ISSN 0351-9716
OBDELAVA UMETNIH @IL S KISIKOVO PLAZMO
Ita Junkar1, Nina Hauptman2, Uro{ Cvelbar1, Janez Kova~1, Miran Mozeti~1
1Institut "Jo`ef Stefan", Jamova 39, 1000 Ljubljana 2Kemijski in{titut, Hajdrihova 19, 1000 Ljubljana
POVZETEK
Politetrafluoroetilen (PTFE) je zaradi svojih mehanskih in kemijskih lastnosti primeren za uporabo v medicini, predvsem za izdelavo umetnih `il. Slabost umetnih `il iz PTFE-ja pa je nekompatibilnost povr{ine s krvjo in s tem povezana tromboza ali strjevanje krvi. Za izbolj{anje povr{inskih lastnosti umetnih `il so v uporabi razli~ni postopki obdelave, predvsem zanimiv postopek je obdelava povr{ine s plazmo. Obravnavali smo obdelavo umetnih `il PTFE s kisikovo plazmo, u~inke obdelave smo opazovali z vrsti~nim elektronskim mikroskopom (SEM) in mikroskopom na atomsko silo (AFM). Opazili smo, da s kisikovo plazmo spremenimo hrapavostpovr{ine. Iz meritev z mikroskopom na atomsko silo pa smo ugotovili, da spremenimo tudi povr{inske lastnosti.
Oxygen plasma modification of vascular grafts
ABSTRACT
Polytetrafluoroetilen (PTFE) is used as vascular graft material in medical applications because of its mechanical and chemical properties. The disadvantage of PTFE vascular grafts is their surface incompatibility with blood, which may induce thrombosis. There are a few surface modification techniques that are used to improve its surface properties, among them surface modification with plasma treatment. In this work we present surface modification of PTFE vascular grafts with oxygen plasma treatment. The effects of plasma modification were characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM). The results show that oxygen plasma treatment has modified artificial graft surface in a way that surface roughness has been altered. Force distance curves measured by atomic force microscopy show that surface properties have been altered as well.
1 UVOD
Polimer politetrafluoroetilen (PTFE) je primeren material za uporabo v medicini, saj zdru`uje primerne mehanske in kemijske lastnosti, kot so dobra termi~na obstojnost, kemijska inertnost in nizek koeficient trenja (1). PTFE se kotbiomaterial uporablja predvsem za izdelavo umetnih `il. Slabost materiala PTFE za umetne `ile je pojav tromboze med povr{ino umetne `ile in krvjo (2). Ker je PTFE kemijsko inerten material, mu moramo spremeniti povr{inske lastnosti tako, da bo uspe{no vezal za{~itni nanos, ki bo prepre~eval trombozo. Za spreminjanje povr{in so danes raz{irjene predvsem razli~ne mokre kemijske tehnike, ki pa jih je zaradi hitrih reakcij te`ko kontrolirati. Na izbolj{anje lastnosti umetnih `il lahko vplivamo z razli~nimi metodami obdelave povr{in in z uporabo nanosov iz razli~nih vrstproteinov, kotso gelatin(3), albumin(4) in kolagen(5). Na umetnih `ilah iz PTFE-ja proces nanosa proteinov sestavljata odstranjevanje privla~nih funkcionalnih skupin, ki vsebujejo fluor, in vstavljanje `elenih skupin, kotso polarne funkcionalne skupine(6).
Najbolj obetavna metoda spreminjanja povr{ine je obdelava materiala s plazmo. Ta tehnika postaja vse bolj zanimiva tudi za spreminjanje razli~nih vrst biomaterialov(7). S plazemsko obdelavo lahko vplivamo predvsem na povr{inske lastnosti materiala, kot so omo~ljivost, kemijska sestava, povr{inski naboj in hrapavostpovr{ine(8). Prav te lastnosti povr{ine materialov so odlo~ujo~e za uspe{no spremembo povr{ine in jih lahko dose`emo s plazemsko obdelavo pri primernih parametrih razelektritve, kot so tlak, vrsta plina, mo~ itd. S temi parametri vplivamo na plazem-ske parametre, kot so temperatura in gostota elektronov, gostota ionov, gostota atomov ipd. Material po obdelavi spremenimo zgolj na povr{ini (nekaj nano-metrov globoko), kar ne vpliva na mehanske lastnosti celotnega materiala(9). Ker so spremembe, ki jih naredimo s plazemsko obdelavo povr{ine materialov, opazne na nanometrski skali, je temu primerno treba izbrati ustrezno metodo za dolo~anje posledic plazemske obdelave. Za opazovanje topografije in povr{inskih sil, ki so nastale s plazemsko obdelavo umetnih `il, smo uporabili vrsti~ni elektronski mikroskop (SEM) in mikroskop na atomsko silo (AFM).
