聚氯乙烯(PVC)具有透明度高、易于加工、成本低的优点,被广泛用于医疗器械领域,如输血袋、体外循环血路、覆膜透析袋等[1]。PVC是疏水性材料,生物相容性较差,在长期与生物肌体、体液、血液接触时,容易受蛋白质、血小板、细菌等物质的黏附,引发血栓、血凝及细菌感染等症状,影响人体的健康[2]。另外,PVC材料中添加的大量小分子助剂在使用过程中也易发生迁移溶出,对人体组织产生作用,导致组织发生畸变或引发炎症,需要对其进行表面亲水改性,进一步改善其溶出性能和抗黏附性能。目前,对PVC表面亲水改性的方法主要有表面涂覆法和接枝改性法。接枝改性法通过对材料表面进行预处理,将亲水性聚合物引入材料表面作为其支链,由于该方法得到的亲水改性效果更加持久,成为目前研究的热点。常用的亲水聚合物有聚乙二醇(PEG)[3]、肝素[4]、透明质酸[5]、两性离子聚合物[6]等,其中PEG及其衍生物的生物相容性更好,安全性更高。本实验利用三亚乙基四胺(TETA)对PVC表面进行胺化预处理,利用PEG和环氧氯丙烷(ECH)合成聚乙二醇缩水甘油醚(DGEG),并将其接枝在胺化PVC上,制得亲水改性PVC材料,并探索PVC胺化和DGEG合成的条件,确定最佳工艺。1实验部分1.1主要原料聚氯乙烯(PVC),医用级,河南驼人医疗器械集团有限公司;聚乙二醇(PEG),平均分子量为2 000、三亚乙基四胺(TETA)、环氧氯丙烷(ECH)、四丁基溴化铵(TBAB)、氢氧化钠(NaOH)、无水乙醇,分析纯,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;异硫氰酸荧光素标记牛血清蛋白(BSA-FITC),北京博尔西科技有限公司;Bradford蛋白浓度测定试剂盒,上海尚宝生物科技有限公司;抗凝羊血,平睿生物科技(北京)有限公司。1.2仪器与设备傅里叶变换红外光谱仪(FTIR),Nicolet、全自动酶标仪,Multiskan sky,美国赛默飞世尔科技公司;万能试验拉伸机,EUT6502,深圳三思检测技术有限公司;透光率测试仪,GH-6690,东莞市国鸿检测设备有限公司;光学接触角测量仪,SDC-100S,东莞市晟鼎精密仪器有限公司;紫外可见分光光度计,UV-8000s,上海元析仪器有限公司;荧光扫描显微镜,TS2-S-SM,日本尼康株式会社;全自动血液细胞分析仪,BC20,深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司;扫描电子显微镜(SEM),EVO-18,德国卡尔蔡司股份有限公司。1.3样品制备1.3.1DGEG的制备将PEG-2000在65 ℃下加热搅拌至充分溶解,按单体比n(PEG-2000)∶n(ECH)∶n(NaOH)∶n(TBAB)=1∶(3~7)∶3∶0.18,依次加入ECH和TBAB,搅拌30 min分批加入NaOH的乙醇溶液(1 g NaOH+10 mL无水乙醇),反应6 h后趁热过滤,分离生成的NaCl固体,再减压蒸馏除去过量的ECH和无水乙醇,用透析袋透析,去除未反应的PEG及小分子化合物,旋蒸去除水,得到DGEG。1.3.2PVC接枝DGEG的制备将PVC样品浸入一定浓度的TETA水溶液中(TETA浓度分别为70%、60%、50%、40%),在N2气氛、50 ℃下搅拌反应2 h后取出,用纯化水冲洗以除去未反应的化合物,真空干燥24 h,制得胺化PVC(PVC-NH2)。将PVC-NH2样品浸入质量浓度为0.1 g/mL的DGEG水溶液中,在N2气氛、60 ℃下反应6 h后取出,用纯化水冲洗,真空干燥24 h,制得PVC-DGEG。图1为PVC接枝DGEG原理。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.003.F001图1PVC接枝DGEG原理Fig.1Schematic of PVC grafted DGEG1.4性能测试与表征FTIR测试:测试范围为500~4 000 cm-1。环氧值测试:采用盐酸-吡啶法,按文献[7]报道的方法测试环氧值,环氧值计算公式为:X=(V1-V2)N10W (1)式(1)中:V1为空白溶液消耗NaOH体积,mL;V2为样品消耗NaOH体积,mL;N为NaOH标准溶液浓度,g/mL;W为样品质量,g。拉伸性能测试:按GB/T 1040.2—2006进行测试,拉伸速率为200 mm/min。光学性能测试:按GB/T 2410—2008进行测试,样品厚度为1 mm。接触角测试:从成型样片上选取5点裁剪2 cm×2 cm的样片,设置水滴量8 μL/次,取5点测试平均值。