一种利用低温等离子体对膜式人工肺进行表面刻蚀并键合β-环糊精的改性方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用低温等离子体对膜式人工肺进行表面刻蚀并键合β-环糊精的改性方法。该方法以聚-4-甲基-1-戊烯膜式人工肺为基材，使用标准孔径的氧化铝模板通过低温等离子体刻蚀得到标准孔径分布的粗糙表面，利用低温等离子体活化接枝技术在粗糙表面键合固定β-环糊精。本发明引入具有标准孔径及孔径分布的模板使得表面刻蚀变得均匀，增加比表面积的同时产生更多的活性位点。模板技术一定程度上克服了现有技术中存在的材料基材等离子改性中的不均匀性，使得等离子体改性膜的性能得到相对稳定的控制，并且氧化铝模板可以反复使用；表面键合β-环糊精，提高了膜式人工肺表面生物相容性。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及膜式人工肺所使用的高分子膜材料的改性方法，具体涉及一种利用低 温等离子体对膜式人工肺进行表面刻蚀并键合β-环糊精的改性方法。 一种利用低温等离子体对膜式人工肺进行表面刻蚀并键合 β-环糊精的改性方法
【背景技术】
[0002] 膜式人工肺，也称膜式氧合器或气体交换器，它的主要功能是当机体肺部发生病 变或损伤时，在开胸手术的体外循环中代替人体肺脏排出体内代谢过程中所产生的〇) 2、同 时摄取人体必需的(?，以维持肺病患者的生命。
[0003] 对膜式人工肺而言，最核心的组成为膜材料，其性能的好坏直接决定着氧合器氧 合效果的优劣。相比较于其它人工器官，人工肺的发展明显滞后，主要原因就是由于缺乏高 效的膜材料能有效替代人体肺膜充分进行气体交换，在60多年的发展历程当中，研究者们 实验了一大批膜材料，这其中既包括聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等常规聚合物，又有硅橡 胶、PDMS和聚酰亚胺等新型材料。
[0004] 聚4-甲基-1-戊烯（简称ΤΡΧ)是一种高结晶透明塑料，密度约为0. 83g/cm3,是 所有塑料中最轻的。TPX微孔膜膜由于具有优良的气体渗透性、耐温性、耐溶剂性和较高的 机械性能等优点，气体分离、血液透析等方面得到了广泛的应用。
[0005] 低温等离子体表面处理是一种新型的表面处理手段，它主要是利用低温等离子体 离子轰击材料表面，使得材料表面及近表面层的分子发生分子化学键的断裂形成大量的自 由基，通过选择性的使用等离子体在材料表面形成不同的极性基团。通过材料表面的极性 化改性可以提1?材料表面的未水性，提1?抗污染性能。
[0006] 由于低温等离子体能量通常比常规共价键的键能高大约一个数量级，因此该方法 对膜材料进行化学接枝几乎不存在化学选择性。同时低温等离子体化学改性不可避免的会 发生表面的无规降解刻蚀以及表面的化学交联，这些都对材料的表面功能化产生一定的不 可控影响。
[0007] 等离子体模板刻蚀技术主要应用于微电机芯片纳米阵列（K. Ostrikov, "Plasma nanoscience :From nature ! s mastery to deterministic plasma-aided nanofabrication"，IEEE Trans.Plasma Sci. 2007)、生物医学微器件的加工（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过等离子体刻蚀形成规整孔径分布的粗糙孔。该粗糙孔的 孔径可以根据模板的孔径大小以及密度分布进行调节，同时可以利用刻蚀形成的细孔作为 进一步改性的位点。
【发明内容】
[0008] 本发明提供了一种利用低温等离子体对膜式人工肺进行表面刻蚀并键合β -环 糊精的改性方法。该方法以聚4-甲基-1-戊烯膜式人工肺为基材，通过低温等离子体技术 引入了 β -环糊精分子，得到了表面孔径分布均匀，比表面积大、具有良好生物相容性的表 面。
