王 巖，石 艷，盧詠來

(有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 彈性體材料節(jié)能和資源化教育部工程研究中心 北京化工大學(xué)新型高分子材料制備與加工北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院先進(jìn)彈性體材料研究中心,北京100029)

硅橡膠作為半無機(jī)高分子材料具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、生理惰性和組織相容性，其產(chǎn)品在人造器官[1]、醫(yī)療器械[2]、整容修復(fù)[3]、藥物緩釋[4]等生物醫(yī)用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但由于硅橡膠特殊的螺旋構(gòu)象，連接在Si原子上的非極性R基處于螺旋外側(cè)，使得硅橡膠分子具有較低的極性和表面能，整體上表現(xiàn)出疏水性。其在用作與人體組織器官接觸的材料時(shí)易與組織摩擦形成損傷，在植入部位形成包膜攣縮，造成長期發(fā)熱，給患者增添更多痛苦[5-6]。此外，硅橡膠制備的植入或介入材料在與人體組織相接觸的過程中，細(xì)菌可能會(huì)通過各種渠道入侵，而硅橡膠的親水性被認(rèn)為是影響細(xì)菌在表面黏附和生長的重要因素[7]。提升硅橡膠的親水性可以改善其與機(jī)體組織的親和性，進(jìn)一步提升其生物相容性，基于此,國內(nèi)外學(xué)者對提升硅橡膠的親水性進(jìn)行了廣泛的研究。

硅橡膠親水改性方法分為表面改性和本體改性兩類，兩種改性方式具有不同的實(shí)現(xiàn)方法和性能特點(diǎn)，本文將對近年來醫(yī)用親水硅橡膠的改性方式和親水性能進(jìn)行簡介。

1 表面改性

采用表面改性技術(shù)可以通過特定的儀器或少量的改性劑實(shí)現(xiàn)對硅橡膠材料表面的親水改性，而對橡膠基體本身性能的影響較小。目前表面改性的實(shí)施方式主要有等離子體處理、親水涂層改性和化學(xué)接枝三類。

1.1 等離子體表面改性

氣體被射頻、輝光、微波等放電裝置作用產(chǎn)生的電子激發(fā)成高能態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生部分電離，這種部分電離的氣體稱作等離子體，它由激發(fā)態(tài)的分子、原子、離子等與自由基和氣體原子組成，其中的高能粒子具有20 ev以上的能量，遠(yuǎn)高于化學(xué)鍵的鍵能(10 ev)[8]。高能量的粒子作用于硅橡膠表面，可以引起化學(xué)鍵斷裂與重新組合，從而達(dá)到表面改性的目的。

使用等離子體技術(shù)可以直接或間接作用于硅橡膠表面從而引入各種極性基團(tuán)。直接法常使用NH3、O2、N2、Ar或He等氣體源經(jīng)等離子體處理后與硅橡膠表面作用，不同氣體等離子體對提升硅橡膠表面親水性機(jī)理不同，使用NH3等離子體處理會(huì)在表面引入—NH2；O2則會(huì)在材料表面引入—OH和—COOH的混合物；而以He和Ar等惰性氣體為反應(yīng)介質(zhì)則在硅橡膠表面引入大量自由基，自由基暴露在大氣或氧氣條件下則會(huì)形成過氧化物和氫過氧化物[9]。Amerian等[10]探索了O2等離子體處理時(shí)長對硅橡膠表面親水性的影響，發(fā)現(xiàn)隨著作用時(shí)間延長其親水性逐漸提高，作用時(shí)間為2.5 min時(shí)接觸角由初始的117.9°降至40°，且在儲(chǔ)存14 d后依然有極性基團(tuán)殘留。值得提出的是，采用直接法雖然可以短時(shí)間內(nèi)增大材料表面能并提升其親水性，但由于表面具有使表面能最小化的傾向，表面引入的極性基團(tuán)易發(fā)生翻轉(zhuǎn)帶入內(nèi)部從而恢復(fù)較低的表面能，因而親水改性效果常常不持久。間接法則是利用等離子體與硅橡膠的表面作用引入活性官能團(tuán)，而后在聚合性的反應(yīng)氣體環(huán)境中發(fā)生反應(yīng)，從而在硅橡膠表面沉積親水性的聚合物薄膜，該方法又被稱為等離子體聚合。Massey等[11]使用Ar等離子體預(yù)處理聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面而后沉積烯丙胺蒸氣，在PDMS表面形成了100 nm厚的聚合物薄膜，將此種改性方式與氧氣等離子體直接處理的PDMS在老化條件下的親水性能進(jìn)行對比，結(jié)果表明，采用間接法獲得的PDMS表面具有更優(yōu)異的親水穩(wěn)定性。

