关键词：真空聚合  生物排斥/亲和  抑菌  3D树脂打印  靶向药物  基因输送和治疗
 

1.引言：
纳米技术是20世纪80年代末、90年代初发展起来的前沿、交叉性新兴学科领域，随着纳米技术的不断进步和成熟，可解决许多领域中的难题，医疗领域也在其中。面对纳米技术的发展，医务工作者面临的挑战是怎样将纳米技术和临床工作联系起来，将纳米材料用于医学领域，纳米生物学就应然而生^【1】。
许多现有的和新兴的生物技术应用受生物污损困扰，包括隐形眼镜，导管，血液相关装置，移植装置，生物传感器，微处理器和药物输送系统。其实生物污损就是材料表面蛋白质的吸附引起的，包括生物膜的形成会导致炎症，感染以及人体植入物的排斥最终导致额外的痛苦及医疗支出。
事实上，微生物依附在表面上的首要机理涉及到通过生物流体或蛋白质和由微生物分泌的糖蛋白对表面进行修饰。
    在确定表面的抗生物污染或促进污物释放的程度上，涂层的表面自由能、润湿性和机械性能起到至关重要的作用。
在这方面，纳米涂层弹性体的效能，是最有前景的。这在其低表面能和令人关注的机械性能方面得到了说明。一般而言，传统的湿法沉积涂层方法牵涉各种各样的化学品和溶剂以及复杂的工艺，如：由于材料的不活泼导致涂层与基材附着力不好和涂层厚度不易控制。
另一方面，干的和无溶剂的真空聚合工艺没有上边提到的工艺难题，而且提供了一个较好的、有效的方法，可以在任何基质上沉积附着力好、厚度更易控制、化学，形态学和最终性能的功能涂层。
真空聚合物薄膜因其在力学、电学、生物学等领域具有广泛的用途，引起了人们的极大兴趣。当前，研究设计和生产聚合物薄膜的技术方法层出不穷，所有这些技术中，真空聚合技术由于所制备的聚合物具有化学性质及力学稳定性好、附着力优及生物相容性好等优点。因而被更多地考虑用于构建聚合物薄膜。
北京嘉润通力科技有限公司（JRP）多年来一直致力于真空镀膜技术的探索和研究，基于对真空镀膜技术以及材料科学的理解和掌握，公司做了大量针对性的实验，成功研发出了用于生物学上的纳米级镀膜。整个处理过程没有不良副产物，是绿色环保的，而且膜层本身也具有稳定不易分解的特性。纳米技术将带动纳米生物学以革命性的发展，使得纳米生物学技术产生质的飞跃。
 
2. 技术与实验
2.1 JRP 真空纳米镀膜技术和镀膜设备
JRP ^® 纳米镀膜技术是在真空环境下，以适当的真空度、温度、电场和磁场等各种条件催化下，将单种或多种工艺气体部分分解成自由基和原子并带电，然后聚合在目标材料上，从而在材料上生长出一层或者多层纳米级超薄聚合物的技术。如图1.
我们知道，在真空环境下气体分子密度比较小，在成膜时分子沉积后排列比较致密、厚度薄、对目标材料的渗透性好。在真空、电场、磁场、温度等环境下，工艺气体材料会离子化，产生定向运动，当我们把材料置于离子运动的路径上，并在材料周围设定聚合条件，气体离子就会沉积在材料上，并且沉积的速度快。根据不同功能的膜层需要，可以通过调整工艺气体材料、温度、电场、磁场等条件，形成不同功能的膜。
图1
                                        
镀膜设备为Schwarze P60C-COATING（长400mm X 宽400mm X 高400mm ）包含一个真空仓体，低压由真空泵来实现，仓体中有适用于生物及医疗器件的托盘及电极、磁极、温度控制器、气体分布管路等。气体分布管路保证工艺气体在真空仓体里的均匀分布，气体入口连接N个工艺气体罐。当我们要给生物及医疗器件镀膜时，首先把物体放进仓体内的托盘上，关闭仓门，然后打开真空泵，将仓体内压力降到要求的压力值，然后通入需要的工艺气体，工艺气体离子化后，在真空、电场、温度、磁场等条件的催化下，在物体上镀上一层或多层特殊功能的纳米镀膜,见图2。                           图2
 
2.2 实验
2.2.1 样品
   原老化宣纸（75mmx150mm）和JRP镀膜老化宣纸（75mmx150mm）；JRP镀膜硅片（4″）；原宣纸（150mmx150mm）和JRP镀膜宣纸（150mmx150mm）；原无纺布（60mmx60mm）/JRP镀膜无纺布（60mmx60mm）；原口罩用材料和JRP镀膜口罩用材料。
 
