利用低氣壓電容耦合放電等離子體對聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面進行親水改性，對比分析了Ar、N2、Air和O2四種等離子體放電氣體和不同放電功率對其表面的影響。結(jié)果表明，經(jīng)等離子體處理后的PMMA表面親水性和抗蛋白性能均有不同程度的改善，其中Ar等離子體主要起刻蝕的作用，N2、Air和O2等離子體在對PMMA刻蝕的同時，接枝的官能團對其表面性能的改變起到主導作用。
甲基丙烯酸甲酯(PMMA)憑借易加工、高強度和低組織排異反應等優(yōu)點，被用作基體材料，廣泛應用于生物醫(yī)用復合材料領域。作為一種醫(yī)用材料，生物醫(yī)用復合材料綜合了基體與增強材料各自的優(yōu)點，使得復合材料兼具各組分的優(yōu)勢。利用PMMA的優(yōu)勢性能，能夠很好解決傳統(tǒng)醫(yī)用金屬材料與組織結(jié)合不牢固，生物活性差，以及生物陶瓷材料脆性大、不抗彎等問題。然而在醫(yī)用復合材料粘接過程中，由于PMMA的表面潤濕性差，醫(yī)用粘接劑無法完全潤濕，粘接不牢固，使用一段時間后基體與增強組分脫落，導致可靠性差。另一方面，在組織環(huán)境中，由于PMMA表面非特異性蛋白吸附，往往引起細菌感染和局部炎癥。國內(nèi)外大量研究表明，引入極性官能團或者增加粗糙程度可以提高親水性，可使醫(yī)用粘合劑更好潤濕表面，從而增強醫(yī)用復合材料的可靠性。引入表面的親水官能團還能夠與游離水之間形成緊密結(jié)合的水合層，排斥蛋白質(zhì)的接近與吸附，提高組織相容性。
表面親水性的變化
實驗中分別采用Ar、N2、Air和O2作為等離子體工作氣體，對PMMA表面進行改性處理。不同工作氣體放電等離子體對PMMA表面親水性的改善存在一定的差異，如圖1所示，其中經(jīng)Ar等離子體處理后，改性樣品的表面親水性最弱。在等離子體中，電子與Ar發(fā)生非彈性碰撞產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的Ar原子，對PMMA表面發(fā)生轟擊并起到刻蝕作用。一般認為，等離子體刻蝕形貌有利于液滴在表面鋪展。對比N2、Air和O2等離子體對PMMA親水化改性效果，N2等離子體的親化效果不及含有O2分子的Air和O2等離子體。這三種均屬于反應性氣體等離子體，在與PMMA表面作用過程中，不僅有物理刻蝕的效果，還會引發(fā)樣品表面的接枝反應，導致其表面化學組成的變化，促進其親水性的進一步改善。相比較物理刻蝕作用而言，在反應性氣體等離子體環(huán)境中，引入的親水官能團對樣品表面的親水化起主導作用。而N2等離子體相比于O2等離子體所接枝官能團，親水性較弱。
等離子體處理功率對接觸角的影響粗糙度的變化
圖2給出了未處理樣品表面及Ar、N2、Air和O2等離子體處理后的表面形貌圖，PMMA表面均出現(xiàn)了突起和溝壑，表面粗糙程度有不同程度的增加。經(jīng)Ar等離子體處理后，PMMA表面產(chǎn)生的刻痕較為尖銳，高低起伏劇烈，粗糙度算術平均偏差(meana-rithmeticdeviationofroughness，Ｒa)由未處理樣品的10.8上升到45.3nm，這主要是由于Ar等離子體中高能粒子的轟擊，會使PMMA表面產(chǎn)生大面積凹坑，側(cè)鏈節(jié)斷裂成獨立的小分子，其親水性的提高符合Wenzel對粗糙表面的預測，Ar等離子體刻蝕起伏實際上增大了“固-液”接觸面積，使得液滴鋪展接觸面大于表觀接觸面積，在幾何上增強了親水性。反應性的N2、Air和O2氣體等離子體刻蝕過程中，反應基團作用于PMMA表面，與PMMA發(fā)生化學反應并生成可揮發(fā)物質(zhì)。由于氮等離子體的表面氨化反應速率高于氧等離子體的表面氧化反應速率，使氮等離子體刻蝕后的形貌比氧等離子體刻蝕后的形貌更加粗糙。從圖2觀察到，與O2相比，N2等離子處理PMMA的表面粗糙度相對更高。反應性氣體N2、Air和O2等離子體處理表面，尖銳刻痕大量消失，出現(xiàn)較為平滑凹凸。這是由于反應刻蝕部位活性化并產(chǎn)生大量自由基接枝位點，通過反應接枝，官能團以化學鍵的形式與接枝位點緊密結(jié)合，從而降低了樣品表面的粗糙度。243062430624306