医用硅橡胶材料改性研究

【作 者】高仁伟上海千山医疗科技有限公司，上海市，200949

医用硅橡胶材料改性研究

【作 者】高仁伟
上海千山医疗科技有限公司，上海市，200949

该文主要从纳米材料填充改性、等离子体表面改性、表面接枝、硅橡胶与生物活性物质混合改性及仿生涂层法改性硅橡胶等硅橡胶的亲水性改性方面进行了综述，并对每种改性方法进行了分析，最后对医用硅橡胶材料改性研究的发展进行了展望。

硅橡胶；生物相容性；改性

硅橡胶是有机聚硅氧烷的一族，由硅、氧及有机根组成的单体经聚合而成，在医学领域的应用开始于20世纪中期。硅橡胶具有极佳的理化稳定性和生理惰性，可长期处于体内环境，且不被机体代谢、吸收和降解。作为人体植入物的主要材料之一， 硅橡胶在复杂的环境条件下具有较强的耐老化性及良好的工艺性能。但由于硅橡胶的分子为螺旋性结构，非极性的R基则处于螺旋外侧，主链硅氧键的极性降低或抵消，使得整个分子的极性很低，并表现出了极强的疏水性[1]，临床应用植入体内后，导致植入物与受体亲和力差、容易变形移位、材料外露等问题， 还引起患者植入部位形成肉芽肿，长期发热[2]。因此，国内外学者在改善硅橡胶力学性能和生物相容性，增强硅橡胶材料的机械性能，进一步提高其亲水性等方面进行了广泛的研究。

1 纳米材料填充硅橡胶改性

近些年来，作为生物材料科学研究的前沿领域，纳米材料填充硅橡胶改性的研究得到了广泛开展。纳米材料填充改性硅橡胶指的是采用特殊工艺或手段使得纳米材料在硅橡胶机体内均匀分散，从而获得比原硅橡胶基体性能更佳的材料[3]。目前，已有越来越多的纳米材料在硅橡胶的改性研究中得到了应用。例如，将在硅橡胶内润湿分散性良好，且具有良好亲水性表面的纳米碳酸钙均匀的填充其中，这样不但能改善硅橡胶的流变性能与亲水性，而且起到增强作用[4]。Kannan等[5]构建了硅氧烷纳米复合材料，聚尿烷-多面体齐分子量形式。该材料表面对纤维蛋白素原吸收能力增强，并且同时有两性电解质性能和较大的接触角滞后。动物体内研究表明，相对与普通的医用硅氧烷，其增水效果非常明显，其生物相容性和生物稳定性都得到了相应的改善。

2 等离子体表面改性

等离子体是一种对不同气体采用特殊装置进行作用，如射频辉光放电(radiof requency glow discharge，RGD)或电晕放电等过程，产生的一种部分电离的混合气体，由电子、自由基、离子、不同能量的光子以及气体原子等各类活性粒子组成。等离子体在撞击材料表面的同时会与之发生各种化学反应[6]。通过等离子体对硅橡胶表面进行改性处理，在其表面引入各种极性的基团，可以有效的提高材料生物相容性，改善其与生物环境的相互作用[7]。等离子体表面改性的方法有等离子体表面处理以及等离子体表面聚合两种。等离子体表面处理利用的是等离子体对暴露于非聚合性气体等离子体的材料表面进行轰击，从而引起高分子材料表面结构的变化来实现对高分子材料表面的改性过程。等离子体处理则是通过改变材料表面的拓扑结构，实现对其表面非特异性作用的抑制，在材料表面形成目标官能团。等离子体会聚合于暴露在聚合性气体高分子材料表面并沉积一层具有特定功能的聚合物薄膜[8]。例如，通过等离子体聚合在硅橡胶表面形成覆盖层，甲醇等离子体的聚合处理可以赋予硅橡胶良好的表面亲水性[9]。

