硅基植入式醫療器械 用超薄膜聚合物涂層的滅菌效果

張鵬

摘 要：探討了5種標準滅菌方法對3種硅表面涂層的影響：聚乙二醇（PEG）、聚甲基丙烯酸磺基甜菜堿（pSBMA）和聚2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰膽堿（pMPC）。對高壓釜、干熱、過氧化氫（H2O2）等離子體、環氧乙烷氣體（EtO）和電子束（E-beam）處理的涂層進行分析，以確定聚合物在滅菌過程中可能發生的降解。滅菌后，接觸角有顯著變化，H2O2引起的最大變化Δ-PEG、pSBMA和pMPC分別采用高壓釜和干熱處理。在PEG硅上使用高壓釜和EtO，在pSBMA硅上使用電子束，在pMPC硅上使用EtO處理，發現涂層厚度變化小于5%。H2O2處理使所有涂層的厚度至少減少30%。酶聯免疫吸附試驗（ELISA）顯示，在所有滅菌方法后，pMPC硅的蛋白質吸附量顯著增加。PEG硅上的電子束和pSBMA硅上的干熱處理在每個涂層子集中表現出最大的蛋白質吸附。總的來說，數據表明高壓釜和EtO處理非常適合PEG硅，而E-beam最適合pSBMA硅。EtO處理對pMPC硅的影響最小。H2O2處理對3種涂層都有負面影響。可用于確定哪些表面修飾和滅菌過程可用于體內設備。

關鍵詞：硅;殺菌;超薄兩性離子聚合物;聚乙二醇;無污染表面涂層

中圖分類號：U270.38+3 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）05-0108-05

Sterilization effect of ultra-thin polymer coating for silicon-based implantable medical devices

Abstract： This study explores the effect of 5 standard sterilization methods on 3 surface coatings applied to silicon： polyethylene glycol （PEG），poly（sulfobetaine methacrylate） （pSBMA），and poly（2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine） （pMPC）. Autoclave，dry heat，hydrogen peroxide （H2O2） plasma，ethylene oxide gas （EtO），and electron beam （E-beam） treated coatings were analyzed to determine possible polymer degradation with sterilization. Post-sterilization，there were significant alterations in contact angle，maximum change resulting from H2O2 （Δ-14°），autoclave （Δ+15°），and dry heat （Δ+23°） treatments for PEG，pSBMA and pMPC，respectively. Less than 5% coating thickness change was found with autoclave and EtO on PEG-silicon，E-beam on pSBMA-silicon and EtO treatment on pMPC-silicon. H2O2 treatment resulted in at least 30% decrease in thickness for all coatings. Enzyme-linked immunosorbent assays （ELISA） showed significant protein adsorption increase for pMPC-silicon following all sterilization methods. E-beam on PEG-silicon and dry-heat treatment on pSBMA-silicon exhibited maximum protein adsorption in each coating subset. Overall，the data suggests autoclave and EtO treatments are well-suited for PEG-silicon，while E-beam is best suited for pSBMA-silicon. pMPC-silicon was least impacted by EtO treatment. H2O2 treatment had a negative effect on all three coatings， which could be used to determine the surface modifications and sterilization processes to utilize for devices in vivo.

Key words： silicon;sterilization;ultrathin zwitterionic polymer;polyethylene glycol;non polluting surface coating

硅基器件因其精確定義的微納尺度特征而越來越受到植入式醫療應用的青睞，這些特征可以以低單位成本生產，并與微電子集成。其中一些設備包括用于神經假體的微電極、用于控制藥物輸送的系統、用于細胞移植的免疫隔離室和用于腎臟替代治療的濾膜。此類應用使硅直接接觸體液，包括血液[1-2]。根據美國疾病控制和預防中心（CDC），任何遇到無菌生物液體的醫療設備都被歸類為“關鍵項目”，必須進行消毒。對于植入物，指南要求無菌保證水平（SAL）為10-6這相當于百萬分之一的孢子在滅菌過程中存活的概率。這一水平可以通過許多物理和化學過程實現：高溫暴露、化學和化學等離子體暴露以及輻射。雖然這些處理可以根除微生物和孢子，但其嚴酷的特性可能導致醫療器械組件的交聯、鍵斷裂和/或氧化，可能對功能化表面造成不可接受的損壞[3-4]。

