刘 艳，徐立霞，李昕跃*

（大连大学 环境与化学工程学院, 辽宁 大连 116622）

目前医用高分子材料的应用已遍及整个医学领域，在人工器官、药物控制缓释系统、介入导管以及各种医疗器械中占据了很大比例；其中用高分子材料制成的各种医用导管已广泛应用于消化系统、呼吸麻醉系统、泌尿系统、引流系统、介入治疗系统等。这些导管在使用时都需要插入病人体内或从病人体内取出，这就要求这类器械或材料表面与体液接触后变得非常润滑。目前医用导管材料多为聚乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、聚酰胺、乳胶或硅橡胶，这些材料本身都是疏水性材料，表面润滑性远达不到介入导管的要求。因此，需要对材料或器械进行表面处理，以提高表面润滑性。

研究发现，高亲水或高疏水的高分子材料表面均具有润滑性[1]。例如使用润滑剂（如医用硅油等）或凝胶直接涂覆在材料或器械表面即可获得润滑性，但这种润滑性是暂时的，涂层与体液接触后很容易脱落，或者溶解于体液，一方面降低材料表面的润滑性，另一方面给人体液内（血液，血循环系统）引入杂质，带来潜在的风险。因此，临床上通常采用高亲水性的高分子材料，因为在与体液的接触过程中，高亲水性的材料表面比高疏水性的材料表面显示更优良的润滑性，并且能减少蛋白质的吸附，另外，高亲水性的物质与材料表面结合的更加牢固。因此，对材料表面进行亲水改性将成为提高材料表面润滑性的主要方式。

1 提高医用高分子材料表面润滑性的主要方式

按照涂层与材料表面结合方式的不同，提高医用高分子材料表面润滑性的方法有物理法、化学法、光接枝法等。

1.1 物理法

物理法即在材料表面直接涂覆亲水性物质，常用的亲水性的单体有丙烯酰胺(AAm)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)等；亲水性聚合物包括聚丙烯酰胺(PAAm)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)、聚乙烯醇(PVA)等。这种方法中亲水性物质通过分子间作用力附着在材料表面上，附着力较弱，涂层易脱落。

提高涂层和材料表面附着力的方法有两种：一是在涂层材料中添加有粘附性的物质，二是通过共价键将亲水性物质键接到材料表面；这两种方法相比，后者更有利于材料表面润滑性的长期保持。山东省医疗器械研究所在 2004年发表专利[2]，揭示了医用润滑液的组成成分包括纤维素酯类、粘附性聚合物、增塑剂等；其中粘附性物质包括聚氨酯、丙烯酸树脂、聚碳酸酯等，并说明了各组分比例及使用方法，这种医用润滑液大幅度提高了医用导管表面的润滑性。

1.2 化学法

化学法是指通过偶联反应将亲水性小分子或聚合物偶联到高分子材料表面，通常用的偶联剂包括硅烷偶联剂和含多个异氰酸基团的异氰酸酯。1986年美国出现了关于亲水涂层的专利报道[3]，这种涂层适用于橡胶、聚氯乙烯、聚酯和聚丙烯酸酯材料，涂覆工艺为：（a)首先在材料表面涂覆至少含有两个未反应异氰酸基团的异氰酸酯，(b)蒸发步骤（a)中的溶剂，(c)涂覆含氨基的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的溶液，(d)蒸发步骤（c)中的溶剂，异氰酸酯在逐步升温和有大量水蒸汽存在的条件下固化；最后得到的亲水涂层成分为聚乙烯吡咯烷酮和聚脲的互聚物。曲祥军[4]分别用KH792、KH597硅烷偶联剂和PVP对聚氨酯和硅胶表面进行亲水改性；结果表明，偶联剂的使用使亲水涂层有效的结合到了材料表面，经偶联剂处理后再涂覆亲水涂层，材料表面的润湿角大幅度减小。化学法制备的涂层和材料表面结合的更加牢固，短期的润滑性较好，但涉及到了有毒的反应物质如异氰酸盐，因此反应完成后必须将余下的异氰酸基团全部除去，否则会对人体产生不利影响。