研究发现，等离子体使得Si原子周围化学环境由“有机相的Si”转变成了“无机相的Si”，这就引起了硅橡胶表面的化学成分的改变。而产生了刻痕的硅橡胶表面得到了粗化，同时增大了其表面积，黏附性能也随之得到了相应提高。而与聚乙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯等材料相比，经过等离子体处理后的硅橡胶的细胞黏附性能优势明显[10]。

Williams RL等[6]研究发现Ar、O2、N2、和NH34种气体等离子能赋予硅橡胶表面各不相同的表面特性， 经O2和Ar处理后血液相容性降低，而经N2和NH3处理后抗凝血性能提高。硅橡胶表面利用等离子体进行表面处理，在其表面性能改善的同时，材料表面的细菌也可以得到有效地去除，从而实现表面消毒的作用[11]。最近研究发现，用氟离子处理硅橡胶的表面，温度对硅橡胶腐蚀率与表面形态有影响。在经氟离子处理的聚硅氧烷表面上，细胞也有非常高的生存能力，材料的生物相容性有了较大的提高[12]。

等离子体表面处理需专门仪器实现，其推广应用在一定程度上受到限制。但是等离子体表面处理过程具有无需特殊技术训练，操作简便、快速，处理效果显著等优势，随着该技术在相关领域的不断扩展应用和生物材料技术的迅速发展，相信它的临床应用前景将较为广泛。

3 表面接枝改性

等离子体改性后的硅橡胶表面性能改善不持久的主要原因在于等离子体性质不稳定。而将各种亲水性物质用等离子电离处理、辐射法、电处理及激光等方法借助化学键交联的形式接枝共聚于硅橡胶的表面，在提高硅橡胶表面生物相容性的同时，作用较为持久[13]。孙义明等利用液相紫外光接枝方法，在室温条件下，对硫化型硅橡胶与甲基丙烯酸β-羟乙酯的接枝反应流程进行了研究，发现接枝效果较好的条件为0.25%引发剂质量分数，2 min辐照时间，接枝后的硅橡胶表面亲水性能获得显著提高[14]。

辐照接枝通常采用60Co为辐照源，硅橡胶在辐照处理下可以促使其表面产生极性基团，正是这些极性基团会与接枝液体中的对应物质以化学键形式产生反应，使接枝液中物质结合于硅橡胶表面，实现改性过程，从而实现提高硅橡胶表面的生物学相容性的目的。在辐射接枝中，主要借助的是一些具备亲水性的化合物单体，如N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酰胺(AAm)、丙烯酸(ACC)、β-羟基酯（HEMA）、甲基丙烯酸等。N-乙烯吡咯烷酮一旦吸水便会形成对水分具有强大的亲和力水凝胶。在硅橡胶膜上接枝N-乙烯吡咯烷酮不仅能大大降低组织的异物反应，且能显著提高硅橡胶的抗凝血性，从而使材料的生物相容性有效提高[15]。

除了常用的60Co 辐照体系外，另一种新型表面改性技术是臭氧引发接枝。在臭氧气体中，在聚合物表面形成可引发丙烯酰胺单体聚合的自由基，该自由基是由过氧基团受热裂解后形成，接枝聚合过氧化位点，接枝后在硅橡胶表面覆盖丙酰酰胺，形成可以增加表面积的凸凹结构，有利于同组织结合[16]。该项技术可以用于处理和加工各类形状复杂的硅橡胶表面，而且生产成本低，极易操作。Xu等[17]提高材料表面的亲水性和血液相容性的方法就是利用臭氧将磷酸胆碱接枝于硅橡胶的表面。

采用各种不同的枝节方法，将相应的生物活性物质共聚于硅橡胶表面的表面改性接枝方法，可以持久而明显的改善硅橡胶表面的多项性能，但是如何通过简化步骤解决较为繁琐的改性接枝方法，并提高其表面改性效果，还需要进一步研究。

