等離子體表面處理技術(shù)在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用概述

對氣體施加電壓使之產(chǎn)生輝光放電的技術(shù)，或者稱做“等離子體”技術(shù)，在醫(yī)療器械領(lǐng)域已經(jīng)成為了一種解決表面預(yù)處理問題的有力工具。等離子體不僅可用于表面的極端清潔和消毒，它還可以改善生物材料對體外診斷平臺以及生物相容性涂層對體內(nèi)器械的粘合性。的確，等離子體不僅可以活化表面從而有利于細胞或生物分子的固定，還可以反過來產(chǎn)生光滑的表面，從而抵抗生物污染，或用于計量藥物的配制。等離子體還可以大大提高微流體器械的功效。臨床診斷裝置上的微通道可以在不影響自身分析性能的情況下變得對生物流體更加“浸潤”。等離子體同樣應(yīng)用于一些低端技術(shù)領(lǐng)域，例如改善導(dǎo)管的油墨標記，提高注射器針頭對針筒的粘合力。另外，由于等離子體是一種干法表面處理技術(shù)，不需要處理廢棄的化學(xué)品，從而成為了只需極少量消耗品的綠色工藝。在這篇文章中，我們將討論在體外診斷平臺工業(yè)中等離子體技術(shù)的功能。我們將關(guān)注等離子體如何控制表面能量，以及如何修飾表面化學(xué)性從而改善對生物材料的粘附性。在等離子體魔術(shù)般的對表面進行改性的背后的科學(xué)依據(jù)是什么呢？

什么是等離子體？

圖1：四種物質(zhì)狀態(tài)的示意圖。等離子態(tài)與氣態(tài)的根本區(qū)別是等離子態(tài)可以是電導(dǎo)性的。電子擺脫了原子或分子的引力從而可以通過電子的碰撞來傳遞能量。

等離子體和固體、液體或氣體一樣，是物質(zhì)的一種狀態(tài)。對氣體施加足夠的能量使之離化成等離子狀態(tài)。等離子體的“活性”組分包括：離子、電子、活性基團、激發(fā)態(tài)的核素（亞穩(wěn)態(tài)）、光子等。控制和駕馭這些活性組分聚集后的性能可進行各種各樣的表面處理，例如納米級別的清潔、活化表面的浸潤性、化學(xué)接枝、涂層沉積等。

等離子體的高化學(xué)活性用來在不影響基材的情況下改變表面的性能。實際上可以控制這些部分離化的氣體所攜帶的能量，使之含有很低的“熱”能。實現(xiàn)的方法是通過把能量與自由電子而不是與更重的離子進行耦合，這樣便可以處理對熱量敏感的聚合物，例如聚乙烯和聚丙烯。能量是如何與氣體耦合的呢？大多數(shù)情況下是通過在低壓環(huán)境下在兩個電極間施加電場。這就像熒光燈的工作原理，唯一的區(qū)別是不讓光發(fā)出。我們支配他的化學(xué)性能來處理材料的表面。等離子體也可以在大氣壓力下產(chǎn)生。在過去，大氣壓等離子體溫度太高而不能作為表面處理的工具。最近，改進的技術(shù)可以在大氣壓力下產(chǎn)生低溫等離子體，可應(yīng)用于大多數(shù)對溫度敏感的聚合物的處理。

等離子體如何改變表面的性能？

圖 2：作為表面處理工具的等離子體大多數(shù)情況下是在一個低壓真空腔室內(nèi)產(chǎn)生。隨著技術(shù)的進步在大氣壓力下產(chǎn)生等離子體已經(jīng)開始普及，并且被越來越多的應(yīng)用。圖 2a是PVA Tepla公司的臺式低壓等離子體系統(tǒng)。這種類型的系統(tǒng)具有先進的性能，很適合于單元式工業(yè)以及實驗室中適用。圖 2b是 PVATepla公司的大氣壓等離子體筆的特寫。這種設(shè)計把電壓和電流安全的控制在等離子體筆體內(nèi)部，它可用于在線式應(yīng)用或者選擇性的局部處理。

假設(shè)一個固體的表面吸附了碳氫污染物。這些污染物很容易與等離子化的氧元素反應(yīng)。氧攻擊吸附的碳氫化合物，從而轉(zhuǎn)變成CO2 和 H2O。圖3是一個簡單的反應(yīng)機理。對于易氧化的表面，可以選擇用等離子化的氫氣進行表面清潔。氫不僅可以把表面的部分有機物變成揮發(fā)性的烴，還可以減少銅、鎳、銀等金屬的氧化。

