微流控芯片材料PDMS表面改性

微流控芯片材料PDMS表面改性

目錄TOC\o"1-3"\h\u11432第1章微流控芯片 頁(yè)微流控芯片20世紀(jì)90年代，ManzA等人首先提出微型全分析系統(tǒng)（miniaturizedtotalanalysissystem，μ-TAS）的概念，其中芯片式μ-TAS也稱芯片實(shí)驗(yàn)室（Labonachip），根據(jù)原理不同分為微流控芯片和微陣列芯片。微流控芯片又稱芯片實(shí)驗(yàn)室（LabonaChip），是微機(jī)電加工技術(shù)（MEMS）的一個(gè)典型應(yīng)用，在硅、石英、玻璃或高分子聚合物REF_Ref1875\r\h[1]等基質(zhì)材料上加工出微管道、微閥、微泵、微反應(yīng)器、電極等功能單元，基于分析化學(xué)的相關(guān)理論和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生物或者化學(xué)領(lǐng)域所涉及的樣品純化、反應(yīng)、萃取、分離、檢測(cè)等一系列功能的實(shí)驗(yàn)裝置，以微尺寸效應(yīng)為基礎(chǔ)，以微管道網(wǎng)絡(luò)為基本特征，以微流體為核心。微流控芯片結(jié)合“微”和“全”的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的分析效率和極大的試劑消耗量，實(shí)現(xiàn)生物樣品分析檢測(cè)的集成化、自動(dòng)化、便攜化。從本世紀(jì)初開始，微流控芯片技術(shù)得到飛速發(fā)展。作為微流控芯片的基本載體，材料對(duì)芯片加工精度和功能等有極其重要的意義，芯片材料的研究也在不斷深入。微流控芯片應(yīng)用微流控芯片所表現(xiàn)出的整體性和系統(tǒng)性具有難以估量的潛在能力，使得微流控芯片具有了強(qiáng)大的發(fā)展活力和美好的應(yīng)用前景。隨著研究工作的深入展開，微流控芯片的發(fā)展已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了發(fā)展初期的雛形—毛細(xì)電泳芯片，主要應(yīng)用方向包括蛋白質(zhì)REF_Ref1768\r\h[2]、核酸和膚等的分離分析，以及酶分析、免疫分析、多相化學(xué)反應(yīng)等，己經(jīng)涉及的應(yīng)用領(lǐng)域包括疾病診斷、環(huán)境檢測(cè)、食品安全、司法鑒定、體育競(jìng)技以及反恐、航天等事關(guān)人類生存質(zhì)量的諸多方面。微流控芯片材料微流控芯片材料主要分為硅質(zhì)材料、聚合物材料和其他材料，其基質(zhì)材料具體分類、優(yōu)缺點(diǎn)如REF_Ref13294\h表STYLEREF1\s1-1所示。表STYLEREF1\s1-SEQ表\*ARABIC\s11微流控芯片材料種類 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)硅片 化學(xué)惰性一般、熱穩(wěn)定性好 易碎、價(jià)格昂貴、紫外光透過率低加工工藝成熟、鍵合較難 表面化學(xué)行為復(fù)雜、電絕緣性不好玻璃 化學(xué)惰性好、光學(xué)性質(zhì)優(yōu)良 易碎、加工成本高易于光刻和蝕刻、鍵合工藝多樣可重復(fù)試用石英 化學(xué)惰性好、光學(xué)性質(zhì)優(yōu)良 難以成型深寬比大的微通道電滲性質(zhì)良好、表面性質(zhì)穩(wěn)定 材料成本高，鍵合困難高聚物 成本低廉、種類繁多、可批量生產(chǎn)導(dǎo)熱性能差、不耐高溫加工方法豐富、便捷 表面改性較難、對(duì)有機(jī)溶劑適應(yīng)性差硅材料具有良好的化學(xué)惰性與熱穩(wěn)定性，基于微電子領(lǐng)域的加工技術(shù)，最早用于制作微流控芯片。但是硅材料易碎，成本高，透光性差，電絕緣性能差及表面化學(xué)行為較為復(fù)雜，這些都大大限制了其在微流控芯片中的應(yīng)用。