硅基植入式医疗器械 用超薄膜聚合物涂层的灭菌效果

张鹏

摘 要：探讨了5种标准灭菌方法对3种硅表面涂层的影响：聚乙二醇（PEG）、聚甲基丙烯酸磺基甜菜碱（pSBMA）和聚2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱（pMPC）。对高压釜、干热、过氧化氢（H2O2）等离子体、环氧乙烷气体（EtO）和电子束（E-beam）处理的涂层进行分析，以确定聚合物在灭菌过程中可能发生的降解。灭菌后，接触角有显著变化，H2O2引起的最大变化Δ-PEG、pSBMA和pMPC分别采用高压釜和干热处理。在PEG硅上使用高压釜和EtO，在pSBMA硅上使用电子束，在pMPC硅上使用EtO处理，发现涂层厚度变化小于5%。H2O2处理使所有涂层的厚度至少减少30%。酶联免疫吸附试验（ELISA）显示，在所有灭菌方法后，pMPC硅的蛋白质吸附量显著增加。PEG硅上的电子束和pSBMA硅上的干热处理在每个涂层子集中表现出最大的蛋白质吸附。总的来说，数据表明高压釜和EtO处理非常适合PEG硅，而E-beam最适合pSBMA硅。EtO处理对pMPC硅的影响最小。H2O2处理对3种涂层都有负面影响。可用于确定哪些表面修饰和灭菌过程可用于体内设备。

关键词：硅;杀菌;超薄两性离子聚合物;聚乙二醇;无污染表面涂层

中图分类号：U270.38+3 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）05-0108-05

Sterilization effect of ultra-thin polymer coating for silicon-based implantable medical devices

Abstract： This study explores the effect of 5 standard sterilization methods on 3 surface coatings applied to silicon： polyethylene glycol （PEG），poly（sulfobetaine methacrylate） （pSBMA），and poly（2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine） （pMPC）. Autoclave，dry heat，hydrogen peroxide （H2O2） plasma，ethylene oxide gas （EtO），and electron beam （E-beam） treated coatings were analyzed to determine possible polymer degradation with sterilization. Post-sterilization，there were significant alterations in contact angle，maximum change resulting from H2O2 （Δ-14°），autoclave （Δ+15°），and dry heat （Δ+23°） treatments for PEG，pSBMA and pMPC，respectively. Less than 5% coating thickness change was found with autoclave and EtO on PEG-silicon，E-beam on pSBMA-silicon and EtO treatment on pMPC-silicon. H2O2 treatment resulted in at least 30% decrease in thickness for all coatings. Enzyme-linked immunosorbent assays （ELISA） showed significant protein adsorption increase for pMPC-silicon following all sterilization methods. E-beam on PEG-silicon and dry-heat treatment on pSBMA-silicon exhibited maximum protein adsorption in each coating subset. Overall，the data suggests autoclave and EtO treatments are well-suited for PEG-silicon，while E-beam is best suited for pSBMA-silicon. pMPC-silicon was least impacted by EtO treatment. H2O2 treatment had a negative effect on all three coatings， which could be used to determine the surface modifications and sterilization processes to utilize for devices in vivo.

Key words： silicon;sterilization;ultrathin zwitterionic polymer;polyethylene glycol;non polluting surface coating

硅基器件因其精確定义的微纳尺度特征而越来越受到植入式医疗应用的青睐，这些特征可以以低单位成本生产，并与微电子集成。其中一些设备包括用于神经假体的微电极、用于控制药物输送的系统、用于细胞移植的免疫隔离室和用于肾脏替代治疗的滤膜。此类应用使硅直接接触体液，包括血液[1-2]。根据美国疾病控制和预防中心（CDC），任何遇到无菌生物液体的医疗设备都被归类为“关键项目”，必须进行消毒。对于植入物，指南要求无菌保证水平（SAL）为10-6这相当于百万分之一的孢子在灭菌过程中存活的概率。这一水平可以通过许多物理和化学过程实现：高温暴露、化学和化学等离子体暴露以及辐射。虽然这些处理可以根除微生物和孢子，但其严酷的特性可能导致医疗器械组件的交联、键断裂和/或氧化，可能对功能化表面造成不可接受的损坏[3-4]。

虽然硅本身可能不受常规灭菌技术（如高压灭菌器和γ辐射）的影响，但灭菌对应用于硅的薄膜聚合物表面涂层的影响尚未得到很好的表征。其他研究表明，灭菌对水凝胶、交联聚合物和表面改性的影响为几个数量级[5-6]。然而，据我们所知，灭菌对PEG、pSBMA和pMPC的刷状聚合物结构的影响尚未见报道。因此，本研究的目的是研究常用灭菌方式对涂有PEG、pSBMA和pMPC的硅的影響。使用CDC认可的5种技术对涂层基材进行灭菌：高压灭菌器、干热、过氧化氢（H2O2）等离子体、环氧乙烷（EtO）气体和电子束（电子束）辐照。我们利用各种表面表征工具来检查灭菌的物理和化学效应。用X射线光电子能谱（XPS）测定了表面的化学成分。使用酶联免疫吸附试验（ELISA）测量灭菌前后蛋白质抗性的变化[7]。

