醫用硅橡膠材料改性研究

【作 者】高仁偉上海千山醫療科技有限公司，上海市，200949

醫用硅橡膠材料改性研究

【作 者】高仁偉
上海千山醫療科技有限公司，上海市，200949

該文主要從納米材料填充改性、等離子體表面改性、表面接枝、硅橡膠與生物活性物質混合改性及仿生涂層法改性硅橡膠等硅橡膠的親水性改性方面進行了綜述，并對每種改性方法進行了分析，最后對醫用硅橡膠材料改性研究的發展進行了展望。

硅橡膠；生物相容性；改性

硅橡膠是有機聚硅氧烷的一族，由硅、氧及有機根組成的單體經聚合而成，在醫學領域的應用開始于20世紀中期。硅橡膠具有極佳的理化穩定性和生理惰性，可長期處于體內環境，且不被機體代謝、吸收和降解。作為人體植入物的主要材料之一， 硅橡膠在復雜的環境條件下具有較強的耐老化性及良好的工藝性能。但由于硅橡膠的分子為螺旋性結構，非極性的R基則處于螺旋外側，主鏈硅氧鍵的極性降低或抵消，使得整個分子的極性很低，并表現出了極強的疏水性[1]，臨床應用植入體內后，導致植入物與受體親和力差、容易變形移位、材料外露等問題， 還引起患者植入部位形成肉芽腫，長期發熱[2]。因此，國內外學者在改善硅橡膠力學性能和生物相容性，增強硅橡膠材料的機械性能，進一步提高其親水性等方面進行了廣泛的研究。

1 納米材料填充硅橡膠改性

近些年來，作為生物材料科學研究的前沿領域，納米材料填充硅橡膠改性的研究得到了廣泛開展。納米材料填充改性硅橡膠指的是采用特殊工藝或手段使得納米材料在硅橡膠機體內均勻分散，從而獲得比原硅橡膠基體性能更佳的材料[3]。目前，已有越來越多的納米材料在硅橡膠的改性研究中得到了應用。例如，將在硅橡膠內潤濕分散性良好，且具有良好親水性表面的納米碳酸鈣均勻的填充其中，這樣不但能改善硅橡膠的流變性能與親水性，而且起到增強作用[4]。Kannan等[5]構建了硅氧烷納米復合材料，聚尿烷-多面體齊分子量形式。該材料表面對纖維蛋白素原吸收能力增強，并且同時有兩性電解質性能和較大的接觸角滯后。動物體內研究表明，相對與普通的醫用硅氧烷，其增水效果非常明顯，其生物相容性和生物穩定性都得到了相應的改善。

2 等離子體表面改性

等離子體是一種對不同氣體采用特殊裝置進行作用，如射頻輝光放電(radiof requency glow discharge，RGD)或電暈放電等過程，產生的一種部分電離的混合氣體，由電子、自由基、離子、不同能量的光子以及氣體原子等各類活性粒子組成。等離子體在撞擊材料表面的同時會與之發生各種化學反應[6]。通過等離子體對硅橡膠表面進行改性處理，在其表面引入各種極性的基團，可以有效的提高材料生物相容性，改善其與生物環境的相互作用[7]。等離子體表面改性的方法有等離子體表面處理以及等離子體表面聚合兩種。等離子體表面處理利用的是等離子體對暴露于非聚合性氣體等離子體的材料表面進行轟擊，從而引起高分子材料表面結構的變化來實現對高分子材料表面的改性過程。等離子體處理則是通過改變材料表面的拓撲結構，實現對其表面非特異性作用的抑制，在材料表面形成目標官能團。等離子體會聚合于暴露在聚合性氣體高分子材料表面并沉積一層具有特定功能的聚合物薄膜[8]。例如，通過等離子體聚合在硅橡膠表面形成覆蓋層，甲醇等離子體的聚合處理可以賦予硅橡膠良好的表面親水性[9]。

研究發現，等離子體使得Si原子周圍化學環境由“有機相的Si”轉變成了“無機相的Si”，這就引起了硅橡膠表面的化學成分的改變。而產生了刻痕的硅橡膠表面得到了粗化，同時增大了其表面積，黏附性能也隨之得到了相應提高。而與聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯等材料相比，經過等離子體處理后的硅橡膠的細胞黏附性能優勢明顯[10]。

Williams RL等[6]研究發現Ar、O2、N2、和NH34種氣體等離子能賦予硅橡膠表面各不相同的表面特性， 經O2和Ar處理后血液相容性降低，而經N2和NH3處理后抗凝血性能提高。硅橡膠表面利用等離子體進行表面處理，在其表面性能改善的同時，材料表面的細菌也可以得到有效地去除，從而實現表面消毒的作用[11]。最近研究發現，用氟離子處理硅橡膠的表面，溫度對硅橡膠腐蝕率與表面形態有影響。在經氟離子處理的聚硅氧烷表面上，細胞也有非常高的生存能力，材料的生物相容性有了較大的提高[12]。