石英和玻璃具有良好的電滲和優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)，其表面吸附和表面反應(yīng)能力都有利于表面改性，但是價(jià)格相對(duì)較高。使用與硅片類似的光刻和表面改性技術(shù)可以將微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到石英和玻璃上，加工工藝成熟。因此，玻璃材料近來被廣泛應(yīng)用于制作微流控芯片。然而，以玻璃和硅為主要制作材料，其制作過程依賴標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)，由于成本高、工序復(fù)雜、易污染以及通道幾何尺寸受限等缺點(diǎn)。高分子聚合物材料種類多，加工成型方便，價(jià)格便宜，尤其是高聚物材料有良好的光學(xué)性質(zhì)、化學(xué)惰性、電絕緣性和熱性能等，使其在微流控芯片領(lǐng)域的應(yīng)用具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)?？捎糜谥谱魑⒘骺匦酒母呔畚锊牧先酥驴煞譃槿祟悾簾崴苄跃酆衔铩⒐袒途酆衔锖腿軇]發(fā)型聚合物。目前，已有大量的高聚物材料被用于微流控芯片加工中，如聚酰胺（PA）、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT），聚碳酸酯（PC），聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。PDMS在眾多高聚物微流控芯片REF_Ref1523\r\h[3]中，聚二甲基硅氧烷REF_Ref1980\r\h[4]（ploydimethylsiloxane，PDMS）微流控芯片是應(yīng)用范圍最廣的芯片之一。其分子式如REF_Ref14035\h圖STYLEREF1\s1-1所示：圖STYLEREF1\s1-SEQ圖\*ARABIC\s11聚二甲基硅氧烷分子式PDMS以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在微流控芯片中得到應(yīng)用：材料廉價(jià)、易得；材料可加工性、成型性好，可以通過快速模塑法制作不同通道形狀的微流控芯片；可以透過240nm以上波段的紫外、可見光，適合各種光學(xué)檢測(cè)；不透水，不溶于水和常見電泳緩沖液；可以透過空氣，對(duì)細(xì)胞無毒，適合生物樣品檢測(cè)；表面能低，容易和其他材料進(jìn)行可逆或者不可逆鍵合；有良好的絕緣性，良好的散熱性能，適于電泳分離；材料表面易于進(jìn)行改性，適合不同要求的生物樣品分析檢測(cè)；容易質(zhì)譜等其他分析檢測(cè)技術(shù)聯(lián)用。PDMS材料在性能上也有一些缺陷：表面疏水，緩沖液很難注入，表面吸附作用強(qiáng)，需進(jìn)行表面改性和修飾才能進(jìn)行應(yīng)用；導(dǎo)熱性差，導(dǎo)熱系數(shù)比玻璃低8-10倍，不利于焦耳熱的散失，限制了單位長(zhǎng)度上的場(chǎng)強(qiáng)；PDMS材料的彈塑性定了它的微結(jié)構(gòu)不像其他剛性材料的結(jié)構(gòu)那樣的穩(wěn)定。由于PDMS材料具有高度疏水性，對(duì)生物分子特別是大分子蛋白具有強(qiáng)烈的非特異性吸附。在樣品分離時(shí)，由于吸附作用容易產(chǎn)生嚴(yán)重的拖尾、蛋白質(zhì)分離失敗、失活的現(xiàn)象，嚴(yán)重限制了PDMS在微流控芯片領(lǐng)域的應(yīng)用。