2 EKSPERIMENTALNE METODE
2.1 Vzorec– umetne `ile PTFE
Opazovali smo spremembe na umetnih `ilah PTFE po obdelavi v kisikovi plazmi. PTFE je fluoropolimer, ki je {ir{i javnosti poznan pod za{~iteno blagovno znamko Teflon. Za izdelovanje umetnih `il se uporablja tako imenovan raz{irjen teflon (ePTFE), ki ga izdelajo poroznega s posebnim postopkom ekspan-diranja sintranih delcev teflona ter ga najve~krat sre~amo pod za{~itenim imenom Gore-Tex. Polimer ePTFE je primeren predvsem za uporabo v vaskularni kirurgiji zaradi svoje poroznosti, enostavnosti uporabe, enostavnosti pritrjevanja pri {ivanju, zadovoljivega zdravljenja in zaradi primernih mehanskih in kemijskih lastnosti(10). Njegova slaba stran pa so trobogene reakcije, ki povzro~ijo strdke v `ilah(2), zato je treba te vsadke zamenjati `e po letu dni, kar pa zelo podra`i zdravljenje.
2.2 Obdelava s kisikovo plazmo
Umetne `ile iz ePTFE so bile obdelane neposredno v kisikovi plazmi pri tlaku 100 Pa. Plazmo smo
10
VAKUUMIST 26/4 (2006)
ISSN 0351-9716
generirali v cevi iz borosilikatnega stekla dol`ine 400 mm in premera 40 mm z radiofrekven~nim generatorjem, ki je bil sklopljen s tuljavo s 14 ovoji. Vzorec smo postavili na sredino tuljave. Vzorci so bili izpostavljeni plazmi z gostoto elektronov 4 · 1015 m–3 in energijo 3 eV, gostota nevtralnih atomov pa je bila 6 · 1021 m–3. ^asi obdelave so bili 1 min, 3 min in 10 min.
2.3 Vrsti~ni elektronski mikroskop in mikroskop na atomsko silo
Za opazovanje povr{ine umetnih `il smo uporabili SEM-mikroskop Zeiss Supra 35VP. SEM-slike so nam podale osnovne informacije o spremembah povr{ine umetnih `il. Za snemanje tridimenzionalnih slik povr{ine umetnih `il smo uporabili AFM-mikro-skop, model Solver PRO, proizvajalca NT-MDT. Analiza povr{ine je potekala v semikontaktnem na~inu v zraku s konico iz silicijevega nitrida. Vzorce umetnih `il smo pripravili v tankih kosih (2 mm {irine) in jih pritrdili na nosilce AFM-mikroskopa. Ker je struktura `il vlaknasta in nehomogena ter sestavljena iz platojev in povezovalnih povr{in (slika 1), smo AFM-slike lahko naredili le na podro~jih, manj{ih od (5 × 5) µm, da smo se izognili vlaknastim predelom. Za opazovanje hrapavosti smo izbrali
podro~ja velikosti (2 × 2) µm. Zaradi velike nehomogenosti je meritev hrapavosti na umetnih `ilah predvsem informativna. Poleg topografije povr{ine umetnih `il smo z AFM-mikroskopom izmerili sile v odvisnosti od razdalje med povr{ino `ile in AFM-konico. Te meritve nam dajejo informacijo o spremenjeni povr{inski napetosti in omo~ljivosti, ki je rezultat plazemske obdelave.
3 REZULTATI IN DISKUSIJA
Plazemska obdelava umetnih `il povzro~i povr-{inske spremembe, ki jih opazimo tako s SEM-slik, kot tudi iz meritev na AFM-mikroskopu. SEM-slike prikazujejo, kako se s ~asom plazemske obdelave spreminja povr{ina vzorca. Po dalj{em ~asu plazem-ske obdelave se povezovalna povr{ina umakne v globino in posledi~no se platoji med seboj {e bolj oddaljijo (slike 2–4). Razdalje med platoji se `e po 1 min obdelave v kisikovi plazmi pove~ajo za nekaj mikrometrov. Po dalj{ih ~asih obdelave se razdalje med platoji ne pove~ujejo ve~ znatno, povezovalne niti pa se umaknejo ni`je. S slike 4, ki prikazuje povr{ino vzorca, obdelanega v kisikovi plazmi po 10 min, je razvidno, da povezovalnih povr{in in niti skoraj ni ve~ opaziti.
Slika 1: Neobdelan vzorec v kisikovi plazmi
Slika 3: Obdelan vzorec 3 min v kisikovi plazmi
Slika 2: Obdelan vzorec 1 min v kisikovi plazmi VAKUUMIST 26/4 (2006)
Slika 4: Obdelan vzorec 10 min v kisikovi plazmi
11
ISSN 0351-9716
Slika 5: Neobdelan vzorec
Slika 8: Obdelan vzorec 10 min v kisikovi plazmi
obdelave na intervalu 1 min in 3 min pove~uje, po 10 min pa se nekoliko zmanj{a.