紫外吸光度测试:将样品放入纯化水,在37 ℃,60 r/min条件下振荡浸提6 h,收集全部液体冷却至室温作为检验液。取同体积水,不装样品同法制备空白对照液。取检验液,在5 h内用1 cm比色皿以空白对照液为参比,在200~300 nm波长范围内测定吸光度。荧光蛋白黏附测试:将PVC样品在0.5 mg/mL的BSA-FITC溶液中浸泡2 h,以使蛋白质吸附在材料表面。采用磷酸盐缓冲溶液(PBS)轻轻清洗五次,以除去未结合紧密的蛋白质分子。使用荧光扫描显微镜拍摄材料表面的荧光图像。蛋白质黏附测试:将样品放入0.1 mg/mL的BSA溶液,在37 ℃条件下浸泡3 h后,用PBS缓冲液充分淋洗;用PBS缓冲液配制质量分数0.1%的十二烷基硫酸钠(SDS)去垢剂,将淋洗的样品浸泡于一定体积的去垢剂,超声清洗30 min;将清洗后得到的蛋白质溶液加入96孔板中,加入Bradford试剂,放入酶标仪在595 nm吸收波长下测定溶液吸光度,根据标准曲线计算得到表面吸附量。血小板黏附率测试:按YY/T 1649.1—2019进行测试。血小板黏附测试:取新鲜抗凝羊血,在1 500 r/min转速下离心15 min后,取上层清液即为富血小板血浆(PRP)。将样片用浓度0.01 mol/L pH=7.4的PBS缓冲液漂洗后,在37 ℃恒温条件下,在PRP溶液中孵育2 h后取出,用PBS缓冲液漂洗3次。将样品浸泡在2.5%戊二醛PBS溶液中1 h以固定表面的血小板。取出样品用PBS缓冲液漂洗后,用不同浓度梯度的乙醇溶液(30%、50%、70%、80%、90%、100%)进行逐级脱水,每次脱水时间为15 min。室温下干燥后喷金,观察样品表面血小板黏附情况。2结果与讨论2.1反应浓度对PVC胺化效果的影响图2为不同TETA反应浓度胺化PVC的FTIR谱图。从图2可以看出,当TETA浓度为70%、60%、50%时,PVC样品在3 275 cm-1处出现了氨基特征吸收峰,说明PVC成功接枝了氨基。当TETA浓度为70%、60%时,PVC样品明显变形发黄,这是由于浓度较高的化学试剂使PVC中小分子助剂析出使其变形。另外胺化反应是一个“取代反应”和“消除反应”竞争的过程,反应浓度过高时,会使PVC自身脱除氯化氢,生成共轭多烯键氧化后表现为黄色[8]。综合胺化效果和外观,PVC胺化的最佳TETA浓度为50%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.003.F002图2不同TETA反应浓度胺化PVC的FTIR谱图Fig.2FTIR spectra of aminated PVC at different TETA reaction concentrations2.2单体比对DGEG转化率的影响图3为不同PEG/ECH单体比合成DGEG的FTIR谱图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.003.F003图3不同PEG/ECH单体比合成DGEG的FTIR谱图Fig.3FTIR spectra of DGEG synthesized with different PEG/ECH monomer ratios从图3可以看出,合成产物在842 cm-1和762 cm-1处出现环氧基的特征吸收峰,在1 060 cm-1处出现了伯醇C—O键的伸缩振动峰,表明PEG和ECH成功发生缩合反应。表1为不同PEG2000/ECH单体比合成DGEG的产率和环氧值。从表1可以看出,当n(PEG)∶n(ECH)≥1∶4时,产率较高,环氧值呈现先增大后减小的趋势。这是由于PEG-2000的分子量较高,反应活性较低,ECH过量有利于提高产物的转化率。综上所述,选择n(PEG)∶n(ECH)=1∶5制得的DGEG用于制备PVC-DGEG。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.003.T001表1不同PEG/ECH单体比合成DGEG的产率和环氧值Tab.1Yield and epoxy value of DGEG synthesized with different PEG/ECH monomer ratios序号n(PEG)∶n(ECH)产率/%环氧值11∶372.250.039821∶479.170.041831∶586.840.055741∶683.810.043451∶780.730.03252.3PVC-DGEG的性能分析图4为PVC及PVC-DGEG的拉伸性能和光学性能。