大气压等离子体射流对纤维膜表面改性方法的研(2)
图3PLLA纤维膜表面形貌的SEM图片(500×)
图4纤维直径分布情况
2.2 大气压等离子体射流的发射光谱特性
图5显示了在200~900 nm波长范围内,O2/He混合比为0.6%的情况下测得的APPJ发射光谱。图5中,工作电压?kV,工作距离为1 cm,氦气流速为1 000 sccm,氧气流速为6 sccm。研究发现,在大气压He/O2混合气体放电中,发射光谱包括氦原子和氧原子的谱线、N2+第一负带谱线、N2第二正带谱线[11],以及羟基(-OH)和NO粒子的谱线。杂质氮谱线的产生是等离子体射流与环境空气发生相互作用的结果。除此之外,由于环境空气和工作气体中都混合了少量的氧气和水蒸气,等离子体中的高能电子会通过非弹性碰撞激发、电离水蒸气和氧气等中性分子,进而产生羟基(-OH)和NO等活性粒子,这些活性粒子是对材料进行表面改性的主要成分。
图5大气压He/O2等离子体射流发射光谱图
2.3 PLLA纤维膜的亲水性能表征
PLLA纤维膜表面的亲水性能可以用水接触角(WCA)来表征。图6所示为PLLA纤维膜表面的WCA随等离子体处理时间的变化情况,其中,工作电压?kV,工作距离为1 cm,氦气流速为1 000 sccm,氧气流速为6 sccm。从图6中可看出,未处理的PLLA纤维膜的WCA是120°,表现为超疏水性;在经过APPJ处理后,材料表面的WCA显著下降,表明材料的亲水性能得到很大改善。当施加电压?kV,O2/He混合比是0.6%时,观察到材料表面的WCA在经过4 min等离子体处理后急剧下降(从120°到29°)。由于He/O2APPJ环境富含活性氧粒子,经过APPJ处理后,在PLLA纤维膜表面引入了含氧极性基团,如羟基(-OH)和羧基(-COOH)[12],从而使得PLLA材料表面的亲水性能得到大幅度提升。从图6中观察得到,当处理时间从4 min增加至16 min时,材料表面的水接触角可缓慢下降至18°。综合考虑时间成本和获得的效益,将后续研究的处理时间优化至4 min。
图6PLLA纤维膜表面水接触角随处理时间的变化情况
2.4 XPS分析
PLLA纤维膜表面化学元素的组成可通过X射线光电子能谱(XPS)来分析评估。图7显示了未处理和经过等离子体处理的PLLA纤维膜的XPS扫描全谱。等离子体处理参数:工作电 kV,工作距离1.0 cm,He流速1 000 sccm,O2/He混合比0.6%,处理时间4 min。从图7中可以看出,2种XPS全谱都具有2个分离的峰,其对应于C1s(285 ev)和O1s(532 ev),在等离子体处理后的PLLA纤维膜上还可以看到一个N1s峰(400 ev),表明等离子体射流与周围空气相互作用产生了活性氮粒子。此外,经过等离子体处理后,PLLA纤维膜上C1s归一化强度下降,相应地O1s归一化强度上升,即在等离子体改性后,O1s粒子所占比例上升。这是因为等离子体射流中的电子、离子和光子等物质与PLLA纤维膜表面相互作用后,使得纤维膜表面的C键断裂[13],并引入含氧官能团所导致的。这些亲水性的官能团能促使PLLA表面的WCA下降,这与图6的结果是一致的。
a)未处理的PLLA纤维膜
b)经过等离子体处理的PLLA纤维膜图7PLLA纤维膜的XPS扫描全谱
2.5 C2C12细胞生长形貌研究
图8显示了C2C12细胞在未处理和APPJ处理后的PLLA纤维膜上培养1天时的SEM图片。等离子体处理参数:工作电 kV,工作距离1.0 cm,He流速1 000 sccm,O2/He混合比0.6%,处理时间4 min。从图8中可以看出,和未处理的纤维膜相比,在APPJ改性过的纤维膜上,细胞拉长,呈现出C2C12细胞的特征纤维形态;并且,细胞在APPJ改性后的纤维膜上生长密度大大提高,而且形态上也更加铺展,说明APPJ表面改性大大提高了PLLA纤维膜的生物相容性和细胞亲和力,极大地促进了细胞的粘附、增殖和生长。
图8C2C12细胞在未处理和APPJ处理后的PLLA纤维膜上培养1天时的SEM图
3 结语
本文首先通过静电纺丝法制备了PLLA纤维膜,然后提出使用针环电极结构的大气压He/O2等离子体射流装置对PLLA纤维膜进行表面改性。研究结果表明,He/O2大气压等离子体射流处理可以在PLLA纤维膜表面有效地引入羟基(-OH)和羧基(-COOH)官能团,大幅改善材料表面的亲水性能;小鼠成肌细胞C2C12在改性后的PLLA纤维膜上能更好地粘附、增殖和生长,表明APPJ表面改性能大大提高PLLA纤维膜的生物相容性和细胞亲和力。本文的研究成果在组织工程、生物医学工程等领域具有重要的应用前景。
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文章来源:《生物医学工程学杂志》 网址: http://www.swyxgcxzzzz.cn/qikandaodu/2021/0520/582.html
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