等离子体处理技术对疝修补用聚丙烯网表面性能的影响*

王宪朋，李文明，吴倩倩，马丽霞，王传栋，王勤，纪青，刘阳

(山东省药学科学院 山东省医用高分子材料重点实验室，济南 250101)

1 引 言

疝气是一种外科常见病和多发病，包括腹壁疝、股疝、盆壁疝、膈疝、会阴和盆底疝等[1-3]。据统计，每年我国新增疝气病例约200万。植入补片取代缺损组织的无张力修补术是目前临床常用的治疗方法[4-5]。聚丙烯材料因其稳定的化学性质、较高的物理强度、良好的抗感染性和易于编织等优点，作为不可吸收补片被广泛应用于疝修补术中，但聚丙烯网的表面润湿性差，不易与亲水性材料结合以改善其表面性能[6]。聚丙烯网补片植入后与脏器粘连的情况时有发生，对聚丙烯网的表面处理一直是该领域的研究热点。

提高聚丙烯网表面的亲水性能，一般采用等离子体处理、紫外光诱导、表面涂覆等方法[7-9]。等离子体处理技术因具有节能环保、处理效率高、仅对材料表面进行改性而不损伤力学性能等优点，已成为改善材料表面性能的重要手段之一[10]。在一定条件下，将处于低气压状态的氧气、氮气、氩气等气体分子通过辉光放电激发为等离子体，等离子体冲击材料表面后破坏原有化学键，通过形成亲水性官能团以达到表面改性的目的[11]。

本研究采用等离子体表面处理技术对疝修补用聚丙烯网材料的表面进行改性，考察了发射功率、处理时间、气体氛围等因素对改性效果的影响，采用扫描电镜、X射线光电子能谱仪、接触角测量仪等对聚丙烯网的表面形貌、元素组成、亲水性能进行了表征。

2 实验

2.1 实验材料与设备

实验材料：聚丙烯网补片，日照天一生物医疗科技有限公司；无水乙醇；纯化水。

设备：CPC-B等离子体处理仪，美国CIF公司；XG-CAMC31型接触角仪，上海轩准仪器有限公司；SUPRA55扫描电子显微镜，德国Zeiss公司；AGS-H电子万能试验机，日本岛津公司；ESCALAB 250 X射线光电子能谱仪，美国THERMO公司。

2.2 等离子体表面处理

将聚丙烯网浸入乙醇中，超声波清洗15 min去除表面杂质，取出后置于37℃恒温烘箱中干燥24 h。将干燥后的聚丙烯网固定在等离子体处理仪的基板上，接入气体并调节流量，设定功率和处理时间对聚丙烯网表面进行改性处理。

2.3 改性效果的表征

2.3.1形貌观察 将样品外表面真空镀金后，使用扫描电子显微镜观察等离子体处理前后聚丙烯网的表面形貌。

2.3.2亲水性能 采用水滴静态接触角表征亲水性能，使用接触角测量仪测试处理前后聚丙烯网表面的静态接触角，加液量为3.50 μL，每个样品测试5个点，取5次的平均值。

2.3.3元素分析 使用ESCALAB 250 X射线光电子能谱仪对处理后聚丙烯网的组成元素进行分析。

3 结果与讨论

等离子体表面处理技术主要是使用氮气、氧气等非聚合性气体产生的等离子体对高分子材料表面进行处理，等离子体与高分子材料表面相互作用生成自由基团，进而在高分子材料表面引入羟基、羧基等官能团，达到改善材料表面亲水性的目的。

3.1 等离子体处理对聚丙烯网表面形貌影响

采用扫描电子显微镜对等离子体处理前后聚丙烯网的表面形貌进行了比较，见图1。由图可知，未经等离子体处理的聚丙烯网表面比较平整光滑，粗糙感不强。在等离子体处理过程中，气体分子在辉光放电条件下分解为具有较高能量的等离子体，并冲击聚丙烯网的表面，从而使聚丙烯网表面呈现出不同程度的凹坑，粗糙感变强。等离子体处理后的聚丙烯网表面发生了较为明显的变化。

