CN100345871C - 聚四氟乙烯材料的化学表面改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于将聚四氟乙烯材料表面加以化学改性的方法,该方法使得所述材料的生物相容性得到改善。该方法包括如下步骤:将氢化合物,例如硼氢化钠,与环状化合物,例如蒽醌或其衍生物,在有机溶剂例如二氯甲烷中混合,以致于得到一种反应物溶液;将聚四氟乙烯材料,例如ePTFE人造血管、PTFE薄膜或多孔PTFE膜加入所述反应物溶液中;对此包含聚四氟乙烯材料的混合物施加热能或紫外线能量,以致于通过电子交换反应而从聚四氟乙烯材料的表面除去氟;从聚四氟乙烯材料中除去剩余的反应物;并将聚四氟乙烯材料干燥。根据本发明对其表面加以改性的膨胀型聚四氟乙烯人造血管等具有从疏水性表面改变而来的亲水性表面,显著降低的氟含量,和增加的细胞粘着。此外,经表面改性的ePTFE人造血管可以用可生物降解的聚合物,例如细胞粘着蛋白质或聚交酯等涂覆。另外,经表面改性的ePTFE薄膜具有显著提高的渗透性。
Description
技术领域
本发明一般性地涉及一种用于将聚四氟乙烯(PTFE)材料表面进行化学改性的方法,该方法使得PTFE材料的生物相容性得到改善。更特别地,本发明涉及一种将膨胀型聚四氟乙烯(ePTFE)人造血管、PTFE薄膜或多孔PTFE膜的表面进行改性的方法。另外,本发明涉及ePTFE人造血管、PTFE薄膜和多孔PTFE膜,它们都具有改善的生物相容性。
背景技术
聚四氟乙烯(下文也称为“PTFE”)是具有化学结构为CF3-(CF2-CF2)n-CF3的聚合物材料。
膨胀型聚四氟乙烯(下文也称为ePTFE)是具有微孔结构的聚合物材料,其是用作人造血管的管状材料。
现有技术ePTFE人造血管或PTFE薄膜用作有专利权的接触血管或接触血液的生物材料,但是接枝后,它们由于具有低的生物相容性而引起多种副作用。此外,PTFE薄膜或多孔PTFE膜还具有使它们对于工业应用不稳定的性能。
因此,需要一种将聚四氟乙烯材料的表面改性的方法,该方法使得所述材料的生物相容性得以改善。
现有技术中用于将膨胀型聚四氟乙烯的表面改性的等离子体处理方法是一种如下的方法:其中将ePTFE引入等离子体反应器中,该反应器中提供有气体或液体,并且使用电流作为能源形成等离子体,使得ePTFE的表面用具有强反应性的等离子体粒子加以改性。
但是,这种方法的不利之处在于,产生的自由基在微孔中丧失其活性,并因此不能将微孔的表面改性。
作为现有技术中另一种表面改性方法,有一种使用二苯甲酮或苯偶姻阴离子的方法。在这种方法中,借助电子交换或电子过渡而从ePTFE的表面除去氟,由此将ePTFE的表面改性。但是,这种方法还具有的不利之处在于,不能将微孔的表面加以合适地改性。
期间,韩国专利申请第1991-0000095号(题目为“具有改善的血液相容性的氟化聚氨酯”)公开了一种用于制备改性的聚氨酯的方法,其中将氟化合物化学键合到聚氨酯基聚合物上,使得聚合物的血液相容性得到改善。
韩国专利申请第1994-0026594号(题目为“一种用于制备改性的聚四氟乙烯的方法及其用途”)公开了一种制备含全氟的聚四氟乙烯聚合物的方法,其中全氟烷基具有1-4个碳原子。这种方法包括将单体在水介质中,通过悬浮聚合方法,使用高锰酸盐引发剂,在温度低于60℃下进行聚合。
但是,仍然需要一种改进的表面改性方法,通过这种方法改善膨胀型聚四氟乙烯人造血管、PTFE薄膜、多孔PTFE膜等的生物相容性。