从图4可以看出,PVC-DGEG的拉伸性能和光学性能未发生明显改变。这是由于反应溶液均采取温和的纯化水作为溶剂,不会造成PVC材料中小分子助剂析出,对其物理性能影响不大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.003.F004图4PVC及PVC-DGEG的拉伸性能和光学性能Fig.4Tensile properties and optical properties of PVC and PVC-DGEG表2为PVC及PVC-DGEG的接触角。从表2可以看出,未经过改性的PVC为疏水性材料(水接触角大于90°),经过接枝改性后,PVC-DGEG的接触角由纯PVC的97.4°降至57.8°,PVC材料的亲水性能得到明显的改善,PVC-DGEG表现为亲水性(水接触角小于90°)。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.003.T002表2PVC及PVC-DGEG的接触角Tab.2Contact angle of PVC and PVC-DGEG样品接触角PVC97.4PVC-NH290.5PVC-DGEG57.8°°图5为PVC及PVC-DGEG浸提液的紫外吸收光谱。从图5可以看出,较未改性的PVC,PVC-DGEG浸提液的紫外吸光度更低。紫外吸光度也由未改性PVC 的0.18降至0.05,说明PVC-DGEG样品中助剂的析出更少。这是由于提高材料表面的亲水性后,可以抑制增塑剂等疏水性助剂向材料表面迁移[9],减少助剂溶出。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.003.F005图5PVC及PVC-DGEG浸提液的紫外吸收光谱Fig.5UV-Vis spectra of PVC and PVC-DGEG leaching solution图6为PVC及PVC-DGEG的荧光蛋白黏附图。从图6可以看出,经过DGEG接枝改性的PVC样品在观测区域内出现的荧光较少,说明其表面黏附了较少的蛋白质。这是由于DGEG的分子链通过氢键作用与水分子结合形成了一层水合膜,蛋白质在水化斥力的排斥下大大降低了与材料表面的相互作用,使得蛋白质等需要更多能量才能穿过水膜与材料表面相接触,因此可有效抗蛋白质黏附。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.003.F006图6PVC和PVC-DGEG的荧光蛋白黏附图Fig.6Fluorescent protein adhesion images of PVC and PVC-DGEG表3为PVC及PVC-DGEG的蛋白质黏附和血小板黏附率。从表3可以看出,与PVC相比,PVC-DGEG的蛋白质黏附量从29.2 μg/cm2降至7.5 μg/cm2,血小板黏附率从35.6%降至12.3%,表明其具有良好的抗生物黏附性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.003.T003表3PVC及PVC-DGEG的蛋白质黏附和血小板黏附率Tab.3Protein adhesion and platelet adhesion rate of PVC and PVC-DGEG样品蛋白质黏附/(μg‧cm-2)血小板黏附率/%PVC29.235.6PVC-DGEG7.512.3图7为PVC及PVC-DGEG的血小板黏附SEM照片。从图7可以看出,在接枝上DGEG后,PVC材料表面的血小板黏附量明显降低,表明其具有良好的抗血小板黏附效果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.003.F007图7PVC和PVC-DGEG的血小板黏附SEM照片Fig.7SEM images of platelet adhesion of PVC and PVC-DGEG3结论(1)当TETA浓度为50%时,PVC-NH2具有最佳的外观和胺化效果;当n(PEG)∶n(ECH)=1∶5时,合成的DGEG具有最佳的产率和环氧值。(2)与未改性PVC相比,PVC-DGEG的拉伸性能和光学性能没有明显改变,其接触角由97.4°降至57.8°,亲水性能得到明显的改善,紫外吸光度也由0.18降至0.05,增塑剂等助剂的析出量明显减少,具有较好的低溶出性。(3)与未改性PVC相比,PVC-DGEG具有优异的抗蛋白质黏附和抗血小板黏附性能。