等離子體表面處理需專門儀器實現，其推廣應用在一定程度上受到限制。但是等離子體表面處理過程具有無需特殊技術訓練，操作簡便、快速，處理效果顯著等優勢，隨著該技術在相關領域的不斷擴展應用和生物材料技術的迅速發展，相信它的臨床應用前景將較為廣泛。

3 表面接枝改性

等離子體改性后的硅橡膠表面性能改善不持久的主要原因在于等離子體性質不穩定。而將各種親水性物質用等離子電離處理、輻射法、電處理及激光等方法借助化學鍵交聯的形式接枝共聚于硅橡膠的表面，在提高硅橡膠表面生物相容性的同時，作用較為持久[13]。孫義明等利用液相紫外光接枝方法，在室溫條件下，對硫化型硅橡膠與甲基丙烯酸β-羥乙酯的接枝反應流程進行了研究，發現接枝效果較好的條件為0.25%引發劑質量分數，2 min輻照時間，接枝后的硅橡膠表面親水性能獲得顯著提高[14]。

輻照接枝通常采用60Co為輻照源，硅橡膠在輻照處理下可以促使其表面產生極性基團，正是這些極性基團會與接枝液體中的對應物質以化學鍵形式產生反應，使接枝液中物質結合于硅橡膠表面，實現改性過程，從而實現提高硅橡膠表面的生物學相容性的目的。在輻射接枝中，主要借助的是一些具備親水性的化合物單體，如N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酰胺(AAm)、丙烯酸(ACC)、β-羥基酯（HEMA）、甲基丙烯酸等。N-乙烯吡咯烷酮一旦吸水便會形成對水分具有強大的親和力水凝膠。在硅橡膠膜上接枝N-乙烯吡咯烷酮不僅能大大降低組織的異物反應，且能顯著提高硅橡膠的抗凝血性，從而使材料的生物相容性有效提高[15]。

除了常用的60Co 輻照體系外，另一種新型表面改性技術是臭氧引發接枝。在臭氧氣體中，在聚合物表面形成可引發丙烯酰胺單體聚合的自由基，該自由基是由過氧基團受熱裂解后形成，接枝聚合過氧化位點，接枝后在硅橡膠表面覆蓋丙酰酰胺，形成可以增加表面積的凸凹結構，有利于同組織結合[16]。該項技術可以用于處理和加工各類形狀復雜的硅橡膠表面，而且生產成本低，極易操作。Xu等[17]提高材料表面的親水性和血液相容性的方法就是利用臭氧將磷酸膽堿接枝于硅橡膠的表面。

采用各種不同的枝節方法，將相應的生物活性物質共聚于硅橡膠表面的表面改性接枝方法，可以持久而明顯的改善硅橡膠表面的多項性能，但是如何通過簡化步驟解決較為繁瑣的改性接枝方法，并提高其表面改性效果，還需要進一步研究。

4 硅橡膠與生物活性物質混合改性

臨床應用的植入材料需要進行雕刻和塑形，這樣會直接破壞采用等離子體表面處理和表面接枝聚合方式等進行表面改性的硅橡膠材料的表面結構，顯著降低或喪失其生物學活性。而采用硅橡膠和生物活性物質混合改性的方法，在某種程度上說是解決此類問題的一種方式[10]。

目前，硅橡膠的混合改性技術主要包括了以下兩種方法，共混改性和填充改性。共混改性指的是，在一定溫度，相應剪切力的共同作用下，將硅橡膠和一種或多種與硅橡膠性質不同的聚合物進行摻混，從而達到改變硅橡膠原有性能的一種方法。填充改性技術是指將各種無機或有機填料，例如礦物質、玻璃纖維、白炭黑、有機剛性粒子、鍍銀玻璃珠微粒、羥基磷灰石、低分子聚合物及其它各種功能助劑等，在橡膠的成型加工過程中加入，通過改善硅橡膠基復合材料自身的物理機械力學性能、熱學性能、耐老化性能等，用以提升或賦予其如導電、生物相容性等的特殊性能[18]。

在硅橡膠基膠中加入具有良好的生物相容性的羥基磷灰石顆粒，通過共混高溫硫化制備出血液相容性良好的復合材料—羥基磷灰石硅橡膠[19]。在硅橡膠中加入活性劑或潤濕劑等成分，硫化成形后，相比于普通硅橡膠，該材料的表面張力要低，而且能顯著提高親水性能，生物學性質也得到了改善[20]。Johnson等[21]同樣認為與傳統的疏水性硅橡膠材料相比較，改良型的親水性硅橡膠親水性能提升顯著，達到了與聚醚橡膠類似的良好親水性。在硅橡膠原料混合入丙烯酸和甲基丙烯酸，聚合形成具有相應的質量分數梯度的混合層的聚合物，研究結果證明，所得聚合物的親水性和黏膜粘附性能均會隨著混合層的厚度增加而增大。比較發現由于化學結構的不同，甲基丙烯酸的改性效果比丙烯酸的改性效果相對差一些[22]。