蛋白質(zhì)在材料表面的吸附蛋白質(zhì)在材料表面的吸附REF_Ref785\r\h[5]是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，它包含蛋白質(zhì)的3個(gè)過程：吸附、重排和解吸附，也是一個(gè)復(fù)雜的過程，與范德華力、疏水相互作用、靜電和氫鍵作用有關(guān)。正是由于蛋白質(zhì)特殊的結(jié)構(gòu)以及和材料表面之間大量復(fù)雜的、相互依賴的、動(dòng)態(tài)的相互作用，蛋白質(zhì)與材料表面的相互作用機(jī)理及材料表面性質(zhì)對(duì)蛋白質(zhì)吸附行為的影響至今仍未完全闡明，但其重要性己經(jīng)受到研究者的廣泛重視。一般認(rèn)為，決定蛋白質(zhì)在材料表面吸附和解吸附行為的物理化學(xué)因素通常有八種，如圖所示。從蛋白質(zhì)靠近生物醫(yī)用材料表面，到在材料表面吸附，再到從材料表面解吸附，其中的每一個(gè)過程都有其特征。在靠近過程中，蛋白質(zhì)的運(yùn)輸性質(zhì)、蛋白質(zhì)與材料表面的本征相互作用共同決定蛋白質(zhì)靠近材料表面的程度，此過程同時(shí)受溶劑分子運(yùn)動(dòng)和蛋白質(zhì)自身分子運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的影響。圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s11蛋白質(zhì)在材料表面的吸附和脫附過程1-運(yùn)輸性質(zhì)；2-溶劑介導(dǎo)的蛋白質(zhì)和材料之間的相互作用；3-蛋白質(zhì)和材料之間的短程相互作用；4-釋放結(jié)合水和抗衡離子作用引起的熵增；5-蛋白質(zhì)變性引起的熵增；6-溶劑熱擾動(dòng)；7-溶劑剪切流動(dòng)；8-其他吸附質(zhì)的取代蛋白質(zhì)吸附過程中的相互作用力蛋白質(zhì)吸附過程中的相互作用力主要包括疏水作用力、范德華力、氫鍵和靜電相互作用，這些作用力直接決定著蛋白質(zhì)在材料表面吸附的穩(wěn)定程度及吸附的數(shù)量。其中氫鍵的形成是由于電負(fù)性原子與氫原子形成的基團(tuán)中，氫原子周圍分布的電子少，正電荷氫核與另一電負(fù)性強(qiáng)的原子之間產(chǎn)生靜電吸引，從而形成氫鍵。疏水相互作用又稱為非極性相互作用，發(fā)生于非極性基團(tuán)之間，蛋白質(zhì)同時(shí)含極性和非極性的基團(tuán)，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)處于水溶液中時(shí)，極性基團(tuán)之間以及極性基團(tuán)與水分子之間易發(fā)生靜電吸引而排開非極性基團(tuán)，因此疏水相互作用并非是疏水基團(tuán)之間有吸引力的緣故，而是由于非極性基團(tuán)避開水的需要而被迫接近。這些相互作用本質(zhì)上與小分子的吸附?jīng)]有差別，而蛋白質(zhì)吸附的獨(dú)特性在于吸附的是具有生物活性的大分子，以及在吸附過程中，蛋白質(zhì)可以發(fā)生各種物理（如構(gòu)象變化）和化學(xué)的變化，從而導(dǎo)致生物活性的變化。此外，蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和表面酸性氨基酸、堿性氨基酸基團(tuán)的密度會(huì)影響其吸附，同時(shí)材料的表界面性質(zhì)對(duì)蛋白質(zhì)的吸附速率、吸附量和吸附機(jī)理有重要影響。吸附過程中有兩種趨動(dòng)力促使蛋白質(zhì)在材料表面發(fā)生吸附，即溶液中蛋白質(zhì)的濃度以及蛋白質(zhì)與材料表面的結(jié)合力。由于不同蛋白質(zhì)與材料的結(jié)合力不同，導(dǎo)致蛋白質(zhì)之間存在競(jìng)爭(zhēng)性吸附行為，即各種蛋白質(zhì)的解吸附和置換吸附的發(fā)生。最初吸附的蛋白質(zhì)趨向于發(fā)生依賴時(shí)間的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，且能被其它與材料表面具有更高親和力的蛋白質(zhì)置換下來，這種依賴于時(shí)間變化的蛋白質(zhì)置換被稱為Vroman效應(yīng)。