医用硅橡胶亲水改性研究进展

王 岩，石 艳，卢咏来

(有机无机复合材料国家重点实验室 弹性体材料节能和资源化教育部工程研究中心 北京化工大学新型高分子材料制备与加工北京市重点实验室 北京化工大学材料科学与工程学院先进弹性体材料研究中心,北京100029)

硅橡胶作为半无机高分子材料具有优异的化学稳定性、生理惰性和组织相容性，其产品在人造器官[1]、医疗器械[2]、整容修复[3]、药物缓释[4]等生物医用领域有着广泛的应用。但由于硅橡胶特殊的螺旋构象，连接在Si原子上的非极性R基处于螺旋外侧，使得硅橡胶分子具有较低的极性和表面能，整体上表现出疏水性。其在用作与人体组织器官接触的材料时易与组织摩擦形成损伤，在植入部位形成包膜挛缩，造成长期发热，给患者增添更多痛苦[5-6]。此外，硅橡胶制备的植入或介入材料在与人体组织相接触的过程中，细菌可能会通过各种渠道入侵，而硅橡胶的亲水性被认为是影响细菌在表面黏附和生长的重要因素[7]。提升硅橡胶的亲水性可以改善其与机体组织的亲和性，进一步提升其生物相容性，基于此,国内外学者对提升硅橡胶的亲水性进行了广泛的研究。

硅橡胶亲水改性方法分为表面改性和本体改性两类，两种改性方式具有不同的实现方法和性能特点，本文将对近年来医用亲水硅橡胶的改性方式和亲水性能进行简介。

1 表面改性

采用表面改性技术可以通过特定的仪器或少量的改性剂实现对硅橡胶材料表面的亲水改性，而对橡胶基体本身性能的影响较小。目前表面改性的实施方式主要有等离子体处理、亲水涂层改性和化学接枝三类。

1.1 等离子体表面改性

气体被射频、辉光、微波等放电装置作用产生的电子激发成高能态时会产生部分电离，这种部分电离的气体称作等离子体，它由激发态的分子、原子、离子等与自由基和气体原子组成，其中的高能粒子具有20 ev以上的能量，远高于化学键的键能(10 ev)[8]。高能量的粒子作用于硅橡胶表面，可以引起化学键断裂与重新组合，从而达到表面改性的目的。

使用等离子体技术可以直接或间接作用于硅橡胶表面从而引入各种极性基团。直接法常使用NH3、O2、N2、Ar或He等气体源经等离子体处理后与硅橡胶表面作用，不同气体等离子体对提升硅橡胶表面亲水性机理不同，使用NH3等离子体处理会在表面引入—NH2；O2则会在材料表面引入—OH和—COOH的混合物；而以He和Ar等惰性气体为反应介质则在硅橡胶表面引入大量自由基，自由基暴露在大气或氧气条件下则会形成过氧化物和氢过氧化物[9]。Amerian等[10]探索了O2等离子体处理时长对硅橡胶表面亲水性的影响，发现随着作用时间延长其亲水性逐渐提高，作用时间为2.5 min时接触角由初始的117.9°降至40°，且在储存14 d后依然有极性基团残留。值得提出的是，采用直接法虽然可以短时间内增大材料表面能并提升其亲水性，但由于表面具有使表面能最小化的倾向，表面引入的极性基团易发生翻转带入内部从而恢复较低的表面能，因而亲水改性效果常常不持久。间接法则是利用等离子体与硅橡胶的表面作用引入活性官能团，而后在聚合性的反应气体环境中发生反应，从而在硅橡胶表面沉积亲水性的聚合物薄膜，该方法又被称为等离子体聚合。Massey等[11]使用Ar等离子体预处理聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面而后沉积烯丙胺蒸气，在PDMS表面形成了100 nm厚的聚合物薄膜，将此种改性方式与氧气等离子体直接处理的PDMS在老化条件下的亲水性能进行对比，结果表明，采用间接法获得的PDMS表面具有更优异的亲水稳定性。

等离子体技术可以实现均匀改性硅橡胶表面而不受本体几何形状的影响，改性过程不使用溶剂，而且借助特定的仪器可以实现快速、高效的改善硅橡胶表面亲水性，但如何提高改性后的亲水稳定性、延长亲水性能作用时间还需进一步研究和优化。

