馬建崗

摘要：生物材料中聚醚醚酮的性能優(yōu)異，但是該材料的粘接性能較差，所以在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的發(fā)展受到了一定的限制。文章通過使用氮?dú)獾蜏氐入x子對該生物材料進(jìn)行處理，目的在于提高材料的粘接性能。于是制作生物材料試樣，對其進(jìn)行氮?dú)獾蜏氐入x子處理Omin、15min、25min、35min。然后對不同的試樣進(jìn)行掃描電鏡觀察、x線光電子能譜分析、接觸角分析、剪切強(qiáng)度和截面破壞模式分析。研究結(jié)果表明，經(jīng)過氮?dú)獾蜏氐入x子處理之后的生物材料中引進(jìn)了氮元素;粘接性能相比于沒有進(jìn)行等離子處理的試樣，處理之后的試樣明顯提高了材料的粘接性能，并且等離子處理25min之后的生物材料，其粘接性能更好。

關(guān)鍵詞：氮?dú)獾蜏氐入x子;生物材料;粘接性能

中圖分類號(hào)：R783.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）02-0037-04

生物材料在很多領(lǐng)域中具有非常重要的作用，尤其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，使用生物材料的頻率非常多。但是有些生物材料在使用過程中需要對其進(jìn)行固定，然而使用復(fù)合樹脂膠粘劑很難和某些生物材料粘接牢固，所以需要對其進(jìn)行表面改性分析，提高生物材料的表面性能。由于生物材料的種類較多，文章主要研究了其中聚醚醚酮，是一種生物惰性材料，因其性能優(yōu)異，所以在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用，但是該材料界面結(jié)合力較低，很難和粘接劑形成比較到的粘接強(qiáng)度，于是文章通過使用氮?dú)獾蜏氐入x子對該材料進(jìn)行分析處理，目的在于提高該材料的綜合性能，從而提高生物材料的應(yīng)用效果。

1實(shí)驗(yàn)過程

1.1實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所需要的主要材料為聚醚醚酮生物材料，實(shí)驗(yàn)所需要的設(shè)備如表1所示。

1.2試件處理

制作尺寸為50mmX5mmX4mm的生物材料試樣，一共需要制作16個(gè)作為實(shí)驗(yàn)對象，然后將每個(gè)試樣進(jìn)行砂紙打磨，使用的砂紙為600目和800目，打磨完成之后使用不同的溶液進(jìn)行超聲清洗10min，其中使用到的溶液有丙酮溶液、去離子水和無水乙醇溶液。然后再使用氣槍進(jìn)行吹干即可。然后將制作好的16個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行隨機(jī)分配為兩組，一組為對照組一組為實(shí)驗(yàn)組，然后將實(shí)驗(yàn)組的所有試樣放到氮?dú)獾蜏氐入x子體發(fā)生器中，最后按照表2所示的等離子處理參數(shù)進(jìn)行處理，于是一共可以分為表2所示的4個(gè)組別。

1.3材料表征

使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對每組的試樣進(jìn)行觀察，看其表面微觀形貌的變化區(qū)別，然后使用x射線光電子能譜儀對每組試樣的進(jìn)行分析，分析其表面的元素變化，最后還需要對每組試樣的表面親水性通過使用水分子接觸角進(jìn)行分析。

1.4制備粘接試樣

首先裁剪出多個(gè)直徑為1.7mm圓孔的雙面膠帶，然后粘貼在每個(gè)生物材料試樣上，每個(gè)試樣上需要粘貼五個(gè)雙面膠帶，因?yàn)閷?huì)在生物材料上粘接五個(gè)圓柱形聚乙烯模具，該模具的高為4mm，內(nèi)徑為1.7mm，內(nèi)徑大小正好與雙面膠帶的圓孔直徑一致，因?yàn)樾枰獙⒃撃＞吲c圓孔直徑正好對齊，然后將膠粘劑注射到模具中，在室溫環(huán)境下固化半個(gè)小時(shí)之后即可將模具移除。最后將制作好的粘接試件放到水浴鍋中，將其溫度設(shè)置為37℃即可。

