞PP＞LDPE＞HDPE＞OPP＞PC，這是因為PA和PET中雖然只有仲氫，但是N、O的負電性使氫的活潑性增加；PP中含有叔氫，故活潑性次之；LDPE因支化比HDPE含有更多的叔氫；PC中只有伯氫，因而難以脫氫。此外，不同的高分子材料結晶度和取向不同，接枝反應主要發生在聚合物的非晶部分，故低結晶度和取向的材料更容易發生接枝反應。

2.2 單體的性質

Yang[20]用二苯甲酮作光敏劑，研究了不同單體在低密度聚乙烯(LDPE)膜表面光接枝聚合的反應活性，結果表明，丙烯酸酯類單體的活性高，而甲基丙烯酸酯類活性低。丙烯腈的有效接枝率遠遠高于其它乙烯基單體，但它的聚合反應活性很低。此外，單體的極性和對材料的潤濕性都會影響接枝反應。一般來說，極性越強的單體越容易和半頻哪醇自由基結合，越容易生成均聚物，不利于接枝反應；單體對材料的潤濕性則會直接影響接枝的深度。Wang[21]采用可調角度的 XPS對LDPE接枝膜的接枝深度進行了研究，發現表面接枝鏈呈層狀分布，親水性越好的單體，LDPE本體接枝物含量越高。

2.3 表面改性條件

無論是通過光偶聯或光接枝表面形成的潤滑表面，在親水性物質和高分子材料表面都產生了化學鍵，所以親水單體的濃度、反應溫度、時間、接枝鏈的長度，溶劑和氧等都會影響到表面的潤滑性。

2.3.1 單體濃度的影響

羅祥林等[22]在改善PU表面的潤滑性實驗中，研究了單體濃度對接枝密度、吸水率、摩擦系數的影響，發現在一定范圍內單體濃度的增加有利于潤滑性的提高，但當單體濃度增加到一定值時，接枝率達到穩定值，潤滑性也不再增加。這是因為隨著單體濃度的增加，形成的均聚物增多，均聚反應與接枝反應形成競爭的結果。

2.3.2 反應時間和溫度

研究發現，反應時間的增加有利于接枝反應，反應溫度在 30～70℃范圍內升高有利于增加接枝的速率和效率[23]。

2.3.3 溶劑的影響

溶劑對光接枝反應的影響尤為重要。溶劑不能與光敏劑反應，能很好地潤濕聚合物，如果是在溶液中接枝，溶劑還應是接枝單體的良溶劑。異丙醚、四氯化碳、二氯甲烷、四氫呋喃、苯、正庚烷等有機溶劑比丙酮、丁酮類溶劑更難進行光接枝反應，因為接枝反應大都發生在聚合物的非晶部分，而這類溶劑對非晶部分有一定的親和力，反應時材料被包埋在溶劑中不利于反應的進行。丙酮是接枝反應常用的溶劑，因為丙酮既是單體和光引發劑的良溶劑，本身又可以吸收 320 nm以下的紫外光引發反應。實驗發現，溶劑中有少量的水存在能顯著加快光聚合反應，Kubota認為這是由于水的存在限制了由于凝膠效應引起的鏈終止反應[24]。孫箭華等[25]在專利中提出水是理想的溶劑體系，因為用水作溶劑，避免了有機溶劑對環境和操作者的危害。

2.3.4 氧的影響

氧對接枝反應的影響較大。一方面高分子材料在紫外光照射下產生過氧化物，過氧化物分解產生自由基引發接枝反應；另一方面，空氣中的氧氣使三線態的二苯甲酮淬滅，研究表明，接枝溶液中的溶解氧比接枝空氣中的氧對接枝的影響更大，并且都是不利影響。而Kubota[26]研究發現LDPE接枝丙烯酰胺時，氧的存在有利于接枝反應的進行，而對于LDPE接枝甲基丙烯酸體系，氧有利于均聚反應，而不利于接枝反應。故氧的作用取決于促進和抑制作用的平衡，氧的存在有利于均聚反應，但對接枝反應的影響較復雜，不同的反應體系有不同的結果。