等離子體技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)均勻改性硅橡膠表面而不受本體幾何形狀的影響，改性過程不使用溶劑，而且借助特定的儀器可以實(shí)現(xiàn)快速、高效的改善硅橡膠表面親水性，但如何提高改性后的親水穩(wěn)定性、延長親水性能作用時(shí)間還需進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

1.2 親水涂層改性

親水涂層改性是改善醫(yī)療介入材料表面親水性能的常用途徑，對無機(jī)金屬和聚合物材料都有著良好的適用性[12]。對于硅橡膠材料，常用的方法是使用硅烷偶聯(lián)劑，硅烷偶聯(lián)劑兩端基團(tuán)分別具有親水性和疏水性，根據(jù)相似相容原理，可利用偶聯(lián)劑兩端不同的親和基團(tuán)使親水性聚合物與疏水性硅橡膠表面發(fā)生偶聯(lián)作用而結(jié)合起來。邵雯等[13]探索了親水聚合物聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)溶液濃度和硅烷偶聯(lián)劑種類對硅橡膠親水性能的影響，發(fā)現(xiàn)KH792為最佳硅烷偶聯(lián)劑、最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，在最優(yōu)條件下得到接觸角小于20°的改性膠,且在水中浸泡一周后仍維持良好的親水性，該結(jié)果與此前曲祥軍等[14]研究成果相近，具有較高的可信度。除硅烷偶聯(lián)劑外，時(shí)曉嫚等[15]以聚碳化二亞胺作為偶聯(lián)劑(交聯(lián)劑)、利用乙酸乙酯對硅橡膠溶脹作用預(yù)處理后涂敷聚甲基乙烯基醚共聚馬來酸，發(fā)現(xiàn)溶脹處理后更有利于偶聯(lián)劑黏附在硅橡膠表面，相較于未進(jìn)行預(yù)處理親水涂層改性的硅橡膠，溶脹后可以進(jìn)一步降低接觸角30%以上。

近來利用仿生法在材料表面誘導(dǎo)制備羥基磷灰石(HA)涂層改善基體生物相容性的手段備受青睞，該方法是將基體浸入模擬人體血漿的液體中，利用材料表面的—OH[16]、—COOH[17]等基團(tuán)誘導(dǎo)晶核形成從而制備親水涂層。對于硅橡膠材料，韋明等[18]使用CaCl2的乙醇溶液在硅橡膠表面引入Ca2+，而后與三水合磷酸氫二鉀反應(yīng)沉淀一層無定型磷酸鈣，進(jìn)而誘導(dǎo)生成磷灰石晶核，晶核形成后通過晶體自發(fā)生長出HA涂層，HA涂層可以有效提升基體的表面親水性。孫艷榮等[19]綜述了HA與其他材料復(fù)合的方法，指出HA復(fù)合材料的關(guān)鍵是界面結(jié)合問題，目前通過聚多巴胺(PDA)仿生法制備HA涂層有效解決了這一問題。徐炎安等[20]利用PDA的超強(qiáng)黏附能力通過仿生法制備HA涂層，結(jié)果表明，涂層的水接觸角可達(dá)20°左右。HA既可以用于表面改性，也可以直接用作填充物改善硅橡膠的親水性，這將在后面章節(jié)進(jìn)行綜述。

親水涂層改性具有工藝簡單，不需要大型設(shè)備等特點(diǎn)，非常適用于短期人體介入材料的表面親水改性。

1.3 接枝改性

接枝改性通過鍵合的方式使基體與親水性聚合物大分子相連，親水性大分子鏈以共價(jià)鍵的形式連接到硅橡膠的表面，因此采用該種方式改性后的硅橡膠親水性能更穩(wěn)定持久。接枝法包括臭氧活化接枝、化學(xué)刻蝕接枝、以及高能粒子活化接枝，在硅橡膠親水改性領(lǐng)域使用十分廣泛。