這種競(jìng)爭(zhēng)性吸附行為是一個(gè)復(fù)雜而連續(xù)的過程，故最終所得吸附層中蛋白質(zhì)的類型和數(shù)量與植入材料所處環(huán)境內(nèi)蛋白質(zhì)的組成不完全一致。此外，氫鍵、靜電和疏水作用等非共價(jià)相互作用都會(huì)對(duì)其吸附過程造成影響。由于蛋白質(zhì)分子中極性帶電氨基酸殘基大多數(shù)暴露在表面，故通常認(rèn)為靜電相互作用是蛋白質(zhì)吸附的主要?jiǎng)恿χ?，而這三種相互作用的本質(zhì)都與靜電作用有關(guān)。蛋白質(zhì)吸附和脫附過程通常材料與生理環(huán)境相接觸時(shí)，蛋白質(zhì)及相關(guān)生物大分子會(huì)很快吸附在材料表面。這種吸附的過程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程。蛋白質(zhì)首先在濃度梯度的作用下與材料表面無限接近，接著在材料與蛋白質(zhì)的相互作用力下使蛋白質(zhì)黏附在材料表面，并導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子發(fā)生構(gòu)象變化使之逐漸鋪展重排，形成更多的位點(diǎn)與材料表面接觸。在外界條件的擾動(dòng)下，吸附在材料表面的蛋白質(zhì)會(huì)脫附下來，留下的位點(diǎn)很快又會(huì)被其他蛋白質(zhì)所占住。蛋白質(zhì)吸附到材料表面的傳輸過程主要受到如下4種傳輸機(jī)理中一種或多種共同起作用：擴(kuò)散，熱對(duì)流，流動(dòng)，互傳輸。蛋白質(zhì)在材料表面脫附的過程相對(duì)于小分子來說要困難的多，這主要是由于蛋白質(zhì)本身的體積及與材料表面的結(jié)合的位點(diǎn)數(shù)目所決定的。一般蛋白質(zhì)及相關(guān)生物大分子在材料表面的脫附主要是如下3個(gè)因素所導(dǎo)致：熱擾動(dòng)，剪切流動(dòng)，其他能夠更穩(wěn)定地吸附于表面的物質(zhì)與蛋白質(zhì)或其他生物大分子競(jìng)爭(zhēng)吸附所做的功。蛋白質(zhì)在材料表面吸附過程影響因素蛋白質(zhì)在材料表面REF_Ref2653\r\h[6]的吸附主要有蛋白質(zhì)、溶液、材料等因素決定，其吸附過程是一個(gè)受到各種因素綜合影響的過程，具體影響因素如REF_Ref15256\h圖STYLEREF1\s2-1所示其中材料的影響主要包括：材料表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、表面化學(xué)性質(zhì)、表面電荷狀況的因素。表STYLEREF1\s2-SEQ表\*ARABIC\s11影響蛋白質(zhì)在材料表面吸附行為的綜合因素影響因素 具體因素蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì) 分子尺寸、分子形狀、表面電荷、構(gòu)象和序列、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等溶液 性質(zhì)、溫度和吸附時(shí)間；溶液中蛋白質(zhì)的濃度、其他生物分子的競(jìng)爭(zhēng)性吸附等 表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)REF_Ref445\r\h[7] 粗糙度； 多孔材料的孔徑大小、分布和孔隙率；溝槽的尺寸和取向表面化學(xué)性質(zhì) 表面的化學(xué)性質(zhì)、官能團(tuán)和化學(xué)鍵類型表面親疏水性 表面的疏水性、親水性表面電荷性質(zhì) 表面電荷蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按其空間結(jié)構(gòu)主要分為三類：一級(jí)結(jié)構(gòu)肽鏈中的氨基酸序列，多肽鏈中規(guī)則重復(fù)的構(gòu)象（二級(jí)結(jié)構(gòu)），以及與其生理功能關(guān)系十分密切的三維空間結(jié)構(gòu)（三級(jí)、四級(jí)結(jié)構(gòu)）。