从疏水性到亲水性：通过氧等离子体改性提升聚对苯撑F涂层的表面性能

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：From Hydrophobic to Hydrophilic: Enhancing Surface Properties of Parylene F Coatings through Oxygen Plasma Modification

本研究采用氧等离子体处理技术优化聚帕亚胺F涂层表面性能，通过化学气相沉积沉积5μm厚度的Parylene F涂层于316L不锈钢基材，并系统测试30-80W不同功率处理下的表面形貌、化学成分及生物相容性。结果表明，50W处理可使涂层接触角低于20°，细胞存活率超90%，溶血率低于2%，同时形成纳米结构增强表面亲水性，显著优于未处理涂层。

　　Parylene F作为一种在介入手术和医疗应用中备受关注的材料，因其卓越的生物相容性、机械强度以及在生理环境中的稳定性而被广泛采用。然而，其固有的疏水性也带来了诸多挑战，如增加的摩擦阻力和可能的患者不适感。为解决这些局限性，本研究引入了一种氧气等离子体处理策略，以提升Parylene F涂层的亲水性和生物相容性。通过化学气相沉积技术在316L不锈钢基底上沉积涂层，并采用不同功率范围（30至80瓦）的氧气等离子体进行改性，研究了处理后表面性质的变化。通过扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）对表面特性进行了全面表征。同时，通过静态接触角测量评估了润湿性，通过NIH3T3成纤维细胞毒性实验和溶血实验评估了生物相容性。实验结果表明，氧气等离子体处理显著提高了Parylene F涂层的亲水性，通过引入含氧官能团并形成纳米结构，使水接触角降低至20度以下。尽管由于表面老化，疏水性有所恢复，但改性后的表面仍优于未处理对照组。细胞毒性实验显示细胞存活率超过90%，溶血率低于2%，符合严格的医疗标准。实验确定了50瓦的等离子体功率为实现最佳亲水性和生物相容性的最佳选择。这些发现突显了氧气等离子体处理在改善Parylene F表面性能方面的有效性，使其成为介入医疗设备的有力候选材料。

Parylene家族的聚合物因其出色的生物相容性、机械性能以及在生理环境中的稳定性，在介入手术和护理领域得到了广泛应用。这些材料常被用作医疗导管和导线的保护涂层，以提高其在体内环境中的适应性。目前，Parylene系列主要包括五种主要变种，它们的结构特征由取代基决定：Parylene C、Parylene D、Parylene N、Parylene F和Parylene HT。其中，Parylene C是FDA认证医疗设备中最常见的变种，具有良好的屏障性能、简便的沉积工艺以及在植入式医疗设备中广泛的应用历史。它已被充分评估用于细胞毒性、致敏性和植入性相关的测试。值得注意的是，虽然Parylene C不适合高温加工，但它完全兼容环氧乙烷（EtO）灭菌——这是医疗设备、耗材和生命科学研究产品中最广泛使用的灭菌方法。相比之下，Parylene N和D在长期热稳定性和紫外线抗性方面存在局限，这使得它们在标准医疗灭菌过程中（如高压蒸汽灭菌或紫外线消毒）的化学完整性受到威胁。Parylene HT则表现出优异的热和紫外线稳定性，但其应用受到材料成本较高和薄膜形成速率较低的限制。在此背景下，Parylene F（Parylene AF4，Octafluoro-[2.2] Para cyclophane）展现出了平衡的特性，包括增强的热和紫外线抗性以及成本效益，使其成为对环境耐受性要求较高的特殊医疗应用的有力候选，如经导管介入输送系统和长期植入电极。

Parylene F涂层以其出色的抗湿性、抗霉性和抗腐蚀性而闻名，为多种表面提供持久的保护，使其适用于长期应用。通过化学气相沉积（CVD）在室温下沉积Parylene F涂层，使得其能够在复杂几何形状的基底上形成均匀的薄膜，包括植入物、金属、陶瓷和复合材料。然而，Parylene F表面的固有疏水性可能导致在生理环境中摩擦阻力增加，从而增加组织损伤和炎症反应的风险。相比之下，亲水性涂层已被证明能够显著降低摩擦系数，从而提高医疗设备的生物相容性和操作安全性。因此，对Parylene F进行表面改性以实现稳定的亲水性，对于提升其在生物医学应用中的性能至关重要。

