Способ модификации поверхности полимера
Владельцы патента RU 2325192:
ФГУП "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина" (RU)
Способ модификации поверхности полимера включает обработку поверхности полимера импульсным плазменным распылением графитовой мишени. Распыление проводят с частотой импульсов 0,5-0,9 Гц. В процессе распыления осуществляют травление поверхности автономным ионно-лучевым источником в кислородсодержащей смеси с инертным газом с концентрацией кислорода 10-30 об. частей. Изобретение позволяет получать гидрофильно-гидрофобные наноструктуры на поверхности полимера, размеры которых соизмеримы с размерами биологически активных молекул. 3 табл.
Изобретение относится к области медицинского материаловедения, конкретно к подготовке поверхностей медицинских полимеров с улучшенными биосовместимыми свойствами, и может использоваться в имплантационной хирургии.
В настоящее время основной проблемой в трансплантационной медицине остается совместимость чужеродных поверхностей искусственных органов с кровью. Для решения этой проблемы применяют различные методы модификации поверхности полимеров с целью получения необходимых медико-технических параметров поверхности полимеров и изготавливаемых из них имплантантов.
Известен способ модификации поверхности тонких полимерных пленок с помощью воздушной плазмы или ультрафиолетового излучения [1]. Пленки поливинилхлорида подвергали воздействию воздушной плазмы или коротковолнового УФ-излучения. Оба источника модификации вызывают окисление поверхности, которое связано с образованием функциональных групп, повышающих смачиваемость (гидрофильность) поверхности полимера, что должно, по мнению авторов, привести к повышению биосовместимости поверхности.
Однако этот способ не позволяет регулировать технологический процесс таким образом, чтобы обеспечить заданные физико-химические, а вследствие этого и медико-технические параметры поверхности.
Наиболее близкой по техническому решению к предлагаемому изобретению является работа [2]. Способ модификации поверхности полимера плазменным импульсным распылением графитовой мишени с частотой следования импульсов 1-2 Гц со скоростью осаждения углерода 0,1-0,2 нм/с до толщины 5-12 нм.
Описанный в работе [2] способ предусматривает модифицирование поверхности путем образования на ней углеродных кластеров. При этом создается определенное соотношение гидрофобных и гидрофильных центров адсорбции, обеспечивающих впоследствии избирательную адгезию белков плазмы крови. Гидрофобными центрами являются свободные от осаждаемого углерода пространства подложки полимера, а гидрофильными - кластеры нанесенного углерода. Большим недостатком данного способа является образование капельной фазы углерода, имеющей слабую адгезию к поверхности полимера, что нарушает гидрофильно-гидрофобный баланс модифицированной поверхности, необходимый для ее биосовместимости [3].
Целью изобретения является улучшение биосовместимости медицинских структур путем получения гидрофильно-гидрофобной наноструктуры на полимерах, предназначенных к использованию в медицине.
Поставленная цель достигается тем, что в способе модификации поверхности полимера, включающем обработку поверхности полимера импульсным плазменным распылением графитовой мишени, распыление графитовой мишени проводят с частотой импульсов 0,5-0,9 Гц, при этом в процессе распыления осуществляют травление поверхности автономным ионно-лучевым источником в кислородсодержащей смеси с инертным газом с концентрацией кислорода 10-30 об. частей.
Для травления формирующегося при этом на поверхности полимера углеродного покрытия использовалась кислородсодержащая смесь с инертными газами с концентрацией кислорода 10-30 об. частей при энергии ионов 50-250 эВ. Такая энергия ионов является общеизвестной. Диапазон концентрации кислорода определяется конструкционными и технологическими особенностями способа, зависит от типа используемого оборудования, свойств полимера и выбирается Пользователем в указанном диапазоне самостоятельно. Укажем, что концентрация кислорода за пределами 10-30 об. частей в смеси приводит к резкому снижению достигаемого эффекта. Подтравливание образующегося углеродосодержащего покрытия необходимо для удаления капельной фазы и кластеров больших размеров (более 500 нм). Поскольку скорость осаждения углерода в смеси аргона с кислородом, измеряемая профилометром Alfa Step-200, составляет 0,1-0,2 нм/с [2], а скорость его же травления около 0,05 нм/с, частота импульсов при осаждении углерода должна быть менее 1,0 Гц. Действительно, при частоте импульсов 0,5-0,9 Гц источник обеспечивает постоянное травление поверхности модифицированного полимера и производит десорбцию атомов углерода со слабой адгезией к подложке. При частоте свыше 0,9 Гц не происходило заметного удаления капельной фазы. При частоте менее 0,5 Гц скорость осаждения углерода резко уменьшалась.
Таким образом, частота импульсов в диапазоне 0,5-0,9 Гц является оптимальной для воспроизведения заданных толщин углеродного покрытия и обеспечения удаления капельной фазы и кластеров больших размеров.
Источник ионно-лучевого травления может быть включен как во время всего процесса модификации, так и между импульсами плазменного распыления графитовой мишени.