1.2 亲水涂层改性

亲水涂层改性是改善医疗介入材料表面亲水性能的常用途径，对无机金属和聚合物材料都有着良好的适用性[12]。对于硅橡胶材料，常用的方法是使用硅烷偶联剂，硅烷偶联剂两端基团分别具有亲水性和疏水性，根据相似相容原理，可利用偶联剂两端不同的亲和基团使亲水性聚合物与疏水性硅橡胶表面发生偶联作用而结合起来。邵雯等[13]探索了亲水聚合物聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)溶液浓度和硅烷偶联剂种类对硅橡胶亲水性能的影响，发现KH792为最佳硅烷偶联剂、最佳质量分数为2%，在最优条件下得到接触角小于20°的改性胶,且在水中浸泡一周后仍维持良好的亲水性，该结果与此前曲祥军等[14]研究成果相近，具有较高的可信度。除硅烷偶联剂外，时晓嫚等[15]以聚碳化二亚胺作为偶联剂(交联剂)、利用乙酸乙酯对硅橡胶溶胀作用预处理后涂敷聚甲基乙烯基醚共聚马来酸，发现溶胀处理后更有利于偶联剂黏附在硅橡胶表面，相较于未进行预处理亲水涂层改性的硅橡胶，溶胀后可以进一步降低接触角30%以上。

近来利用仿生法在材料表面诱导制备羟基磷灰石(HA)涂层改善基体生物相容性的手段备受青睐，该方法是将基体浸入模拟人体血浆的液体中，利用材料表面的—OH[16]、—COOH[17]等基团诱导晶核形成从而制备亲水涂层。对于硅橡胶材料，韦明等[18]使用CaCl2的乙醇溶液在硅橡胶表面引入Ca2+，而后与三水合磷酸氢二钾反应沉淀一层无定型磷酸钙，进而诱导生成磷灰石晶核，晶核形成后通过晶体自发生长出HA涂层，HA涂层可以有效提升基体的表面亲水性。孙艳荣等[19]综述了HA与其他材料复合的方法，指出HA复合材料的关键是界面结合问题，目前通过聚多巴胺(PDA)仿生法制备HA涂层有效解决了这一问题。徐炎安等[20]利用PDA的超强黏附能力通过仿生法制备HA涂层，结果表明，涂层的水接触角可达20°左右。HA既可以用于表面改性，也可以直接用作填充物改善硅橡胶的亲水性，这将在后面章节进行综述。

亲水涂层改性具有工艺简单，不需要大型设备等特点，非常适用于短期人体介入材料的表面亲水改性。

1.3 接枝改性

接枝改性通过键合的方式使基体与亲水性聚合物大分子相连，亲水性大分子链以共价键的形式连接到硅橡胶的表面，因此采用该种方式改性后的硅橡胶亲水性能更稳定持久。接枝法包括臭氧活化接枝、化学刻蚀接枝、以及高能粒子活化接枝，在硅橡胶亲水改性领域使用十分广泛。

1.3.1 臭氧活化接枝

使用臭氧活化技术处理硅橡胶可以在其表面引入羟基、羧基以及过氧基团，产生反应活性位点，而后与各种亲水物质进行化学反应从而改善其表面亲水性[21]。臭氧活化具有操作简单、成本低、适用性广等优点，最重要的优点是不论基体表面形状如何，都可实现均匀的表面改性。Xu等[22]使用臭氧活化法诱导2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱(MPC)的接枝聚合，发现质量分数在1%的MPC接枝率下，基体接触角由102.9°降至66.8°，大大减少了血小板的黏附。单纯使用臭氧处理，硅橡胶表面活化效率较低，可采用臭氧与紫外辐照相结合的方式，该方法称作紫外臭氧辐照(UVO)，可以提高表面活化效率。UVO是通过臭氧和紫外辐照产生的氧自由基提取聚合物基质中的氢原子从而产生碳自由基位点[23]。Maher等[24]对比了臭氧直接处理与UVO处理对硅橡胶亲水性能的影响，结果显示，UVO处理较臭氧直接处理可产生较多的—OH，但容易在硅橡胶表面形成裂纹，影响后续接枝反应的进行，原因是紫外辐照导致了主链和侧基的分解并探索了减少表面裂纹的方法。臭氧活化接枝具有较广的适用性，如何在不损伤硅橡胶表面的前提下实现快速改性是未来需要解决的问题。

1.3.2 化学刻蚀接枝

化学刻蚀通过利用强氧化性溶液与硅橡胶作用使之产生—OH极性基团，而后可选择与功能性化合物进行接枝反应实现对硅橡胶材料的亲水改性。该方法操作简便，不需要昂贵的精密仪器即可实现高稳定的亲水改性。Esteban等[25]使用质量分数为1%的NaOH和质量分数为1%的KOH的碱性溶液处理硅橡胶基体，表面活化后接枝多糖化合物，改性后硅橡胶的接触角显著下降，且两周内未出现“疏水回复”现象，具有良好的亲水稳定性。Sui等[26]利用体积比为5∶1∶1的H2O/H2O2/HCl的混合液预处理硅橡胶表面而后进行聚乙二醇(PEG)接枝，结果表明，虽然接枝后其亲水接触角有所下降，但相较于混合溶液直接处理后亲水性在24 h内消失的现象，接枝PEG后的硅橡胶在放置24 h内亲水性出现较小损耗，而后则保持长期稳定。除此以外，化学刻蚀接枝反应具有很强的可设计性，Zhang等[27]采用体积比为3/1的H2SO4/H2O2溶液处理硅橡胶，在其表面引入—OH基团，而后将原子转移自由基活性聚合(ATRP)的引发剂固定在其表面，利用自由基活性聚合机理接枝PEG，通过长时间的水接触角测试表明，接枝改性后硅橡胶由于亲水PEG的共价键偶联作用而具有持久的亲水性能。