雖然硅本身可能不受常規滅菌技術（如高壓滅菌器和γ輻射）的影響，但滅菌對應用于硅的薄膜聚合物表面涂層的影響尚未得到很好的表征。其他研究表明，滅菌對水凝膠、交聯聚合物和表面改性的影響為幾個數量級[5-6]。然而，據我們所知，滅菌對PEG、pSBMA和pMPC的刷狀聚合物結構的影響尚未見報道。因此，本研究的目的是研究常用滅菌方式對涂有PEG、pSBMA和pMPC的硅的影響。使用CDC認可的5種技術對涂層基材進行滅菌：高壓滅菌器、干熱、過氧化氫（H2O2）等離子體、環氧乙烷（EtO）氣體和電子束（電子束）輻照。我們利用各種表面表征工具來檢查滅菌的物理和化學效應。用X射線光電子能譜（XPS）測定了表面的化學成分。使用酶聯免疫吸附試驗（ELISA）測量滅菌前后蛋白質抗性的變化[7]。

1 材料與方法

1.1 材料準備

從Ultrasil公司獲得雙面拋光、400 μm厚的p型硅片，并將其切成1 cm2的芯片。用硫酸（96%）與過氧化氫（30%）比例為3∶1的溶液清洗20 min。然后將芯片暴露于氫氟酸中5 min，以去除暴露于大氣氧氣中的硅表面自發形成的二氧化硅，接著激活水面，再將洗液清洗干凈，然后用氮氣干燥硅片。

1.2 表面改性

1.2.1 PEG表面改性

如前所述，用PEG對硅表面進行改性。簡單地說，基板在110 ℃的加熱板上干燥1 h。2-[甲氧基（聚乙烯氧基）丙基]三甲氧基硅烷（PEG硅烷）通過將基底浸入285 μL PEG硅烷溶液中，在70 ℃溫度下浸泡2 h，共價鍵合到硅上。然后用甲苯每隔10 min沖洗基底3次，分別用乙醇和水去除多余的聚乙二醇。

1.2.2 兩性離子表面改性

兩性離子表面改性如前所述進行。表面引發劑2-溴-2-甲基-N-3[（三甲氧基硅基）丙基]-丙酰胺（BrTMOS）。將底物置于雙環己基中的1%（v/v）BrTMOS溶液中2 h。然后分別用氯仿、乙醇和水沖洗表面，以去除多余的BRTMO。

2-（甲基丙烯酰氧基）乙基]二甲基-（3-磺丙基）氫氧化銨（SBMA）和2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰膽堿（MPC）。468 mg（3 mmol）2，2’-聯吡啶脫氣溶液（≥98%）和單個單體SBMA∶1.06 g（3.8 mmol）和MPC∶506 mg（1.9 mmol） 和22.3 mg（0.1 mmol）溴化銅（99%）在5∶5 mL甲醇。在氮氣保護下，將該混合物添加到含有4種底物和143 mg（1 mmol）溴化銅（99.999%）的反應室中，并對pSBMA和pMPC分別進行15 min和7 min的聚合。然后用氯仿、乙醇、磷酸鹽緩沖鹽和水沖洗底物，并用氮氣流干燥。

1.2.3 滅菌過程

評估了5種滅菌過程。使用STERIS Amsco Century SV-120 Scientific Prevacum滅菌器進行高壓滅菌器滅菌，在121 ℃下將基質暴露在高壓蒸汽中30 min。對于干熱滅菌，將基質置于160 ℃烘箱中2 h。使用STERRAD?100S滅菌系統進行H2O2等離子體處理（標準循環）。由D2EO進行EtO氣體處理，在13.2 kPa和55 ℃下暴露2 h。最后，由STERIS在21.0～21.9 kGy的應用劑量范圍內進行電子束滅菌。

1.2.4 表面特性

光電子能譜：使用表面科學儀器S探針光譜儀和單色Al KαX射線束進行XPS。使用150 eV的通過能產生測量和高分辨率光譜。將樣品加壓至小于5×10-9torr，并使用0°起飛角，對應于約10 nm的取樣深度。對于每個樣品，在3個點大小約為800 μm的位置測量XPS。

橢偏儀：使用LSE Stokes橢偏儀和6328?HeNe激光以70°的入射角測量表面涂層厚度。將測量的反射和透射數據輸入菲涅耳方程，在已知折射率的情況下，迭代求解透明膜的厚度。對于兩性離子和PEG表面涂層，使用1.45的折射率。空間均勻性的特點是在每個樣本集的3個單獨芯片上測量3個位置。總共對9次測量進行了平均，并報告了平均值和標準偏差。

