碳及碳团簇负离子注入硅橡胶细胞相容性研究

郑晨龙，徐 亚，仇猛淋，庞学雯，吴正龙，王广甫,4,*

(1.北京师范大学 核科学与技术学院 射线束技术与材料改性教育部重点实验室，北京 100875；2.北京大学医学部 基础医学院 免疫学系，北京 100191；3.北京师范大学 分析测试中心，北京 100875；4.北京市辐射中心，北京 100875)



碳及碳团簇负离子注入硅橡胶细胞相容性研究

郑晨龙1，徐 亚1，仇猛淋1，庞学雯2，吴正龙3，王广甫1,4,*

(1.北京师范大学 核科学与技术学院 射线束技术与材料改性教育部重点实验室，北京 100875；2.北京大学医学部 基础医学院 免疫学系，北京 100191；3.北京师范大学 分析测试中心，北京 100875；4.北京市辐射中心，北京 100875)

通过在GIC4117串列加速器前注入器加装注入靶架以及扫描系统，建立了低能负离子注入平台，实现具有“Charge-up free”优点的负离子以及团簇负离子的注入，从而进行了碳及碳团簇负离子注入硅橡胶细胞相容性研究。水接触角测量表明，随着注入剂量增大到3×1015cm-2，材料表面的水接触角从108.7°减小到103.1°，表面亲水性得到改善。XPS测试表明，随着注入剂量的增加，样品中碳含量逐渐减小，而氧和氮含量逐渐增加。基于上述结果对负离子注入硅橡胶细胞相容性改善的机制进行了讨论，最后在样品上进行了细胞培养实验。结果表明，负离子注入法是一种简单、有效提升硅橡胶细胞相容性的方法。

负离子注入；硅橡胶；表面改性；XPS；细胞相容性

负离子注入技术，因具有“Charge-up free”的优点，使绝缘材料的表面上基本不会有电荷积累，一般表面充电电压在正负几伏之间，从而不会形成电荷放电现象。这个优点使得负离子注入技术相较于正离子注入技术在很多方面有着更好的应用前景，如集成电路、粉末表面改性等[1]。近期，这项技术也用于聚合材料细胞相容性改善的研究中[2-4]。

在整形外科临床应用中，硅橡胶(SR)因具有良好的理化稳定性、生理惰性、易加工性和耐腐蚀性，是目前临床最常用的填充材料[5]。然而，SR表面呈强烈的疏水性，导致其与组织细胞的相容性较差，使得其很难与生物组织结合生长，加之纤维结缔组织在材料周围形成包囊，并随时间增厚、挛缩，易导致植入材料变形、移位。因此，对硅橡胶材料进行合适的材料表面改性，增强其细胞相容性，以提高软组织材料填充后的临床治疗效果，具有重要的意义[6]。对于硅橡胶材料的表面改性，可采取等离子体处理、接枝共聚、仿生涂层等方法，但均有一定的缺陷，如步骤繁琐、条件不易控制、基材温度不易控制等。离子注入方法因能避免上述方法中的缺馅，被用于提高硅橡胶表面的细胞相容性的研究中[7-9]。

本文通过在北京师范大学GIC4117串列加速器前注入器加装注入靶架和扫描系统，建立具有“Charge-up free”优点的低能负离子及团簇负离子注入平台，并利用该平台开展碳及碳团簇负离子注入改性硅橡胶细胞相容性的研究。

1 实验

1.1 系统搭建

为实现多样品、高效率的低能负离子和团簇负离子的注入，对北京师范大学核科学与技术学院的GIC4117型串列加速器前注入器部分进行改造。改造后的系统主要由铯溅射源、分析磁铁、静电扫描系统以及样品台组成(图1)。铯经过热源加热蒸发与外包钽壳的高温电离丝接触失去其最外层电子，电离后的Cs+离子经阴极的吸引撞击靶物质，从而从石墨中溅射出碳负离子，最后从20 keV的提取电极引出离子源[10-11]。碳负离子由铯溅射源产生后，经分析磁铁的筛选，由x、y方向上的两个静电扫描板进行电场扫描，使束流在样品上更均匀，保证了注入的均匀性。经扫描的束流在经一16 mm直径的光栏后，到达样品台。

图1 注入系统示意图Fig.1 Schematic diagram of implantation system

1) 样品台设计

在GIC4117串列加速器前法拉第筒位置真空管道上、下各有一直径不足16 mm的法拉第筒备用安装圆孔，使用这两个圆孔作为样品台的安装位置，设计加工了负离子注入样品台。由于前注入器仅一套真空系统，且同样品台之间无真空隔离阀，每次换样破坏真空时需关闭真空系统，离子源的真空无法维持，必须关掉离子源；换样后需抽真空、加离子源再进行负离子注入，致使每次更换样品时间较长。所以在设计上希望样品台能装载多个样品，提高注入样品的效率。

样品台示意图示于图2,上部是一不锈钢材料的圆柱套管，通过与其中的丝杠配合实现传动换样的功能。底部是一由聚氧亚甲基材料制作的绝缘套管，将样品台同地电位绝缘，以便测量束流积分，其与金属杆接触的部分由一橡皮圈进行真空密封。中间金属杆的下部加工为半圆柱，半圆柱的平面用于放置样品。通过上述设计，在20 cm的有效区域内可放置7、8个1 cm2的样品。进行负离子注入前，在侧方将法拉第筒拉出，通过上下移送样品台，使待注入样品移到原有法拉第筒位置即可进行负离子注入。需将负离子提供给串列加速器时，只需将样品台提升到底部高于前法拉第筒的位置，就不会影响加速器前注入器的正常工作。

