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對氣體施加電壓使之產生輝光放電的技術，或者稱做“等離子體”技術，在醫療器械領域已經成為了一種解決表面預處理問題的有力工具。等離子體不僅可用于表面的極端清潔和消毒，它還可以改善生物材料對體外診斷平臺以及生物相容性涂層對體內器械的粘合性。的確，等離子體不僅可以活化表面從而有利于細胞或生物分子的固定，還可以反過來產生光滑的表面，從而抵抗生物污染，或用于計量藥物的配制。等離子體還可以大大提高微流體器械的功效。臨床診斷裝置上的微通道可以在不影響自身分析性能的情況下變得對生物流體更加“浸潤”。等離子體同樣應用于一些低端技術領域，例如改善導管的油墨標記，提高注射器針頭對針筒的粘合力。另外，由于等離子體是一種干法表面處理技術，不需要處理廢棄的化學品，從而成為了只需極少量消耗品的綠色工藝。在這篇文章中，我們將討論在體外診斷平臺工業中等離子體技術的功能。我們將關注等離子體如何控制表面能量，以及如何修飾表面化學性從而改善對生物材料的粘附性。在等離子體魔術般的對表面進行改性的背后的科學依據是什么呢？ 什么是等離子體？ 圖1：四種物質狀態的示意圖。等離子態與氣態的根本區別是等離子態可以是電導性的。電子擺脫了原子或分子的引力從而可以通過電子的碰撞來傳遞能量。 等離子體和固體、液體或氣體一樣，是物質的一種狀態。對氣體施加足夠的能量使之離化成等離子狀態。等離子體的“活性”組分包括：離子、電子、活性基團、激發態的核素（亞穩態）、光子等。控制和駕馭這些活性組分聚集后的性能可進行各種各樣的表面處理，例如納米級別的清潔、活化表面的浸潤性、化學接枝、涂層沉積等。 等離子體的高化學活性用來在不影響基材的情況下改變表面的性能。實際上可以控制這些部分離化的氣體所攜帶的能量，使之含有很低的“熱”能。實現的方法是通過把能量與自由電子而不是與更重的離子進行耦合，這樣便可以處理對熱量敏感的聚合物，例如聚乙烯和聚丙烯。能量是如何與氣體耦合的呢？大多數情況下是通過在低壓環境下在兩個電極間施加電場。這就像熒光燈的工作原理，唯一的區別是不讓光發出。我們支配他的化學性能來處理材料的表面。等離子體也可以在大氣壓力下產生。在過去，大氣壓等離子體溫度太高而不能作為表面處理的工具。最近，改進的技術可以在大氣壓力下產生低溫等離子體，可應用于大多數對溫度敏感的聚合物的處理。 等離子體如何改變表面的性能？ 圖 2：作為表面處理工具的等離子體大多數情況下是在一個低壓真空腔室內產生。隨著技術的進步在大氣壓力下產生等離子體已經開始普及，并且被越來越多的應用。圖 2a是PVA Tepla公司的臺式低壓等離子體系統。這種類型的系統具有先進的性能，很適合于單元式工業以及實驗室中適用。圖 2b是 PVATepla公司的大氣壓等離子體筆的特寫。這種設計把電壓和電流安全的控制在等離子體筆體內部，它可用于在線式應用或者選擇性的局部處理。 假設一個固體的表面吸附了碳氫污染物。這些污染物很容易與等離子化的氧元素反應。氧攻擊吸附的碳氫化合物，從而轉變成CO2 和 H2O。圖3是一個簡單的反應機理。對于易氧化的表面，可以選擇用等離子化的氫氣進行表面清潔。氫不僅可以把表面的部分有機物變成揮發性的烴，還可以減少銅、鎳、銀等金屬的氧化。 等離子體的化學特性幾乎取決于原料氣體。例如，O2, N2, N2O, CO2等可產生氧化性等離子體。這些氣體用于把表面對于極性溶液變得更加浸潤，或者親水。這是通過等離子體誘導共價的氧鍵變為羰基、羧基、羥基等官能團來實現的。