Пример конкретной реализации
Для демонстрации предлагаемого изобретения нами выбрана установка типа УВИИПА-1 с мишенью из графита, расположенной напротив подложки на расстоянии 30 см. В качестве исходного полимерного материала был использован полиэтилен низкой плотности (ПЭНП, ГОСТ 10354-73), полиуретан «Витур» марки Т-0533-90, полиметилметакрилат (ПММА), синтезированный полимеризацией в растворе, молекулярная масса 70 тысяч. Поскольку модификация носит физический характер, а конденсация происходит из газовой фазы, то модифицирующее покрытие не зависит от химической природы полимера. Таким образом, способ распространяется на целую группу полимеров. Поверхность модифицированных образцов изучалась по углу смачивания.
Для определения изменения гидрофильно-гидрофобного баланса модифицированной поверхности полимеров и формирования на изначально гидрофобной поверхности полимеров использовался метод измерения краевого угла смачивания по воде (бидистиллят). Исследуемый образец помещался на дне оптической кюветы. Микрошприцем на поверхность образца наносилась капля воды объемом примерно 2 мкл. Погрешность измерений составляла ±3°. С телекамеры изображение капли передавалось в компьютер с необходимым программным обеспечением, который аппроксимировал форму капли дугой окружности и вычислял угол смачивания. Как показали проведенные исследования для модифицированных по предлагаемому способу поверхностей, угол смачивания уменьшался до нескольких десятков градусов и составлял 73-75° для полиэтилена, 61-63° для полиуретана, 50-55° для ПММА, что говорит о создании гидрофобно-гидрофильной поверхности. У исходных образцов, которые были практически гидрофобными, угол смачивания составлял 103°, 84° и 70° соответственно (см. таблицу 1).
| Таблица 1 | ||||||
| Зависимость краевого угла смачивания от технологических параметров осаждения углеродной пленки | ||||||
| № образца | Частота следования импульса, Гц | Кол-во импульсов N | Толщина углеродной пленки, нм | Угол смачивания, вода, град. | ||
| ПЭНП | ПУ | ПММА | ||||
| Исх. полим. | 0 | 0 | 0 | 103 | 84 | 70 |
| 1 | 2 | 0,3 | 76 | 67 | 60 | |
| 2 | 0,5 | 10 | 1,5 | 72 | 63 | 55 |
| 3 | 50 | 7,5 | 75 | 61 | 50 | |
| 4 | 100 | 15 | 86 | 61 | 50 | |
| 1 | 2 | 0,3 | 77 | 67 | 60 | |
| 2 | 0,7 | 10 | 1,5 | 73 | 63 | 55 |
| 3 | 50 | 7,5 | 77 | 62 | 51 | |
| 4 | 100 | 14 | 77 | 61 | 55 | |
| 1 | 2 | 0,3 | 78 | 68 | 62 | |
| 2 | 0,9 | 10 | 1,4 | 73 | 63 | 55 |
| 3 | 50 | 7,3 | 75 | 62 | 50 | |
| 4 | 100 | 13 | 87 | 63 | 55 |
Для травления модифицирующего углеродного покрытия использовался ионно-лучевой источник с энергией ионов 100 эВ в смеси аргона с кислородом при концентрации кислорода 15 об. частей. Количество импульсов для формирования структуры n=10.
Измерения, проведенные на сканирующем зондовом микроскопе марки Solver™ Pro в динамическом режиме (тэппинг-мода), показали, что при модифицировании полимеров по предлагаемым в изобретении режимам происходит образование кластерной углеродной структуры (размеры кластеров от 20 до 200 нм) без образования капельной фазы (см. табл.2).
| Таблица 2 | ||||||
| Зависимость размеров кластеров и размеров межкластерных пробельных областей углеродных наноструктур на поверхности ПЭНП и ПУ от частоты f и количества импульсов N генератора плазмы | ||||||
| Поверхность ПЭНП | f, Гц | Кол-во имп., N | Размер кластеров, нм | Размер межкластерных пробельных областей, нм | ||
| ПЭНП | ПУ | ПЭНП | ПУ | |||
| Исходная | - | - | - | - | - | - |
| 2 | 10-100 | 10-100 | 50-400 | 50-400 | ||
| Модиф. | 0,5 | 10 | 20-150 | 20-150 | 40-250 | 40-250 |
| 50 | 20-250 | 20-250 | 20-200 | 20-200 | ||
| 2 | 20-100 | 20-100 | 40-200 | 40-200 | ||
| Модиф. | 0,7 | 10 | 20-200 | 20-200 | 20-150 | 20-150 |
| 50 | 40-350 | 40-350 | 20-100 | 20-100 | ||
| 2 | 40-150 | 40-150 | 20-150 | 20-150 | ||
| Модиф. | 0,9 | 10 | 40-250 | 40-250 | 10-100 | 10-100 |
| 50 | 50-500 | 50-500 | 10-100 | 10-100 |
Из таблицы 1 видно, что образцы, модифицированные в оптимальных (заявляемых) технологических режимах, обладают наименьшим углом смачивания. Значения угла смачивания в диапазоне 73-77° вместе с результатами сканирующей зондовой микроскопии подтверждают образование гидрофобно-гидрофильной наноструктуры. Исходная поверхность гидрофобна, а при нанесении не кластерного, а сплошного покрытия углеродом - практически гидрофильна.