5 仿生涂層法改性硅橡膠

作為生物相容性極佳的一種材料，由羥基磷灰石制作的各類經皮器件可以被用來長期植入皮下而不引起相應不良反應。然而，羥基磷灰石陶瓷脆性大的性質，卻大大提高了其加工成型的難度，導致其無法被用于制作各類形狀較為復雜的元件。應用于臨床治療的硅橡膠/陶瓷復合材料只有借助在硅橡膠材料表面制備一層生物活性陶瓷涂層的方法來獲得，這樣一種復合材料可以在改善硅橡膠的親水性和生物相容性的同時又不破壞硅橡膠自身的結構。在人體植入后，人體骨骼與植入物之間，可以實現牢固的骨性結合，因此這種復合材料是一種理想的人工骨植入材料[23]。

近些年來發展起來的磷灰石涂層制備的新方法是利用仿生溶液制備磷灰石涂層。這種具有獨特工藝優點的仿生合成方法，能無視基體材質和形狀帶來的限制，且適用于在各種基體上制備磷灰石類涂層。該方法主要是在成分和濃度均接近人血漿的模擬體液中，浸入將要生成涂層的基體，磷灰石晶核由基體表面的活性基團誘導生成，而磷灰石涂層薄膜則在其生成后的基體表面自發形成。通過仿生合成方法的運用，韋明等[24]在硅橡膠的表面制得了磷灰石微晶薄膜。磷灰石涂層可提高硅橡膠表面的親水效果，而該種效果的提高則能有效的改善硅橡膠的抗凝血性能。采用生物活性玻璃對醫用硅橡膠的表面進行誘導，7 d后，唐舟[25]等即在硅橡膠基片表面得到了羽毛狀羥基磷灰石涂層，該涂層結晶良好、均勻致密。磷灰石與摻雜后的牛血清白蛋白在硅橡膠的表面發生共沉積，晶體的形成過程蛋白質參與進來，而在牛血清白蛋白單層膜的作用下，羥基磷灰石的結構及形貌和晶體生長的取向性等均發生了變化。

在磷灰石涂層制備仿生合成的工藝流程中，操作步驟主要有：粗糙化基片表面、清洗→預處理活化基片表面→在基片表面溶液中鈣、磷離子經誘導形成晶核→在模擬體液中磷灰石涂層的形成和生長。抑制無機晶體勻相成核，控制其異相成核長大是仿生合成的關鍵。其中，對涂層的生成影響最為關鍵的是基體表面的預處理和浸漬溶液的成分。這是因為鈣、磷離子在基體材料的表面異相形核的能力是直接由預處理工藝對基體表面的活化效果所決定的；而磷灰石涂層形成過程中，涂層的成分、結晶度以及其生長速度等則是由浸漬溶液的成分、濃度以及值等直接決定。

通過預處理聚合物基體表面從而來實現誘導晶核的方法目前有很多種，如生物活性玻璃粉末誘導、硅酸鈉溶液誘導、表面預沉積誘導、表面官能團化處理誘導等，每種方法各有自己的優缺點。

6 結語

近年來，醫用硅橡膠材料改性研究主要集中于如何提高硅橡膠親水性。研究表明，在疏水性的硅橡膠材料表面其抗凝血性較好；而親水性硅橡膠材料表面則減少了材料表面與血液中各組分的吸附及其它相互作用，但是親水性更容易在材料表面形成鈣化。無論是親水性抑或是疏水性的硅橡膠表面，都可能會在某種程度上具備抗血栓性。研究進一步表明，材料表面適當的親-疏水平衡對于材料的組織細胞的親和力和抗凝血能力提高有作用。因此，對于生物相容性來說，構建永久性的親水—疏水性平衡表面才有意義。未來硅橡膠改性研究主要方向是篩選出更接近人體組織的親水—疏水性平衡點，構建硅橡膠材料表面的親水-疏水平衡。

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Research for Modification of Medical Silicone Rubber Material

【Writer】GAO Renwei
Shanghai Chinasun Medical Technology Co. Ltd., Shanghai, 200949

This paper reviews and analyzes the modifications of silicone rubber, containing nanometer material filling, plasma surface modification, surface grafting, mixture with bioactive substrates and bionic coating. At last, the author shows the prospect for the future development of silicone rubber modification.

silicone rubber, biocompatibility, modification

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.02.012

1671-7104(2015)02-0122-03

2014-10-15

高仁偉，E-mail: sungrw@163.com