1 材料与方法

1.1 材料准备

从Ultrasil公司获得双面抛光、400 μm厚的p型硅片，并将其切成1 cm2的芯片。用硫酸（96%）与过氧化氢（30%）比例为3∶1的溶液清洗20 min。然后将芯片暴露于氢氟酸中5 min，以去除暴露于大气氧气中的硅表面自发形成的二氧化硅，接着激活水面，再将洗液清洗干净，然后用氮气干燥硅片。

1.2 表面改性

1.2.1 PEG表面改性

如前所述，用PEG对硅表面进行改性。简单地说，基板在110 ℃的加热板上干燥1 h。2-[甲氧基（聚乙烯氧基）丙基]三甲氧基硅烷（PEG硅烷）通过将基底浸入285 μL PEG硅烷溶液中，在70 ℃温度下浸泡2 h，共价键合到硅上。然后用甲苯每隔10 min冲洗基底3次，分别用乙醇和水去除多余的聚乙二醇。

1.2.2 两性离子表面改性

两性离子表面改性如前所述进行。表面引发剂2-溴-2-甲基-N-3[（三甲氧基硅基）丙基]-丙酰胺（BrTMOS）。将底物置于双环己基中的1%（v/v）BrTMOS溶液中2 h。然后分别用氯仿、乙醇和水冲洗表面，以去除多余的BRTMO。

2-（甲基丙烯酰氧基）乙基]二甲基-（3-磺丙基）氢氧化铵（SBMA）和2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱（MPC）。468 mg（3 mmol）2，2’-联吡啶脱气溶液（≥98%）和单个单体SBMA∶1.06 g（3.8 mmol）和MPC∶506 mg（1.9 mmol） 和22.3 mg（0.1 mmol）溴化铜（99%）在5∶5 mL甲醇。在氮气保护下，将该混合物添加到含有4种底物和143 mg（1 mmol）溴化铜（99.999%）的反应室中，并对pSBMA和pMPC分别进行15 min和7 min的聚合。然后用氯仿、乙醇、磷酸盐缓冲盐和水冲洗底物，并用氮气流干燥。

1.2.3 灭菌过程

评估了5种灭菌过程。使用STERIS Amsco Century SV-120 Scientific Prevacum灭菌器进行高压灭菌器灭菌，在121 ℃下将基质暴露在高压蒸汽中30 min。对于干热灭菌，将基质置于160 ℃烘箱中2 h。使用STERRAD®100S灭菌系统进行H2O2等离子体处理（标准循环）。由D2EO进行EtO气体处理，在13.2 kPa和55 ℃下暴露2 h。最后，由STERIS在21.0～21.9 kGy的应用剂量范围内进行电子束灭菌。

1.2.4 表面特性

光电子能谱：使用表面科学仪器S探针光谱仪和单色Al KαX射线束进行XPS。使用150 eV的通过能产生测量和高分辨率光谱。将样品加压至小于5×10-9torr，并使用0°起飞角，对应于约10 nm的取样深度。对于每个样品，在3个点大小约为800 μm的位置测量XPS。

椭偏仪：使用LSE Stokes椭偏仪和6328ÅHeNe激光以70°的入射角测量表面涂层厚度。将测量的反射和透射数据输入菲涅耳方程，在已知折射率的情况下，迭代求解透明膜的厚度。对于两性离子和PEG表面涂层，使用1.45的折射率。空间均匀性的特点是在每个样本集的3个单独芯片上测量3个位置。总共对9次测量进行了平均，并报告了平均值和标准偏差。

酶联免疫吸附：通过在37 ℃下将底物在1 mg/mL的人血清白蛋白（HSA）的D-PBS溶液中培养90 min来评估对蛋白质吸附的抵抗力。在HSA培养后，所有底物用0.5 mL的D-PBS冲洗5次，用浓度为1 mg/mL牛血清白蛋白持续1.5 h。用0.5 mL的D-PBS将基质冲洗5次，并转移到新鲜的腔室中。然后将样品与10 μg/mL抗人血清白蛋白抗体结合辣根过氧化物酶孵育1.5 h。再次冲洗（用0.5 mL D-PBS冲洗5次）后，再次冲洗基质并转移到新鲜的腔室。0.5 mg/mL邻苯二胺和0.03%过氧化氢在0.05 M柠檬酸盐磷酸盐缓冲液（pH5.0）中的溶液。使用铝箔在37 ℃下避光20 min，然后通过添加0.5 mL 1M硫酸停止该反应。在490 nm处测量溶液的光吸收率。每种样品类型一式3份进行测试，并减去背景（未添加HSA的对照）。将所有HSA蛋白吸附数据标准化为组织培养聚苯乙烯（TCPS），作为阳性对照。