2.2.2 仪器
   JZ-300通用色度仪，深圳市精准仪器设备有限公司；JGW-360A 接触角测试仪，承德市成慧试验机有限公司；日本日立S-4300N扫描电子显微镜；
 
2.2.3 检测方法
接触角测试，通过测定去离子水在物体表面形成的接触角来表征物体表面的湿润性。接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固液交界线之间的夹角θ，是润湿程度的量度。若θ<90°,则固体表面是亲水性的，若θ>90°，则固体表面是疏水性的。
 
色度色差、附着力、抑菌的测定分别按GB/T7921-2008 《均匀色空间和色差公式》、GB/T 31586.2-2015 《防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护涂层附着力/内聚力（破坏强度）》、GB/T20944.2-2007 《纺织品 抗菌性能的评价 第2部分：吸收法》进行测定。
 
3. 结果和讨论
 
3.1 色度值和色差分析
样品：老化宣纸 (75X150mm)和JRP镀膜老化宣纸 (75X150mm)；测试结果：
表1纸和镀膜纸色度值和色差测试

色度值	老化宣纸(75X150mm)	JRP镀膜老化宣纸(75X150mm)
L*	63.0	63.2
a*	4.4	4.5
b*	13.1	13.3
ΔL*		0.2
Δa*		0.1
Δb*		0.2
ΔE		0.3

 
结论:
由表1可见镀膜处理后，色度值变化很小，色差ΔE只有 0.3。所以镀膜对样品的颜色没有影响，保持了样品原有的颜色，具有不改变样品原貌的特点。
 
3.2 纸张镀膜前后SEM分析
样品：棉布（10cm×10cm）、JRP镀膜棉布（10cm×10cm）、JRP镀膜硅片
采用日本日立S-4300N扫描电子显微镜观察样品的表面形貌，通过喷金处理增加样品的导电性。
       
          
              3a                                     3b
                              
         
3c                                     3d
 
图3

图4
 
从图3a电镜照片可以看出，镀膜对材料有一定的渗透，从而使镀膜的牢固度更好，同时的厚度很均匀，仅零点几微米，另外，镀膜的厚度可以控制。
图3b电镜照片为40000倍放大照片，从照片中可以看出，镀膜非常的致密，均匀。
图3c 和图3d为棉布样品镀膜前后的照片，从照片可以看出纤维尺寸没有宏观变化；纤维之间的孔隙没有宏观变化，没有被镀膜堵塞、堆积；纤维的存在状态（位置关系等）没有宏观变化，纤维没有粘连。以上说明对镀膜后布料的透气性不会有宏观影响，对面料的柔软度没有影响。
从图4 棉布空气透过量测试的结果，可以看到镀膜对面料的透气性影响很小，几乎可以忽略。
 
3.3 无纺布镀膜前后膜层附着力分析
样品：无纺布 （60x60mm）、JRP镀膜无纺布 （60x60mm）
测试结果：
表2无纺布及镀膜无纺布附着力测试

	无纺布	镀膜无纺布
附着力	0	0

 
结论:
由表2可见无纺布镀膜后与未镀膜的无纺布一样，其附着力为最优级别，说明镀膜与无纺布附着很好，不易脱落，即使在外力的作用下也具有很好的附着力。
 
3.4 接触角测试分析
   样品：原宣纸（150mmx150mm）和JRP镀膜宣纸（150mmx150mm），接触角测试结果如下，
表3 原宣纸接触角测试结果

测试次数	宣纸正面接触角		宣纸反面接触角
	θ/°		θ/°
1	0		0
2	0		0
3	0		0
平均值	0		0

 
表4  JRP镀膜宣纸接触角测试结果

测试次数	宣纸正面接触角		宣纸反面接触角
	θ/°		θ/°
1	120.80		116.00
2	117.00		117.00
3	122.00		116.64
平均值	119.93		116.55

 
 
                5a                                 5b
图5
结论：
由表3可见，未镀膜的宣纸的接触角为0，是处于完全润湿状态。而表4，可见JRP镀膜后的宣纸正反面接触角平均值均大于90°，表现为良好的疏水性。
由图5a、5b可见，没有镀膜的宣纸已经完全被水润湿；而经过JRP真空纳米镀膜过的宣纸上的水是以水珠形式在纸表面停留或者滚动。
另外我们还对生物硅片制备了疏水/亲水性的镀膜，未镀膜的硅片水接触角为70-80°，而我们镀膜的硅片经客户实际检测，疏水接触角能达到120°左右，亲水镀膜能达到30-40°之间。
 
