一種利用低溫等離子體對膜式人工肺進行表面刻蝕并鍵合β-環(huán)糊精的改性方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用低溫等離子體對膜式人工肺進行表面刻蝕并鍵合β-環(huán)糊精的改性方法。該方法以聚-4-甲基-1-戊烯膜式人工肺為基材，使用標準孔徑的氧化鋁模板通過低溫等離子體刻蝕得到標準孔徑分布的粗糙表面，利用低溫等離子體活化接枝技術在粗糙表面鍵合固定β-環(huán)糊精。本發(fā)明引入具有標準孔徑及孔徑分布的模板使得表面刻蝕變得均勻，增加比表面積的同時產生更多的活性位點。模板技術一定程度上克服了現有技術中存在的材料基材等離子改性中的不均勻性，使得等離子體改性膜的性能得到相對穩(wěn)定的控制，并且氧化鋁模板可以反復使用；表面鍵合β-環(huán)糊精，提高了膜式人工肺表面生物相容性。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及膜式人工肺所使用的高分子膜材料的改性方法，具體涉及一種利用低 溫等離子體對膜式人工肺進行表面刻蝕并鍵合β-環(huán)糊精的改性方法。 一種利用低溫等離子體對膜式人工肺進行表面刻蝕并鍵合 β-環(huán)糊精的改性方法

【背景技術】
[0002] 膜式人工肺，也稱膜式氧合器或氣體交換器，它的主要功能是當機體肺部發(fā)生病 變或損傷時，在開胸手術的體外循環(huán)中代替人體肺臟排出體內代謝過程中所產生的〇) 2、同 時攝取人體必需的(?，以維持肺病患者的生命。
[0003] 對膜式人工肺而言，最核心的組成為膜材料，其性能的好壞直接決定著氧合器氧 合效果的優(yōu)劣。相比較于其它人工器官，人工肺的發(fā)展明顯滯后，主要原因就是由于缺乏高 效的膜材料能有效替代人體肺膜充分進行氣體交換，在60多年的發(fā)展歷程當中，研究者們 實驗了一大批膜材料，這其中既包括聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等常規(guī)聚合物，又有硅橡 膠、PDMS和聚酰亞胺等新型材料。
[0004] 聚4-甲基-1-戊烯（簡稱ΤΡΧ)是一種高結晶透明塑料，密度約為0. 83g/cm3,是 所有塑料中最輕的。TPX微孔膜膜由于具有優(yōu)良的氣體滲透性、耐溫性、耐溶劑性和較高的 機械性能等優(yōu)點，氣體分離、血液透析等方面得到了廣泛的應用。
[0005] 低溫等離子體表面處理是一種新型的表面處理手段，它主要是利用低溫等離子體 離子轟擊材料表面，使得材料表面及近表面層的分子發(fā)生分子化學鍵的斷裂形成大量的自 由基，通過選擇性的使用等離子體在材料表面形成不同的極性基團。通過材料表面的極性 化改性可以提1?材料表面的未水性，提1?抗污染性能。
[0006] 由于低溫等離子體能量通常比常規(guī)共價鍵的鍵能高大約一個數量級，因此該方法 對膜材料進行化學接枝幾乎不存在化學選擇性。同時低溫等離子體化學改性不可避免的會 發(fā)生表面的無規(guī)降解刻蝕以及表面的化學交聯，這些都對材料的表面功能化產生一定的不 可控影響。
[0007] 等離子體模板刻蝕技術主要應用于微電機芯片納米陣列（K. Ostrikov, "Plasma nanoscience :From nature ! s mastery to deterministic plasma-aided nanofabrication"，IEEE Trans.Plasma Sci. 2007)、生物醫(yī)學微器件的加工（F Buyukserin，M Kang，CR Martin，Plasma-Etched Nanopore Polymer Films and Their Use as Templates to Prepare "Nano Test Tubes" .Small2007)以及多孔碳材料的加工（J.Bai， X.Zhong，S.Jiang，Y. Huang and X.Duan，Nature Nanotechnology，2010, 5,190-194)等。模 板法可以在高分子膜材料表面通過等離子體刻蝕形成規(guī)整孔徑分布的粗糙孔。該粗糙孔的 孔徑可以根據模板的孔徑大小以及密度分布進行調節(jié)，同時可以利用刻蝕形成的細孔作為 進一步改性的位點。