研究表明蛋白質(zhì)本身的性質(zhì)會(huì)對(duì)其在材料表面的吸附行為產(chǎn)生影響，而這種影響主要與蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)有關(guān)即氨基酸的序列。尺寸較大的蛋白質(zhì)可與材料表面形成更多的接觸位點(diǎn)，從而導(dǎo)致吸附量的增加。同時(shí)蛋白質(zhì)表面所帶的電荷數(shù)目、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和伸展速率也會(huì)影響其本身在材料表面的吸附，通常容易發(fā)生伸展的蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)分子在其對(duì)應(yīng)的等電點(diǎn)附近會(huì)更容易地吸附到材料表面。溶液由于蛋白質(zhì)本身是一種兩性電解質(zhì)，介質(zhì)溶液的溫度、pH、濃度、離子強(qiáng)度等會(huì)直接導(dǎo)致蛋白質(zhì)構(gòu)象狀態(tài)的改變，這種改變將直接影響到蛋白質(zhì)與材料表面的相互作用。同時(shí)對(duì)于多元的蛋白質(zhì)溶液來說，不同蛋白質(zhì)之間的競(jìng)爭(zhēng)吸附也會(huì)影響蛋白質(zhì)在材料表面的吸附。材料表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)REF_Ref543\r\h[8]影響蛋白質(zhì)吸附過程如下：粗糙及多孔的表面能提供更多的機(jī)會(huì)與蛋白質(zhì)分子相互作用；多孔材料的孔徑大小、分布和孔隙率等決定了與蛋白質(zhì)分子作用的表面積大小；溝槽的尺寸和取向則會(huì)影響蛋白質(zhì)吸附的種類、數(shù)量以及構(gòu)象變化。表面化學(xué)性質(zhì)決定蛋白質(zhì)與材料表面相互之間作用力的類型：親水性官能團(tuán)如輕基、氨基、竣基、酸氨基、磺酸基等可降低蛋白質(zhì)的吸附；礬基、硫醚、醚鍵等對(duì)蛋白質(zhì)吸附的影響不大；剛性基團(tuán)如芳香聚醚類則不利于蛋白質(zhì)的吸附。疏水性表面傾向于吸附更多的蛋白質(zhì)，且與蛋白質(zhì)分子的結(jié)合力也更強(qiáng)一些；親水性表面對(duì)蛋白質(zhì)的吸附作用較弱且可逆。材料表面電荷狀況影響溶液中的離子的分布，進(jìn)而影響蛋白質(zhì)與材料表面的相互作用。

PDMS表面改性由于PDMS表面具有高度疏水性、對(duì)大分子蛋白質(zhì)有較強(qiáng)的吸附作用，因而尋找一種有效的PMDS表面改性方法是尤為重要的。高分子材料改性方法REF_Ref938\r\h[9],REF_Ref57\r\h[10]按改性范圍可分為：表面修飾法、整體修飾法，其中表面修飾法使用的最為廣泛，細(xì)分為物理修飾法、化學(xué)修飾法兩大類。PDMS表面改性方法物理修飾法物理修飾法采用高能物質(zhì)作用于PDMS表面，以改變PDMS表面化學(xué)的組成性質(zhì)、或是在PDMS材料表面沉積一層新材料。主要方法包括等離子體處理、紫外光（UV）照處理、紫外光照加臭氧（UVO）處理、及激光處理等。采用這些方法進(jìn)行PDMS表面處理，操作簡(jiǎn)單，能在PDMS表面生成羥基等親水性基團(tuán)而使其親水性、電滲流特性得到明顯的改善。但是物理改性的最大缺點(diǎn)是，改性后的表面性質(zhì)會(huì)隨著使用或放置時(shí)間的增加而逐步退化，其原因?yàn)镻DMS中未固化交聯(lián)的單體向表面擴(kuò)散，導(dǎo)致表面接枝層密度減小。