1.3.1 臭氧活化接枝

使用臭氧活化技術(shù)處理硅橡膠可以在其表面引入羥基、羧基以及過氧基團(tuán)，產(chǎn)生反應(yīng)活性位點(diǎn)，而后與各種親水物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)從而改善其表面親水性[21]。臭氧活化具有操作簡單、成本低、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，最重要的優(yōu)點(diǎn)是不論基體表面形狀如何，都可實(shí)現(xiàn)均勻的表面改性。Xu等[22]使用臭氧活化法誘導(dǎo)2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰膽堿(MPC)的接枝聚合，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%的MPC接枝率下，基體接觸角由102.9°降至66.8°，大大減少了血小板的黏附。單純使用臭氧處理，硅橡膠表面活化效率較低，可采用臭氧與紫外輻照相結(jié)合的方式，該方法稱作紫外臭氧輻照(UVO)，可以提高表面活化效率。UVO是通過臭氧和紫外輻照產(chǎn)生的氧自由基提取聚合物基質(zhì)中的氫原子從而產(chǎn)生碳自由基位點(diǎn)[23]。Maher等[24]對比了臭氧直接處理與UVO處理對硅橡膠親水性能的影響，結(jié)果顯示，UVO處理較臭氧直接處理可產(chǎn)生較多的—OH，但容易在硅橡膠表面形成裂紋，影響后續(xù)接枝反應(yīng)的進(jìn)行，原因是紫外輻照導(dǎo)致了主鏈和側(cè)基的分解并探索了減少表面裂紋的方法。臭氧活化接枝具有較廣的適用性，如何在不損傷硅橡膠表面的前提下實(shí)現(xiàn)快速改性是未來需要解決的問題。

1.3.2 化學(xué)刻蝕接枝

化學(xué)刻蝕通過利用強(qiáng)氧化性溶液與硅橡膠作用使之產(chǎn)生—OH極性基團(tuán)，而后可選擇與功能性化合物進(jìn)行接枝反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對硅橡膠材料的親水改性。該方法操作簡便，不需要昂貴的精密儀器即可實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定的親水改性。Esteban等[25]使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的NaOH和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的KOH的堿性溶液處理硅橡膠基體，表面活化后接枝多糖化合物，改性后硅橡膠的接觸角顯著下降，且兩周內(nèi)未出現(xiàn)“疏水回復(fù)”現(xiàn)象，具有良好的親水穩(wěn)定性。Sui等[26]利用體積比為5∶1∶1的H2O/H2O2/HCl的混合液預(yù)處理硅橡膠表面而后進(jìn)行聚乙二醇(PEG)接枝，結(jié)果表明，雖然接枝后其親水接觸角有所下降，但相較于混合溶液直接處理后親水性在24 h內(nèi)消失的現(xiàn)象，接枝PEG后的硅橡膠在放置24 h內(nèi)親水性出現(xiàn)較小損耗，而后則保持長期穩(wěn)定。除此以外，化學(xué)刻蝕接枝反應(yīng)具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，Zhang等[27]采用體積比為3/1的H2SO4/H2O2溶液處理硅橡膠，在其表面引入—OH基團(tuán)，而后將原子轉(zhuǎn)移自由基活性聚合(ATRP)的引發(fā)劑固定在其表面，利用自由基活性聚合機(jī)理接枝PEG，通過長時(shí)間的水接觸角測試表明，接枝改性后硅橡膠由于親水PEG的共價(jià)鍵偶聯(lián)作用而具有持久的親水性能。

1.3.3 高能粒子活化接枝

通過等離子體、電暈、激光、真空紫外、γ射線輻照等方法處理硅橡膠表面引入活性/極性基團(tuán)而后進(jìn)行親水物質(zhì)的接枝反應(yīng)，接枝反應(yīng)后由于親水物質(zhì)與橡膠基體形成鍵合作用可以使硅橡膠的親水性能更加持久。常用的親水物質(zhì)有乙烯醇(VA)、乙二醇(EG)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、丙烯酰胺(AAm)、丙烯酸(AAc)、丙烯腈(AN)、甲基丙烯酸乙酯(EMA)、甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)和2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿(MPC)等。瞿鵬等[28]利用O2等離子體對硅橡膠表面進(jìn)行活化，而后在基體表面固定ATRP引發(fā)劑繼而進(jìn)行聚合接枝聚丙烯酰胺(PAM)，結(jié)果表明，隨著氨基和酰胺基團(tuán)的引入，基體表面極性逐漸增大，同時(shí)氫鍵的形成進(jìn)一步增大其表面能，改性后的硅橡膠親水接觸角下降至49.5°，且細(xì)菌黏附率最高降至本體的1.3%。Chen等[29]首先用大氣等離子體預(yù)處理硅橡膠表面，而后分別使用O2、N2和Ar等離子體誘導(dǎo)MPC的接枝聚合，對比了直接處理硅橡膠表面與接枝聚合后硅橡膠在儲(chǔ)存過程中接觸角的變化，結(jié)果顯示，接枝改性后的硅橡膠具有更低的接觸角且親水性的保持時(shí)間更為持久。He等[30]發(fā)現(xiàn)等離子體處理后接枝含有氰基的聚丙烯腈(PAN)，硅橡膠表面接觸角可降至24°且一個(gè)月后仍保持相同的親水性，作者利用全反射紅外光譜(ATR-FTIR)對比測試原膠和改性后的樣品，證實(shí)了極性基團(tuán)是以化學(xué)鍵形式與基體相連。