【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明提供了一種利用低溫等離子體對膜式人工肺進行表面刻蝕并鍵合β -環(huán) 糊精的改性方法。該方法以聚4-甲基-1-戊烯膜式人工肺為基材，通過低溫等離子體技術 引入了 β -環(huán)糊精分子，得到了表面孔徑分布均勻，比表面積大、具有良好生物相容性的表 面。
[0009] 發(fā)明技術方案：本發(fā)明主要設計了一種利用低溫等離子體對膜式人工肺進行表面 刻蝕并鍵合β-環(huán)糊精的改性方法。該方法的流程如圖1所示。
[0010] 本發(fā)明是這樣實現的：
[0011] ①將膜式人工肺用聚4-甲基-1-戊烯（以下簡稱ΤΡΧ)膜表面覆蓋一層標準孔徑 的陽極氧化鋁模板，進行低溫等離子體刻蝕得到均勻的粗糙膜表面；
[0012] ②等離子活化ΤΡΧ膜粗糙表面，使用β -環(huán)糊精堿性溶液浸泡的方法進行表層化 學鍵合；
[0013] ③使用等離子體處理進行表面鍵合狀態(tài)的穩(wěn)定化，在膜的活性位點固定β -環(huán)糊 精基團從
[0014] 而實現表面生物相容性改進。
[0015] 本發(fā)明的特征在于：
[0016] 陽極氧化鋁模板孔徑50-200nm，孔間距100-500·，厚度為50-70 μ m，可以根據不 同的刻蝕孔徑及密度要求進行優(yōu)選；
[0017] 刻蝕采用的氣源可以是N2或者Ar中的任意一種。該步低溫等離子體放電的條件 是：等離子體放電壓力為l〇_2〇Pa (絕壓），照射時間（刻蝕時間）為200-600S，照射功率為 150-300W ；
[0018] 化學鍵合之前采用等離子體進行膜基材的活化，采用的氣源是〇2或者NH3中的任 意一種。該步低溫等離子體放電的條件是：等離子體放電壓力為20-50Pa(絕壓），照射時 間為20-120S，照射功率為150-200W，得到不同基點活化率的TPX膜；
[0019] 采用β-環(huán)糊精堿性水溶液浸泡時使用的β-環(huán)糊精堿性水溶液濃度在5-10% (質量分數），浸泡時間為6-20小時，溶液溫度為15-30°C ;
[0020] 等離子體處理進行鍵合狀態(tài)的穩(wěn)定化所采用的氣源是He或者Ar中的任意一 種。該步低溫等離子體放電的條件是：等離子體放電壓力為20-50Pa(絕壓），照射時間為 60-lOOs，照射功率為50-80W。
[0021] 本發(fā)明的有益效果是：應用本發(fā)明采用的方法得到的膜式人工肺用膜具有良好的 生物相容性及抗污染性能。通過對血液模擬液和動物血液的氣體交換速率的測定，和未進 行表面改性的基膜相比，改性后的TPX膜的氧氣和二氧化碳滲透通量并沒有明顯的下降。 本發(fā)明的方法是利用等離子體對高分子膜表面進行刻蝕處理使得表面粗糙化，增加比表面 積的同時產生更多的活性位點；引入具有標準孔徑及孔徑分布的模板使得刻蝕變得均勻； 化學鍵合將特定的生物相容性物質接枝在TPX膜的疏水表面使得材料表面生物相容性能 得到改善，利用等離子體處理使得生物相容性基團的化學鍵合更加穩(wěn)定，同時結合第一步 得到的粗糙化效果，使得材料表面的純水接觸角進一步降低。該方法使用了模板技術一定 程度上克服了現有技術中存在的材料基材等離子改性中的不均勻性，使得等離子體改性膜 的性能得到相對穩(wěn)定的控制。使用的陽極氧化鋁模板可以反復使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1 :低溫等離子體改性流程示意圖，其中1是指標準孔徑的陽極氧化鋁模板，2是 指氣體分離用TPX膜，3是指標準孔徑的陽極氧化鋁模板的俯視圖（孔分布）。
[0023] 圖2 :采用所設計的膜式人工肺，利用模擬液和牛血進行的氧氣、二氧化碳雙側氣 液交換速率測定流程示意圖。其中1，2,11-C0 2、N2、02鋼瓶；3-模擬液或者牛血儲罐；4,8_模 擬液或血液儲罐；5-血液泵；6,10-流量計；7-膜式人工肺裝置；9-0 2預熱罐