這些極性官能團可增加表面的能量，因此，可使組織細胞更好的黏附，或者使分配到診斷平臺上的分析物可以更容易的流過微流體通道。 Ar/H2，NH3等可產生還原性的等離子體。這些氣體已證實可有效的活化碳氟化合物，如PTFE。因為PTFE的惰性和生物相容性，它是制造體內醫療器械的理想材料。但這些特點又是加工PTFE的不利因素，比如需粘附到合成支架上以促進體內裝置上的組織生長。還原性的等離子體可通過降低整個表面的氟濃度，用羥基等官能團置換氟原子來解決這些問題。表面的羥基可提供支撐這些合成支架的定位點。 一些應用需要將主材料進行侵蝕。NF3，SF6，CF4等含氟的氣體很適合用來刻蝕碳氫聚合物、硅以及氧化硅、氮化硅等材料。等離子體除了很強的化學作用之外，直接性的作用也扮演了很重要的角色，帶有動能的粒子撞擊表面可以去除更多的表面惰性污染物（例如金屬氧化物以及其他無機污染物），以及在適當的位置使聚合物交聯來保持等離子體處理的效果。 可以通過等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）工藝來生長聚合物涂層。PECVD是通過在等離子體中活化單體等核素，并誘導它們在工件的基面發生聚合來工作的。PECVD涂層具有防護層、防粘、防劃等一些性能。另外有些涂層含有一些特殊的官能團，例如-NH3，-OH，-COOH。這些官能團為后續的接枝提供了合適的接合位置（例如為生物材料而固定蛋白質或傳感劑），或者可以提高官能團涂層的結合力（例如抗凝血酶原、潤滑、IV型膠原質等）。沉積涂層的表面化學性決定于幾十納米深度的外表面。 等離子體能對IVD平臺做些什么？ 等離子體在醫療器械行業中的應用確實是非常廣泛的。因此，本文將主要集中在已通過我們的研發部門證實以及和醫療診斷平臺工業相關的應用領域。在這個領域等離子體用來為下游工藝做表面清潔的準備，以及活化表面從而有利于生物材料的粘合。后者通過改變表面極性、接枝特殊的官能團或在表面聚合涂層來實現。為了更好的理解等離子體如何調整表面來滿足應用的需求，讓我們來看一些重要的例子。 微流體裝置和親水性 表面能是一種決定浸潤性、生物污染易感性等因素的材料性能。通常，具有高表面能的材料是親水性的，對血漿、細菌細胞懸浮液、緩沖液、油墨、膠水等流體以及各種吸附物和涂層具有浸潤性。另一方面，低能量的表面稱為疏水性，具有“不粘”的特性。將在下面討論這些“不粘”表面。 通常，微流體裝置需要親水性的表面以便于分析物可以持續平緩的流經微通道而到達探測和處理部件。這種流動可通過各種抽吸、電滲透、熱量、機械等方法來實現。與培養基（見下面）一樣，微射流器件由疏水性的聚合材料（丙烯酸、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成。由這些材料的疏水性導致的一個主要問題就是在微通道中捕集的氣泡抑制了液體的流動。即便通道用酒精和緩沖液處理過，仍存在氣泡問題。用等離子體處理可以氧化微通道的表面，使它們變成親水性，從而防止氣泡的形成。電動抽吸時的表面電荷密度同樣會影響流動速率。電動抽吸通過把電能轉換為動能的電反應原理來驅動流體通過微通道。帶電表面會吸引電解液中的帶有反性電荷的微粒。這樣可以使這些微粒仍保留在流體中，通過電動抽吸而更容易的通過通道。等離子體可以有效地促進帶電表面的電泳或電滲透流動。 圖 3：上面的反應機理是等離子產生的氧基團攻擊吸附在表面的碳氫化合物的簡單示意圖。還存在眾多其它的機理包括不同的氧的激發狀態，如自由基態和二價分子。