高能粒子活化接枝改善硅橡膠表面親水性受多種因素的影響，如表面處理時(shí)間、儀器功率、氣體介質(zhì)、接枝單體等。另一方面，高能粒子活化接枝步驟較為繁瑣，需要反應(yīng)介質(zhì)環(huán)境的切換，因而優(yōu)化反應(yīng)條件、簡化操作流程是未來需要探索的方向。

2 本體改性

通過表面改性獲得的親水硅橡膠，其親水性能往往不能持久保持，此外在臨床使用時(shí)通常需要對材料進(jìn)行雕刻和塑形從而破壞材料表面，此時(shí)需要對材料整體進(jìn)行親水性能改善，即進(jìn)行本體改性。目前本體改性通常采用的方法包括生物活性物質(zhì)混合法、共聚法以及互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)(IPN)法。

2.1 生物活性物質(zhì)混合法

采用共混法在硅橡膠硫化成型過程中加入各種生物活性物質(zhì)，可以整體上改善硅橡膠的親水性，同時(shí)可以通過設(shè)計(jì)添加物賦予改性后硅橡膠的其他性能如抗菌性[31]。常用的生物活性物質(zhì)有聚醚(PE)、聚甲基丙烯酸羥乙酯(PHEMA)、PEG、PVP和HA等。孫麗麗等[32]使用端烯丙基聚醚與含氫硅油進(jìn)行硅氫加成合成了聚醚改性硅油(PEPO-Si)，而后將其作為填料與乙烯基硅油共混，并于100～120 ℃條件下進(jìn)行硫化制備PEPO-Si/硅橡膠復(fù)合材料，研究了PEPO-Si對復(fù)合材料親水性及力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，PEPO-Si在添加量為30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，硅橡膠接觸角降至50°以下，且聚醚硅油的混入起到了增塑作用，使得復(fù)合材料斷裂伸長率提升了將近一倍，但拉伸強(qiáng)度有所下降。此外，值得提出的是，HA作為動(dòng)物骨骼的主要無機(jī)成分因其具有無毒、不老化以及良好的骨傳導(dǎo)性從而在醫(yī)學(xué)材料改性方面有著重要的應(yīng)用。通過共混法制備HA/硅橡膠復(fù)合材料提升基體親水性已有很多報(bào)道[33-34]，但是共混改性會(huì)不可避免地導(dǎo)致硅橡膠基體本體性能如力學(xué)性能、透明性的變化，這些改變通常是負(fù)面的。為了降低填料加入對力學(xué)性能的影響，文季秋等[35]嘗試預(yù)制1 mm厚度的HA/硅橡膠復(fù)合材料，將其與硅生膠混合物共同硫化制備成雙層HA/硅橡膠復(fù)合材料，結(jié)果表明，采用該方法制備的復(fù)合材料力學(xué)性能僅有小幅度下降，可以達(dá)到醫(yī)用植入材料的要求。作者只是利用相對基體而言極薄的改性層實(shí)現(xiàn)適宜的力學(xué)性能和有限的生物相容性提升，若通過增加HA的量來進(jìn)一步生物相容性勢必會(huì)造成力學(xué)性能下降。近來，通過原位生成磷酸鈣形成n-HA/硅橡膠復(fù)合材料用于提升硅橡膠親水性和力學(xué)性能的方法受到人們的關(guān)注，它無需借助偶聯(lián)劑實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)填料與基體的均勻混合。Ferreira等[36]利用磷酸與氫氧化鈣原位生成磷酸鈣與PDMS在雙輥攪拌機(jī)中混合，經(jīng)185 ℃高溫硫化35 min后得到改性硅橡膠，性能測試表明，改性后的硅橡膠接觸角隨著氫氧化鈣含量的增加而降低，且在體積分?jǐn)?shù)低于30%時(shí)機(jī)械強(qiáng)度最高可提升15%左右。