[0024] 圖3 :改性前聚4-甲基-1-戊烯（TPX)膜吸附牛血清蛋白的掃描電鏡圖像。
[0025] 圖4 :改性后聚4-甲基-1-戊烯（TPX)膜吸附牛血清蛋白的掃描電鏡圖像。

【具體實施方式】：
[0026] 下面結合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但本發(fā)明的應用方式不 限于此。
[0027] 本發(fā)明制備方法包括下列步驟：
[0028] 具體實施例1
[0029] (1)將TPX膜清洗，真空干燥后表面覆蓋一層標準孔徑的陽極氧化鋁模板，陽極氧 化鋁模板孔徑50nm，孔間距100nm，厚度為50-70 μ m。將其放入等離子體反應器真空室的 基片臺，抽真空至IPa，然后通氦氣（He)至真空室壓力達到10Pa，照射時間（刻蝕時間）為 200s，照射功率為150W。停止放電，對真空室抽真空至IPa，并用氮氣放空置換真空室內的 氣體，反復2-3次；
[0030] (2)移除TPX膜表面的氧化鋁模板，然后將其固定好后放入等離子體反應器真空 室的基片臺，抽真空至IPa，使用氧氣（0 2)進行表面活化，真空室壓力20Pa。照射時間為 20s，照射功率為150W。停止放電，對真空室抽真空至IPa，并用氮氣置換真空室內的氣體， 反復2-3次。結束后將TPX膜取出，用純水洗滌，真空干燥。將膜材料浸入5% (質量分數） β-環(huán)糊精溶液中，在15°C反應6小時。反應結束后將膜取出，室溫干燥備用；
[0031] (3)將上述得到的TPX膜固定好后放入等離子體反應器真空室的基片臺，抽真空 至IPa，使用氦氣進行等離子體處理。放電壓力為20Pa (絕壓），照射時間為60s，照射功率 為50W。處理結束后用蒸餾水進行清洗，室溫干燥。進行光譜測定、氣體雙側交換速率測定 以及生物相容性表征。
[0032] 具體實施例2
[0033] (1)將TPX膜清洗，真空干燥后表面覆蓋一層標準孔徑的陽極氧化鋁模板，陽極氧 化鋁模板孔徑200nm，孔間距500nm，厚度為50-70 μ m。將其放入等離子體反應器真空室的 基片臺，抽真空至IPa，然后通氦氣（He)至真空室壓力達到20Pa，照射時間（刻蝕時間）為 600s，照射功率為300W。停止放電，對真空室抽真空至IPa，并用氮氣放空置換真空室內的 氣體，反復2-3次；
[0034] (2)移除TPX膜表面的氧化鋁模板，然后將其固定好后放入等離子體反應器真空 室的基片臺，抽真空至IPa，使用氧氣（0 2)進行表面活化，真空室壓力50Pa。照射時間為 120s，照射功率為200W。停止放電，對真空室抽真空至IPa，并用氮氣置換真空室內的氣體， 反復2-3次。結束后將TPX膜取出，用純水洗滌，真空干燥。將膜材料浸入10% (質量分 數）β-環(huán)糊精溶液中，在30°C反應20小時。反應結束后將膜取出，室溫干燥備用；
[0035] (3)將上述得到的TPX膜固定好后放入等離子體反應器真空室的基片臺，抽真空 至IPa，使用氦氣進行等離子體處理。放電壓力為50Pa (絕壓），照射時間為100s，照射功率 為80W。處理結束后用蒸餾水進行清洗，室溫干燥。進行光譜測定、氣體雙側交換速率測定 以及生物相容性表征。
[0036] 具體實施例3
[0037] (1)將TPX膜清洗，真空干燥后表面覆蓋一層標準孔徑的陽極氧化鋁模板，陽極氧 化鋁模板孔徑50nm，孔間距100nm，厚度為50-70 μ m。將其放入等離子體反應器真空室的 基片臺，抽真空至IPa，然后通氬氣（Ar)至真空室壓力達到10Pa，照射時間（刻蝕時間）為 200s，照射功率為150W。停止放電，對真空室抽真空至IPa，并用氮氣放空置換真空室內的 氣體，反復2-3次；
[0038] (2)移除TPX膜表面的氧化鋁模板，然后將其固定好后放入等離子體反應器真空 室的基片臺，抽真空至IPa，使用氨（NH 3)進行表面活化，真空室壓力20Pa。照射時間為20s， 照射功率為150W。停止放電，對真空室抽真空至IPa，并用氮氣置換真空室內的氣體，反復 2-3次。結束后將TPX膜取出，用純水洗滌，真空干燥。將膜材料浸入5% (質量分數）β -環(huán) 糊精溶液中，在15°C反應6小時。反應結束后將膜取出，室溫干燥備用；
