氮气低温等离子体对生物材料粘接性能的影响

马建岗

摘要：生物材料中聚醚醚酮的性能优异，但是该材料的粘接性能较差，所以在口腔医学领域中的发展受到了一定的限制。文章通过使用氮气低温等离子对该生物材料进行处理，目的在于提高材料的粘接性能。于是制作生物材料试样，对其进行氮气低温等离子处理Omin、15min、25min、35min。然后对不同的试样进行扫描电镜观察、x线光电子能谱分析、接触角分析、剪切强度和截面破坏模式分析。研究结果表明，经过氮气低温等离子处理之后的生物材料中引进了氮元素;粘接性能相比于没有进行等离子处理的试样，处理之后的试样明显提高了材料的粘接性能，并且等离子处理25min之后的生物材料，其粘接性能更好。

关键词：氮气低温等离子;生物材料;粘接性能

中图分类号：R783.1 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）02-0037-04

生物材料在很多领域中具有非常重要的作用，尤其在医学领域中，使用生物材料的频率非常多。但是有些生物材料在使用过程中需要对其进行固定，然而使用复合树脂胶粘剂很难和某些生物材料粘接牢固，所以需要对其进行表面改性分析，提高生物材料的表面性能。由于生物材料的种类较多，文章主要研究了其中聚醚醚酮，是一种生物惰性材料，因其性能优异，所以在医学领域中广泛使用，但是该材料界面结合力较低，很难和粘接剂形成比较到的粘接强度，于是文章通过使用氮气低温等离子对该材料进行分析处理，目的在于提高该材料的综合性能，从而提高生物材料的应用效果。

1实验过程

1.1实验材料和设备

实验所需要的主要材料为聚醚醚酮生物材料，实验所需要的设备如表1所示。

1.2试件处理

制作尺寸为50mmX5mmX4mm的生物材料试样，一共需要制作16个作为实验对象，然后将每个试样进行砂纸打磨，使用的砂纸为600目和800目，打磨完成之后使用不同的溶液进行超声清洗10min，其中使用到的溶液有丙酮溶液、去离子水和无水乙醇溶液。然后再使用气枪进行吹干即可。然后将制作好的16个标准试样进行随机分配为两组，一组为对照组一组为实验组，然后将实验组的所有试样放到氮气低温等离子体发生器中，最后按照表2所示的等离子处理参数进行处理，于是一共可以分为表2所示的4个组别。

1.3材料表征

使用场发射扫描电子显微镜对每组的试样进行观察，看其表面微观形貌的变化区别，然后使用x射线光电子能谱仪对每组试样的进行分析，分析其表面的元素变化，最后还需要对每组试样的表面亲水性通过使用水分子接触角进行分析。

1.4制备粘接试样

首先裁剪出多个直径为1.7mm圆孔的双面胶带，然后粘贴在每个生物材料试样上，每个试样上需要粘贴五个双面胶带，因为将会在生物材料上粘接五个圆柱形聚乙烯模具，该模具的高为4mm，内径为1.7mm，内径大小正好与双面胶带的圆孔直径一致，因为需要将该模具与圆孔直径正好对齐，然后将胶粘剂注射到模具中，在室温环境下固化半个小时之后即可将模具移除。最后将制作好的粘接试件放到水浴锅中，将其温度设置为37℃即可。

1.5剪切强度测试

对粘接试件进行剪切强度测试，使用到的工具为万能力学试验机，首先使用专业的夹具进行固定，将其移动速度设置为1mm/min，当粘接剂脱落的那一刻的力值F进行记录，于是可以根据粘接面积即可求得剪切强度。另外，还需要对胶粘剂的断裂情况使用体视显微镜进行观察，看属于哪种破坏模式。一共可以分为3种破坏模式，首先是界面破坏，即断端发生在胶粘剂和生物材料的接触面;然后是内聚破坏，即断端发生实践内部或者胶粘剂内部;最后一种就是混合破坏模式，就是断端有少量树脂胶粘剂附着。

1.6数据分析

实验过程中会产生很多的实验数据，于是文章使用SPSS软件对其进行分析。水分子接触角数据和剪切强度全部使用双x±S形式进行表示，然后每组之间使用单因素方差进行分析。

2实验结果

2.1扫描电镜观察

通过对生物材料进行表面观察，其中包含等离子体处理之后的试件和没有进行处理的试件，其观察结果如图1所示。从图中可以看出，使用砂纸打磨之后的标准试件具有比较规整的表面状态（图1a），然后经过氮气低温等离子处理之后的试件，其表面并不再是之前的规整状态，而是表现出凸凹不平的状态，而且当氮气低温等离子处理的时间越长，其表面凸凹不平的程度越大，刻蚀效果也就越来越明显。

2.2 x线光电子能谱分析

通过使用x射线光电子能谱仪对试件的两种处理状态进行表面元素分析，其中一种对照组，既没有使用氮气低温等离子处理的试件，然后还需要对经过氮气低温等离子处理的试件进行分析，检测结果如图2所示。从图中可以看出，对照组的表面元素主要有碳和氧，但是通過使用氮气低温等离子处理之后的试件，其中引进了氮元素。出现这种现象可能是因为氮气低温等离子处理使得生物材料中的分子链出现断裂情况，于是能够和氮等离子体相互作用，于是就会形成含氮的官能团。