[0009] 发明技术方案：本发明主要设计了一种利用低温等离子体对膜式人工肺进行表面 刻蚀并键合β-环糊精的改性方法。该方法的流程如图1所示。
[0010] 本发明是这样实现的：
[0011] ①将膜式人工肺用聚4-甲基-1-戊烯（以下简称ΤΡΧ)膜表面覆盖一层标准孔径 的阳极氧化铝模板，进行低温等离子体刻蚀得到均匀的粗糙膜表面；
[0012] ②等离子活化ΤΡΧ膜粗糙表面，使用β -环糊精碱性溶液浸泡的方法进行表层化 学键合；
[0013] ③使用等离子体处理进行表面键合状态的稳定化，在膜的活性位点固定β -环糊 精基团从
[0014] 而实现表面生物相容性改进。
[0015] 本发明的特征在于：
[0016] 阳极氧化铝模板孔径50-200nm，孔间距100-500·，厚度为50-70 μ m，可以根据不 同的刻蚀孔径及密度要求进行优选；
[0017] 刻蚀采用的气源可以是N2或者Ar中的任意一种。该步低温等离子体放电的条件 是：等离子体放电压力为l〇_2〇Pa (绝压），照射时间（刻蚀时间）为200-600S，照射功率为 150-300W ；
[0018] 化学键合之前采用等离子体进行膜基材的活化，采用的气源是〇2或者NH3中的任 意一种。该步低温等离子体放电的条件是：等离子体放电压力为20-50Pa(绝压），照射时 间为20-120S，照射功率为150-200W，得到不同基点活化率的TPX膜；
[0019] 采用β-环糊精碱性水溶液浸泡时使用的β-环糊精碱性水溶液浓度在5-10% (质量分数），浸泡时间为6-20小时，溶液温度为15-30°C ;
[0020] 等离子体处理进行键合状态的稳定化所采用的气源是He或者Ar中的任意一 种。该步低温等离子体放电的条件是：等离子体放电压力为20-50Pa(绝压），照射时间为 60-lOOs，照射功率为50-80W。
[0021] 本发明的有益效果是：应用本发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。通过对血液模拟液和动物血液的气体交换速率的测定，和未进 行表面改性的基膜相比，改性后的TPX膜的氧气和二氧化碳渗透通量并没有明显的下降。 本发明的方法是利用等离子体对高分子膜表面进行刻蚀处理使得表面粗糙化，增加比表面 积的同时产生更多的活性位点；引入具有标准孔径及孔径分布的模板使得刻蚀变得均匀； 化学键合将特定的生物相容性物质接枝在TPX膜的疏水表面使得材料表面生物相容性能 得到改善，利用等离子体处理使得生物相容性基团的化学键合更加稳定，同时结合第一步 得到的粗糙化效果，使得材料表面的纯水接触角进一步降低。该方法使用了模板技术一定 程度上克服了现有技术中存在的材料基材等离子改性中的不均匀性，使得等离子体改性膜 的性能得到相对稳定的控制。使用的阳极氧化铝模板可以反复使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1 :低温等离子体改性流程示意图，其中1是指标准孔径的阳极氧化铝模板，2是 指气体分离用TPX膜，3是指标准孔径的阳极氧化铝模板的俯视图（孔分布）。
[0023] 图2 :采用所设计的膜式人工肺，利用模拟液和牛血进行的氧气、二氧化碳双侧气 液交换速率测定流程示意图。其中1，2,11-C0 2、N2、02钢瓶；3-模拟液或者牛血储罐；4,8_模 拟液或血液储罐；5-血液泵；6,10-流量计；7-膜式人工肺装置；9-0 2预热罐
[0024] 图3 :改性前聚4-甲基-1-戊烯（TPX)膜吸附牛血清蛋白的扫描电镜图像。
[0025] 图4 :改性后聚4-甲基-1-戊烯（TPX)膜吸附牛血清蛋白的扫描电镜图像。
【具体实施方式】：
[0026] 下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的应用方式不 限于此。