吸附在表面的碳氫化合物可以被等離子體中的電子碰撞所激化，從而提供另外可行的反應路徑。 免疫測定、微陣列和組織培養基 用于臨床診斷基片的平臺，例如免疫測定、微陣列和細胞培養基等主要是由合成聚合物制作的。從工業上來說，這些材料具有很好的惰性、穩定的機械性以及很低的成本同時，它們的表面性能也有固有的局限性。尤其是它們沒有合適的結合點來使生物活化分子或細胞有效的固著在它們的表面。對于固定生物材料以及體外細胞培養來說，有力、均勻分配的結合點是十分重要的先決條件。為了改進合成聚合物平臺的性能，以便于細胞繁殖和雙分子的吸附，必須對它們的表面進行改性。這里我們將討論等離子體在對這些分析裝置進行表面改性時所扮演的角色。 等離子體提高細胞生長率 組織培養（細胞取自于動物或植物）在體外生長需要營養、激素、以及其他生長因素，而這些都可以在體內被自然的提供。黏附在固體表面的組織細胞繁殖擴散到富含營養的液體培養基中，例如血清（以動物細胞為例）。培養基的表面性能必須能夠使細胞均勻的黏附和生長。盡管如此，在調節表面性能之前，必須去除它們的污染物。通過冷卻來去除細胞培養平臺的脫模劑、揮發性的碳氫化合物以及其他污染元素，這也是使用等離子體所需的合適環境。 用于制造培養基的聚合材料固有的疏水性不利于組織細胞的黏附。因此，需要一個親水的表面。氧化性的等離子體用于增加表面的氧官能團，從而增加它們的極性，使它們趨向于親水。親水性的表面可以誘導組織細胞的吸附。親水性表面吸附組織細胞，誘導它們被吸附。當需要特殊的化學性能時，可以進行化學接枝或聚合一些含有所需官能團的單體。我們將在下面的章節中更加詳細的討論這一點。 圖4：左邊和中間的圖像顯示的是未處理的的聚苯乙烯孔。左側的圖像顯示了細胞黏附不均勻，出現了細胞聚集。中間的圖像顯示了一部分區域沒有黏附上細胞。右側的圖像顯示的是經過等離子體處理后的培養基上細胞均勻的黏附和繁殖。 粗糙的表面具有更大的表面積，在理論上等于含有更多的可以結合細胞的位置。由于通常情況下細胞的大小在10μm的級別，因此表面的微粗糙化可以顯著的提高細胞粘合。納米級別的表面粗糙化并不能有效地提高細胞的粘合，因為相對來說尺寸更大的細胞并不能利用這些增加的納米級的表面積。然而，一個真實的例子是，納米級別的粗糙化可以誘導藥物發生分化和凋亡。雖然還不清楚具體的原因（可能的原因包括增加了細胞受體的數量以及提高了通往核子的信號路徑），但這對于改進注入裝置上的組織支架的發展存在重要意義。 在等離子體環境下表面的形態可以被選擇性的改變，既可以通過提高離子撞向表面的加速度，也可以通過化學刻蝕工藝。電容耦合射頻等離子體中的離子通常情況下是網狀方向性的向基體移動。這取決于離子和電子對于產生等離子體的電場極性改變的反應時間。由于電子比離子輕的多，電子的反應要更快。因此，置于電子移動路徑內的基體在等待正離子到達時將帶有負電。由于帶有負電荷表面的靜電吸引作用，正離子將加速移向該表面。通過碰撞，這些離子將能夠去除表面上的材質。氬氣很適合用這種方法來微粗糙化表面。可以通過設置等離子體的能量和壓力來控制加速離子的能量。例如，使壓力提高一毫托可以很明顯的減少離子的碰撞能量（假如碰撞能量沒有被完全消除），這樣便可以去掉等離子體對表面的粗糙作用。相對于剛才所說的氬氣，氧氣等離子體工藝要輕微得多，它的輕微的化學刻蝕作用可以用來對聚合材料進行納米級別的粗糙化。 總之，用等離子體進行表面清潔、活化以及微粗糙化后的綜合效果可以增加細胞黏附（與未處理的基體相比最多可增加30%），使細胞分布的更加均勻。 用等離子體改善生物分子在免疫測定和微陣列平臺的粘附性 等離子體技術可以解決生物材料在診斷基體上的黏附性問題。