2 结果与讨论

2.1 X射线光电子能谱（XPS）

接触角数据如图1所示。

图2（a）～（d）显示了每种表面改性的各种灭菌方法后的相应光谱。固着水滴在10 s内保持稳定，未涂覆的硅衬底具有32°的接触角。通过PEG表面改性，接触角增加到43°。两性离子涂层显示pSBMA和pMPC的接触角分别降低到15°和25°。正如接触角测量所反映的，所有3种表面改性都是亲水的。然而，通过灭菌处理观察到亲水性的显著变化，尤其是对于未涂覆和pMPC涂覆的基材。高压釜对pSBMA硅的接触角影响最大，增加了15°。过氧化物处理对PEG硅的影响最大，降低了14°。

在所有情况下，单晶硅衬底和天然二氧化硅分别存在Si（2p）（100 eV）和O（1s）（528 eV）峰值。未改性的硅也显示出约8%的不定碳的存在，H2O2等离子体处理的基板除外，其中碳含量约为16%。在H2O2等离子体处理后，未改性的硅显示出较高的氧含量以及氮、钠和氟的存在。由于这些污染元素在其他基质上不明显存在，它们的存在可能是由于样品处理不当造成的。除過氧化氢处理的样品外，在灭菌和未灭菌的硅衬底之间，晶体硅和二氧化硅含量的变化小于5%。

与未改性的硅相比，pSBMA耦合硅的Si（2p）浓度急剧下降大于40%，C（1s）含量增加大于37%。此外，还存在特征元素N（1）（～400 eV）和S（2S）（～228 eV）以及Br 3d（～69 eV），表明pSBMA表面改性成功。灭菌后，与未灭菌pSBMA基板的20%硅含量相比，这些样品的硅浓度略有下降，从11%～17%不等。

2.2 椭偏仪

使用椭偏仪测定各种表面涂层的厚度，如图3所示。

PEG、pSBMA和pMPC涂层的起始厚度分别为0.9、7.1和2.7 nm。当用过氧化氢等离子体灭菌时，观察到所有涂层的统计显著差异，经过几次灭菌处理后涂层厚度的大幅减少。通过干热、过氧化氢和电子束辐照处理，PEG硅的厚度减少30%以上，而通过干热和过氧化氢处理，pSBMA和pMPC的厚度变化超过20%。此外，高压釜中的蒸汽处理对pSBMA也有很大影响，厚度减少了29%。

2.3 酶联免疫吸附

图4所示的HSA蛋白质吸附数据表明，未经灭菌的pSBMA和经pMPC涂覆的硅片均显示出优异的非污染性能，与未涂覆的硅片相比，蛋白质吸附分别降低了90%和95%。相比之下，PEG涂层芯片仅比未涂层硅降低10%。

3 结语

随着新型聚合物和功能表面在医疗器械中越来越普遍，必须评估灭菌可能对其产生的影响。

对植入式医疗设备上的聚合物表面改性进行灭菌尤其苛刻。因此，我们提供了各种灭菌工艺对硅上薄膜聚合物刷影响的数据。研究表明，H2O2等离子体处理对所有3种聚合物涂层都有不利影响。相比之下，高压釜和EtO处理似乎适用于PEG、pSBMA的电子束灭菌以及pMPC涂层的EtO处理。这些结果将有助于任何使用超薄两性离子或PEG涂层的硅医疗设备的应用。这些影响是独特的表面涂层的化学和物理性质。因此，本工作为确定灭菌对任何表面改性的影响提供了指南。

【参考文献】

[1] KHAN Y，OSTFELD A E，LOCHNER C M， et al.Monitoringof vital signs with flexible and wearable medical devices[J].Advanced materials，2016，28（22）：4 373-4 395.

[2] MUTHUSUBRAMANIAM L ， LOWE R， FISSELL W H， et al.Hemocompatibility of silicon-based substrates for biomedicalimplant applications[J].Annals of Biomedical Engineering：The Journal of the Biomedical Engineering Society，2011，39（4）：1 296-1 305.

[3] GHELICH P，NOLTA N F，HAN M.Unprotected sidewallsof implantable silicon-based neural probes and conformal coating as a solution[J].npj Materials Degradation， 2021， 5（1）：1-8.

[4] TIEU T，ALBA M，ELNATHAN R， et al.Advances in porous silicon-based nanomaterials for diagnostic and therapeutic  applications[J].Advanced therapeutics，2019，2（1）：180 009 5.

[5] MAITY S， BARMAN K R ，Bhattacharjee S. Silicon-basedtechnology：Circularly polarized microstrip patch antennaat ISM band with miniature structure using fractal geometryfor biomedical application[J].Microwave and Optical TechnologyLetters，2018，60（1）：93-101.

[6] CHEN Y， KIM Y S，TILLMAN B W， et al.Advances in materials for recent low-profile implantable bioelectronics[J].Materials，2018，11（4）：522.

[7] CHEN K， REN J Y， CHEN C Y， et al.Safety and effectivenessevaluation of flexible electronic materials for next generationwearable and implantable medical devices[J].Nano Today，2020，35：100 939.

收稿日期：2021-11-15;修回日期：2022-04-28

作者简介：张 鹏（1983-），硕士，工程师，主要从事医用耗材节能管理工作。