基于管式介质阻挡放电的等离子体浸没离子注入技术实现管状结构一步共价生物功能化

本文创新性地开发了管式介质阻挡放电(DBD)配置的等离子体浸没离子注入(PIII)技术，解决了三维管状结构内表面均匀生物功能化的难题。通过优化电场分布实现选择性表面活化，在膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)管内外表面嵌入长效自由基，实现一步法、无试剂的共价生物分子固定。该技术显著促进人冠状动脉内皮细胞(HCAEC)的粘附增殖，为血管移植物等管状组织工程提供了可规模化生产的解决方案。

　　

管状结构在血管、肾小管和尿道等组织中普遍存在，是组织工程和植入应用的基础构件。然而，在受限几何结构内实现均匀的生物功能化仍具挑战性。传统湿化学方法虽能实现共价固定，但存在多步骤处理、有机溶剂使用和潜在毒性残留等问题。本研究开发的等离子体浸没离子注入(PIII)技术通过表面嵌入自由基，为管状结构提供了一步法、无试剂的共价生物功能化方案。

计算模拟揭示电场分布规律

通过COMSOL多物理场模拟发现，高压电极尺寸对亚毫米级管状结构(内径500μm)内的电场增强至关重要。当电极长度(1-10mm)保持在管状边界内时，电场可有效集中在管内；而140mm的长电极则使电场完全外移。这一发现为后续实验设计提供了理论依据，说明亚毫米管需采用小型电极实现内部等离子体生成。

毫米级管道的内部PIII活化

针对6mm内径的ePTFE管(ePTFE6)，采用15cm铝电极进行氮气PIII处理(-4至-8kV)。XPS和ATR-FTIR分析显示：处理后的表面出现氮元素(证实离子注入)和含氧基团(表明表面氧化)，同时保留主要(C₂F₄)_n结构。特别在-6kV条件下，接触角从115°降至63.9°，表面自由能从7.7升至38.0mN/m，且纵向三个位点的化学组成均匀性最佳。扫描电镜(SEM)证实-6kV处理能保持表面形貌完整，而-8kV则导致纤维连接破坏。

亚毫米管的选择性功能化

针对500μm内径管(ePTFE05)，创新设计两种DBD配置：内部处理采用1.5cm铜电极置于玻璃管内，外部处理采用螺旋铜电极环绕管外。XPS证实该方法能精准控制活化区域——内部处理组仅内表面检测到氮/氧，外部处理组仅外表面改性。值得注意的是，-6kV内部处理组的-OH吸收峰强度在纵向三个位点无显著差异，显示优异的处理均匀性。电子顺磁共振(EPR)检测到332.5mT特征峰，证实表面自由基的存在，且活性可保持至少6个月。

共价固定与生物功能验证

采用四种模型生物分子验证固定效果：原弹性蛋白(TE)、辣根过氧化物酶(HRP)、Cy5标记IgG和纤连蛋白(FN)。飞行时间二次离子质谱(ToF-SIMS)显示：经90℃ SDS洗涤后，PIII处理的ePTFE6管仍保留TE特征离子信号，而对照组完全消失。ELISA分析表明，FN在PIII处理的ePTFE05管上经四次SDS/BSA洗涤后保留率达95%。共聚焦显微镜观察到Cy5-IgG在活化表面形成均匀荧光涂层。

促进内皮化的生物效应

人冠状动脉内皮细胞(HCAEC)实验显示：PIII处理的ePTFE6管细胞附着量增加100%(2000vs1000个/视野)。FN功能化的亚毫米管表现更突出：培养4天后，PIII+FN组的细胞数量显著高于单纯PIII组或物理吸附FN组。F-actin染色显示，功能化表面的细胞铺展面积增加300%，证实固定化FN保持了生物活性。这种增强效应源于PIII处理既改善了表面亲水性，又通过共价固定维持了FN的构象完整性。

这项技术突破了传统等离子体处理在三维结构中的应用局限，通过精确控制电场分布，实现了从毫米到亚毫米尺度管状结构的可控生物功能化。表面嵌入自由基的独特机制避免了化学交联剂的使用，为血管移植物等管状组织工程产品的临床转化提供了符合质量源于设计(QbD)原则的解决方案。未来可进一步探索沿管长方向的生物分子梯度固定，为引导细胞行为提供更精细的调控手段。