磷脂聚合物光引发接枝聚合改性聚对二甲苯薄膜

磷脂聚合物光引发接枝聚合改性聚对二甲苯薄膜 摘要 聚对二甲苯薄膜由于其电绝缘和防潮性质已经被用于可移植的电子元件中。 为了提供一个润滑的和抗生物污垢的表面，运用紫外线照射以及二苯甲酮作引发 剂，在其表面接枝磷脂聚合物—聚2-甲基丙烯酸乙二醇脂基磷酰胆碱（MPC）仿生。聚2-甲基丙烯酸乙二醇脂基磷酰胆碱接枝在对二甲苯膜上，经衰减全反射， Fourier传递膨胀辐射、X射线光电子光谱学和椭圆偏光法证实，在干燥的情况 下，聚对二甲苯膜被平均厚度为140nm的聚2-甲基丙烯酸乙二醇脂基磷酰胆碱 接枝层彻底覆盖。原子力显微镜（AFM）的图象显示了在潮湿环境下聚2-甲基丙烯酸乙二醇脂基磷酰胆碱接枝链伸长。但是，在干燥条件下它们形成球状组织。 水的接触角测量显示了在聚2-甲基丙烯酸乙二醇脂基磷酰胆碱接枝的表面，有着 41.4度的高滞后，有一个29.5度减少的后退角。结果显示在潮湿环境中，聚2-甲基丙烯酸乙二醇脂基磷酰胆碱接枝链获得了可移动性。在水中，聚2-甲基丙烯酸乙二醇脂基磷酰胆碱接枝膜的平均动摩擦系数是0.018，比原先的膜的动摩擦系数低90%。由于聚2-甲基丙烯酸乙二醇脂基磷酰胆碱的接枝，在活体外，单 一的蛋白质的吸附被减少了70%以上。水合的聚2-甲基丙烯酸乙二醇脂基磷酰 胆碱接枝链被认为提供了润滑和抗生物污垢的特性。对表面电动电势的测量阐明 了聚2-甲基丙烯酸乙二醇脂基磷酰胆碱接枝表面的电中性。从而得出结论，在聚 对二甲苯薄膜上接枝聚2-甲基丙烯酸乙二醇脂基磷酰胆碱，显著地提高了表面性 质，并且相应地改善了它的生物性能。 1前言 通常，生物材料的表面要求抗生物污垢性质以抵抗蛋白质吸附和细胞黏着。 这是因为被紧紧地吸附的蛋白质会引起血栓形成、发炎和细菌在人体的附着。这 ，[12]些生物反应在生物医学装置植入中就形成了。除此之外，表面的亲水性和可 [3-5] 植入生物医学装置的光滑性对最小化生物反应和组织刺激是必不可少的。聚对二甲苯(商务交易名为-Parylene C)由于展现出优秀的电绝缘性、对氧具有防护 性、防水蒸汽能力、化学稳定性和热稳定性而出名。利用这些性质，聚对二甲苯 涂层已被用于生物医学装置的保护层，例如，金属伸展、可植入的电极探测器和 [6-9]电子管电路图。这些涂层能有效地防止基础材料被氧化,并且能形成光滑表面以减少同周围组织的验证性反应。最近，聚对二甲苯涂层被用于生命分子的微分 [10]析装置。但是，聚对二甲苯涂层仍旧不能充分地实现抗生物污垢的性能、亲 水性和光滑性。因此，要对聚对二甲苯膜进行表面改性以满足生物医学应用和生 物方面的运用。对仿生的聚合体的表面改性是一种有效地提高材料生物兼容性的 方法。我们集中研究带有两性离子的磷酸胆碱官能团(PC)的聚合物。根据细胞膜结构理论，了带有磷酸胆碱官能团的异丁烯酸，即2-甲基丙烯酸乙二醇脂基磷酰胆碱（MPC）。若干含有磷酸胆碱单元的聚合物都表现出良好的抵抗蛋白质 吸附和细胞黏着的性能。因此，之后血栓的形成、细胞毒反应、免疫反应和炎症 [11-20]。抗生物污垢性能和生物隐性效应归咎于围绕在磷性的反应显著地被减少了 [21-23]酸胆碱官能团周围的高度水化层中的水的独特结构。除此之外，据发现，包 [24]含聚MPC的表面在水介质中展现良好的润滑性。聚MPC的厚的水化层似乎对植入的医学设备和周围的组织间的接触面起着润滑作用。在此研究中，我们将 从聚对二甲苯层上接枝聚MPC。这种接枝方法利用了聚合体表面的活性物种和 [25]高的接枝密度去开始单体从表面上的聚合。反应在感光过程下进行，使用二 苯甲酮当作光引发剂。接枝的其中一个特色是，同底物和后来的低风险的分离物 之间共价键是化学稳定的。