本发明的公开内容
因此,本发明致力于解决现有技术中存在的上述问题,并且本发明的目的是提供一种用于改善聚四氟乙烯材料的生物相容性的新型的表面改性方法。
本发明的另一个目的是提供ePTFE人造血管、PTFE薄膜或多孔PTFE膜,其表面经改性以具有改善的生物相容性。
为实现上述目的,本发明提供一种用于将聚四氟乙烯材料的表面进行化学改性的方法,其使得所述材料的生物相容性得以改善。
具体地,本发明提供一种用于将聚四氟乙烯人造血管、PTFE薄膜或多孔PTFE膜的表面进行改性的方法。
此外,本发明提供ePTFE人造血管、PTFE薄膜和多孔PTFE膜,其都具有改善的生物相容性。
根据本发明的用于将聚四氟乙烯材料的表面进行化学改性的方法包括如下步骤:将氢化合物,例如硼氢化钠,与环状化合物,例如蒽醌或其衍生物,在有机溶剂例如二氯甲烷中混合,以致于得到一种反应物溶液;将聚四氟乙烯材料,例如ePTFE人造血管、PTFE薄膜或多孔PTFE膜,加入所述反应物溶液中;对此包含聚四氟乙烯材料的混合物施加热能或紫外线能量,以致于通过电子交换反应而从聚四氟乙烯材料的表面除去氟;从聚四氟乙烯材料中除去剩余的反应物;并将聚四氟乙烯材料干燥。
这种经表面改性的膨胀型聚四氟乙烯人造血管,其生物相容性根据本发明加以改善,具有从疏水性表面转化来的亲水性表面、明显低的氟含量和增加的细胞粘着。
此外,这种经表面改性的ePTFE人造血管可以用可生物降解的聚合物,例如聚交酯或细胞粘着蛋白质涂覆。
另外,这种经表面改性的PTFE薄膜具有显著提高的渗透性。
根据本发明的具有改善的生物相容性的聚四氟乙烯材料用作拉幅结合(stent-bound)的ePTFE人造血管、人造心脏、人造瓣膜、人工肾、静脉导管等的材料。
下面将参考附图1详细描述根据本发明的用于将聚四氟乙烯材料的表面进行化学改性的方法。
步骤1:反应物溶液的制备
在惰性气体的气氛下制备一种反应物溶液。
在制备该反应物溶液中,将0.1-1g氢化合物,例如硼氢化钠或氢化钠,0.2-2g环状化合物,例如蒽醌或其衍生物,10-100ml有机溶剂,例如无水二氯甲烷、二甲基甲酰胺或二甲亚砜,引入一个配有磁性搅拌棒的圆底烧瓶中。
可以用于本发明中的蒽醌衍生物的例子包括氨基蒽醌、二氯蒽醌、蒽醌羧酸和蒽醌二磺酸。
在这种情况下,氢化合物、环状化合物和有机溶剂的用量是按相对比例。
实验容器、样品和化学品的重量在惰性气体的气氛下测量。
在实验容器中存在的水使用热炉或惰性气体除去。
步骤2:膨胀型聚四氟乙烯等的引入
将聚四氟乙烯材料引入含有在步骤1中制备的反应物溶液的反应器中。
在这种情况下,聚四氟乙烯材料选自ePTFE人造血管、PTFE薄膜和多孔PTFE膜。
步骤3:反应装置的装配
如图2中所示装配一种反应装置。
将反应器11,其包括含有膨胀型聚四氟乙烯人造血管等的反应物溶液,连接到冷凝器10,并且将软管14连接到布置在冷凝器10外侧的水出入口使得水可以循环。
气体管线16,通过它有惰性气体例如氮气或氩气流过,连接到与反应器11连接的冷凝器10的上部。
将反应器11布置在护套12内部,并且将这种反应器装置安装在搅拌器13上。
将包含油21的起泡器20连接到惰性气体管线16。
供给惰性气体,覆盖反应物溶液,并以一定方式流动,使得除去剩余的氧气。
如果在起泡器20中含有的油21中出现落差,则确定有气体流动。
步骤4:能量供给和去除氟的反应
通过连接到电控制器的护套12,用电能将反应器11加热到温度为30-300℃,使得反应器11供应有能量。