4 硅橡胶与生物活性物质混合改性

临床应用的植入材料需要进行雕刻和塑形，这样会直接破坏采用等离子体表面处理和表面接枝聚合方式等进行表面改性的硅橡胶材料的表面结构，显著降低或丧失其生物学活性。而采用硅橡胶和生物活性物质混合改性的方法，在某种程度上说是解决此类问题的一种方式[10]。

目前，硅橡胶的混合改性技术主要包括了以下两种方法，共混改性和填充改性。共混改性指的是，在一定温度，相应剪切力的共同作用下，将硅橡胶和一种或多种与硅橡胶性质不同的聚合物进行掺混，从而达到改变硅橡胶原有性能的一种方法。填充改性技术是指将各种无机或有机填料，例如矿物质、玻璃纤维、白炭黑、有机刚性粒子、镀银玻璃珠微粒、羟基磷灰石、低分子聚合物及其它各种功能助剂等，在橡胶的成型加工过程中加入，通过改善硅橡胶基复合材料自身的物理机械力学性能、热学性能、耐老化性能等，用以提升或赋予其如导电、生物相容性等的特殊性能[18]。

在硅橡胶基胶中加入具有良好的生物相容性的羟基磷灰石颗粒，通过共混高温硫化制备出血液相容性良好的复合材料—羟基磷灰石硅橡胶[19]。在硅橡胶中加入活性剂或润湿剂等成分，硫化成形后，相比于普通硅橡胶，该材料的表面张力要低，而且能显著提高亲水性能，生物学性质也得到了改善[20]。Johnson等[21]同样认为与传统的疏水性硅橡胶材料相比较，改良型的亲水性硅橡胶亲水性能提升显著，达到了与聚醚橡胶类似的良好亲水性。在硅橡胶原料混合入丙烯酸和甲基丙烯酸，聚合形成具有相应的质量分数梯度的混合层的聚合物，研究结果证明，所得聚合物的亲水性和黏膜粘附性能均会随着混合层的厚度增加而增大。比较发现由于化学结构的不同，甲基丙烯酸的改性效果比丙烯酸的改性效果相对差一些[22]。

5 仿生涂层法改性硅橡胶

作为生物相容性极佳的一种材料，由羟基磷灰石制作的各类经皮器件可以被用来长期植入皮下而不引起相应不良反应。然而，羟基磷灰石陶瓷脆性大的性质，却大大提高了其加工成型的难度，导致其无法被用于制作各类形状较为复杂的元件。应用于临床治疗的硅橡胶/陶瓷复合材料只有借助在硅橡胶材料表面制备一层生物活性陶瓷涂层的方法来获得，这样一种复合材料可以在改善硅橡胶的亲水性和生物相容性的同时又不破坏硅橡胶自身的结构。在人体植入后，人体骨骼与植入物之间，可以实现牢固的骨性结合，因此这种复合材料是一种理想的人工骨植入材料[23]。

近些年来发展起来的磷灰石涂层制备的新方法是利用仿生溶液制备磷灰石涂层。这种具有独特工艺优点的仿生合成方法，能无视基体材质和形状带来的限制，且适用于在各种基体上制备磷灰石类涂层。该方法主要是在成分和浓度均接近人血浆的模拟体液中，浸入将要生成涂层的基体，磷灰石晶核由基体表面的活性基团诱导生成，而磷灰石涂层薄膜则在其生成后的基体表面自发形成。通过仿生合成方法的运用，韦明等[24]在硅橡胶的表面制得了磷灰石微晶薄膜。磷灰石涂层可提高硅橡胶表面的亲水效果，而该种效果的提高则能有效的改善硅橡胶的抗凝血性能。采用生物活性玻璃对医用硅橡胶的表面进行诱导，7 d后，唐舟[25]等即在硅橡胶基片表面得到了羽毛状羟基磷灰石涂层，该涂层结晶良好、均匀致密。磷灰石与掺杂后的牛血清白蛋白在硅橡胶的表面发生共沉积，晶体的形成过程蛋白质参与进来，而在牛血清白蛋白单层膜的作用下，羟基磷灰石的结构及形貌和晶体生长的取向性等均发生了变化。