图2 注入样品台示意图Fig.2 Schematic diagram of implantation sample carrier

2) 静电扫描系统设计

在设计完成样品台后进行测试性实验，发现注入的均匀性不好，特别当引出电压较低、团簇离子的质量数较大时尤为明显。为提高注入均匀性，在双45°开关磁铁之间加装了一x方向的静电扫描板，将原加速器上的y方向导向器用作y方向的静电扫描板。系统使用美国National Electrostatics Corp公司的Raster Scanner Electronics扫描电源，x方向扫描频率517 Hz，y方向扫描频率64 Hz。通过加装静电扫描系统，使离子束束斑在样品上扫描，提高了注入均匀性。

1.2 实验过程

在材料表面物理特性的表征中，材料表面的亲水性能被认为与细胞吸附性有很强的关联，而亲水性能可简单地由水接触角进行表征。在水接触角测量中，样品先在超净间经无水酒精擦拭，后被转移到载玻片上。使用德国Dataphysics公司的OCA15EC光学接触角测量仪，在30 ℃的环境下使用去离子水对样品进行水接触角测量。

为得到样品表面的元素含量信息，对不同剂量的注入样品使用Thermofisher公司的Escalab 250Xi进行XPS的分析，通过对比注入前后样品全谱图、C 1s峰以及各元素组成的变化，对样品材料改性的机制进行讨论。

为证明该方法能有效改善材料表面的细胞相容性，将注入剂量为3×1015cm-2和无注入的两片样品分别放入培养皿进行细胞培养实验。实验中，样品首先被70%的酒精浸泡30 min灭菌，再用无菌水冲洗两次。然后加入含有10%灭活胎牛血清的细胞培养基(DMEM)，之后3.7×105个宫颈癌细胞(HeLa)被接种在里面，放入37 ℃、5%的二氧化碳孵箱中培养24 h。培养完成后，首先吸弃原培养液，然后加入磷酸缓冲盐水(PBS)，最后加入Hoechest 33342荧光染液5 min，对细胞的细胞核进行染色。之后使用荧光显微镜(Olympus IX51)进行观察。

2 结果与讨论

2.1 水接触角测量

离子注入；离子注入

通过测量可看出，经处理后的硅橡胶板，其接触角从108.7°下降到了103.1°，有5°左右的降低(图4)。可见，经碳离子注入后，材料的亲水性有明显的改善。

2.2 XPS测量分析

a——注入前；b——注入后

a——注入前；b——注入后

图6 硅橡胶元素含量在20 keV注入能量下随注入剂量的变化Fig.6 Element content of silicon rubber before and after implantation at 20 keV

通过对照注入与未注入的SR片，发现注入后样品中出现了N元素(图5b)，且其含量随着注入剂量的升高而升高(图6b)。样品注入后，并未接触到任何含氮的试剂，因此，认为样品经碳负离子注入后，表面的共价键结构遭到破坏，发生断裂，形成了许多自由基。这些自由基也与空气中氮原子反应，形成了亲水的官能团，如—NH2，从而造成XPS谱图中出现N峰。这可能是使得硅橡胶表面亲水性得到改善的另一个原因。

2.3 细胞培养测试

a——未注入样品；离子注入剂量为3×1015 cm-2的样品

对实验的两个样品进行了宫颈癌细胞培养并在荧光显微镜下进行了观察(图7)，可看到改性前后的样品上面所粘附的细胞数量差异明显，说明使用碳负离子注入，对硅橡胶材料的细胞相容性的改善非常明显。因此，使用碳负离子注入进行细胞相容性的改善是一简单实用的办法。

3 结论

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Cell Biocompatibility Study of Silicon Rubber by Carbon and Cluster Carbon Negative Ion Implantation

ZHENG Chen-long1, XU Ya1, QIU Meng-lin1, PANG Xue-wen2,WU Zheng-long3, WANG Guang-fu1,4,*

(1.KeyLaboratoryofBeamTechnologyandMaterialModification,MinistryofEducation,CollegeofNuclearScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.DepartmentofImmunology,PekingUniversitySchoolofBasicMedicalSciences,Beijing100191,China;3.Analytical&TestingCenter,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;4.BeijingRadiationCenter,Beijing100875,China)

A negative cluster ion implantation system with “Charge-up free” characteristic was established by installing a sample holder and an electrostatic scanner on the injector of the GIC4117 tandem accelerator. The carbon and cluster carbon negative ion implantation was used for surface modification study of cell biocompatibility of silicon rubber (SR). The measure of water contact angle shows, with an increase in dose up to 3×1015cm-2, the water contact angle decreases from about 108.7° to 103.1° and the surface hydrophilicity is promoted. The XPS results indicate, with an increase in dose, the surface composition of carbon atoms decreases while oxygen and nitrogen atoms fraction increases. Based on above results, the mechanism of negative ion implantation cell biocompatibility modification of SR was discussed. Finally, cells were cultured on the sample, and the result shows that negative ion implantation is a convenient and effective method to improve cell biocompatibility of SR.

negative ion implantation; silicon rubber; surface modification; XPS; cell biocompatibility

2014-08-19;

2014-12-16

北京市自然科学基金资助项目(1142006)

郑晨龙(1988—)，男，四川仁寿人，硕士研究生，核技术及应用专业

*通信作者：王广甫，E-mail: guangfu_w@bnu.edu.cn

TL99

A

1000-6931(2015)07-1309-06

10.7538/yzk.2015.49.07.1309