另外，物理改性需要等離子體發(fā)生器、紫外光源等設(shè)備，有些還比較昂貴。特別要指出的是：通過等離子體和紫外光處理后，兩片PDMS之間可以形成不可逆的封接，對(duì)于改善PDMS的封接強(qiáng)度非常有效?；瘜W(xué)修飾法化學(xué)修飾法可分為：濕法修飾和通過共價(jià)鍵結(jié)合的表面接枝法。所謂濕法修飾即直接使待修飾溶液接觸PDMS表面，使擬修飾到PDMS表面的組份通過物理吸附或靜電等作用力被吸附于PDMS表面。常見的濕法修飾有層層自組裝（layer-by-layer（LBL）deposition）、溶膠凝膠包被、動(dòng)態(tài)表面活性劑修飾及蛋白吸附等。這類修飾方法的共同特點(diǎn)是：修飾方法總體較為簡(jiǎn)單。但是由于PDMS表面與修飾層之間并非依靠共價(jià)化學(xué)鍵連接，所以修飾層的穩(wěn)定性欠佳，容易隨使用時(shí)間的增加而流失。通過共價(jià)鍵結(jié)合的表面改性是通過化學(xué)反應(yīng)使修飾層以共價(jià)鍵鍵合于PDMS表面。如果修飾層也是一類高聚物，這樣的表面修飾也稱為表面接枝。這類修飾方法的最大優(yōu)勢(shì)是修飾層穩(wěn)定，改性后的表面性質(zhì)保持時(shí)間長(zhǎng)，是PDMS芯片化學(xué)修飾比較常用的方法。但是相比于濕法修飾，該方法操作比較復(fù)雜，難度也比較大。PDMS紫外光照處理光照處理前后的紅外光譜圖REF_Ref32593\r\h[11]如REF_Ref15769\h圖STYLEREF1\s3-1所示。由結(jié)果可以看出，與未光照樣品相比，真空紫外光照后，PDMS表面紅外光譜圖發(fā)生了以下變化：3400cm-1處出現(xiàn)了-OH的對(duì)應(yīng)峰；2960cm-1處甲基的非對(duì)稱仲縮振動(dòng)峰、1260cm-1處甲基的對(duì)稱彎曲振動(dòng)峰、1070cm-1處-Si-O-Si-的非對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰均有不同程度的降低；909cm-1處出現(xiàn)了-Si-OH中-Si-O的伸縮振動(dòng)峰；794cm-1處-Si-C的伸縮振動(dòng)峰減弱。從上面分析可以看出，在真空紫外光照射條件下，PDMS表面會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：高能量的真空紫外光將Si-O、Si-C等化學(xué)鍵打斷，生成的白由基與體系中殘留的氧在紫外光照射條件下發(fā)生反應(yīng)，形成Si-OH化表面，Si-OH之問相互反應(yīng)脫去水分了，形成-Si-O-Si-網(wǎng)狀類結(jié)構(gòu)。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s11PDMS真空紫外光照前后的紅外光譜圖PDMS紫外光照改性前的表面水接觸角為110°，表現(xiàn)出極大的疏水性質(zhì)，但經(jīng)過真空紫外光照處理后，表面水接觸角變小，親水性增強(qiáng)。由REF_Ref16030\h圖STYLEREF1\s3-2PDMS表面水接觸角隨光照時(shí)間變化圖REF_Ref32593\r\h[11]可以看出，隨著真空紫外光照時(shí)問的延長(zhǎng)，PDMS表面水接觸角逐漸下降，在光照時(shí)問為10min時(shí)，水接觸角接近0°，表面變得兒乎完全親水.但這種良好的親水性難以得到長(zhǎng)久的保持。如REF_Ref16122\h圖STYLEREF1\s3-3所示，真空紫外光照處理10min的PDMS在放置過程中，隨時(shí)問延長(zhǎng)，其表面水接觸角呈逐漸上升趨勢(shì)，但最終穩(wěn)定在73°左右，體現(xiàn)了較好的親水改性效果，也與紅外光譜圖檢測(cè)結(jié)果相符。相比其他文獻(xiàn)中所述，其疏水性恢復(fù)的時(shí)問也大大延長(zhǎng)。