聚MPC接枝的另一个优势是，在干燥条件下与水分 子有着更快的反应，即干的经MPC接枝的表面在一分钟内就能达到平衡膨胀状 态。具有生物兼容性的聚对二甲苯膜可能不仅用于可植入的生物医学装置，更能 够用于运用在生物环境中的的微型设备。 2 材料和方法 2.1. 材料 [26] 用先前描述的方法对MPC进行合成，然后从乙腈中再结晶。Di-p-xylylene (DPX)是聚对二甲苯的化学前身，从Kishimoto Sangyo (日本东京)得到。牛的血浆中纤维蛋白原从日本的Sigma–Aldrich购得。Dulbecco的磷酸盐缓冲盐水(PBS, pH 7.4, 0.15 M)从Invitrogen得到，可直接使用。其他额外的纯的反应物和溶剂可从 商业途径购得，不需要经过任何处理。在全部的实验中需要用蒸馏水和高纯度的 氩气。 2.2. 聚对二甲苯覆盖在玻璃上 用热化学气相淀积(CVD)技术，利用专门的涂层系统仪器将聚对二甲苯覆在 一玻璃板(20mm×20mm× 0.5 mm)上。首先，用氧化血浆清洁玻璃板，接着用硅 烷电偶试剂覆盖玻璃板。然后，将0.5 g的DPX放入加热炉中，自动地进行化学气 相淀积。聚对二甲苯的化学反应被以下步骤所控制：在1 Torr，175?时DPX单体 汽化，在0.5Torr，700?时热解，最终，在0.1Torr，25?时Parylene C在底物上沉积[27]。在玻璃板上聚对二甲苯层的厚度在于DPX的进料量，在这次，聚对二甲 苯层的厚度大约5µm。 2.3. 聚MPC接枝在聚对二甲苯 [28]。将被聚对二甲苯覆盖的玻璃板浸在 运用先前相同的技术进行接枝反应 30mL含有1 wt.% 二苯甲酮的丙酮溶液中。然后在25?，无光条件下将板在真空 机中干燥一个小时。在脱气纯水中准备0.25 mol/L (7.38 wt.%)的MPC水溶液；为了除去残留的氧气，在使用前通入3分钟氩气。干的被聚对二甲苯覆盖的板浸在 MPC水溶液中，并且用玻璃板盖着。位于聚对二甲苯层和玻璃板之间的MPC水溶液的量为10µL/cm2。感光的接枝聚合反应使用500W超高压的汞灯。在25?没有滤光器条件下，灯放置在距离10cm处120分钟。反应结束后，将膜用水和乙醇 清洗两小时，在室温下干燥24小时。 2.4. 表征 2.4.1. XPS测量 表面的元素组成通过用镁作阳极非单色光源的X射线光电子光谱(XPS, Shimazu/Kratos)确定。在使用前，所有的样品都在真空机中进行彻底干燥。观察 扫描用来识别C 1s, O 1s, N 1s, P 2p和Si 2p元素。扫描在光电子起飞角为90? and 20?时进行。对每个样品而言，在三个地方采集数据。所有的被束缚能量都与285电子伏特处C 1s的峰有关。元素的原子浓度取决于相应的峰面积。 2.4.2. ATR-FTIR测量 膜的FTIR光谱的测量使用衰减全反射设备分光计,在干燥条件下进行。光谱 -1-1在4cm的分辨率下从650-4000cm被下来。在测量前，记录下在入射角45?处新鲜、干净的ZnSe晶体的单个光线参照光谱，用于背景光谱。 2.4.3. 椭圆光度法测量 在干燥条件下，聚MPC接枝层的厚度由一偏振光椭圆率测量仪决定，He–Ne激光(632.8 nm)入射角为70?。在测量中使用的聚对二甲苯和MPC的折射率（n）r分别为1.63 和 1.49,两者的消光系数（ke）都是0.00。所有的测量都在室温条件 空气下进行。每个样品的数据采集自9个位置。 2.4.4. AFM观察 在干燥条件下和在水中的表面形态的AFM图象用毫微秒示波器以轻叩法的 方式进行分析。对于空气中的测量，高度为15-20µm的各向异性的硅探针被装在 一个弹性常数为40N/m的矩形梁上，使用大约210–250 kHz的共振频率。