[0039] (3)將上述得到的TPX膜固定好后放入等離子體反應器真空室的基片臺，抽真空 至IPa，使用氬氣（Ar)進行等離子體處理。放電壓力為20Pa (絕壓），照射時間為60s，照射 功率為50W。處理結束后用蒸餾水進行清洗，室溫干燥。進行光譜測定、氣體雙側交換速率 測定以及生物相容性表征。
[0040] 具體實施例4
[0041] (1)將TPX膜清洗，真空干燥后表面覆蓋一層標準孔徑的陽極氧化鋁模板，陽極氧 化鋁模板孔徑200nm，孔間距500nm，厚度為50-70 μ m。將其放入等離子體反應器真空室的 基片臺，抽真空至IPa，然后通氬氣（Ar)至真空室壓力達到20Pa，照射時間（刻蝕時間）為 600s，照射功率為300W。停止放電，對真空室抽真空至IPa，并用氮氣放空置換真空室內的 氣體，反復2-3次；
[0042] (2)移除TPX膜表面的氧化鋁模板，然后將其固定好后放入等離子體反應器真空 室的基片臺，抽真空至IPa，使用氨（NH 3)進行表面活化，真空室壓力50Pa。照射時間為 120s，照射功率為200W。停止放電，對真空室抽真空至IPa，并用氮氣置換真空室內的氣體， 反復2-3次。結束后將TPX膜取出，用純水洗滌，真空干燥。將膜材料浸入10% (質量分 數）β-環(huán)糊精溶液中，在30°C反應20小時。反應結束后將膜取出，室溫干燥備用；
[0043] (3)將上述得到的TPX膜固定好后放入等離子體反應器真空室的基片臺，抽真空 至IPa，使用氬氣（Ar)進行等離子體處理。放電壓力為50Pa (絕壓），照射時間為100s，照 射功率為80W。處理結束后用蒸餾水進行清洗，室溫干燥。進行光譜測定、氣體雙側交換速 率測定以及生物相容性表征。
[0044] 具體實施例5
[0045] (1)將TPX膜清洗，真空干燥后表面覆蓋一層標準孔徑的陽極氧化鋁模板，陽極氧 化鋁模板孔徑l〇〇nm，孔間距400nm，厚度為50-70 μ m。將其放入等離子體反應器真空室的 基片臺，抽真空至IPa，然后通氦氣（He)至真空室壓力達到15Pa，照射時間（刻蝕時間）為 400s，照射功率為200W。停止放電，對真空室抽真空至IPa，并用氮氣放空置換真空室內的 氣體，反復2-3次；
[0046] (2)移除TPX膜表面的氧化鋁模板，然后將其固定好后放入等離子體反應器真空 室的基片臺，抽真空至IPa，使用氧氣（0 2)進行表面活化，真空室壓力35Pa。照射時間為 70s，照射功率為180W。停止放電，對真空室抽真空至IPa，并用氮氣置換真空室內的氣體， 反復2-3次。結束后將TPX膜取出，用純水洗滌，真空干燥。將膜材料浸入10% (質量分 數）β -環(huán)糊精溶液中，在25°C反應12小時。反應結束后將膜取出，室溫干燥備用；
[0047] (3)將上述得到的TPX膜固定好后放入等離子體反應器真空室的基片臺，抽真空 至IPa，使用氦氣進行等離子體處理。放電壓力為30Pa (絕壓），照射時間為80s，照射功率 為60W。處理結束后用蒸餾水進行清洗，室溫干燥。進行純水接觸角測定、氣體雙側交換速 率測定以及生物相容性表征。
[0048] 具體實施例6
[0049] (1)將TPX膜清洗，真空干燥后表面覆蓋一層標準孔徑的陽極氧化鋁模板，陽極氧 化鋁模板孔徑l〇〇nm，孔間距400nm，厚度為50-70 μ m。將其放入等離子體反應器真空室的 基片臺，抽真空至IPa，然后通氬氣（Ar)至真空室壓力達到15Pa，照射時間（刻蝕時間）為 400s，照射功率為200W。停止放電，對真空室抽真空至IPa，并用氮氣放空置換真空室內的 氣體，反復2-3次；
[0050] (2)移除TPX膜表面的氧化鋁模板，然后將其固定好后放入等離子體反應器真空 室的基片臺，抽真空至IPa，使用氨（NH 3)進行表面活化，真空室壓力35Pa。照射時間為70s， 照射功率為180W。停止放電，對真空室抽真空至IPa，并用氮氣置換真空室內的氣體，反復 2-3次。結束后將TPX膜取出，用純水洗滌，真空干燥。將膜材料浸入10% (質量分數） β-環(huán)糊精溶液中，在25°C反應12小時。反應結束后將膜取出，室溫干燥備用；