在磷灰石涂层制备仿生合成的工艺流程中，操作步骤主要有：粗糙化基片表面、清洗→预处理活化基片表面→在基片表面溶液中钙、磷离子经诱导形成晶核→在模拟体液中磷灰石涂层的形成和生长。抑制无机晶体匀相成核，控制其异相成核长大是仿生合成的关键。其中，对涂层的生成影响最为关键的是基体表面的预处理和浸渍溶液的成分。这是因为钙、磷离子在基体材料的表面异相形核的能力是直接由预处理工艺对基体表面的活化效果所决定的；而磷灰石涂层形成过程中，涂层的成分、结晶度以及其生长速度等则是由浸渍溶液的成分、浓度以及值等直接决定。

通过预处理聚合物基体表面从而来实现诱导晶核的方法目前有很多种，如生物活性玻璃粉末诱导、硅酸钠溶液诱导、表面预沉积诱导、表面官能团化处理诱导等，每种方法各有自己的优缺点。

6 结语

近年来，医用硅橡胶材料改性研究主要集中于如何提高硅橡胶亲水性。研究表明，在疏水性的硅橡胶材料表面其抗凝血性较好；而亲水性硅橡胶材料表面则减少了材料表面与血液中各组分的吸附及其它相互作用，但是亲水性更容易在材料表面形成钙化。无论是亲水性抑或是疏水性的硅橡胶表面，都可能会在某种程度上具备抗血栓性。研究进一步表明，材料表面适当的亲-疏水平衡对于材料的组织细胞的亲和力和抗凝血能力提高有作用。因此，对于生物相容性来说，构建永久性的亲水—疏水性平衡表面才有意义。未来硅橡胶改性研究主要方向是筛选出更接近人体组织的亲水—疏水性平衡点，构建硅橡胶材料表面的亲水-疏水平衡。

[1] Erlich MA, Parhiscar A. Nasal dorsal augmentation with silicone implant s[J]. Facial Plast Surg, 2003, 19(4): 325-329.

[2] Blum A, Abboud W, Shajrawi I．Prolonged fever due to silicone granulomatosis[J]. Isr Med Assoc J, 2007, 9(2): 121-122．

[3] 曾宪仕, 康晓梅, 陈红, 等, 纳米材料改性硅橡胶的研究进展[J].化工新型材料, 2010, 38(12): 17-18.

[4] Hermansson A, Hjertberg T, Sultan BA. Distribution of calcium carbonate and silicone elastomer in aflame retardant system based on ethylene-acrylate copolymer, chalk and silicone elastomer and its effect on flame retardant properties[J]. J Appl Polym Sci, 2006, 100(3): 2085-2095.

[5] Kannan RY, Salacinski M, Ghanavi JE, et a1. Silsesquioxane nanocomposites as tissue implants[J]. Hast Reconstr Surg, 2007, 119(6): 1653-1662.

[6] Williams RL, Wilson DJ, Rhodes NP. Stability of plasma-treated silicone rubber and it s influence on the interfacial aspects of blood compatibility [J]. Biomaterials, 2004, 25(19): 4659-4665.

[7] 孙蓉, 敖宁建, 严拓. 硅橡胶的生物医学改性与回收利用[J]. 中国组织工程研究与临床康复, 2009, 13(25): 4919-4922.

[8] 李笃信, 贾德民. 等离子体技术对高分子材料的表面改性[J]高分子材料科学与工程, 1999, 15(3): 172-175.

[9] 陈晓东, 朴东旭, 孙瑞焕, 等. 硅橡胶的等离子体表面亲水改性[J]. 高分子材料科学与工程, 2000, 16(1): 153-155.