[0027] 本发明制备方法包括下列步骤：
[0028] 具体实施例1
[0029] (1)将TPX膜清洗，真空干燥后表面覆盖一层标准孔径的阳极氧化铝模板，阳极氧 化铝模板孔径50nm，孔间距100nm，厚度为50-70 μ m。将其放入等离子体反应器真空室的 基片台，抽真空至IPa，然后通氦气（He)至真空室压力达到10Pa，照射时间（刻蚀时间）为 200s，照射功率为150W。停止放电，对真空室抽真空至IPa，并用氮气放空置换真空室内的 气体，反复2-3次；
[0030] (2)移除TPX膜表面的氧化铝模板，然后将其固定好后放入等离子体反应器真空 室的基片台，抽真空至IPa，使用氧气（0 2)进行表面活化，真空室压力20Pa。照射时间为 20s，照射功率为150W。停止放电，对真空室抽真空至IPa，并用氮气置换真空室内的气体， 反复2-3次。结束后将TPX膜取出，用纯水洗涤，真空干燥。将膜材料浸入5% (质量分数） β-环糊精溶液中，在15°C反应6小时。反应结束后将膜取出，室温干燥备用；
[0031] (3)将上述得到的TPX膜固定好后放入等离子体反应器真空室的基片台，抽真空 至IPa，使用氦气进行等离子体处理。放电压力为20Pa (绝压），照射时间为60s，照射功率 为50W。处理结束后用蒸馏水进行清洗，室温干燥。进行光谱测定、气体双侧交换速率测定 以及生物相容性表征。
[0032] 具体实施例2
[0033] (1)将TPX膜清洗，真空干燥后表面覆盖一层标准孔径的阳极氧化铝模板，阳极氧 化铝模板孔径200nm，孔间距500nm，厚度为50-70 μ m。将其放入等离子体反应器真空室的 基片台，抽真空至IPa，然后通氦气（He)至真空室压力达到20Pa，照射时间（刻蚀时间）为 600s，照射功率为300W。停止放电，对真空室抽真空至IPa，并用氮气放空置换真空室内的 气体，反复2-3次；
[0034] (2)移除TPX膜表面的氧化铝模板，然后将其固定好后放入等离子体反应器真空 室的基片台，抽真空至IPa，使用氧气（0 2)进行表面活化，真空室压力50Pa。照射时间为 120s，照射功率为200W。停止放电，对真空室抽真空至IPa，并用氮气置换真空室内的气体， 反复2-3次。结束后将TPX膜取出，用纯水洗涤，真空干燥。将膜材料浸入10% (质量分 数）β-环糊精溶液中，在30°C反应20小时。反应结束后将膜取出，室温干燥备用；
[0035] (3)将上述得到的TPX膜固定好后放入等离子体反应器真空室的基片台，抽真空 至IPa，使用氦气进行等离子体处理。放电压力为50Pa (绝压），照射时间为100s，照射功率 为80W。处理结束后用蒸馏水进行清洗，室温干燥。进行光谱测定、气体双侧交换速率测定 以及生物相容性表征。
[0036] 具体实施例3
[0037] (1)将TPX膜清洗，真空干燥后表面覆盖一层标准孔径的阳极氧化铝模板，阳极氧 化铝模板孔径50nm，孔间距100nm，厚度为50-70 μ m。将其放入等离子体反应器真空室的 基片台，抽真空至IPa，然后通氩气（Ar)至真空室压力达到10Pa，照射时间（刻蚀时间）为 200s，照射功率为150W。停止放电，对真空室抽真空至IPa，并用氮气放空置换真空室内的 气体，反复2-3次；
[0038] (2)移除TPX膜表面的氧化铝模板，然后将其固定好后放入等离子体反应器真空 室的基片台，抽真空至IPa，使用氨（NH 3)进行表面活化，真空室压力20Pa。照射时间为20s， 照射功率为150W。停止放电，对真空室抽真空至IPa，并用氮气置换真空室内的气体，反复 2-3次。结束后将TPX膜取出，用纯水洗涤，真空干燥。将膜材料浸入5% (质量分数）β -环 糊精溶液中，在15°C反应6小时。反应结束后将膜取出，室温干燥备用；
