● 摘要
聚苯乙烯(PS)因为具有优越的抗水和防潮性、优异的防腐蚀性和耐老化性、高的透明度和无毒性，成为制造一次性细胞培养容器的主要材质。但其本身亲水性较差，会导致细胞的黏附及后续的迁移、增殖等行为部分受阻，限制了它在组织培养材料领域的应用。由于细胞与材料相互作用仅在表面的几个原子层，故常通过表面改性提高PS表面亲水性，增强与细胞的亲和力，以解决上述问题。低温等离子体改性只涉及材料的浅表面(-8 m)，具有不损伤材料基质、节水节能、无环境污染等优点，并有可能实现传统的化学反应所不能实现的反应，广泛应用于医用材料的表面修饰。然而，不同的等离子体放电模式以及不同气体的等离子体对材料表面的活化效果不同，并会引发不同的改性效果。本文利用低温等离子体技术和紫外光照射等方法，将生物活性分子聚丙烯酰胺(PAAm)接枝聚合到PS表面，探讨不同表面接枝方法对PAAm接枝率及PS表面细胞相容性的影响，以期寻找较佳的等离子体接枝改性方法，获得表面亲水性和细胞相容性优良的PS表面。主要工作包括以下三方面：
(1) 射频等离子体引发紫外接枝对聚苯乙烯表面改性的研究
以PS为基材，采用低温射频Ar气等离子体活化PS表面，使其表面产生自由基及含氧基团，再利用紫外照射引发AAm在活化PS表面发生接枝聚合反应。通过接触角(CA)测定，考察射频Ar等离子体预处理参数对PS表面活化程度的影响以及AAm单体浓度和紫外照射时间对PS表面接枝聚合反应效率的影响。CA结果表明，当射频Ar等离子体预处理3 min、气体压强30 Pa、射频功率40 W时，PS表面接触角最小，表面活性最强；AAm水溶液浓度达到30 wt%，紫外照射40 min时，接枝率最高。通过衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)分析得出，经过射频Ar等离子体预处理后的PS表面引入了含氧极性基团，使表面亲水性增强；在无引发剂条件下，PAAm可有效紫外接枝聚合于等离子体预处理后的PS表面， N元素含量为4.56%。通过对不同样品接触角的时效性分析可知，接枝聚合PAAm的PS表面亲水性增强且接触角不随时间延长而增大。SEM观察表明，亲水性增强的主要原因是PS表面组成的变化而不是微观结构的改变。
(2) 高频等离子体引发接枝聚合对聚苯乙烯表面改性的研究
采用高频Ar气等离子体活化PS表面引入活性自由基及含氧基团，再分别采用等离子体引发和紫外光引发PAAm接枝聚合到PS表面。通过CA测定，考察高频等离子体参数对改善PS膜表面亲水性的影响表明，高频Ar等离子体放电电压2 kV、放电频率50 kHz、Ar气体压强50 Pa、处理时间2 min时，得到接触角为5.5°的活化程度较高的PS表面。通过ATR-FTIR和XPS分析得出，经过Ar等离子体预处理后的PS表面引入了含氧极性基团，使表面亲水性增强；在无引发剂条件下，等离子体可成功引发PAAm接枝聚合于活化后的PS表面，并且改性后的PS表面N元素含量为2.97%；紫外光照射引发PAAm接枝聚合于活化后的PS表面，N元素含量为4.78%，表明紫外接枝聚合PAAm的接枝率高于等离子体引发的PS表面的接枝聚合。 DCA分析表明，PS表面接枝聚合PAAm后，表面性质发生了明显变化，接触角滞后现象明显，滞后角约为30°，润湿性增强。细胞相容性分析表明，改性后的PS表面均有利于细胞的生长，细胞毒性等级(CTS)为1级，符合我国《医疗器械生物学评价国家标准GB/T 16886.5-2003》中对材料的细胞毒性要求；接枝率较高的PAAm-g-Ar-PS表面比PAAm- Ar-PS表面更有利于细胞的黏附与增殖。
(3) 不同气体高频等离子体引发紫外接枝对聚苯乙烯表面改性的研究
由于不同气体等离子体作用于材料表面的机理不同，本研究分别采用Ar、Ar/O2(1:1)和O2 三种气体高频等离子体引发PS表面紫外接枝聚合PAAm。通过SEM和CA分析表明，经等离子体预处理后的PS表面形貌没有明显变化，但接触角大幅减小。其中O2等离子体预处理后的PS表面活性最强，水接触角最小，达到4.3°；Ar/O2(1:1)和Ar等离子体预处理后的水接触角，分别为4.9°和5.5°。通过ATR-FTIR和XPS分析不同的PS膜表面化学组成表明，不同气体等离子体均能引发PAAm在PS表面的紫外接枝聚合，其中O2等离子体引发的PS表面接枝率较高，N元素含量为9.06%。而Ar/O2(1:1)和Ar等离子体引发的表面接枝聚合，N元素含量分别为5.29%和4.78%。细胞相容性试验表明，改性后的样品均有利于细胞的粘附与增殖，CTS 均为1级，几乎对细胞无毒；其中接枝率较高的PAAm-g-O2-PS表面细胞生长状况最好，其次为PAAm-g-Ar/O2-PS和PAAm-g-Ar-PS。