氧气等离子体处理作为一种广泛应用的表面改性和功能化方法，已被证明能够有效改变聚合物的表面性质。该技术通过将材料暴露于包含电子、光子、离子和自由基的反应性环境中，实现表面清洁、蚀刻和化学成分的改变。通过优化氧气分压、处理功率和时间等参数，可以精确调控等离子体条件。已有研究表明，通过精确控制等离子体功率、氧气分压和处理时间，可以在Parylene C表面引入羟基、羧基等含氧官能团，从而显著降低水接触角并改善细胞相容性。然而，针对Parylene F的氧气等离子体处理研究仍较为有限，特别是在系统优化处理参数和全面生物评估方面。因此，本研究采用氧气等离子体处理作为表面改性技术，以控制Parylene F涂层的表面组成和形貌。通过在316L不锈钢基底上沉积厚度为5微米的Parylene F薄膜，并进行系统化的氧气等离子体处理，研究了处理参数对表面形貌、化学组成、润湿性和细胞毒性的影响。这种方法为全面评估Parylene F薄膜的功能化效果提供了依据，也为其在不同生物医学应用中的潜力提供了重要见解，尤其是在介入手术和植入式医疗设备领域。

本研究的涂层制备过程如图1所示，主要包括两个主要阶段：Parylene F在316L不锈钢基底上的沉积，以及随后对Parylene F涂层进行的氧气等离子体处理。在CVD系统中，Parylene F（由苏州Parylene材料有限公司提供）的沉积过程通过将固态Parylene F二聚体引入反应室完成。沉积完成后，对形成的薄膜进行氧气等离子体处理，以进一步优化其表面性质。为了系统研究等离子体处理对表面形貌、化学组成、润湿性和细胞毒性的影响，采用扫描电子显微镜（SEM）对未经处理和经过不同功率范围（30至80瓦）处理的Parylene F薄膜表面进行了表征。分析结果表明，氧气等离子体处理能够在Parylene F表面形成独特的微纳米结构，显著改变了其原始表面的微观特征。这种表面结构的变化不仅提高了涂层的亲水性，还增强了其与生物组织的相互作用能力，从而提升了整体的生物相容性。

在讨论部分，我们进一步探讨了Parylene F的特性及其在氧气等离子体处理下的变化。Parylene F因其独特的氟化芳香结构而具有固有的疏水性，这种疏水性主要源于C-F键的低极化性。本研究通过CVD工艺成功地在316L不锈钢基底上沉积了高纯度的Parylene F涂层，并通过拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱对沉积后的涂层进行了全面表征，确认了其表面没有杂质。为了进一步提升其表面性能，研究采用了氧气等离子体处理技术。通过调整处理参数，如功率和时间，能够有效地引入亲水性官能团，并形成纳米结构，从而显著改善涂层的润湿性和生物相容性。实验结果表明，经过氧气等离子体处理的Parylene F涂层在接触角测试中表现出优异的亲水性，同时在细胞毒性实验和溶血测试中也符合严格的医疗标准。此外，研究还发现，涂层在处理后的长期稳定性良好，且其性能表现出对处理功率的依赖性。通过系统研究，确定了50瓦的处理功率和10分钟的处理时间作为最佳参数，能够实现涂层性能的持续优化。

在结论部分，本研究确认了氧气等离子体处理对Parylene F涂层的有效性。通过引入亲水性官能团和形成纳米结构，处理后的涂层在亲水性和生物相容性方面得到了显著提升。此外，研究还发现，涂层在处理后的长期稳定性良好，且其性能表现出对处理功率的依赖性。通过系统研究，确定了50瓦的处理功率和10分钟的处理时间作为最佳参数，能够实现涂层性能的持续优化。这些结果不仅为Parylene F在医疗领域的应用提供了理论支持，也为未来开发更高效、更安全的医疗设备材料提供了新的思路。氧气等离子体处理作为一种简便、高效的表面改性技术，能够显著改善Parylene F的表面性能，使其在生物医学应用中具有更大的潜力。通过优化处理参数，可以实现对涂层性能的精确控制，从而满足不同医疗应用对材料性能的多样化需求。这一研究为Parylene F在介入手术和植入式医疗设备中的应用奠定了坚实的基础，同时也为相关领域的进一步研究提供了重要的参考。