[0039] (3)将上述得到的TPX膜固定好后放入等离子体反应器真空室的基片台，抽真空 至IPa，使用氩气（Ar)进行等离子体处理。放电压力为20Pa (绝压），照射时间为60s，照射 功率为50W。处理结束后用蒸馏水进行清洗，室温干燥。进行光谱测定、气体双侧交换速率 测定以及生物相容性表征。
[0040] 具体实施例4
[0041] (1)将TPX膜清洗，真空干燥后表面覆盖一层标准孔径的阳极氧化铝模板，阳极氧 化铝模板孔径200nm，孔间距500nm，厚度为50-70 μ m。将其放入等离子体反应器真空室的 基片台，抽真空至IPa，然后通氩气（Ar)至真空室压力达到20Pa，照射时间（刻蚀时间）为 600s，照射功率为300W。停止放电，对真空室抽真空至IPa，并用氮气放空置换真空室内的 气体，反复2-3次；
[0042] (2)移除TPX膜表面的氧化铝模板，然后将其固定好后放入等离子体反应器真空 室的基片台，抽真空至IPa，使用氨（NH 3)进行表面活化，真空室压力50Pa。照射时间为 120s，照射功率为200W。停止放电，对真空室抽真空至IPa，并用氮气置换真空室内的气体， 反复2-3次。结束后将TPX膜取出，用纯水洗涤，真空干燥。将膜材料浸入10% (质量分 数）β-环糊精溶液中，在30°C反应20小时。反应结束后将膜取出，室温干燥备用；
[0043] (3)将上述得到的TPX膜固定好后放入等离子体反应器真空室的基片台，抽真空 至IPa，使用氩气（Ar)进行等离子体处理。放电压力为50Pa (绝压），照射时间为100s，照 射功率为80W。处理结束后用蒸馏水进行清洗，室温干燥。进行光谱测定、气体双侧交换速 率测定以及生物相容性表征。
[0044] 具体实施例5
[0045] (1)将TPX膜清洗，真空干燥后表面覆盖一层标准孔径的阳极氧化铝模板，阳极氧 化铝模板孔径l〇〇nm，孔间距400nm，厚度为50-70 μ m。将其放入等离子体反应器真空室的 基片台，抽真空至IPa，然后通氦气（He)至真空室压力达到15Pa，照射时间（刻蚀时间）为 400s，照射功率为200W。停止放电，对真空室抽真空至IPa，并用氮气放空置换真空室内的 气体，反复2-3次；
[0046] (2)移除TPX膜表面的氧化铝模板，然后将其固定好后放入等离子体反应器真空 室的基片台，抽真空至IPa，使用氧气（0 2)进行表面活化，真空室压力35Pa。照射时间为 70s，照射功率为180W。停止放电，对真空室抽真空至IPa，并用氮气置换真空室内的气体， 反复2-3次。结束后将TPX膜取出，用纯水洗涤，真空干燥。将膜材料浸入10% (质量分 数）β -环糊精溶液中，在25°C反应12小时。反应结束后将膜取出，室温干燥备用；
[0047] (3)将上述得到的TPX膜固定好后放入等离子体反应器真空室的基片台，抽真空 至IPa，使用氦气进行等离子体处理。放电压力为30Pa (绝压），照射时间为80s，照射功率 为60W。处理结束后用蒸馏水进行清洗，室温干燥。进行纯水接触角测定、气体双侧交换速 率测定以及生物相容性表征。
[0048] 具体实施例6
[0049] (1)将TPX膜清洗，真空干燥后表面覆盖一层标准孔径的阳极氧化铝模板，阳极氧 化铝模板孔径l〇〇nm，孔间距400nm，厚度为50-70 μ m。将其放入等离子体反应器真空室的 基片台，抽真空至IPa，然后通氩气（Ar)至真空室压力达到15Pa，照射时间（刻蚀时间）为 400s，照射功率为200W。停止放电，对真空室抽真空至IPa，并用氮气放空置换真空室内的 气体，反复2-3次；
[0050] (2)移除TPX膜表面的氧化铝模板，然后将其固定好后放入等离子体反应器真空 室的基片台，抽真空至IPa，使用氨（NH 3)进行表面活化，真空室压力35Pa。照射时间为70s， 照射功率为180W。停止放电，对真空室抽真空至IPa，并用氮气置换真空室内的气体，反复 2-3次。结束后将TPX膜取出，用纯水洗涤，真空干燥。将膜材料浸入10% (质量分数） β-环糊精溶液中，在25°C反应12小时。反应结束后将膜取出，室温干燥备用；