2.2 共聚法

硅氧烷單體可以與多種單體發(fā)生共聚反應(yīng)，可通過選擇共聚單體的種類和控制不同單體之間的比例來調(diào)控材料的親疏水性。通過共聚合將硅氧烷分子與親水性分子連接在同一分子鏈中，通常使用的親水性分子有PEG[37]、聚酰胺(PA)[38]、聚己內(nèi)酯(PCL)[39]、PVP[40]等。這些共聚合反應(yīng)獲得的高聚物共有的特征是具有兩親性。Yilgor等[41]以端氨基PDMS為引發(fā)劑、辛酸錫為催化劑進(jìn)行己內(nèi)酯的開環(huán)聚合反應(yīng)合成PCL-PDMS-PCL三嵌段共聚物，研究了疏水性的PDMS鏈節(jié)對共聚物靜態(tài)接觸角的影響，結(jié)果表明，PDMS在共聚物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33.3%時(shí)，共聚物接觸角即增大至90°以上，呈現(xiàn)出疏水性。單純的共聚合通常難以大幅提升硅橡膠的親水性，但研究人員利用共聚法來平衡硅橡膠親疏水性用于藥物釋放等領(lǐng)域[42]。近來，為了改善共聚硅橡膠的親水性，Kalulu等[43]在端基官能化PDMS上引入HEMA，然后通過自由基聚合反應(yīng)生成PDMS-HEMA薄膜，接觸角測試表明，共聚物接觸角高達(dá)104°，呈現(xiàn)疏水性，而后作者利用2-[甲氧基(聚氧化乙烯)6-9-丙基]七甲基三硅氧烷(Silwet L-77)水溶液處理共聚物薄膜，改性后的水接觸角測試表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的Silwet L-77吸附量即可降低接觸角至6°左右，且在5個(gè)月的儲(chǔ)存期后僅有少量疏水回復(fù)?？梢钥闯觯霉簿鄯ㄅc其他親水改性方式結(jié)合降低接觸角提升親水保持能力具有很大的應(yīng)用前景。

2.3 IPN法

IPN是一種聚合物同另一種合成交聯(lián)的聚合物以網(wǎng)絡(luò)形式互相貫穿的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。利用IPN法在聚硅氧烷交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中穿插親水聚合物可以大大改善硅橡膠的親水性，同時(shí)最重要的是IPN的形成不會(huì)損傷硅橡膠基體的力學(xué)性能，這是由于重疊網(wǎng)絡(luò)的存在抑制了兩種聚合物間的微相分離[44]。

硅橡膠近表面端IPN的形成可以大大改善表面親水性。姚海楠等[45]對比了HEMA和PVP半IPN的親水性能，發(fā)現(xiàn)引入PVP聚合物網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料其靜態(tài)接觸角僅為20.8°，極大地改善了硅橡膠的親水性。Ghoreishi等[46]詳細(xì)論證了HEMA在硅橡膠近表面端IPN的形成過程，并指出表面IPN的形成能在保持持久親水性的同時(shí)保持良好的本體性能。

在本體改性方面IPN法同樣表現(xiàn)優(yōu)異，孫九立等[47]利用端氨基超支化有機(jī)硅聚合物與端羥基聚二甲基硅氧烷固化形成IPN，得到的硅橡膠具有良好的親水性，并且超支化有機(jī)硅聚合物的加入增加了其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。Xie等[48]分別合成了氨基硅烷樹脂和環(huán)氧硅油，利用兩者在高溫條件下的固化反應(yīng)制備了具有IPN結(jié)構(gòu)的硅橡膠，IPN體系的交聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得改性后的聚硅氧烷具有優(yōu)異的親水保持性，而且其力學(xué)性能隨著氨基-環(huán)氧基團(tuán)的含量增加而增加。

3 結(jié)束語

目前醫(yī)用硅橡膠親水改性方式多樣，但整體上可分為對表面和本體親水性能的改進(jìn)，兩者可適用于不同的使用場景，一般對短期接觸人體的硅橡膠材料可以使用表面改性，而長期植入人體且需要雕刻賦形的硅橡膠則需要進(jìn)行本體改性，兩種改性途徑所面臨的突出問題略有差異，但是如何保持持久的親水性和適宜的力學(xué)性能始終是需要關(guān)注的問題。需要強(qiáng)調(diào)的是，醫(yī)用材料特別是介入材料的性能，只有與接觸介質(zhì)的各種理化性能相匹配時(shí)才具有使用價(jià)值，近來的研究結(jié)果表明，親水-疏水平衡的硅橡膠更有利于調(diào)控抗凝血能力，實(shí)現(xiàn)更為理想的生物相容性。未來根據(jù)不同植入部位的需要，通過精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與其相匹配的親水-疏水平衡的硅橡膠將成為新的焦點(diǎn)。