1.3 光接枝法

光接枝改性是使材料表面能够长期保持润滑性的一种有效方法。聚合物光接枝改性研究始于20世纪50年代，1957年Oster[5]首先利用紫外光照射天然橡胶，表面接枝聚丙烯酰胺。光接枝通常有两种模式：一是以材料表面活性自由基为中心的链增长，二是用光化学固定法将目的分子偶联到材料表面。无论哪种模式都使涂层和材料表面之间产生了共价键，所以涂层和材料表面结合的更加牢固。

1.3.1 以材料表面活性自由基为中心的链增长

这种光接枝模式是指在紫外光照射下亲水单体在材料表面的接枝聚合。对于含有光敏基团（如羰基）的材料，可以在紫外光照射下产生表面自由基引发乙烯基单体的接枝聚合，对于不含光敏基团的材料则可以通过以下方式使材料表面产生自由基，进而引发功能单体的接枝共聚。

（1）加入光敏剂

光敏剂如二苯甲酮能够吸收长波紫外光(300～400 nm)，从而夺取高分子材料表面的氢，使高分子材料表面产生活性中心，进而引发单体的接枝聚合。

（2）表面预处理

对高分子材料表面预处理的方法通常有：辉光放电、表面氧化、电晕放电、等离子体处理[6]等。

Loh等人[7]用臭氧对聚乙烯表面预处理，然后用紫外光辐照将单体接枝到聚合物表面。结果表明臭氧与饱和碳氢键反应形成过氧化物和碳的含氧化合物，在紫外光照射下过氧化物等分解生成自由基，引发接枝聚合。左文瑾[8]用PVP直接涂覆、等离子预处理结合PVP物理涂覆和等离子体接枝PVP三种方法对聚丙烯表面亲水改性；结果表明，后两种方法均能显著提高材料表面亲水性并能使亲水性稳定保持。Zhang[9]研究了用电晕预处理HDPE，使表面产生过氧化物，紫外光辐照分解引发甲基丙烯酸缩水甘油酯单体接枝到PE表面，提高了HDPE与环氧树脂的粘结性。无论是哪种接枝方式，自由基引发单体接枝共聚的同时也引发了单体的均聚反应，在一定程度上降低了接枝效率。因此，如何控制好光接枝的条件以减少均聚反应的发生，以及如何控制好接枝的深度以免破坏材料的本体性能将成为光接枝改性的主要方向。

1.3.2 用光化学固定法进行光偶联

光化学固定法始于上世纪80年代末到90年代，是指在紫外或可见光(300～800 nm)照射下，利用光偶联剂（一端为光活性基团，另一端热活性基团）将具有特定性质的组分或生物分子偶联到材料表面的方法[10]。其途径通常为：将目的分子与光偶联剂上的热活性基团反应，形成具有光活性基团的衍生物，然后在紫外光照射下将目的分子共价偶联到高分子材料表面，来达到改性表面的目的。常用的光偶联剂为芳香叠氮类和二苯甲酮类（图1），R代表热活性基团或化学连接组分，叠氮类光偶联剂中硝基的存在使光解反应波长由紫外光向可见光区域移动，从而避免了对紫外光对敏感的生物分子的破坏。

图1 常用光偶联剂结构

光化学固定法的优点：（1）光偶联反应在材料表面进行，所以既能获得理想的表面性能，又不影响材料的本体性能；（2）不需要复杂的仪器，易于操作，反应迅速，成本较低；（3）通用性很强，可适用于几乎所有医用高分子材料，这种新方法已为生物材料学家所关注和研究[11-17]。光活性高分子（PAA、PVP的衍生物）涂层已用于降低各种医用高分子材料的摩擦系数[18]（图 2）。2010年美国专利[19]中用二苯甲酮的衍生物（光偶联剂）、聚碳化二亚胺和含羧基的物质对医用导管表面进行润滑改性，改性前各导管的摩擦力均大于450 grams，改性后尼龙导管摩擦力为10～20 grams，聚氨酯导管为5～10 grams，聚氯乙烯导尿管低于30 grams，且涂层不易脱落。