在水中的测量使用流体单元。高度为2.5–3.5µm的正四面体的四氮化三硅被用来装在弹 性常数为0.06或0.32N/m的三角形用硅树脂氮化物作的悬梁上。使用大约7-9 kHz的共振频率。在干燥和在水中，扫描速率分别为1和0.5Hz。所有样品的图像尺寸为10µm×10µm。 2.4.5. 水接触角测量 静态和动态的水接触角在室温下用测角器测量。在测量前，样品在真空中干 燥24小时。在静态测量中，膜与6µL的水滴接触，每隔10秒，接触角用照得的图 象直接测量。每个样品的数据采自十处。在动态测量中，用相同的方法每隔0.1秒测量水滴的前进和倒退角。水滴的体积变化率为20µL/s。 2.4.6. 电动电势测量 表面电动电势的测量用流动电势测量的方法，在0.01Mol NaCl溶液中，使用用测量设备和25?下被聚丙烯酰胺覆盖的辅助平板(10mm×30mm×60 mm)。被羟基丙基纤维素(Mw = 300 k, 科学聚合物产品, NY, USA)包裹的聚苯乙烯乳胶粒 子（直径520纳米、otsuka电子设备）被用作可动性监视粒子。 2.4.7. 聚对二甲苯的稳定性评估 紫外线或辐射对聚对二甲苯膜总体性质的影响通过微分扫描量热法(DSC)和一般的傅里叶转换红外光谱进行分析。将沉积在玻璃板上的聚对二甲苯在有和 没有引发剂附着时都暴露在紫外线光下两小时。样品在25?时在乙醇中漂洗10分钟。另外，干的聚对二甲苯层从玻璃板上剥落。DSC设备被用来测量聚对二甲 苯层的热性能。将0.2 mg的聚对二甲苯膜蜡封在一铝锅中。在50 mL/min的氮气流中，通过加热、冷却在?50 到 350 ?范围内进行测量。此外，利用分光计对 膜的红外光谱进行分析。 2.4.8. 摩擦测试 启动时（静态）和稳态时（动态）的表面摩擦系数用摩擦试验器在干燥条件 下和在水、PBS、乙醇和己烷中进行测量。将膜切成25mm×45 mm的矩形，在反应前和反应时完全浸在溶液中。测量使用不锈钢圆盘（直径25mm）在50g的负荷下将膜滑动。扫描速度为10 mm/s，扫描范围为20mm。 2.4.9. 蛋白质吸附评价 为了诱发接枝表面的抗生物污垢性质，活体外单一的蛋白质吸附实验在PBS环境下进行[30]。改性和未改性的聚对二甲苯膜(n = 5)分别浸泡在4.5 mg/mL的牛 4)和0.3 mg/mL的牛血清中的纤维蛋白原(Mw = 血清白蛋白(Mw = 6.7×10 53.4×10)。首先，将膜在PBS中进行水合作用24小时。然后，将样品移入含有单 一蛋白质的溶液中，在37?、缓慢摇动下，进行3小时的蛋白质吸附。接着，在 密封条件下，每个膜被浸在新鲜的PBS中，摇晃50次。在此之后，样品被转移到 含有1mLPBS溶液和1 wt.% 十二烷基硫酸钠（SDS）的容器中，表面所吸附的蛋 白质被在2分钟内因为超声波作用而解吸。根据BCA方法得到的对蛋白质整套分 析被用于确定在SDS溶液中被分散的蛋白质的浓度。用一个560 nm的吸收比色计测量在SDS溶液中的蛋白质浓度。由分散的蛋白质和聚对二甲苯膜的表面积(3.53 2cm)来计算单位面积上没有明确地被吸附的蛋白质的数量。 3 结果和讨论 3.1. 聚MPC接枝到聚对二甲苯上 从聚对二甲苯玻璃板上的感光的接枝聚合在MPC的水溶液中进行。图1显示了聚MPC接枝到聚对二甲苯上的概要。二苯甲酮显示出良好的光化学反应[31]。首先，二苯甲酮的分子被紫外线激活。接着，被激发到三重线状态的分子从底物 的碳氢化合物中吸取一个氢原子，从而产生聚合物自由基引发单体的接枝聚合。 被激发的二苯甲酮分子最终变成苯频哪醇。在这过程中，在被引入单体溶液之后， 二苯甲酮仍旧附着于聚对二甲苯表面，因为二苯甲酮分子不溶于水溶液。