Zna~ilni rezultati meritev sil v odvisnosti od razdalje so prikazani na sliki 13, ki prikazuje, kako se sile iz sprva odbojnih spremenijo v privla~ne. Na neobdelanih vzorcih so sile med vzorcem in AFM-konico odbojne. Po 1-minutni obdelavi vzorca v kisikovi plazmi pa so sile med vzorcem in AFM konico privla~ne, kar ka`e na spremembo povr{inskih lastnosti. Tako obdelana povr{ina umetnih `il je nato pripravljena za nadaljnji nanos proteinov, ki izbolj{ajo
Slika 6: Obdelan vzorec 1 min v kisikovi plazmi
Slika 9: Neobdelan vzorec
Slika 7: Obdelan vzorec 3 min v kisikovi plazmi
Spremembe zaradi plazemske obdelave lahko opazimo tudi na SEM-slikah platojev pri ve~jih pove-~avah (slike 5–8). Platoji po dalj{ih ~asih obdelave postanejo vse bolj hrapavi (sliki 6 in 7). @e po 1 min obdelave (slika 6) opazimo spremembe v hrapavosti povr{ine vzorca. Po ~asu obdelave 10 min (slika 8) pa so u~inki plazme in jedkanja, ki ga povzro~ajo njeni radikali, `e intenzivni in povr{ina ni ve~ tako hrapava. To ugotovitev potrdijo tudi slike, dobljene z AFM-mikroskopom (slike 9–12) na obmo~ju (2 × 2) µm. S teh slik je razvidno, da se hrapavost povr{ine s ~asom
12
Slika 10: Obdelan vzorec 1 min v kisikovi plazmi
VAKUUMIST 26/4 (2006)
ISSN 0351-9716
Slika 11: Obdelan vzorec 3 min v kisikovi plazmi
Slika 12: Obdelan vzorec 10 min v kisikovi plazmi
kompatibilnost povr{ine s krvjo in prepre~ujejo sidranje krvnih celic in s tem povezanih skupkov in strdkov.
4 SKLEPI
Iz rezultatov meritev lahko sklepamo, da je kisikova plazma spremenila povr{ino umetnih `il. Povr{ina je pri ~asu plazemske obdelave v podro~ju 1–3 minute postala bolj hrapava in primerna za nanos proteinov, saj so se spremenile tudi povr{inske lastnosti. Sile, izmerjene med AFM-konico in vzorcem, so se `e po kraj{em ~asu obdelave spremenile iz
- obdelan PTFE  neobdelan PTEE
Slika 13: Odklon `arka, od~itanega na diodi, v odvisnosti od premika AFM-konice
odbojnih v privla~ne. Plazemska obdelava umetnih `il je primerna metoda za pove~anje hrapavosti povr{ine, vendar pa je treba dolo~iti primeren ~as obdelave. Prednostplazemske obdelave je v tem, da omogo~a spremembe povr{ine in nima vpliva na mehanske lastnosti, ki jih `elimo pri umetnih `ilah ePTFE obdr`ati.
5 LITERATURA
1P. K. Chua, J. Y. Chena,b, L. P. Wanga, N. Huangb Materials Science
and Engineering R 36 (2002), 143–206 2M. J. Formichi, R. G. Guidoin, J. M. Jausseran, J. A. Awad, K. W.
Johnston, M. W. King, R. Courbier, M. Marois, C. Rouleau, M. Batt, J.
F. Girard, C. Gosselin, Ann. Vasc. Surg. 2 (1988) 3Drury JK, Ashton TR, Cunningham JD, Maini R, Pollock JG.
Experimental and clinical experience with a gelatine impregnated
Dacron prosthesis. Ann. Vasc. Surg. 5 (1987), 542–547 4Domurado D, Thomas D, Brown G. A new method for producing
protein coatings. J Biomed Mater Res 9 (1975), 109–110 5Humphries AW, Hawk WA, Cuthberson AM. Arterial prosthesis of
collagen impregnated Dacron tube. Surgery 50 (1981), 947–954 6R. N. S. Sodhi, Application of surface analytical and modification
techniques to biomaterials research, J. Electr. Spectrosc. Phenom. 81
(1996), 269
7J. C. Lin, S. L. Cooper, Biomaterials 16 (1995), 1017 8J. H. Lee, G. Khang, J. W. Lee, J. Colloid Interface Sci. 25 (1998), 323 9Terlingen, J.; Brenneisen, L.; Super, H.; Pijpers, A. P.; Hoffman, A.;
Feijen, J. J. Biomat. Sci. Polymer 4 (1993), 165–181 10Lynch, W. Implants, Restructuring the Human Body. Van Nostrand
Reinhold Company Inc. (1982), 73
VAKUUMIST 26/4 (2006)
13