1.3.3 高能粒子活化接枝

通过等离子体、电晕、激光、真空紫外、γ射线辐照等方法处理硅橡胶表面引入活性/极性基团而后进行亲水物质的接枝反应，接枝反应后由于亲水物质与橡胶基体形成键合作用可以使硅橡胶的亲水性能更加持久。常用的亲水物质有乙烯醇(VA)、乙二醇(EG)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、丙烯酰胺(AAm)、丙烯酸(AAc)、丙烯腈(AN)、甲基丙烯酸乙酯(EMA)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)和2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(MPC)等。瞿鹏等[28]利用O2等离子体对硅橡胶表面进行活化，而后在基体表面固定ATRP引发剂继而进行聚合接枝聚丙烯酰胺(PAM)，结果表明，随着氨基和酰胺基团的引入，基体表面极性逐渐增大，同时氢键的形成进一步增大其表面能，改性后的硅橡胶亲水接触角下降至49.5°，且细菌黏附率最高降至本体的1.3%。Chen等[29]首先用大气等离子体预处理硅橡胶表面，而后分别使用O2、N2和Ar等离子体诱导MPC的接枝聚合，对比了直接处理硅橡胶表面与接枝聚合后硅橡胶在储存过程中接触角的变化，结果显示，接枝改性后的硅橡胶具有更低的接触角且亲水性的保持时间更为持久。He等[30]发现等离子体处理后接枝含有氰基的聚丙烯腈(PAN)，硅橡胶表面接触角可降至24°且一个月后仍保持相同的亲水性，作者利用全反射红外光谱(ATR-FTIR)对比测试原胶和改性后的样品，证实了极性基团是以化学键形式与基体相连。

高能粒子活化接枝改善硅橡胶表面亲水性受多种因素的影响，如表面处理时间、仪器功率、气体介质、接枝单体等。另一方面，高能粒子活化接枝步骤较为繁琐，需要反应介质环境的切换，因而优化反应条件、简化操作流程是未来需要探索的方向。

2 本体改性

通过表面改性获得的亲水硅橡胶，其亲水性能往往不能持久保持，此外在临床使用时通常需要对材料进行雕刻和塑形从而破坏材料表面，此时需要对材料整体进行亲水性能改善，即进行本体改性。目前本体改性通常采用的方法包括生物活性物质混合法、共聚法以及互穿聚合物网络(IPN)法。

2.1 生物活性物质混合法

采用共混法在硅橡胶硫化成型过程中加入各种生物活性物质，可以整体上改善硅橡胶的亲水性，同时可以通过设计添加物赋予改性后硅橡胶的其他性能如抗菌性[31]。常用的生物活性物质有聚醚(PE)、聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)、PEG、PVP和HA等。孙丽丽等[32]使用端烯丙基聚醚与含氢硅油进行硅氢加成合成了聚醚改性硅油(PEPO-Si)，而后将其作为填料与乙烯基硅油共混，并于100～120 ℃条件下进行硫化制备PEPO-Si/硅橡胶复合材料，研究了PEPO-Si对复合材料亲水性及力学性能的影响，结果表明，PEPO-Si在添加量为30%(质量分数)时，硅橡胶接触角降至50°以下，且聚醚硅油的混入起到了增塑作用，使得复合材料断裂伸长率提升了将近一倍，但拉伸强度有所下降。此外，值得提出的是，HA作为动物骨骼的主要无机成分因其具有无毒、不老化以及良好的骨传导性从而在医学材料改性方面有着重要的应用。通过共混法制备HA/硅橡胶复合材料提升基体亲水性已有很多报道[33-34]，但是共混改性会不可避免地导致硅橡胶基体本体性能如力学性能、透明性的变化，这些改变通常是负面的。为了降低填料加入对力学性能的影响，文季秋等[35]尝试预制1 mm厚度的HA/硅橡胶复合材料，将其与硅生胶混合物共同硫化制备成双层HA/硅橡胶复合材料，结果表明，采用该方法制备的复合材料力学性能仅有小幅度下降，可以达到医用植入材料的要求。作者只是利用相对基体而言极薄的改性层实现适宜的力学性能和有限的生物相容性提升，若通过增加HA的量来进一步生物相容性势必会造成力学性能下降。近来，通过原位生成磷酸钙形成n-HA/硅橡胶复合材料用于提升硅橡胶亲水性和力学性能的方法受到人们的关注，它无需借助偶联剂实现了目标填料与基体的均匀混合。Ferreira等[36]利用磷酸与氢氧化钙原位生成磷酸钙与PDMS在双辊搅拌机中混合，经185 ℃高温硫化35 min后得到改性硅橡胶，性能测试表明，改性后的硅橡胶接触角随着氢氧化钙含量的增加而降低，且在体积分数低于30%时机械强度最高可提升15%左右。