因此， 接枝的位置被限制在聚对二甲苯表面。 另外，由于低能的紫外线照射源和适度的反应温度，这个接枝反应对总体性 质有着一定的影响。事实上，我们通过微分扫描量热法(DSC)和一般的傅里叶转换红外光谱研究了紫外线光或辐射对聚对二甲苯膜总体性质的影响。DSC在50 mL/min的氮气流中，通过加热、冷却在?50 到 350 ?范围内进行测量。对于裸 露的聚对二甲苯膜和另一暴露在紫外线中120分钟、处在有二苯甲酮吸附但不含 MPC单体的水溶液中的聚对二甲苯膜，它们在玻璃化转变温度、解链温度和红 外线光谱上没有任何差别。 3.2. 表面表征 表1罗列了用XPS在起飞角为90?and 20?时进行测量得到的聚MPC接枝的聚对二甲苯膜的元素组成。在起飞角20?时氮和磷的元素成分低于起飞角90?时氮和磷的元素成分；结果显示，在用XPS测量时的高真空状态下，亲水的PC官能团被藏于接枝层的内部，而疏水性的甲基官能团则出现在最外层表面。在起飞角为90?时，氮和磷的成分以及N/C和P/C的比和聚MPC中的这些理论值几乎是一样的。 实验所得的在聚MPC接枝的聚对二甲苯膜上的N/P的值比它的理论值1要略微低些。 图2显示了在干燥条件下聚MPC接枝的聚对二甲苯膜和未改性的聚对二甲 苯膜的ATR-FTIR光谱。在聚MPC接枝的聚对二甲苯膜上观察到了新的波峰；这 ?1): 1730 (O–C=O), 1242 些新的波峰对应于聚MPC中的功能性官能团。FTIR (cm +(O–P–O?), 1078 (P–O–C), 966(N–(CH3)3)。 椭圆光度法测量显示了，在干燥条件下聚MPC接枝层的厚度为140?20 nm（表2）。考虑先前的报道[32，33]，140 nm的平均厚度对于接枝层的厚度是偏 大的。聚MPC接枝链的大分子量或者类似水凝胶的结构似乎已在聚对二甲苯膜 上形成。先前关于类似聚MPC接枝到聚二甲硅氧烷的报道指出，聚MPC接枝链的交联或者进一步的聚合都是由辐射引发的，从而造成了厚的层[24]。但是，很难阐述清楚完整的反应机理，因为接枝的聚MPC的分子量是不可探测的，并且 自由基聚合引发了高分子量的分布。 图3显示了在干燥情况下（a）和在水中（b），对于表面改性所产生的在聚 对二甲苯膜上表面形态的变化。此外，还显示了图象面积的均方根粗糙度(RMS)和最大的波峰到波谷的距离(P–V)。AFM 3D在干燥条件下的图象显示了位接枝的 聚对二甲苯表面的RMS和P–V分别为4.0和13.6 nm。考虑到玻璃板的低RMS (?1 nm)，热的CVD涂层显示出相对粗糙的表面。经聚MPC接枝后，聚对二甲苯膜的 RMS增加到12.4 nm，P–V也增加到36.5 nm（图3（a））。聚MPC接枝链形成了一球状结构，从而使RMS达到12.4 nm。这个关于RMS的结果与椭圆光度法中聚 MPC接枝层厚度的20nm分布的结果相一致。蘑菇状的结构的平均直径为1-3µm；这显示出在干燥环境下，由于PC官能团之间强烈的相互作用，聚MPC接枝链聚集在一起。在湿的条件下，聚MPC接枝的表面的RMS下降到10.4 nm，尽管由于它对水的惰性，未接枝的表面的RMS也是10.4 nm（图3（b））。但是，50 µm×50µm，高200nm以上的一些巨大的接枝链被观察到是相反的。这是因为，长的聚MPC接枝链在干燥情况下聚集，在湿的情况下是水合的。 由于接枝作用，聚对二甲苯表面的静态水接触角从94.8?下降到46.5?（表2）。动态的接触角在前进过程中从91.7?下降到 70.9?，在后退过程中从75.0?下降到 29.0?。后退的接触角的显著下降在于聚MPC链中有亲水的PC官能团，水分子在其周围快速吸附。聚MPC接枝聚对二甲苯表面存在的41.4?