不同气氛放电等离子体处理对（PMMA）聚甲基丙烯酸甲酯表面的改性

利用低气压电容耦合放电等离子体对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面进行亲水改性，对比分析了Ar、N2、Air和O2四种等离子体放电气体和不同放电功率对其表面的影响。结果表明，经等离子体处理后的PMMA表面亲水性和抗蛋白性能均有不同程度的改善，其中Ar等离子体主要起刻蚀的作用，N2、Air和O2等离子体在对PMMA刻蚀的同时，接枝的官能团对其表面性能的改变起到主导作用。
甲基丙烯酸甲酯(PMMA)凭借易加工、高强度和低组织排异反应等优点，被用作基体材料，广泛应用于生物医用复合材料领域。作为一种医用材料，生物医用复合材料综合了基体与增强材料各自的优点，使得复合材料兼具各组分的优势。利用PMMA的优势性能，能够很好解决传统医用金属材料与组织结合不牢固，生物活性差，以及生物陶瓷材料脆性大、不抗弯等问题。然而在医用复合材料粘接过程中，由于PMMA的表面润湿性差，医用粘接剂无法完全润湿，粘接不牢固，使用一段时间后基体与增强组分脱落，导致可靠性差。另一方面，在组织环境中，由于PMMA表面非特异性蛋白吸附，往往引起细菌感染和局部炎症。国内外大量研究表明，引入极性官能团或者增加粗糙程度可以提高亲水性，可使医用粘合剂更好润湿表面，从而增强医用复合材料的可靠性。引入表面的亲水官能团还能够与游离水之间形成紧密结合的水合层，排斥蛋白质的接近与吸附，提高组织相容性。
表面亲水性的变化
实验中分别采用Ar、N2、Air和O2作为等离子体工作气体，对PMMA表面进行改性处理。不同工作气体放电等离子体对PMMA表面亲水性的改善存在一定的差异，如图1所示，其中经Ar等离子体处理后，改性样品的表面亲水性最弱。在等离子体中，电子与Ar发生非弹性碰撞产生激发态的Ar原子，对PMMA表面发生轰击并起到刻蚀作用。一般认为，等离子体刻蚀形貌有利于液滴在表面铺展。对比N2、Air和O2等离子体对PMMA亲水化改性效果，N2等离子体的亲化效果不及含有O2分子的Air和O2等离子体。这三种均属于反应性气体等离子体，在与PMMA表面作用过程中，不仅有物理刻蚀的效果，还会引发样品表面的接枝反应，导致其表面化学组成的变化，促进其亲水性的进一步改善。相比较物理刻蚀作用而言，在反应性气体等离子体环境中，引入的亲水官能团对样品表面的亲水化起主导作用。而N2等离子体相比于O2等离子体所接枝官能团，亲水性较弱。
等离子体处理功率对接触角的影响粗糙度的变化
图2给出了未处理样品表面及Ar、N2、Air和O2等离子体处理后的表面形貌图，PMMA表面均出现了突起和沟壑，表面粗糙程度有不同程度的增加。经Ar等离子体处理后，PMMA表面产生的刻痕较为尖锐，高低起伏剧烈，粗糙度算术平均偏差(meana-rithmeticdeviationofroughness，Ｒa)由未处理样品的10.8上升到45.3nm，这主要是由于Ar等离子体中高能粒子的轰击，会使PMMA表面产生大面积凹坑，侧链节断裂成独立的小分子，其亲水性的提高符合Wenzel对粗糙表面的预测，Ar等离子体刻蚀起伏实际上增大了“固-液”接触面积，使得液滴铺展接触面大于表观接触面积，在几何上增强了亲水性。反应性的N2、Air和O2气体等离子体刻蚀过程中，反应基团作用于PMMA表面，与PMMA发生化学反应并生成可挥发物质。由于氮等离子体的表面氨化反应速率高于氧等离子体的表面氧化反应速率，使氮等离子体刻蚀后的形貌比氧等离子体刻蚀后的形貌更加粗糙。从图2观察到，与O2相比，N2等离子处理PMMA的表面粗糙度相对更高。反应性气体N2、Air和O2等离子体处理表面，尖锐刻痕大量消失，出现较为平滑凹凸。这是由于反应刻蚀部位活性化并产生大量自由基接枝位点，通过反应接枝，官能团以化学键的形式与接枝位点紧密结合，从而降低了样品表面的粗糙度。243062430624306