图2 不同高分子材料表面润滑性

2 影响润滑性的因素

光接枝法比物理和化学法改性更有利于表面润滑性的长期保持，影响光接枝的因素有很多，这些因素也会直接影响材料表面的润滑性。

2.1 高分子材料的性质

接枝反应是从高分子材料表面脱氢开始的，故高分子材料表面的物理化学性质对接枝反应有很大影响。越容易脱氢的材料表面越容易发生接枝反应。Yang[20]研究了用BP(二苯甲酮)为光敏剂，不同聚合物基体接枝丙烯酸(AA)的活性为：PA＞PET＞PP＞LDPE＞HDPE＞OPP＞PC，这是因为PA和PET中虽然只有仲氢，但是N、O的负电性使氢的活泼性增加；PP中含有叔氢，故活泼性次之；LDPE因支化比HDPE含有更多的叔氢；PC中只有伯氢，因而难以脱氢。此外，不同的高分子材料结晶度和取向不同，接枝反应主要发生在聚合物的非晶部分，故低结晶度和取向的材料更容易发生接枝反应。

2.2 单体的性质

Yang[20]用二苯甲酮作光敏剂，研究了不同单体在低密度聚乙烯(LDPE)膜表面光接枝聚合的反应活性，结果表明，丙烯酸酯类单体的活性高，而甲基丙烯酸酯类活性低。丙烯腈的有效接枝率远远高于其它乙烯基单体，但它的聚合反应活性很低。此外，单体的极性和对材料的润湿性都会影响接枝反应。一般来说，极性越强的单体越容易和半频哪醇自由基结合，越容易生成均聚物，不利于接枝反应；单体对材料的润湿性则会直接影响接枝的深度。Wang[21]采用可调角度的 XPS对LDPE接枝膜的接枝深度进行了研究，发现表面接枝链呈层状分布，亲水性越好的单体，LDPE本体接枝物含量越高。

2.3 表面改性条件

无论是通过光偶联或光接枝表面形成的润滑表面，在亲水性物质和高分子材料表面都产生了化学键，所以亲水单体的浓度、反应温度、时间、接枝链的长度，溶剂和氧等都会影响到表面的润滑性。

2.3.1 单体浓度的影响

罗祥林等[22]在改善PU表面的润滑性实验中，研究了单体浓度对接枝密度、吸水率、摩擦系数的影响，发现在一定范围内单体浓度的增加有利于润滑性的提高，但当单体浓度增加到一定值时，接枝率达到稳定值，润滑性也不再增加。这是因为随着单体浓度的增加，形成的均聚物增多，均聚反应与接枝反应形成竞争的结果。

2.3.2 反应时间和温度

研究发现，反应时间的增加有利于接枝反应，反应温度在 30～70℃范围内升高有利于增加接枝的速率和效率[23]。

2.3.3 溶剂的影响

溶剂对光接枝反应的影响尤为重要。溶剂不能与光敏剂反应，能很好地润湿聚合物，如果是在溶液中接枝，溶剂还应是接枝单体的良溶剂。异丙醚、四氯化碳、二氯甲烷、四氢呋喃、苯、正庚烷等有机溶剂比丙酮、丁酮类溶剂更难进行光接枝反应，因为接枝反应大都发生在聚合物的非晶部分，而这类溶剂对非晶部分有一定的亲和力，反应时材料被包埋在溶剂中不利于反应的进行。丙酮是接枝反应常用的溶剂，因为丙酮既是单体和光引发剂的良溶剂，本身又可以吸收 320 nm以下的紫外光引发反应。实验发现，溶剂中有少量的水存在能显著加快光聚合反应，Kubota认为这是由于水的存在限制了由于凝胶效应引起的链终止反应[24]。孙箭华等[25]在专利中提出水是理想的溶剂体系，因为用水作溶剂，避免了有机溶剂对环境和操作者的危害。

2.3.4 氧的影响

氧对接枝反应的影响较大。一方面高分子材料在紫外光照射下产生过氧化物，过氧化物分解产生自由基引发接枝反应；另一方面，空气中的氧气使三线态的二苯甲酮淬灭，研究表明，接枝溶液中的溶解氧比接枝空气中的氧对接枝的影响更大，并且都是不利影响。而Kubota[26]研究发现LDPE接枝丙烯酰胺时，氧的存在有利于接枝反应的进行，而对于LDPE接枝甲基丙烯酸体系，氧有利于均聚反应，而不利于接枝反应。故氧的作用取决于促进和抑制作用的平衡，氧的存在有利于均聚反应，但对接枝反应的影响较复杂，不同的反应体系有不同的结果。