还可选择,用紫外灯产生的190-1000nm波长的辐射能供给反应器。
水14通过冷凝器10循环,使得反应物溶液回流。由此,防止反应物溶液随着温度升高而蒸发,并使得反应物溶液与聚四氟乙烯材料反应,同时反应物溶液的量保持在恒定水平。
使用磁性搅拌棒搅拌反应物溶液1-120小时,视需要的表面改性的程度而定,同时通过向其供给能量而反应。
引起聚四氟乙烯材料与反应物溶液中活化的反应物之间的电子过渡,使得从聚四氟乙烯材料的表面除去氟。
步骤5:剩余反应物的去除
在反应进行一定时间后,停止能量供给并停止搅拌。
从反应器中取出经反应的聚四氟乙烯材料。
使用水与有机溶剂的混合溶剂,所述有机溶剂例如氯仿、甲苯、苯等,从聚四氟乙烯材料中除去剩余的反应物。
步骤6:干燥
在真空干燥器中,在60℃下将聚四氟乙烯材料干燥1天。
根据如上文所述的方法,聚四氟乙烯材料的表面被化学改性。
附图的简要说明
图1是一个图解说明根据本发明的用于将聚四氟乙烯材料的表面进行改性的方法的流程图;
图2示意性地显示一种用于根据本发明将聚四氟乙烯材料的表面进行改性的反应装置;
图3是显示在表面改性前ePTFE人造血管的表面的照片;
图4是显示ePTFE人造血管的表面的照片,该血管根据本发明的方法加以改性24小时;
图5是显示ePTFE人造血管的表面的照片,该血管根据本发明的方法加以改性72小时;
图6是显示在表面改性前对ePTFE人造血管的表面的化学分析结果的附图;
图7是显示对根据本发明的方法加以改性的ePTFE人造血管表面的化学分析结果的附图;和
图8是显示涂覆有聚合物的ePTFE人造血管的表面的照片。
实施本发明的最佳方式
现在将通过实施例和测试实施例进一步详细地描述根据本发明将聚四氟乙烯材料的表面进行化学改性的方法。但是,应该记住的是,本发明不限于这些实施例和测试实施例或不受它们的限制。
实施例1:膨胀型聚四氟乙烯人造血管的表面改性
将0.4g硼氢化钠、0.8g蒽醌和100ml无水二甲基甲酰胺引入250ml圆底烧瓶中。
使用磁性搅拌棒搅拌该混合物,由此得到一种反应物溶液。
将5cm长的聚四氟乙烯人造血管引入该反应物溶液中。
如图2中所示装配一种反应装置。
将含有反应物溶液和ePTFE人造血管的圆底烧瓶连接到一个冷凝器,并且将软管连接到布置在冷凝器外侧的水出入口使得水可以循环。
将一个气体管线连接到与圆底烧瓶连接的冷凝器的上部。然后,使用护套和控制器,将反应物溶液电加热至100℃,并有氮气流过此反应物溶液。
将水通过冷凝器进行循环,并将反应物溶液与ePTFE材料的表面反应24小时,同时用搅拌器搅拌。
反应后,将ePTFE人造血管从最终的溶液中取出。
使用水和氯仿,将剩余的反应物从ePTFE人造血管中除去。
将ePTFE人造血管放置在一个真空干燥器内并在60℃下干燥24小时。
按此方式,膨胀型聚四氟乙烯人造血管的表面被改性。
实施例2:对ePTFE人造血管表面改性48小时
按照与实施例1相同的方式对ePTFE人造血管的表面加以改性,只是反应进行48小时,而不是反应24小时。
实施例3:对ePTFE人造血管表面改性72小时
按照与实施例1相同的方式对ePTFE人造血管的表面加以改性,只是反应进行72小时,而不是反应24小时。
实施例4:PTFE薄膜的表面改性
按照与实施例1相同的方式对2cm×2cm大小的PTFE薄膜的表面加以改性,只是将上述PTFE薄膜引入反应物溶液中,而不是引入膨胀型聚四氟乙烯人造血管。
实施例5:多孔PTFE膜的表面改性