3.5 抑菌测试
   样品：原口罩材料（未处理）和JRP镀膜口罩材料，抑菌测试结果如下
表5

	测试结果
原口罩材料	0%
JRP镀膜口罩材料	89%

 
 
图6
 
结论:
由表5可见镀膜处理后，口罩材料的抑菌性为89%。图6上边两个培养皿为镀膜口罩材料，下边两个为未镀膜口罩材料，从图上可看出镀膜口罩材料细菌数比未镀膜口罩材料的细菌数量明显少很多。
                                       
4.结论
综上所述，真空聚合疏水膜，水接触角能达到120°，疏水性良好，可用于实验室滴管，容器、量杯等用于精确计量。同时疏水膜表面能低，可应用于医用导管流体减阻；而亲水膜层，水接触角仅为10-20°，能明显改善原表面的亲水性，降低了表面与血液的界面自由能，获得了良好的抗血栓性能^【2】,即良好的抗凝血性能。另外我公司制备的疏特定溶液(3D打印树脂)的镀膜，经客户检测，能够替代现有的离型剂，解决了现有离型剂紫外照射有气泡的难题，同时树脂可以很轻松的从打印载体上转移备用。同时有研究表明，材料表面临界张力对表面的溶血影响很大^【3】，亲水膜层增加了表面的亲水性，同时降低了试样的溶血率，使试样对血红细胞的破坏作用变小，降低了溶血发生的可能性。
通过对材料进行真空镀膜来提高或降低材料表面对细胞的吸附力，会表现出截然不同的结果及用途，如上述的抑菌测试表明，镀膜能显著提高样品的抑菌性，说明镀膜对细胞的吸附力降低了，细菌在镀膜上没有适宜的生存环境，因此大量死亡，此功能镀膜能广泛应用于生物医疗卫生行业，如医生穿的防护服，手术穿的无菌服、口罩、手套以及大量使用的医疗器械等，而且真空镀膜不会改变织物的透气性，不会降低服装、口罩、手套等的舒适性；而相反如果我们提高对细胞的吸附力，让细胞在生物材料上很好的黏附，才会进一步迁移、分化和增殖，并最终形成所希望得到的组织或器官的替代品^【4】，而通过将体外培养的细胞种植于生物材料上，增值后再植入体内，达到组织修复和重建正式目前治疗器官或组织缺损的常规方法。但是许多高分子材料与生物相接触时，不能互相吸附，二者会在界面处发生一系列复杂的相互作用，导致细胞不能正常生长和增殖，凝血反应和血栓的形成以及对生物体组织产生毒性作用，影响高分子材料在器官或组织移植中的应用。
同时有研究者在人造关节抗菌性领域取得最新研究成果：以特定速率释放多种抗生素的载药纳米纤维镀膜，能够有效防止全关节置换（total jointreplacement）手术中一些严重的细菌感染并发症。研究者称，虽然是在小鼠膝关节进行的概念验证性研究，该技术在矫形假肢领域具有“广泛的应用潜力”，小至螺杆、螺钉或者钢板，大至髋关节和膝关节的全关节置换、心脏起搏器、可植入心脏除颤器、血管支架等其他可植入医疗装置。目前，已经有在植入医疗假肢时通过载药（抗生素）水泥、微球、垫片或者粉末等进行局部抗生素释放等方法^【5】。
最后，等离子体技术处理的真空聚合物，在蛋白质吸附和DNA固定上也有很大的优势，这种等离子体聚合物膜能应用在生物传感器上，为DNA芯片和蛋白质芯片基体的选择提供更广阔的空间。另外，如果将生物降解性和生物相容性的聚合物与药物制成纳米药物，可作为靶向药物制剂，直接导入病灶部位的器官组织，甚至细胞，达到提高药物疗效，降低毒性的作用，如治疗肿瘤，将不会再像化疗一样，在杀死癌细胞的同时，也会杀死健康细胞。而且将纳米材料作为载体，还可用于基因的输送和治疗^【6】，将来随着技术发展，DNA的修复很有可能会成为现实，从根源上治疗疾病，解除病人的痛苦。
 
参考文献

1. 蔡秀军，浙江临床医学，2002年3月.
2. 郭海霞，梁成浩.上海生物医学工程，2001,22（3）：44-48.
3. 李伯刚，康安福，尹光福，等.生物医学工程学杂志，2005，22(3):452-455.
4. JANSEN J A，Den BRABER E T，WALBOOMER X F，et al. Soft Tissue and Epithelial Models [J]. Adv Dent Res，1999.
5. The Johns Hopkins University ，Proceedings of the National Academy of Sciences ，2016年10月24日.
6. 满娜，中国科学技术大学，2009.