3 润滑性的评价

高分子材料表面润滑性可以通过表面摩擦系数的测定和润湿角大小来衡量，另外，涂层与材料表面结合的牢固度，以及涂层的柔韧性和耐磨性是考察表面润滑改性是否有效的重要指标。涂层与材料表面结合的牢固程度由大到小为：光接枝法＞化学法＞物理法。2011年美国专利[27]报道了能够提高球囊导管表面润滑性的亲水涂层的制备方法，靠近材料表面的一层为聚氧化乙烯（PEO)和聚氨酯混合物，最外层为聚氨酯和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的混合物。PVP吸水溶胀使材料表面产生润滑性，同时使涂层具有一定的柔韧性，而PEO则使涂层具有更好的耐磨性。

3.1 高分子材料表面摩擦系数的测定

摩擦系数是衡量表面润滑性的重要指标，通常摩擦系数越小，表面越润滑。目前对高分子材料表面摩擦力尚无统一的测定方法。ASTM1894-90规定了如何测量塑料的摩擦系数[28]，改性高分子材料表面润滑性也可以通过这种方法测得。将样品（C)放入恒温水槽(A)，样品上放以水凝胶块（B)，上压一玻璃块(D)，玻璃上放载荷(E)，玻璃滑块通过轻质尼龙绳穿过光滑滑轮(F)与测力计(G)相连。测试时，水凝胶滑块的滑动速度是10 mm/min，载荷可根据情况改变。将水槽中的水换成生理盐水或血浆，通过改变载荷和拉伸速度，就可以获得不同载荷、不同速度下的摩擦系数。

图3 用来测试塑料摩擦系数装置图

3.2 润湿角

润湿角大小直接反应了改性后材料表面对水的浸润性，可以通过接触角分析仪来测量，润湿角越小，材料表面对水的浸润性越好。一般润湿角小于90°，则认为是为亲水性物质。

4 润滑改性后表面形态观察

润滑处理后的材料表面形态可以通过 SEM扫描，Ikenchi等[29]做了表面润滑处理后的 SEM图，接枝后有明显的接枝链存在，干燥后进行观察，在材料表面可以看到网络状结构，Ratner等[30]的研究表明，出现这种结构的原因可能与接枝后的接枝链互相缠绕或者涂覆的物质之间产生物理交联的结果。

5 提高医用高分子材料表面润滑性的重要作用

首先，润滑表面可以减少对内皮细胞的刺激，不损伤粘膜，减少了对体内细胞和腔道组织带来的损伤及并发症，有利于医生操作；同时治疗过程中减少病人的痛苦，符合现代医学提倡的无创、微创疗法的宗旨。

其次，可以提高材料或制品表面的生物相容性。当高分子材料表面暴露在血液环境中时，血浆蛋白在几秒钟内就会被吸附在材料表面，吸附的血浆蛋白一方面可诱发血小板的粘附、释放和聚集，导致血栓的形成；另一方面可激活血液中的凝血因子，诱发凝血反应，最后导致血栓的形成。通过在材料表面构建一生物惰性的衬层，可以使界面自由能大大降低，减弱材料表面与血浆蛋白、血细胞的相互作用，保持血浆蛋白、血细胞的正常构象和形态，使材料显示出良好的抗凝血性能。其中把亲水性聚合物共价键合在材料表面，提高表面润滑性是获得生物惰性材料表面的一种有效方法。

6 结束语

随着医用高分子材料在临床医学中的广泛应用，医用高分子材料的表面润滑改性必将受到越来越多的关注。目前国内外都有关于润滑改性的专利报道，由于光接枝法起步较晚，国内对于医用高分子材料表面润滑改性大都采用物理和化学方法，难以保证表面润滑的持久性。国外已经致力于光接枝尤其是光化学固定法的研究，用这种方法改性的高分子材料表面偶联尺寸稳定性好，而且表面润滑性可以在各种条件下保持较长时间，但对特定的材料选择合适的光偶联剂，以及润滑性和耐磨性的同步提高都有待于进一步研究。

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