1.5剪切強(qiáng)度測試

對粘接試件進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試，使用到的工具為萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，首先使用專業(yè)的夾具進(jìn)行固定，將其移動(dòng)速度設(shè)置為1mm/min，當(dāng)粘接劑脫落的那一刻的力值F進(jìn)行記錄，于是可以根據(jù)粘接面積即可求得剪切強(qiáng)度。另外，還需要對膠粘劑的斷裂情況使用體視顯微鏡進(jìn)行觀察，看屬于哪種破壞模式。一共可以分為3種破壞模式，首先是界面破壞，即斷端發(fā)生在膠粘劑和生物材料的接觸面;然后是內(nèi)聚破壞，即斷端發(fā)生實(shí)踐內(nèi)部或者膠粘劑內(nèi)部;最后一種就是混合破壞模式，就是斷端有少量樹脂膠粘劑附著。

1.6數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)產(chǎn)生很多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，于是文章使用SPSS軟件對其進(jìn)行分析。水分子接觸角數(shù)據(jù)和剪切強(qiáng)度全部使用雙x±S形式進(jìn)行表示，然后每組之間使用單因素方差進(jìn)行分析。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1掃描電鏡觀察

通過對生物材料進(jìn)行表面觀察，其中包含等離子體處理之后的試件和沒有進(jìn)行處理的試件，其觀察結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，使用砂紙打磨之后的標(biāo)準(zhǔn)試件具有比較規(guī)整的表面狀態(tài)（圖1a），然后經(jīng)過氮?dú)獾蜏氐入x子處理之后的試件，其表面并不再是之前的規(guī)整狀態(tài)，而是表現(xiàn)出凸凹不平的狀態(tài)，而且當(dāng)?shù)獨(dú)獾蜏氐入x子處理的時(shí)間越長，其表面凸凹不平的程度越大，刻蝕效果也就越來越明顯。

2.2 x線光電子能譜分析

通過使用x射線光電子能譜儀對試件的兩種處理狀態(tài)進(jìn)行表面元素分析，其中一種對照組，既沒有使用氮?dú)獾蜏氐入x子處理的試件，然后還需要對經(jīng)過氮?dú)獾蜏氐入x子處理的試件進(jìn)行分析，檢測結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，對照組的表面元素主要有碳和氧，但是通過使用氮?dú)獾蜏氐入x子處理之后的試件，其中引進(jìn)了氮元素。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是因?yàn)榈獨(dú)獾蜏氐入x子處理使得生物材料中的分子鏈出現(xiàn)斷裂情況，于是能夠和氮等離子體相互作用，于是就會(huì)形成含氮的官能團(tuán)。

2.3接觸角

對生物材料的表面水分子接觸角進(jìn)行分析，其結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，對照組中的生物材料表面具有比較大的水分子接觸角，其接觸角大致在72.8±2.08°，而表中其他經(jīng)過氮?dú)獾蜏氐入x子處理之后接觸角有所變小，且當(dāng)?shù)入x子處理時(shí)間越長時(shí)，其接觸角也就越小。所以經(jīng)過等離子處理之后，且處理時(shí)間更長的生物材料具有更好的親水性。

2.4剪切強(qiáng)度值和粘接界面破壞模式

最后分析經(jīng)過氮?dú)獾蜏氐入x子處理前后的生物材料的剪切強(qiáng)度，其結(jié)果如表4所示，表中a、b、c、d全部表示的不同組之間的存在的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P<0.01。對照組和粘接劑的剪切強(qiáng)度為0，可以說粘接劑和材料之間沒有粘接力，但是經(jīng)過氮?dú)獾蜏氐入x子處理之后的，實(shí)驗(yàn)組的剪切強(qiáng)度有了非常明顯的提升。然后將等離子15min組和對照組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)差異計(jì)算，得到P

然后對每組的破壞模式進(jìn)行觀察，結(jié)果如表5所示，從表中可以看出，材料主要表現(xiàn)出界面破壞模式，并且少量發(fā)生混合破壞，內(nèi)聚破壞在實(shí)驗(yàn)過程中沒有出現(xiàn)。

3討論

文章所研究的生物材料聚醚醚酮和膠粘劑之間的粘接性能不好，所以在使用該生物材料過程中就會(huì)受到一定的限制，比如將其應(yīng)用口腔中，需要與膠粘劑之間進(jìn)行粘接，由于該材料是一種疏水性質(zhì)的材料，所以就會(huì)限制該材料在口腔中的應(yīng)用。于是相關(guān)學(xué)者就會(huì)對其進(jìn)行改性研究，從而增加其粘接強(qiáng)度。