的高度滞后是由聚MPC链重取向引起的，聚MPC链在干燥情况下聚集。 表面的电位电势由于接枝作用从?17.5改变为0.8mV（表2）。这是由于在聚MPC接枝链中的两性PC官能团形成内盐，因此静电效应减少了[14，26，30，36]。 这种现象同生物膜中自然的磷脂、磷酰胆碱表现的一致。 3.3. 润滑性能 图4（a）显示了在干燥条件下和在水和PBS中聚对二甲苯膜上的摩擦系数。 由于聚MPC的接枝和水分子的出现，静态和动态的摩擦系数都减小了。在湿的 情况下，在改性膜表面的动摩擦系数被减少了将近90%。在干燥条件下，接枝后，静态和动态摩擦系数分别从0.369和0.145增加到0.859 和0.542。在湿的情况下，聚MPC接枝聚对二甲苯膜的摩擦系数的减少被认为由于 水合的聚MPC接枝层的出现和在PC官能团周围高度关联的水分子。这些现象同 接触角和AFM测量实验相一致。水合的聚MPC链被认为表现出良好的润滑作用。 相反的，在干燥和潮湿条件下，未接枝的聚对二甲苯膜的摩擦系数是稳定的。这 个结果显示聚对二甲苯没有与水分子和盐进行强烈的相互作用。这是由于聚对二 甲苯良好的电绝缘性和防潮性。 为了研究溶剂对聚MPC接枝表面的摩擦特性的影响，选择了乙醇和己烷。 图4（b）显示了在水、乙醇和己烷中，接枝的和未接枝的聚对二甲苯膜动摩擦系 数的比较。在水中和乙醇中的动摩擦系数比在己烷中的低90%以上。这种差异是由于聚MPC接枝链与溶剂的亲和力。我们都知道，对于聚MPC水和乙醇是良好的溶剂，但是己烷不是。因此，选择性的溶剂化的接枝链充当润滑剂。相反，在 差的溶剂中形成的球形形状的接枝链就增加了吸附性。这个解释很好地与在干燥 条件下聚MPC接枝的聚对二甲苯膜的摩擦特性相符合。这些摩擦实验指出了在 良好溶剂中的高度饱和的聚MPC接枝链对它的表面有润滑作用。Muller等人详细地报道了由于良好溶剂的实际吸附引起的在聚乙二醇接枝表面的润滑行为[37]。他们关于选择性溶剂化作用润滑表面的结论也支持了我们的设想。 3.4. 蛋白质吸附 图5显示了非特殊蛋白质吸附在聚对二甲苯表面的数量。经过接枝，典型的 血浆蛋白，如白蛋白和纤维蛋白原在聚对二甲苯膜上的吸附分别减少了73%和 78%。这些结果暗示了聚MPC接枝的聚对二甲苯膜显示出血液兼容性。假设在聚 MPC接枝表面上，蛋白质的吸附抗性机理是基于水的结构，而水的结构是由水 分子和PC官能团之间的相互作用造成的。在PC官能团周围的大两的自由水被认 为推开了蛋白质，并且阻止了被吸附的蛋白质的结构变化[21-23]。蛋白质吸附的减少被认为是由于在PC官能团周围的存在一层厚的水化层[33-35]。后面的理论同水接触角实验和在水中聚MPC接枝聚对二甲苯膜上的摩擦测试的结果相一 致。聚MPC接枝聚对二甲苯膜被认为呈现出组织兼容性和血液兼容性，因为先 前的研究已经发现包含聚MPC的表面在活体内发挥组织兼容性[19，38-39]。尽管对血液和组织兼容性的直接评估需要聚对二甲苯体系，但是用PC聚合物接枝对表面进行改性是发展可植入生物材料的有利后备选择。 4 结论 感光的聚MPC的接枝在没有改变聚对二甲苯层总体性质的情况下对其表面 进行改性。聚MPC接枝链在好的溶剂中有快速的反应，并且获得高的链流动性。 聚MPC接枝层高水合性加强了聚对二甲苯膜的润滑性和抗污垢性能。这种表面 改性提供了一种新的方法去增强被聚对二甲苯覆盖的表面的生物兼容性。 感谢 我们真诚地感谢东京大学的Dr. S. Takeuchi和Dr.H. Suzuki，感谢他们在聚对二甲苯涂层上提供的帮助。对东京内科和牙科大学的Dr. T. Hanawa和Dr. Y. Iwasaki在椭圆光度法支持，我们深表谢意。作者对21世纪COE中的―化学领域与人类友好的材料‖所给予的基金表示感谢。