2.3接触角

对生物材料的表面水分子接触角进行分析，其结果如表3所示。从表中可以看出，对照组中的生物材料表面具有比较大的水分子接触角，其接触角大致在72.8±2.08°，而表中其他经过氮气低温等离子处理之后接触角有所变小，且当等离子处理时间越长时，其接触角也就越小。所以经过等离子处理之后，且处理时间更长的生物材料具有更好的亲水性。

2.4剪切强度值和粘接界面破坏模式

最后分析经过氮气低温等离子处理前后的生物材料的剪切强度，其结果如表4所示，表中a、b、c、d全部表示的不同组之间的存在的统计学差异，P<0.01。对照组和粘接剂的剪切强度为0，可以说粘接剂和材料之间没有粘接力，但是经过氮气低温等离子处理之后的，实验组的剪切强度有了非常明显的提升。然后将等离子15min组和对照组进行统计学差异计算，得到P

然后对每组的破坏模式进行观察，结果如表5所示，从表中可以看出，材料主要表现出界面破坏模式，并且少量发生混合破坏，内聚破坏在实验过程中没有出现。

3讨论

文章所研究的生物材料聚醚醚酮和胶粘剂之间的粘接性能不好，所以在使用该生物材料过程中就会受到一定的限制，比如将其应用口腔中，需要与胶粘剂之间进行粘接，由于该材料是一种疏水性质的材料，所以就会限制该材料在口腔中的应用。于是相关学者就会对其进行改性研究，从而增加其粘接强度。

使用氮气低温等离子对该生物材料进行改性研究，具有比较明显的改性作用，并且这种方式可以在不改变原本材料的力学能力，使得材料的化学成分或者物理成分发生变化。对材料使用等离子处理之后，其表面会变成极性表面，比如会使得表面变得更加凸凹不平，会发生一定的腐蚀等现象、有机残留物的取出等，这些变化都有利于提供材料的粘接性能。上文通过使用氮气低温等离子体处理生物材料，对该材料进行改性研究，发现经过等离子处理之后的材料表面变得更加的凸凹不平，并且具有一定的腐蚀现象，且当等离子处理的时间越长，表面的腐蚀程度也越大，在一定程度有助于提高有效粘接面积。通过使用x线光电子能谱对经过等离子处理之后的材料进行试验，发现在材料中引入的含氮基团，正是由于该基团的作用，能够和粘接剂中的成分形成一种化学结合力，所以可以增加生物材料的粘接强度。经过氮气低温等离子处理之后的材料，因为进行了改性，促进了材料表面亲水基团形成，所以经过处理之后的材料其亲水性提高了。上文中通过实验分析接触角的变化，发现提高亲水性能够提高材料和粘接剂之间的紧密接触强度，于是就可以明显的提高生物材料的粘接強度。

从上述实验中还可以得到对生物材料进行氮气低温等离子处理之后，其处理的时间不同，对生物材料的改性程度也会存在差异，对材料处理的时间过长，就会使得材料表面的活性基团遭到破坏，但是从上述实验中还可以看出当时间过长之后，材料表面的腐蚀程度就会变得更加严峻，所以处理时间不能过长也不能太短。并且在上文的实验结果中也已经表明，对3种处理时间进行了剪切强度实验，3种时间分别为15min、25min、35min，发现等离子25min的试件具有更好的粘接强度，所以正好可以验证上述的观点。与没有进行等离子处理的对照组进行比较，等离子15min组的剪切强度有显著性的增加，主要原因在于经过等离子处理之后，能够引入活性基团，从而增加了材料粘接性能。而当处理时间增加到25min时，其剪切强度变得更大，这种变化趋势的主要原因在于等离子处理时间边长，生物材料的表面被蚀刻的程度就会越大。但是当处理时间增加到35min之后，材料的剪切强度变小，出现这种现象是因为处理时间太长，使得生物材料形成的活性基团遭到严重破坏，所以就会导致粘接能力下降。因此，可以从实验中观察到生物材料同时受到化学粘接力和机械粘接力的影响。

上述实验通过对材料的剪切强度进行测试，从而用其来表现粘接性能，使用这种方式是可以的，因为剪切强度和粘接性能之间存在着非常紧密的关系，当材料表面特性发生改变时，就会影响剪切强度的大小。如果某种材料的粘接强度比较小，发生的破坏模式主要是界面破坏。于是通过上述实验发现，因为生物材料的粘接强度不高，于是其发生的主要破坏就是界面破坏，混合破坏发生的频率比较小，正好符合上述观点。

4结语

综上述所，对生物材料使用氮气低温等离子进行改性，能够显著增加生物材料的粘接性能。等离子处理的时间不同，材料的粘接性能不同，通过实验分析，发现当氮气低温等离子处25min时，材料的粘接性能最好。通过提高生物材料的粘接性能，更有助于提高其应用范围，尤其在口腔科中，使用具有粘接性能的生物材料比较多。