使用氮?dú)獾蜏氐入x子對該生物材料進(jìn)行改性研究，具有比較明顯的改性作用，并且這種方式可以在不改變原本材料的力學(xué)能力，使得材料的化學(xué)成分或者物理成分發(fā)生變化。對材料使用等離子處理之后，其表面會(huì)變成極性表面，比如會(huì)使得表面變得更加凸凹不平，會(huì)發(fā)生一定的腐蝕等現(xiàn)象、有機(jī)殘留物的取出等，這些變化都有利于提供材料的粘接性能。上文通過使用氮?dú)獾蜏氐入x子體處理生物材料，對該材料進(jìn)行改性研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過等離子處理之后的材料表面變得更加的凸凹不平，并且具有一定的腐蝕現(xiàn)象，且當(dāng)?shù)入x子處理的時(shí)間越長，表面的腐蝕程度也越大，在一定程度有助于提高有效粘接面積。通過使用x線光電子能譜對經(jīng)過等離子處理之后的材料進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在材料中引入的含氮基團(tuán)，正是由于該基團(tuán)的作用，能夠和粘接劑中的成分形成一種化學(xué)結(jié)合力，所以可以增加生物材料的粘接強(qiáng)度。經(jīng)過氮?dú)獾蜏氐入x子處理之后的材料，因?yàn)檫M(jìn)行了改性，促進(jìn)了材料表面親水基團(tuán)形成，所以經(jīng)過處理之后的材料其親水性提高了。上文中通過實(shí)驗(yàn)分析接觸角的變化，發(fā)現(xiàn)提高親水性能夠提高材料和粘接劑之間的緊密接觸強(qiáng)度，于是就可以明顯的提高生物材料的粘接強(qiáng)度。

從上述實(shí)驗(yàn)中還可以得到對生物材料進(jìn)行氮?dú)獾蜏氐入x子處理之后，其處理的時(shí)間不同，對生物材料的改性程度也會(huì)存在差異，對材料處理的時(shí)間過長，就會(huì)使得材料表面的活性基團(tuán)遭到破壞，但是從上述實(shí)驗(yàn)中還可以看出當(dāng)時(shí)間過長之后，材料表面的腐蝕程度就會(huì)變得更加嚴(yán)峻，所以處理時(shí)間不能過長也不能太短。并且在上文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中也已經(jīng)表明，對3種處理時(shí)間進(jìn)行了剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，3種時(shí)間分別為15min、25min、35min，發(fā)現(xiàn)等離子25min的試件具有更好的粘接強(qiáng)度，所以正好可以驗(yàn)證上述的觀點(diǎn)。與沒有進(jìn)行等離子處理的對照組進(jìn)行比較，等離子15min組的剪切強(qiáng)度有顯著性的增加，主要原因在于經(jīng)過等離子處理之后，能夠引入活性基團(tuán)，從而增加了材料粘接性能。而當(dāng)處理時(shí)間增加到25min時(shí)，其剪切強(qiáng)度變得更大，這種變化趨勢的主要原因在于等離子處理時(shí)間邊長，生物材料的表面被蝕刻的程度就會(huì)越大。但是當(dāng)處理時(shí)間增加到35min之后，材料的剪切強(qiáng)度變小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)樘幚頃r(shí)間太長，使得生物材料形成的活性基團(tuán)遭到嚴(yán)重破壞，所以就會(huì)導(dǎo)致粘接能力下降。因此，可以從實(shí)驗(yàn)中觀察到生物材料同時(shí)受到化學(xué)粘接力和機(jī)械粘接力的影響。

上述實(shí)驗(yàn)通過對材料的剪切強(qiáng)度進(jìn)行測試，從而用其來表現(xiàn)粘接性能，使用這種方式是可以的，因?yàn)榧羟袕?qiáng)度和粘接性能之間存在著非常緊密的關(guān)系，當(dāng)材料表面特性發(fā)生改變時(shí)，就會(huì)影響剪切強(qiáng)度的大小。如果某種材料的粘接強(qiáng)度比較小，發(fā)生的破壞模式主要是界面破壞。于是通過上述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樯锊牧系恼辰訌?qiáng)度不高，于是其發(fā)生的主要破壞就是界面破壞，混合破壞發(fā)生的頻率比較小，正好符合上述觀點(diǎn)。

4結(jié)語

綜上述所，對生物材料使用氮?dú)獾蜏氐入x子進(jìn)行改性，能夠顯著增加生物材料的粘接性能。等離子處理的時(shí)間不同，材料的粘接性能不同，通過實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)獨(dú)獾蜏氐入x子處25min時(shí)，材料的粘接性能最好。通過提高生物材料的粘接性能，更有助于提高其應(yīng)用范圍，尤其在口腔科中，使用具有粘接性能的生物材料比較多。