[0051] (3)将上述得到的TPX膜固定好后放入等离子体反应器真空室的基片台，抽真空 至IPa，使用氩气（Ar)进行等离子体处理。放电压力为30Pa (绝压），照射时间为80s，照射 功率为60W。处理结束后用蒸馏水进行清洗，室温干燥。进行光谱测定、气体双侧交换速率 测定以及生物相容性表征。
[0052] 具体实施例7
[0053] 模拟液气液双侧传输性能测试
[0054] 如图3所示，利用实施例1、3、4中的改性膜和未改性的原膜进行测试，模拟液采用 去离子水，实验开始前，加入适量的Na 2S03以降低模拟液中的溶解氧含量，同时向模拟液中 鼓入C02，提高其中C0 2的含量，并测定溶解氧和溶解C02初始含量。模拟液从储罐（恒温维 持37°C )中经泵抽出，流经流量计和膜池下游侧后返回，02预热至37°C后经流量计达膜池 的上方，气体侧〇 2和模拟液中溶解的C02通过膜进行传质交换。模拟液侧流体采取循环流 动方式，为减小空气中〇 2影响，储液罐上方通氮气保护。根据人工肺评价测试标准，控制气 体和模拟液的流量比为2,调节模拟液的流量为500-5000ml · mirT1，每隔5min从储液罐内 取样，测定溶解氧和溶解C02含量变化。同样采用新鲜牛血代替模拟液作为测试液，重复进 行人工肺气液双侧传输速度测试测试。实验结果见表1。
[0055] 表1不同模拟液和牛血流速下TPX膜和改性TPX膜对02和C02的传输速率
[0056]
【权利要求】
1. 一种利用低温等离子体对膜式人工肺进行表面刻蚀并键合β-环糊精的改性方法， 其特征在于包括以下步骤： ① 将膜式人工肺用聚4-甲基-1-戊烯（以下简称ΤΡΧ)膜表面覆盖一层标准孔径的阳 极氧化铝模板，进行低温等离子体刻蚀得到均匀的粗糙膜表面； ② 等离子活化ΤΡΧ膜粗糙表面，使用β -环糊精碱性溶液浸泡的方法进行表层化学键 合； ③ 使用等离子体处理进行表面键合状态的稳定化，在膜的活性位点固定β -环糊精基 团从而实现表面生物相容性改进。
2. 如权利要求1所述的一种利用低温等离子体对膜式人工肺进行表面刻蚀并键合 β -环糊精的改性方法，其特征在于：阳极氧化铝模板孔径50-200nm，孔间距100-500nm，厚 度为50-70 μ m，可以根据不同的刻蚀孔径及密度要求进行优选。
3. 如权利要求1所述的一种利用低温等离子体对膜式人工肺进行表面刻蚀并键合 β -环糊精的改性方法，其特征在于：刻蚀采用的气源可以是N2或者Ar中的任意一种， 等离子体放电压力为l〇_2〇Pa(绝压），照射时间（刻蚀时间）为200-600S，照射功率为 150-300W。
4. 如权利要求1所述的一种利用低温等离子体对膜式人工肺进行表面刻蚀并键合 β_环糊精的改性方法，其特征在于：化学键合之前采用等离子体进行膜基材的活化，采 用的气源是〇2或者ΝΗ 3中的任意一种，等离子体放电压力为20-50Pa(绝压），照射时间为 20-120S，照射功率为150-200W，得到不同基点活化率的TPX膜。
5. 如权利要求1所述的一种利用低温等离子体对膜式人工肺进行表面刻蚀并键合 β-环糊精的改性方法，其特征在于：采用β-环糊精碱性水溶液浸泡时使用的β-环糊精 碱性水溶液浓度在5-10% (质量分数），浸泡时间为6-20小时，溶液温度为15-30°C。
6. 如权利要求1所述的一种利用低温等离子体对膜式人工肺进行表面刻蚀并键合 β -环糊精的改性方法，其特征在于：等离子体处理进行键合状态的稳定化所采用的气源 是He或者Ar中的任意一种，等离子体放电压力为20-50Pa (绝压），照射时间为60-lOOs， 照射功率为50-80W。
【文档编号】B01D67/00GK104056556SQ201410309206
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】李磊, 黄鑫, 张志炳, 王伟平, 刘耀东 申请人:南京大学