它通過給表面提供特殊的化學官能團，使生化元素能夠耦合成共價鍵來實現。羧基、羥基和氨基是用等離子體工藝可以輕易獲得的常見的化學官能團的重要實例。例如，在微列陣工業，氨基可以為工作表面提供可直接黏附核苷（DNA或RNA）和寡核苷酸的粘結點。如果原子間的排列空間阻礙了結合這些大生物分子，這時可以使用原分子，有時也叫做“鍵合”。鍵合可以使生物分子以適當的結構吸附在表面提供空間。確實，鍵合分子本身也需要表面被活化以幫助它們固著在基體上。通常，氧氣等離子體的直接作用就可以滿足改善這些分子的結合效果。盡管如此，有時也需要一些特定的官能團。例如，有些捕獲劑可以在酸性或堿性環境下很好的工作。如果捕獲劑通過羥基進行鍵合，則可提供酸性環境。相反，氨基可以提供一個堿性的環境。 有兩種堿性方法可以使表面帶上特定的化學基團。一種方法是通過PEC V D沉積含有所需官能團的涂層，另一種方法是使現有的官能團產生等離子體并使之能夠結合在表面上。雖然后面的方法更加簡單，但前者具有更高的表面官能團濃度（10%-20%）。使用氨氣作為原料氣可以在表面上結合-NH3。甲醇用來結合羥基，同時使用甲醇和CO2可以提供羧基。不幸的是，沉積這些官能團同時會發生一些副反應，從而改變主官能團。例如，氨氣等離子體在沉積伯氨基的同時也會沉積季氨、叔胺、腈、亞胺等。這些基團的比例根據等離子體系統和使用的參數變化而變化。盡管如此，這種方法也可提供2-8%的所需官能團。 有時僅提供正確的化學官能團是不夠的。氨基可增加表面能量使之更加呈現出親水性。有時并不需要過度親水的表面，例如在微陣列平臺上的凝膠滴劑排列，因為這些微滴可以濕潤表面。這種類型的濕潤形成了難看的小滴。同樣，等離子體可以解決這個問題，通過控制表面能量來保持小滴的形態，即使在有氨基的情況下。在微列陣平臺的等離子體氨化處理時，在工藝中加入氟元素是一種控制的方法。氟可以約束平臺的基底并增加它的疏水性，因此可使小滴保持它的球態。幸運的是該工藝既不會影響表面沉積的伯氨濃度，也不會影響凝膠與平臺的共價鍵合。 圖6：等離子體表面處理增加化學官能團：通過把表面暴露在含有特殊官能團的等離子體中（可增加2-8%的所需官能團(例如用氨氣等離子體增加氨基）)，或通過PECVD使用含有所需官能團的單體來在表面生長涂層（可增加10-29%的官能團）。 免疫測定平臺的形狀、尺寸和結構會經常發生變化和改變。96和384孔板是最常見的基板類型。等離子體處理是使孔板變得親水，從而有利于固定抗原、抗體以及其他生物活化小分子。一個潛在的問題是在流體分配時會形成氣泡，可以用等離子體來控制。在圖7中我們把兩個孔進行對比，（7a）未經等離子體處理，（7b）經過了等離子體處理。孔（7a）含有一個捕集到的氣泡。這個氣泡會導致分光光度計的讀數錯誤，甚至根據其所占用的空間而有可能溢出到鄰近的孔內。等離子體可以確保孔內的分析物完全被浸潤，從而實際上排除了形成氣泡的可能性。 上述段落解釋了疏水性的池如何在分析液中捕集氣泡。但是，過于親水的池會導致分析液在毛細作用下爬到平臺層上并可能污染臨近的池。有這樣一個實例，我們得到了一個由疏水聚合物制造的免疫測定平臺。這個聚合物提供了許多底部帶有金檢測器的池孔。在沉積生物傳感器之前需要清潔金面，因此需要把平臺暴露在氧氣等離子體中。當等離子體對金面進行很好的清潔的同時，它對池孔側面有一個不好的作用，會導致分配的生物傳感液在毛細作用下爬到側面上。對于等離子工藝工程師來說難點在于在清潔金板的同時要維持池孔壁的親水程度。