酶聯免疫吸附：通過在37 ℃下將底物在1 mg/mL的人血清白蛋白（HSA）的D-PBS溶液中培養90 min來評估對蛋白質吸附的抵抗力。在HSA培養后，所有底物用0.5 mL的D-PBS沖洗5次，用濃度為1 mg/mL牛血清白蛋白持續1.5 h。用0.5 mL的D-PBS將基質沖洗5次，并轉移到新鮮的腔室中。然后將樣品與10 μg/mL抗人血清白蛋白抗體結合辣根過氧化物酶孵育1.5 h。再次沖洗（用0.5 mL D-PBS沖洗5次）后，再次沖洗基質并轉移到新鮮的腔室。0.5 mg/mL鄰苯二胺和0.03%過氧化氫在0.05 M檸檬酸鹽磷酸鹽緩沖液（pH5.0）中的溶液。使用鋁箔在37 ℃下避光20 min，然后通過添加0.5 mL 1M硫酸停止該反應。在490 nm處測量溶液的光吸收率。每種樣品類型一式3份進行測試，并減去背景（未添加HSA的對照）。將所有HSA蛋白吸附數據標準化為組織培養聚苯乙烯（TCPS），作為陽性對照。

2 結果與討論

2.1 X射線光電子能譜（XPS）

接觸角數據如圖1所示。

圖2（a）～（d）顯示了每種表面改性的各種滅菌方法后的相應光譜。固著水滴在10 s內保持穩定，未涂覆的硅襯底具有32°的接觸角。通過PEG表面改性，接觸角增加到43°。兩性離子涂層顯示pSBMA和pMPC的接觸角分別降低到15°和25°。正如接觸角測量所反映的，所有3種表面改性都是親水的。然而，通過滅菌處理觀察到親水性的顯著變化，尤其是對于未涂覆和pMPC涂覆的基材。高壓釜對pSBMA硅的接觸角影響最大，增加了15°。過氧化物處理對PEG硅的影響最大，降低了14°。

在所有情況下，單晶硅襯底和天然二氧化硅分別存在Si（2p）（100 eV）和O（1s）（528 eV）峰值。未改性的硅也顯示出約8%的不定碳的存在，H2O2等離子體處理的基板除外，其中碳含量約為16%。在H2O2等離子體處理后，未改性的硅顯示出較高的氧含量以及氮、鈉和氟的存在。由于這些污染元素在其他基質上不明顯存在，它們的存在可能是由于樣品處理不當造成的。除過氧化氫處理的樣品外，在滅菌和未滅菌的硅襯底之間，晶體硅和二氧化硅含量的變化小于5%。

與未改性的硅相比，pSBMA耦合硅的Si（2p）濃度急劇下降大于40%，C（1s）含量增加大于37%。此外，還存在特征元素N（1）（～400 eV）和S（2S）（～228 eV）以及Br 3d（～69 eV），表明pSBMA表面改性成功。滅菌后，與未滅菌pSBMA基板的20%硅含量相比，這些樣品的硅濃度略有下降，從11%～17%不等。

2.2 橢偏儀

使用橢偏儀測定各種表面涂層的厚度，如圖3所示。

PEG、pSBMA和pMPC涂層的起始厚度分別為0.9、7.1和2.7 nm。當用過氧化氫等離子體滅菌時，觀察到所有涂層的統計顯著差異，經過幾次滅菌處理后涂層厚度的大幅減少。通過干熱、過氧化氫和電子束輻照處理，PEG硅的厚度減少30%以上，而通過干熱和過氧化氫處理，pSBMA和pMPC的厚度變化超過20%。此外，高壓釜中的蒸汽處理對pSBMA也有很大影響，厚度減少了29%。

2.3 酶聯免疫吸附

圖4所示的HSA蛋白質吸附數據表明，未經滅菌的pSBMA和經pMPC涂覆的硅片均顯示出優異的非污染性能，與未涂覆的硅片相比，蛋白質吸附分別降低了90%和95%。相比之下，PEG涂層芯片僅比未涂層硅降低10%。

3 結語

隨著新型聚合物和功能表面在醫療器械中越來越普遍，必須評估滅菌可能對其產生的影響。

對植入式醫療設備上的聚合物表面改性進行滅菌尤其苛刻。因此，我們提供了各種滅菌工藝對硅上薄膜聚合物刷影響的數據。研究表明，H2O2等離子體處理對所有3種聚合物涂層都有不利影響。相比之下，高壓釜和EtO處理似乎適用于PEG、pSBMA的電子束滅菌以及pMPC涂層的EtO處理。這些結果將有助于任何使用超薄兩性離子或PEG涂層的硅醫療設備的應用。這些影響是獨特的表面涂層的化學和物理性質。因此，本工作為確定滅菌對任何表面改性的影響提供了指南。

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收稿日期：2021-11-15;修回日期：2022-04-28

作者簡介：張 鵬（1983-），碩士，工程師，主要從事醫用耗材節能管理工作。