图1 聚丙烯网表面的SEM照片 (a),(c).等离子体处理前;(b),(d).等离子体处理后Fig.1 SEM images of polypropylene mesh surface(a),(c).before plasma treatment;(b),(d).after plasma treatment

3.2 发射功率和时间对聚丙烯网表面亲水性的影响

由表1可知，当发射功率一定时，随着处理时间的延长，聚丙烯网表面的水滴静态接触角变小。当处理时间一定时，发射功率越大，聚丙烯网表面的接触角越小。表明随着发射功率的增大和处理时间的延长，聚丙烯网表面的亲水改性效果越明显。由图2可知，处理2 min的聚丙烯网表面水滴静态接触角

图2 不同等离子体处理时间聚丙烯网表面接触角水滴图型(a).2 min;(b).5 min;(c).8 min;(d).10 minFig.2 Droplet pattern of contact angle for polypropylene mesh surface after plasma treatment at different time(a).2 min;(b).5 min;(c).8 min;(d).10 min

表1 发射功率和时间对聚丙烯网接触角的影响Table 1 The effect of plasma treatment power and time on the contact angle of polypropylene mesh

为104.1°，随着处理时间的延长，聚丙烯网表面的水滴静态接触角下降为39.6°，亲水性有了较大改善。处理后的聚丙烯网接触角越小，说明聚丙烯网表面的亲水改性效果越好。但等离子体处理过程中生热较快，当温度达到聚丙烯的玻璃化转变温度时，聚丙烯网将发生形变。

3.3 气体氛围对聚丙烯网表面处理的影响

在一定的真空负压下，等离子体表面处理仪将气体转化为高活性的电子、自由基等粒子进而冲击样品表面，破坏样品表面原有化学键，其中高活性粒子与样品表面相互作用后，形成新的官能团，从而达到改变表面特性的目的，当气体氛围不同时，引入的官能团的种类及数量也会有差异[12]。

由表2和图3可知，氧气氛围下对聚丙烯网进行等离子体处理后，引入的氧元素的质量分数为5.85%，略高于空气氛围下引入的氧元素，是氮气氛围下引入氧元素的2.04倍。而在不同气体氛围下等离子体处理后，引入氮元素的变化较小，此现象的原因可能是在等离子体处理仪辉光放电下，氧气较易转化为高活性的粒子去冲击聚丙烯网表面，从而在材料表面引入亲水性的羧基、羟基等官能团。而氮气的惰性较强，被电离的离子较难在材料表面引入含氮的亲水基团。由图4可知，随着处理后聚丙烯网表面氧元素含量的增加，聚丙烯网表面接触角越小，其亲水效果越好，间接表明了改性后的亲水效果是由于引入含氧官能团所致。

表2 不同气体氛围下，聚丙烯网表面的C、N、O元素占比Table 2 The contents of C,N and O elements in polypropylene mesh surface treated by plasma in different atmospheres

图3 不同气体氛围下，等离子体处理后聚丙烯网表面的XPS图谱Fig.3 XPS of polypropylene mesh surface after plasma treatment in different atmospheres

图4 三种不同气体氛围下，聚丙烯网表面接触角Fig.4 Contact angle of polypropylene mesh surface after plasma treatment in different atmospheres

4 结论

本研究采用等离子体处理技术对疝修补用聚丙烯网进行表面改性，对处理前后聚丙烯网的表面形貌进行对比，研究了发射功率和处理时间对聚丙烯网表面亲水性能的影响，考察了空气、氮气和氧气氛围对聚丙烯网表面C、N、O元素占比的影响。结果表明,等离子体处理后的聚丙烯网表面变得粗糙，随着放射功率的增加和处理时间的延长，聚丙烯网表面接触角变小；氧气氛围下处理的聚丙烯网表面的接触角最小，亲水性能改善显著。