Представленные данные позволяют сделать заключение о том, что предлагаемые режимы являются оптимальными для получения гидрофобно-гидрофильной кластерной наноструктуры (табл.2).
Изобретение позволяет получать регулярно построенные наноструктуры, размеры которых соизмеримы с размерами биологически активных молекул. Предлагаемые технологические режимы модифицирования позволяют воспроизводимо, с достаточной точностью управлять избирательной адсорбцией белков плазмы крови, что, в свою очередь, приведет к повышению биосовместимых свойств поверхности.
Одним из важных критериев гемосовместимости является определение степени активации системы комплемента по общей гемолитической активности комплемента сыворотки крови человека, до и после инкубации, с исследуемыми. В настоящее время этот метод, являющийся методом ex vivo (вне организма), достаточно широко применяется для оценки приемлемости материалов с соответствующими поверхностями в имплантационной хирургии.
В таблице 3 приведен такой важный критерий гемосовместимости, как зависимость относительной константы скорости индуцированной активации системы комплемента Кинд критерий отбора: Кинд≤1,50±0,1, равная отношению (Кинд)обр/(Кинд)купроф белковых молекул от природы поверхности полимера (ПЭНП и полиуретан «Витур») и толщины формируемой на поверхности полимеров углеродной пленки. Чем меньше Кинд, тем в меньшей степени исследуемая поверхность активирует систему комплемента крови - систему гуморального иммунного ответа. Отметим, что для исходных поверхностей полимеров значения Кинд составляли для ПЭНП Кинд=5,1 и для полиуретана Кинд=5,5.
| Таблица 3 | ||||||
| Зависимость значений Кадс и Кинд от технологических условий модифицирования | ||||||
| Частота следования импульсов, Гц | Кол. имп., N/толщина углеродной пленки, нм | Размеры кластеров, нм | Константа адсорбции, Кадс, мл/мг·сек | Относительная константа скорости индуцированной активации системы комплемента, Кинд | ||
| ПЭНП | ПУ | ПЭНП | ПУ | |||
| Исходная поверхность | - | - | - | - | 5,1 | 5,5 |
| 0,5 | 2/0,3 | 20-100 | 0,55 | 0,65 | 3,4±0,4 | 4,7±0,4 |
| 10/1,5 | 20-200 | 0,2 | 0,25 | 2,4±0,4 | 2,5±0,4 | |
| 50/7,5 | 40-250 | 0,15 | 0,2 | 0,8±0,2 | 0,95±0,2 | |
| 0,9 | 2/0,3 | 40-150 | 0,25 | 0,25 | 3,1±0,4 | 4,3±0,4 |
| 10/1,5 | 40-250 | 0,15 | 0,2 | 2,0±0,4 | 2,3±0,4 | |
| 50/7,5 | 50-500 | 0,03 | 0,03 | 0,33±0,08 | 0,4±0,1 |
Обнаружена экстремальная зависимость Кинд от толщины и морфологии кластерных образований. Наименьшая активация системы комплемента наблюдалась у образцов полиэтилена и полиуретана с толщиной углеродного слоя ˜7,5 нм, соответствующей оптимальному режиму работы оборудования и формированию на поверхности полимеров мозаичных углеродных ГГНС.
Значение относительной константы скорости индуцированной активации системы комплемента для этих образцов в 15 раз меньше, чем для немодифицированных подложек, и на порядок отличается от поверхностей, модифицированных в неоптимальных режимах. Данная константа в два раза меньше, чем для гидратцеллюлозной мембраны Купрофан, относящейся к материалам с низкой активирующей способностью относительно системы комплемента крови.
Список литературы.
1. Kaczmarek H. et al. Surface modification of thin polymeric films by air-plasma or UF-irradiation. Surface Sci 2002. 507-510.
2. А.П.Алехин и др. Структура полимер-приповерхностной модифицированный слой и способ ее получения. Патент России №2153887, МКИ 7 A61L 27/30 (прототип).
3. Ю.С.Тремсина, В.И. Севастьянов. Конкурентная адсорбция альбумина и глобулина человека на поверхность силоксалов. Биосовместимость, 1995, 3, 115-123.
Способ модификации поверхности полимера, включающий обработку поверхности полимера импульсным плазменным распылением графитовой мишени, отличающийся тем, что распыление графитовой мишени проводят с частотой импульсов 0,5-0,9 Гц, при этом в процессе распыления осуществляют травление поверхности автономным ионно-лучевым источником с кислородсодержащей смеси с инертным газом с концентрацией кислорода 10-30 об.ч.