目前，研究者們對(duì)于PDMS疏水性恢復(fù)機(jī)理還沒有形成共識(shí)，但比較統(tǒng)一的觀點(diǎn)認(rèn)為：PDMS表面經(jīng)真空紫外光照改性后，產(chǎn)生大量極性基團(tuán)（如-OH），使表面能升高，處于不穩(wěn)定狀態(tài).為了降低表面能，使系統(tǒng)重回穩(wěn)定狀態(tài)，PDMS表面的極性基團(tuán)和本體內(nèi)部的非極性基團(tuán)會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使得表面親水性下降。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s12PDMS表而水接觸角隨光照時(shí)間變化圖圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s13光照后PDMS表而水接觸角隨時(shí)間變化圖PDMS表面枝接聚乙二醇（PEG）枝接過程PDMS表面枝接聚乙二醇實(shí)驗(yàn)過程如REF_Ref16393\h圖STYLEREF1\s3-4所示。由于PDMS具有一定的惰性，因此，在進(jìn)行表面接枝反應(yīng)之前需對(duì)其進(jìn)行表面官能化以引入活性反應(yīng)位點(diǎn)。首先通過在PDMS表面引入Si-H鍵的方法來達(dá)到表面活化的目的。在濃鹽酸的催化作用下，PDMS表層的Si-O鍵和含氫硅油中的Si-O鍵同時(shí)斷裂并發(fā)生重排，從而在PDMS表面引入Si-H鍵。烯丙基聚乙二醇的一端帶有雙鍵，利用此雙鍵與PDMS-H上的Si-H鍵反應(yīng)將PEG接枝PDMS表面。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s14PDMS表面枝接聚乙二醇（PEG）實(shí)驗(yàn)結(jié)果和表征衰減全反射傅立葉紅外光譜測(cè)試結(jié)果REF_Ref32518\r\h[12]表明（REF_Ref16693\h圖STYLEREF1\s3-5），相對(duì)于PDMS，PDMS-H樣品在2166cm-1處出現(xiàn)了一個(gè)明顯的吸收峰，此為Si-H鍵的伸縮振動(dòng)峰，這說明Si-H鍵已成功引入PDMS表面。利用Si-H官能團(tuán)與不飽和化合物在過渡金屬鉑所組成的催化體系下進(jìn)行的硅氫加成反應(yīng)可在紅外測(cè)試分析結(jié)果表明（REF_Ref16693\h圖STYLEREF1\s3-5），當(dāng)PDMS表面Si-H官能化后，該表面在2166cm-1處出現(xiàn)一個(gè)明顯的Si-H吸收峰。但經(jīng)過硅氫加成反應(yīng)接枝PEG后，2166cm-1處的吸收峰消失，取而代之的是2873cm-1，和3500cm-1處的兩個(gè)新的吸收峰。其中2873cm-1處的吸收峰為PEG中的-CH2-O-的特征峰，而3500cm-1處的吸收峰則為PEG末端羥基的特征峰。Si-H鍵特征峰的消失和PEG兩個(gè)新特征峰的出現(xiàn)表明，PEG已成功接枝到PDMS的表面。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s15PDMS表面接枝PEG各步反應(yīng)的反射式紅外圖譜REF_Ref16879\h圖STYLEREF1\s3-6反映的是接枝PEG前后膜片表面纖維蛋白原吸附量及水接觸角的變化REF_Ref32518\r\h[12]。由于纖維蛋白原是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中用以評(píng)價(jià)材料生物相容性的一種常見蛋白質(zhì)，故本實(shí)驗(yàn)選用纖維蛋白原為模型蛋白以定量研究蛋白質(zhì)在樣品表面的吸附狀況；而表面親疏水性的改變也可在一定程度上定性分析材料表面化學(xué)組分的變化。