等离子体表面处理技术在医疗器械领域的应用

等离子体能对IVD平台做些什么？

等离子体在医疗器械行业中的应用确实是非常广泛的。因此，本文将主要集中在已通过我们的研发部门证实以及和医疗诊断平台工业相关的应用领域。在这个领域等离子体用来为下游工艺做表面清洁的准备，以及活化表面从而有利于生物材料的粘合。后者通过改变表面极性、接枝特殊的官能团或在表面聚合涂层来实现。为了更好的理解等离子体如何调整表面来满足应用的需求，让我们来看一些重要的例子。
　　
微流体装置和亲水性

表面能是一种决定浸润性、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亲水性的，对血浆、细菌细胞悬浮液、缓冲液、油墨、胶水等流体以及各种吸附物和涂层具有浸润性。另一方面，低能量的表面称为疏水性，具有“不粘”的特性。将在下面讨论这些“不粘”表面。

通常，微流体装置需要亲水性的表面以便于分析物可以持续平缓的流经微通道而到达探测和处理部件。这种流动可通过各种抽吸、电渗透、热量、机械等方法来实现。与培养基（见下面）一样，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。由这些材料的疏水性导致的一个主要问题就是在微通道中捕集的气泡抑制了液体的流动。即便通道用酒精和缓冲液处理过，仍存在气泡问题。用等离子体处理可以氧化微通道的表面，使它们变成亲水性，从而防止气泡的形成。电动抽吸时的表面电荷密度同样会影响流动速率。电动抽吸通过把电能转换为动能的电反应原理来驱动流体通过微通道。带电表面会吸引电解液中的带有反性电荷的微粒。这样可以使这些微粒仍保留在流体中，通过电动抽吸而更容易的通过通道。等离子体可以有效地促进带电表面的电泳或电渗透流动。



图 3：上面的反应机理是等离子产生的氧基团攻击吸附在表面的碳氢化合物的简单示意图。还存在众多其它的机理包括不同的氧的激发状态，如自由基态和二价分子。吸附在表面的碳氢化合物可以被等离子体中的电子碰撞所激化，从而提供另外可行的反应路径。

免疫测定、微阵列和组织培养基

用于临床诊断基片的平台，例如免疫测定、微阵列和细胞培养基等主要是由合成聚合物制作的。从工业上来说，这些材料具有很好的惰性、稳定的机械性以及很低的成本同时，它们的表面性能也有固有的局限性。尤其是它们没有合适的结合点来使生物活化分子或细胞有效的固着在它们的表面。对于固定生物材料以及体外细胞培养来说，有力、均匀分配的结合点是十分重要的先决条件。为了改进合成聚合物平台的性能，以便于细胞繁殖和双分子的吸附，必须对它们的表面进行改性。这里我们将讨论等离子体在对这些分析装置进行表面改性时所扮演的角色。

等离子体提高细胞生长率

组织培养（细胞取自于动物或植物）在体外生长需要营养、激素、以及其他生长因素，而这些都可以在体内被自然的提供。黏附在固体表面的组织细胞繁殖扩散到富含营养的液体培养基中，例如血清（以动物细胞为例）。培养基的表面性能必须能够使细胞均匀的黏附和生长。尽管如此，在调节表面性能之前，必须去除它们的污染物。通过冷却来去除细胞培养平台的脱模剂、挥发性的碳氢化合物以及其他污染元素，这也是使用等离子体所需的合适环境。

用于制造培养基的聚合材料固有的疏水性不利于组织细胞的黏附。因此，需要一个亲水的表面。氧化性的等离子体用于增加表面的氧官能团，从而增加它们的极性，使它们趋向于亲水。亲水性的表面可以诱导组织细胞的吸附。亲水性表面吸附组织细胞，诱导它们被吸附。当需要特殊的化学性能时，可以进行化学接枝或聚合一些含有所需官能团的单体。我们将在下面的章节中更加详细的讨论这一点。



图4：左边和中间的图像显示的是未处理的的聚苯乙烯孔。左侧的图像显示了细胞黏附不均匀，出现了细胞聚集。中间的图像显示了一部分区域没有黏附上细胞。右侧的图像显示的是经过等离子体处理后的培养基上细胞均匀的黏附和繁殖。

粗糙的表面具有更大的表面积，在理论上等于含有更多的可以结合细胞的位置。由于通常情况下细胞的大小在10μm的级别，因此表面的微粗糙化可以显著的提高细胞粘合。纳米级别的表面粗糙化并不能有效地提高细胞的粘合，因为相对来说尺寸更大的细胞并不能利用这些增加的纳米级的表面积。然而，一个真实的例子是，纳米级别的粗糙化可以诱导药物发生分化和凋亡。虽然还不清楚具体的原因（可能的原因包括增加了细胞受体的数量以及提高了通往核子的信号路径），但这对于改进注入装置上的组织支架的发展存在重要意义。

在等离子体环境下表面的形态可以被选择性的改变，既可以通过提高离子撞向表面的加速度，也可以通过化学刻蚀工艺。电容耦合射频等离子体中的离子通常情况下是网状方向性的向基体移动。这取决于离子和电子对于产生等离子体的电场极性改变的反应时间。由于电子比离子轻的多，电子的反应要更快。因此，置于电子移动路径内的基体在等待正离子到达时将带有负电。由于带有负电荷表面的静电吸引作用，正离子将加速移向该表面。通过碰撞，这些离子将能够去除表面上的材质。氩气很适合用这种方法来微粗糙化表面。可以通过设置等离子体的能量和压力来控制加速离子的能量。例如，使压力提高一毫托可以很明显的减少离子的碰撞能量（假如碰撞能量没有被完全消除），这样便可以去掉等离子体对表面的粗糙作用。相对于刚才所说的氩气，氧气等离子体工艺要轻微得多，它的轻微的化学刻蚀作用可以用来对聚合材料进行纳米级别的粗糙化。

总之，用等离子体进行表面清洁、活化以及微粗糙化后的综合效果可以增加细胞黏附（与未处理的基体相比最多可增加30%），使细胞分布的更加均匀。