2.2 共聚法

硅氧烷单体可以与多种单体发生共聚反应，可通过选择共聚单体的种类和控制不同单体之间的比例来调控材料的亲疏水性。通过共聚合将硅氧烷分子与亲水性分子连接在同一分子链中，通常使用的亲水性分子有PEG[37]、聚酰胺(PA)[38]、聚己内酯(PCL)[39]、PVP[40]等。这些共聚合反应获得的高聚物共有的特征是具有两亲性。Yilgor等[41]以端氨基PDMS为引发剂、辛酸锡为催化剂进行己内酯的开环聚合反应合成PCL-PDMS-PCL三嵌段共聚物，研究了疏水性的PDMS链节对共聚物静态接触角的影响，结果表明，PDMS在共聚物中的质量分数为33.3%时，共聚物接触角即增大至90°以上，呈现出疏水性。单纯的共聚合通常难以大幅提升硅橡胶的亲水性，但研究人员利用共聚法来平衡硅橡胶亲疏水性用于药物释放等领域[42]。近来，为了改善共聚硅橡胶的亲水性，Kalulu等[43]在端基官能化PDMS上引入HEMA，然后通过自由基聚合反应生成PDMS-HEMA薄膜，接触角测试表明，共聚物接触角高达104°，呈现疏水性，而后作者利用2-[甲氧基(聚氧化乙烯)6-9-丙基]七甲基三硅氧烷(Silwet L-77)水溶液处理共聚物薄膜，改性后的水接触角测试表明，质量分数为0.2%的Silwet L-77吸附量即可降低接触角至6°左右，且在5个月的储存期后仅有少量疏水回复。可以看出，利用共聚法与其他亲水改性方式结合降低接触角提升亲水保持能力具有很大的应用前景。

2.3 IPN法

IPN是一种聚合物同另一种合成交联的聚合物以网络形式互相贯穿的聚集态结构。利用IPN法在聚硅氧烷交联网络中穿插亲水聚合物可以大大改善硅橡胶的亲水性，同时最重要的是IPN的形成不会损伤硅橡胶基体的力学性能，这是由于重叠网络的存在抑制了两种聚合物间的微相分离[44]。

硅橡胶近表面端IPN的形成可以大大改善表面亲水性。姚海楠等[45]对比了HEMA和PVP半IPN的亲水性能，发现引入PVP聚合物网络的复合材料其静态接触角仅为20.8°，极大地改善了硅橡胶的亲水性。Ghoreishi等[46]详细论证了HEMA在硅橡胶近表面端IPN的形成过程，并指出表面IPN的形成能在保持持久亲水性的同时保持良好的本体性能。

在本体改性方面IPN法同样表现优异，孙九立等[47]利用端氨基超支化有机硅聚合物与端羟基聚二甲基硅氧烷固化形成IPN，得到的硅橡胶具有良好的亲水性，并且超支化有机硅聚合物的加入增加了其拉伸强度和断裂伸长率。Xie等[48]分别合成了氨基硅烷树脂和环氧硅油，利用两者在高温条件下的固化反应制备了具有IPN结构的硅橡胶，IPN体系的交联拓扑结构使得改性后的聚硅氧烷具有优异的亲水保持性，而且其力学性能随着氨基-环氧基团的含量增加而增加。

3 结束语

目前医用硅橡胶亲水改性方式多样，但整体上可分为对表面和本体亲水性能的改进，两者可适用于不同的使用场景，一般对短期接触人体的硅橡胶材料可以使用表面改性，而长期植入人体且需要雕刻赋形的硅橡胶则需要进行本体改性，两种改性途径所面临的突出问题略有差异，但是如何保持持久的亲水性和适宜的力学性能始终是需要关注的问题。需要强调的是，医用材料特别是介入材料的性能，只有与接触介质的各种理化性能相匹配时才具有使用价值，近来的研究结果表明，亲水-疏水平衡的硅橡胶更有利于调控抗凝血能力，实现更为理想的生物相容性。未来根据不同植入部位的需要，通过精准设计与其相匹配的亲水-疏水平衡的硅橡胶将成为新的焦点。