可以通過使用混合原料氣的等離子體來實現該目的：一方面用來去除金面上的碳氫污染物，另一方面通過添加氟基使孔壁趨向于疏水。不管任務有多困難，工藝的運行已經證明了等離子體表面改性的全能性。 醫療器械需要“不粘”性能 圖7：圖7a是流體分配到未處理的孔內后捕集到的氣泡。疏水性的孔表面經常會捕集空氣。圖7b顯示的是等離子體處理的分配流體時完全浸潤的孔表面。 “不粘”表面的概念在耐用廚具行業眾所周知。在蒸煮罐的表面涂上一層Teflon?可防止食物粘附在烹飪的表面上。“不粘”的應用范圍已經很好的擴展到煎鍋產品。體內和體外醫療器械有時需要表面能夠阻止蛋白質或細胞的粘附，以便提高血液相容性。例如，可以通過在表面涂覆類P T F E材料來控制抗凝血酶的活性。 降低表面自由能可以減少表面的吸附力，表面自由能也就是表面可以用來形成化學鍵的能量。可行的方法之一是涂上低表面能的涂層。碳氟聚合物涂層具有類Teflon?的性質，并且和Teflon?一樣都是由(C Fx ) n化學單元組成。這種涂層可以很容易的通過PEC V D粘附在各種材料上。等離子體處理通過在表面聚合碳氟化合物而提供了一個可靠、生物相容且綠色的減少材料表面能量的方法，且具有高可控性。泵出口處的凈化器可以吸收所有出氣口處的碳氟化合物。 據報道，過長時間的DNA與聚丙烯PCR板的交互作用會導致DNA變性。這就意味著當使用聚丙烯容易貯存DNA時，時間過久會降低所貯存DNA的質量和數量。研究表明用氧氣等離子體處理后的聚丙烯板會降低對DNA的吸附力。氧氣等離子體可使表面帶負電荷。人們相信這些負電荷可以排斥人造DNA的硅酸鹽主鏈，這樣便可阻止DNA粘附在表面上。 如何驗證等離子體的作用？ 圖8：左邊的照片為一滴水珠在未經處理的疏水表面上。右邊的照片未經過等離子體處理后的同一表面。經等離子體處理后，表面變為親水性。 接觸角測量是一種廣泛使用的測量表面粘合力的方法。未處理的聚合物表面能較低，滴在這種表面上的水珠呈現出高接觸角。這是由于水珠的內聚力強于對表面的粘合力。等離子體處理后的表面的水滴接觸角非常低，這是因為通過極性化學官能團的形式增加了表面的能量。這些能量用來粘結水分子，使水珠沿著表面展開。這就是親水性或浸潤性的表面。因此低表面接觸角表示表面是可浸潤的。 X射線光電子能譜(xps)和表面衍生技術用來確定被所需化學基團修飾的表面的百分比。例如：丙烯胺的表面聚合能夠形成氨基。為了確定伯胺的數量，可以通過試劑選擇性的將伯胺氟化。用氟是因為它很容易被xps檢測出來，而且它的化學性質沒有改變（例如氮可以和含氮的功能團共存）。用xps檢測出表面氟的濃度就可以得出表面原有伯胺的濃度。 結束語 多年來，等離子體技術已經應用于半導體行業的微芯片制造領域。眾所周知這些工藝具有很高的復雜性，但等離子體系統很適合于這種工業。最近，等離子體技術已經延伸到聚合材料領域。盡管在該領域等離子體技術具有優勢和可操作性，但該應用領域擴展的很慢。原因之一是通常等離子體方法的成本高，且限制生產過程的靈活性。如今，等離子體公司不僅要求工程師盡量降低產品的成本，同時要提高產品的靈活性和多功能性。如今的系統可提供批次式和在線式結構，也可提供低壓或大氣壓系統。它們很容易被集成到現有的生產線上，非常容易使用，且只需很低的人力成本進行操作。 等離子體技術在醫療器械領域獲得了很高的評價，因為它可以很好的對表面進行清潔和改性，實際是它也是一個干法、綠色的工藝。它不再被認為是一種“巫術”或需要進行表面預處理的昂貴選擇。這種高效工藝使生產制造變得更加容易，為未來的技術奠定了基石。 |
