等离子体表面处理技术在医疗器械领域的应用概述

对气体施加电压使之产生辉光放电的技术，或者称做“等离子体”技术，在医疗器械领域已经成为了一种解决表面预处理问题的有力工具。等离子体不仅可用于表面的极端清洁和消毒，它还可以改善生物材料对体外诊断平台以及生物相容性涂层对体内器械的粘合性。的确，等离子体不仅可以活化表面从而有利于细胞或生物分子的固定，还可以反过来产生光滑的表面，从而抵抗生物污染，或用于计量药物的配制。等离子体还可以大大提高微流体器械的功效。临床诊断装置上的微通道可以在不影响自身分析性能的情况下变得对生物流体更加“浸润”。等离子体同样应用于一些低端技术领域，例如改善导管的油墨标记，提高注射器针头对针筒的粘合力。另外，由于等离子体是一种干法表面处理技术，不需要处理废弃的化学品，从而成为了只需极少量消耗品的绿色工艺。在这篇文章中，我们将讨论在体外诊断平台工业中等离子体技术的功能。我们将关注等离子体如何控制表面能量，以及如何修饰表面化学性从而改善对生物材料的粘附性。在等离子体魔术般的对表面进行改性的背后的科学依据是什么呢？

什么是等离子体？

图1：四种物质状态的示意图。等离子态与气态的根本区别是等离子态可以是电导性的。电子摆脱了原子或分子的引力从而可以通过电子的碰撞来传递能量。

等离子体和固体、液体或气体一样，是物质的一种状态。对气体施加足够的能量使之离化成等离子状态。等离子体的“活性”组分包括：离子、电子、活性基团、激发态的核素（亚稳态）、光子等。控制和驾驭这些活性组分聚集后的性能可进行各种各样的表面处理，例如纳米级别的清洁、活化表面的浸润性、化学接枝、涂层沉积等。

等离子体的高化学活性用来在不影响基材的情况下改变表面的性能。实际上可以控制这些部分离化的气体所携带的能量，使之含有很低的“热”能。实现的方法是通过把能量与自由电子而不是与更重的离子进行耦合，这样便可以处理对热量敏感的聚合物，例如聚乙烯和聚丙烯。能量是如何与气体耦合的呢？大多数情况下是通过在低压环境下在两个电极间施加电场。这就像荧光灯的工作原理，唯一的区别是不让光发出。我们支配他的化学性能来处理材料的表面。等离子体也可以在大气压力下产生。在过去，大气压等离子体温度太高而不能作为表面处理的工具。最近，改进的技术可以在大气压力下产生低温等离子体，可应用于大多数对温度敏感的聚合物的处理。

等离子体如何改变表面的性能？

图 2：作为表面处理工具的等离子体大多数情况下是在一个低压真空腔室内产生。随着技术的进步在大气压力下产生等离子体已经开始普及，并且被越来越多的应用。图 2a是PVA Tepla公司的台式低压等离子体系统。这种类型的系统具有先进的性能，很适合于单元式工业以及实验室中适用。图 2b是 PVATepla公司的大气压等离子体笔的特写。这种设计把电压和电流安全的控制在等离子体笔体内部，它可用于在线式应用或者选择性的局部处理。

假设一个固体的表面吸附了碳氢污染物。这些污染物很容易与等离子化的氧元素反应。氧攻击吸附的碳氢化合物，从而转变成CO2 和 H2O。图3是一个简单的反应机理。对于易氧化的表面，可以选择用等离子化的氢气进行表面清洁。氢不仅可以把表面的部分有机物变成挥发性的烃，还可以减少铜、镍、银等金属的氧化。

等离子体的化学特性几乎取决于原料气体。例如，O2, N2, N2O, CO2等可产生氧化性等离子体。这些气体用于把表面对于极性溶液变得更加浸润，或者亲水。这是通过等离子体诱导共价的氧键变为羰基、羧基、羟基等官能团来实现的。这些极性官能团可增加表面的能量，因此，可使组织细胞更好的黏附，或者使分配到诊断平台上的分析物可以更容易的流过微流体通道。

Ar/H2，NH3等可产生还原性的等离子体。这些气体已证实可有效的活化碳氟化合物，如PTFE。因为PTFE的惰性和生物相容性，它是制造体内医疗器械的理想材料。但这些特点又是加工PTFE的不利因素，比如需粘附到合成支架上以促进体内装置上的组织生长。还原性的等离子体可通过降低整个表面的氟浓度，用羟基等官能团置换氟原子来解决这些问题。表面的羟基可提供支撑这些合成支架的定位点。

一些应用需要将主材料进行侵蚀。NF3，SF6，CF4等含氟的气体很适合用来刻蚀碳氢聚合物、硅以及氧化硅、氮化硅等材料。等离子体除了很强的化学作用之外，直接性的作用也扮演了很重要的角色，带有动能的粒子撞击表面可以去除更多的表面惰性污染物（例如金属氧化物以及其他无机污染物），以及在适当的位置使聚合物交联来保持等离子体处理的效果。

可以通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺来生长聚合物涂层。PECVD是通过在等离子体中活化单体等核素，并诱导它们在工件的基面发生聚合来工作的。PECVD涂层具有防护层、防粘、防划等一些性能。另外有些涂层含有一些特殊的官能团，例如-NH3，-OH，-COOH。这些官能团为后续的接枝提供了合适的接合位置（例如为生物材料而固定蛋白质或传感剂），或者可以提高官能团涂层的结合力（例如抗凝血酶原、润滑、IV型胶原质等）。沉积涂层的表面化学性决定于几十纳米深度的外表面。

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。