3 潤滑性的評價

高分子材料表面潤滑性可以通過表面摩擦系數的測定和潤濕角大小來衡量，另外，涂層與材料表面結合的牢固度，以及涂層的柔韌性和耐磨性是考察表面潤滑改性是否有效的重要指標。涂層與材料表面結合的牢固程度由大到小為：光接枝法＞化學法＞物理法。2011年美國專利[27]報道了能夠提高球囊導管表面潤滑性的親水涂層的制備方法，靠近材料表面的一層為聚氧化乙烯（PEO)和聚氨酯混合物，最外層為聚氨酯和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的混合物。PVP吸水溶脹使材料表面產生潤滑性，同時使涂層具有一定的柔韌性，而PEO則使涂層具有更好的耐磨性。

3.1 高分子材料表面摩擦系數的測定

摩擦系數是衡量表面潤滑性的重要指標，通常摩擦系數越小，表面越潤滑。目前對高分子材料表面摩擦力尚無統一的測定方法。ASTM1894-90規定了如何測量塑料的摩擦系數[28]，改性高分子材料表面潤滑性也可以通過這種方法測得。將樣品（C)放入恒溫水槽(A)，樣品上放以水凝膠塊（B)，上壓一玻璃塊(D)，玻璃上放載荷(E)，玻璃滑塊通過輕質尼龍繩穿過光滑滑輪(F)與測力計(G)相連。測試時，水凝膠滑塊的滑動速度是10 mm/min，載荷可根據情況改變。將水槽中的水換成生理鹽水或血漿，通過改變載荷和拉伸速度，就可以獲得不同載荷、不同速度下的摩擦系數。

圖3 用來測試塑料摩擦系數裝置圖

3.2 潤濕角

潤濕角大小直接反應了改性后材料表面對水的浸潤性，可以通過接觸角分析儀來測量，潤濕角越小，材料表面對水的浸潤性越好。一般潤濕角小于90°，則認為是為親水性物質。

4 潤滑改性后表面形態觀察

潤滑處理后的材料表面形態可以通過 SEM掃描，Ikenchi等[29]做了表面潤滑處理后的 SEM圖，接枝后有明顯的接枝鏈存在，干燥后進行觀察，在材料表面可以看到網絡狀結構，Ratner等[30]的研究表明，出現這種結構的原因可能與接枝后的接枝鏈互相纏繞或者涂覆的物質之間產生物理交聯的結果。

5 提高醫用高分子材料表面潤滑性的重要作用

首先，潤滑表面可以減少對內皮細胞的刺激，不損傷粘膜，減少了對體內細胞和腔道組織帶來的損傷及并發癥，有利于醫生操作；同時治療過程中減少病人的痛苦，符合現代醫學提倡的無創、微創療法的宗旨。

其次，可以提高材料或制品表面的生物相容性。當高分子材料表面暴露在血液環境中時，血漿蛋白在幾秒鐘內就會被吸附在材料表面，吸附的血漿蛋白一方面可誘發血小板的粘附、釋放和聚集，導致血栓的形成；另一方面可激活血液中的凝血因子，誘發凝血反應，最后導致血栓的形成。通過在材料表面構建一生物惰性的襯層，可以使界面自由能大大降低，減弱材料表面與血漿蛋白、血細胞的相互作用，保持血漿蛋白、血細胞的正常構象和形態，使材料顯示出良好的抗凝血性能。其中把親水性聚合物共價鍵合在材料表面，提高表面潤滑性是獲得生物惰性材料表面的一種有效方法。

6 結束語

隨著醫用高分子材料在臨床醫學中的廣泛應用，醫用高分子材料的表面潤滑改性必將受到越來越多的關注。目前國內外都有關于潤滑改性的專利報道，由于光接枝法起步較晚，國內對于醫用高分子材料表面潤滑改性大都采用物理和化學方法，難以保證表面潤滑的持久性。國外已經致力于光接枝尤其是光化學固定法的研究，用這種方法改性的高分子材料表面偶聯尺寸穩定性好，而且表面潤滑性可以在各種條件下保持較長時間，但對特定的材料選擇合適的光偶聯劑，以及潤滑性和耐磨性的同步提高都有待于進一步研究。

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