[10] 张一鸣, 王科, 樊东力, 等. 医用硅橡胶生物相容性改性研究进展[J]. 重庆医学, 2006, 35(3):274-276.

[11]Lepe X, Johnson GH, Berg JC, et al. Wettability, imbibition and mass change of disinfected low-viscosity impression materals[J]. J Prosthet Dent. 2002, 88(3): 268-276.

[12]Darusz S, Cyrille H, Arnaud B, et al. Fluprine-based plasma treatment of biocompatible silicone elastomer: the effect of temperature on etch rate and surface properties[J]. Plasma Process polym. 2008, 5(3): 246-255.

[13]Khorasani MT, Mirzadeh H．Laser surface modification of silicone rubber to reduce platelet adhesion in vitro[J]. J Biomater Sci Polym Ed, 2004, 15(1): 59-63.

[14] 孙义明, 李欢, 黎曼. RTV表面紫外光接枝HEMA的研究[J]. 弹性体, 2010, 20(2): 6-9.

[15] 方月娥, 史天义, 梅宝珊, 等. 硅棕胶水凝胶膜预防骨外科手术组织粘连的临床应用[J]. 生物医学工程学杂志, 1998, 15(3): 228-233.

[16] Laube T, Apel H, Koch HR. Ult raviolet radiation absorption of int raocular lenses[J]. Ophthalmology, 2004, 111 (5): 880-887.

[17]Xu JM, Yuan YL, Shah B, et al. Ozone-induced grafting phosphorylcholine polymer onto silicone film grafting 2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine onto silicone film improve hemocom,atibility[J]. Coiloids Surfaces B; Biointerfaces, 2003, 30(3): 215-223.

[18] 唐舟. 医用硅橡胶表面仿生制备磷灰石涂层的研究[D]. 武汉理工大学, 2009.

[19] 牟善松, 屠美, 汤顺清, 等.羟基磷灰石对硅橡胶复合材料抗凝血性能的影响[J]. 材料科学与工程学报, 2003, 21(82): 162-165.

[20] Dunne SM, Abraham R, Pankhurst CL. A 32year longitudinal, cont rolled clinical study of a gallium-based restorative material[J]. Br Dent J, 2005, 198(6): 355-361.

[21] Johnson GH, Lepe X. The effect of surfacemoisture on detail reproduction of elastomeric impressions[J]. J Prosthet Dent, 2003, 90(4): 354-359.

[22] Di Colo G, Burgalassi S, Chetoni P, et al. Relevance of polymer molecular weight to the in vitro/ in vivo performances of ocular inserts based on poly ( ethylene oxide )[J]. Int J Pharm, 2001, 220(1-2): 169-177.

[23] 宋云京, 李木森, 温树林. 仿生法制备生物陶瓷涂层的最新研究进展[J]. 材料导报, 2002, 16(5): 33-35.

[24]韦明, 王欣宇, 王友法. 通过仿生法在硅橡胶表面制备磷灰石薄膜的研究[J]. 功能材料, 2007, 38(7): 1187-1189.

[25]王欣宇, 唐舟, 郭洁. 在硅橡胶表面仿生制备磷灰石涂层的研究[J]. 武汉理工大学学报, 2010, 32(13): 10-13.

Research for Modification of Medical Silicone Rubber Material

【Writer】GAO Renwei
Shanghai Chinasun Medical Technology Co. Ltd., Shanghai, 200949

This paper reviews and analyzes the modifications of silicone rubber, containing nanometer material filling, plasma surface modification, surface grafting, mixture with bioactive substrates and bionic coating. At last, the author shows the prospect for the future development of silicone rubber modification.

silicone rubber, biocompatibility, modification

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.02.012

1671-7104(2015)02-0122-03

2014-10-15

高仁伟，E-mail: sungrw@163.com