等離子體的化學(xué)特性幾乎取決于原料氣體。例如，O2, N2, N2O, CO2等可產(chǎn)生氧化性等離子體。這些氣體用于把表面對于極性溶液變得更加浸潤，或者親水。這是通過等離子體誘導(dǎo)共價的氧鍵變?yōu)轸驶?、羧基、羥基等官能團來實現(xiàn)的。這些極性官能團可增加表面的能量，因此，可使組織細胞更好的黏附，或者使分配到診斷平臺上的分析物可以更容易的流過微流體通道。

Ar/H2，NH3等可產(chǎn)生還原性的等離子體。這些氣體已證實可有效的活化碳氟化合物，如PTFE。因為PTFE的惰性和生物相容性，它是制造體內(nèi)醫(yī)療器械的理想材料。但這些特點又是加工PTFE的不利因素，比如需粘附到合成支架上以促進體內(nèi)裝置上的組織生長。還原性的等離子體可通過降低整個表面的氟濃度，用羥基等官能團置換氟原子來解決這些問題。表面的羥基可提供支撐這些合成支架的定位點。

一些應(yīng)用需要將主材料進行侵蝕。NF3，SF6，CF4等含氟的氣體很適合用來刻蝕碳氫聚合物、硅以及氧化硅、氮化硅等材料。等離子體除了很強的化學(xué)作用之外，直接性的作用也扮演了很重要的角色，帶有動能的粒子撞擊表面可以去除更多的表面惰性污染物（例如金屬氧化物以及其他無機污染物），以及在適當?shù)奈恢檬咕酆衔锝宦?lián)來保持等離子體處理的效果。

可以通過等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝來生長聚合物涂層。PECVD是通過在等離子體中活化單體等核素，并誘導(dǎo)它們在工件的基面發(fā)生聚合來工作的。PECVD涂層具有防護層、防粘、防劃等一些性能。另外有些涂層含有一些特殊的官能團，例如-NH3，-OH，-COOH。這些官能團為后續(xù)的接枝提供了合適的接合位置（例如為生物材料而固定蛋白質(zhì)或傳感劑），或者可以提高官能團涂層的結(jié)合力（例如抗凝血酶原、潤滑、IV型膠原質(zhì)等）。沉積涂層的表面化學(xué)性決定于幾十納米深度的外表面。

等離子體能對IVD平臺做些什么？

等離子體在醫(yī)療器械行業(yè)中的應(yīng)用確實是非常廣泛的。因此，本文將主要集中在已通過我們的研發(fā)部門證實以及和醫(yī)療診斷平臺工業(yè)相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域。在這個領(lǐng)域等離子體用來為下游工藝做表面清潔的準備，以及活化表面從而有利于生物材料的粘合。后者通過改變表面極性、接枝特殊的官能團或在表面聚合涂層來實現(xiàn)。為了更好的理解等離子體如何調(diào)整表面來滿足應(yīng)用的需求，讓我們來看一些重要的例子。

微流體裝置和親水性

表面能是一種決定浸潤性、生物污染易感性等因素的材料性能。通常，具有高表面能的材料是親水性的，對血漿、細菌細胞懸浮液、緩沖液、油墨、膠水等流體以及各種吸附物和涂層具有浸潤性。另一方面，低能量的表面稱為疏水性，具有“不粘”的特性。將在下面討論這些“不粘”表面。

通常，微流體裝置需要親水性的表面以便于分析物可以持續(xù)平緩的流經(jīng)微通道而到達探測和處理部件。這種流動可通過各種抽吸、電滲透、熱量、機械等方法來實現(xiàn)。與培養(yǎng)基（見下面）一樣，微射流器件由疏水性的聚合材料（丙烯酸、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成。由這些材料的疏水性導(dǎo)致的一個主要問題就是在微通道中捕集的氣泡抑制了液體的流動。即便通道用酒精和緩沖液處理過，仍存在氣泡問題。用等離子體處理可以氧化微通道的表面，使它們變成親水性，從而防止氣泡的形成。電動抽吸時的表面電荷密度同樣會影響流動速率。電動抽吸通過把電能轉(zhuǎn)換為動能的電反應(yīng)原理來驅(qū)動流體通過微通道。帶電表面會吸引電解液中的帶有反性電荷的微粒。這樣可以使這些微粒仍保留在流體中，通過電動抽吸而更容易的通過通道。等離子體可以有效地促進帶電表面的電泳或電滲透流動。

圖 3：上面的反應(yīng)機理是等離子產(chǎn)生的氧基團攻擊吸附在表面的碳氫化合物的簡單示意圖。還存在眾多其它的機理包括不同的氧的激發(fā)狀態(tài)，如自由基態(tài)和二價分子。吸附在表面的碳氫化合物可以被等離子體中的電子碰撞所激化，從而提供另外可行的反應(yīng)路徑。