從這些結(jié)果可以看出，未改性的PDMS膜片表面能低并呈現(xiàn)疏水性，水接觸角達(dá)107.20°；這種低表面能的疏水性表面能引起明顯的非特異性蛋白質(zhì)吸附，纖維蛋白原的吸附量達(dá)0.47μg/cm2。而聚乙二醇則具有良好的親水性，在水溶液環(huán)境中接枝到表面的PEG分子鏈能通過快速的運(yùn)動(dòng)使其具有較大的排斥體積，從而能有效的排斥非特異性的蛋白質(zhì)吸附。故接枝PEG以后水接觸角下降到60.5°，纖維蛋白原的吸附量則驟降至0.028μg/cm2。蛋白質(zhì)吸附量及水接觸角的顯著下降進(jìn)一步表明PEG已成功接枝到PDMS表面。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s16枝接PEG前后膜片表面纖維蛋白原吸附量及水接觸角的變化枝接PEG抗蛋白質(zhì)吸附機(jī)理隨著對(duì)蛋白質(zhì)污染問題研究的不斷深人，研究者們開始探索抗蛋白質(zhì)吸附材料的抗蛋白質(zhì)吸附機(jī)理，，從而最終指導(dǎo)抗蛋白質(zhì)吸附材料的設(shè)計(jì)與合成。然而，由于蛋白質(zhì)在材料表面的污染是個(gè)復(fù)雜的過程，材料的表面性質(zhì)，包括表面基團(tuán)的化學(xué)組成、親疏水性、電荷、材料表面水分子狀態(tài)、表面自由能和表面張力、表面能分量、表面分子運(yùn)動(dòng)以及表面粗糙度等，都有可能影響材料的抗蛋白質(zhì)吸附性能，加之蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前為止尚未建立得到廣泛認(rèn)可的抗蛋白質(zhì)吸附機(jī)理，有時(shí)得出的機(jī)理會(huì)不完全一致甚至相互矛盾。但是，人們也根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)提出了一些假說，下面主要介紹一下普遍得到認(rèn)可的空間位阻理論、水化層理論以及表面電荷理論。其中表面電荷理論著重于靜電作用，由材料表面、蛋白質(zhì)的電荷性質(zhì)、溶液pH和溶液離子強(qiáng)度共同影。實(shí)用于解釋PDMS表面枝接PEG抗蛋白質(zhì)吸附機(jī)理只有空間位阻理論、水化層理論。空間位阻理論P(yáng)EG是常見的具有優(yōu)異抗蛋白質(zhì)吸附性能的聚合物。PEG分子的抗蛋白質(zhì)吸附機(jī)理通常用空間阻力模型來解釋。這種模型認(rèn)為，PEG分子能迅速形成水化聚合物鏈，具有很大的排除體積，從而防止蛋白質(zhì)到達(dá)PEG表面。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)分子接觸PEG表面并發(fā)生粘附時(shí)，會(huì)在較大程度上壓縮PEG鏈的排除體積，PEG分子構(gòu)象受到限制，是一種嘀減的不穩(wěn)定狀態(tài)（如REF_Ref17000\h圖STYLEREF1\s3-7所示）。這種大的排除體積也來自于PEG鏈在水溶液中良好的運(yùn)動(dòng)性，PEG鏈的快速運(yùn)動(dòng)使得蛋白質(zhì)等大分子不容易發(fā)生不可逆粘附?？臻g位阻理論得到了研究者們的普遍認(rèn)可，被廣泛用來解釋PEG的抗蛋白質(zhì)吸附現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)和分子模擬證明PEG的抗蛋白質(zhì)吸附能力取決于PEG鏈在材料表面的密度和長(zhǎng)度。PEG分子的表面覆蓋度越大，鏈段越長(zhǎng)，其抗蛋白質(zhì)吸附效果越理想。然而對(duì)這一結(jié)果也存在著一定的爭(zhēng)議，有人用單鏈平均場(chǎng)（SCMF）理論證明表面覆蓋度是決定PEG抗蛋白質(zhì)吸附能力的最主要因素，而PEG鏈長(zhǎng)對(duì)抗蛋白質(zhì)吸附效果影響不大。圖STYLEREF1\s3-SEQ圖\*ARABIC\s17抗蛋白質(zhì)吸附的位阻排斥理論水化層理論水化層理論認(rèn)為，抗蛋