[0051] (3)將上述得到的TPX膜固定好后放入等離子體反應器真空室的基片臺，抽真空 至IPa，使用氬氣（Ar)進行等離子體處理。放電壓力為30Pa (絕壓），照射時間為80s，照射 功率為60W。處理結束后用蒸餾水進行清洗，室溫干燥。進行光譜測定、氣體雙側交換速率 測定以及生物相容性表征。
[0052] 具體實施例7
[0053] 模擬液氣液雙側傳輸性能測試
[0054] 如圖3所示，利用實施例1、3、4中的改性膜和未改性的原膜進行測試，模擬液采用 去離子水，實驗開始前，加入適量的Na 2S03以降低模擬液中的溶解氧含量，同時向模擬液中 鼓入C02，提高其中C0 2的含量，并測定溶解氧和溶解C02初始含量。模擬液從儲罐（恒溫維 持37°C )中經泵抽出，流經流量計和膜池下游側后返回，02預熱至37°C后經流量計達膜池 的上方，氣體側〇 2和模擬液中溶解的C02通過膜進行傳質交換。模擬液側流體采取循環(huán)流 動方式，為減小空氣中〇 2影響，儲液罐上方通氮氣保護。根據人工肺評價測試標準，控制氣 體和模擬液的流量比為2,調節(jié)模擬液的流量為500-5000ml · mirT1，每隔5min從儲液罐內 取樣，測定溶解氧和溶解C02含量變化。同樣采用新鮮牛血代替模擬液作為測試液，重復進 行人工肺氣液雙側傳輸速度測試測試。實驗結果見表1。
[0055] 表1不同模擬液和牛血流速下TPX膜和改性TPX膜對02和C02的傳輸速率
[0056]

【權利要求】
1. 一種利用低溫等離子體對膜式人工肺進行表面刻蝕并鍵合β-環(huán)糊精的改性方法， 其特征在于包括以下步驟： ① 將膜式人工肺用聚4-甲基-1-戊烯（以下簡稱ΤΡΧ)膜表面覆蓋一層標準孔徑的陽 極氧化鋁模板，進行低溫等離子體刻蝕得到均勻的粗糙膜表面； ② 等離子活化ΤΡΧ膜粗糙表面，使用β -環(huán)糊精堿性溶液浸泡的方法進行表層化學鍵 合； ③ 使用等離子體處理進行表面鍵合狀態(tài)的穩(wěn)定化，在膜的活性位點固定β -環(huán)糊精基 團從而實現表面生物相容性改進。
2. 如權利要求1所述的一種利用低溫等離子體對膜式人工肺進行表面刻蝕并鍵合 β -環(huán)糊精的改性方法，其特征在于：陽極氧化鋁模板孔徑50-200nm，孔間距100-500nm，厚 度為50-70 μ m，可以根據不同的刻蝕孔徑及密度要求進行優(yōu)選。
3. 如權利要求1所述的一種利用低溫等離子體對膜式人工肺進行表面刻蝕并鍵合 β -環(huán)糊精的改性方法，其特征在于：刻蝕采用的氣源可以是N2或者Ar中的任意一種， 等離子體放電壓力為l〇_2〇Pa(絕壓），照射時間（刻蝕時間）為200-600S，照射功率為 150-300W。
4. 如權利要求1所述的一種利用低溫等離子體對膜式人工肺進行表面刻蝕并鍵合 β_環(huán)糊精的改性方法，其特征在于：化學鍵合之前采用等離子體進行膜基材的活化，采 用的氣源是〇2或者ΝΗ 3中的任意一種，等離子體放電壓力為20-50Pa(絕壓），照射時間為 20-120S，照射功率為150-200W，得到不同基點活化率的TPX膜。
5. 如權利要求1所述的一種利用低溫等離子體對膜式人工肺進行表面刻蝕并鍵合 β-環(huán)糊精的改性方法，其特征在于：采用β-環(huán)糊精堿性水溶液浸泡時使用的β-環(huán)糊精 堿性水溶液濃度在5-10% (質量分數），浸泡時間為6-20小時，溶液溫度為15-30°C。
6. 如權利要求1所述的一種利用低溫等離子體對膜式人工肺進行表面刻蝕并鍵合 β -環(huán)糊精的改性方法，其特征在于：等離子體處理進行鍵合狀態(tài)的穩(wěn)定化所采用的氣源 是He或者Ar中的任意一種，等離子體放電壓力為20-50Pa (絕壓），照射時間為60-lOOs， 照射功率為50-80W。
【文檔編號】B01D67/00GK104056556SQ201410309206
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權日:2014年6月27日
【發(fā)明者】李磊, 黃鑫, 張志炳, 王偉平, 劉耀東 申請人:南京大學