按照与实施例1相同的方式对2cm×2cm大小的多孔PTFE膜的表面加以改性,只是将上述多孔PTFE膜引入反应物溶液中,而不是引入膨胀型聚四氟乙烯人造血管。
测试实施例1:测量随表面改性而产生的形态变化
使用扫描电子显微镜检术,检查在表面改性前和表面改性后膨胀型聚四氟乙烯人造血管的形态变化。
图3是显示表面改性前ePTFE人造血管的表面的照片。
图4是显示根据实施例1加以改性24小时的ePTFE人造血管的表面的照片,图5是显示根据实施例3加以改性72小时的ePTFE人造血管的表面的照片。
从这些照片可以发现,人造血管的表面通过表面改性而在形态上发生了变化。
此外,动态水接触角的测量结果表明,表面改性前人造血管的疏水性表面(接触角为120°)在表面改性后改变为亲水性表面(接触角为20-90°)。
测试实施例2:测量随表面改性而产生的ePTFE人造血管表面的氟含量变化
使用X射线电子显微术,检查在表面改性前和表面改性后ePTFE人造血管的表面的氟含量。
图6是显示在表面改性前对ePTFE人造血管表面的化学分析结果的附图。从图6可以发现,在表面改性前,ePTFE人造血管的表面含有大量的氟。
图7是显示对根据实施例1加以改性24小时的ePTFE人造血管表面的化学分析结果的附图。从图7可以发现,在化学结构CF3-(CF2-CF2)n-CF3中的氟的量减少并加入了新的氧。
测试实施例3:随表面改性而测试成纤维细胞培养
为检查表面改性前和表面改性后ePTFE人造血管的生物相容性,进行成纤维细胞培养的测试。
在此测试中,使用在表面改性前的ePTFE人造血管和已根据实施例1进行表面改性的ePTFE人造血管。
将成纤维细胞(1×106个细胞/cm2)直接培养或在吸附有细胞粘着蛋白质例如纤连蛋白之后培养。
结果是,表面改性前ePTFE人造血管显示在其表面积中小于5%的面积上有细胞粘着。另一方面,已经根据实施例1进行表面改性的ePTFE人造血管的细胞粘着显著增加。即,其显示出在其表面积中多于80%的面积上有细胞粘着。
测试实施例4:测试杂化人造血管的形成
在本测试中,使用已经根据实施例1进行表面改性的ePTFE人造血管。
将聚交酯作为可生物降解的聚合物溶解在二氯甲烷溶剂中以得到5%的溶液。
将得到的可生物降解聚合物的溶液涂覆在经表面改性的ePTFE人造血管的内部和外部,直至1mm厚度。
结果是,裸眼观察到有可生物降解聚合物-ePTFE杂化人造血管形成。
图8是显示涂覆有可生物降解聚合物的ePTFE人造血管的表面的照片。
测试实施例5:使用PTFE薄膜测量药物释放
使用水、肝素和清蛋白作为模型药物,测量表面改性前和表面改性后PTFE薄膜的药物释放。
在表面改性前的PTFE薄膜对水、肝素和清蛋白的渗透性分别是104×10-7cm/sec,28×10-7cm/sec,和1.9×10-7cm/sec。
已经根据实施例4进行表面改性的PTFE薄膜的渗透性显著提高。即它显示出对水、肝素和清蛋白的渗透性分别是168×10-7cm/sec,45×10-7cm/sec,和7.1×10-7cm/sec。
工业适用性
如上所述,本发明提供用于将PTFE材料,例如膨胀型聚四氟乙烯人造血管、PTFE薄膜和多孔PTFE膜的表面进行化学改性的方法,该方法使得PTFE材料的生物相容性得到提高。
另外,根据本发明对表面加以改性的膨胀型聚四氟乙烯人造血管等具有从疏水性表面改变而来的亲水性表面,显著降低的氟含量,和增加的细胞粘着。
此外,经表面改性的ePTFE人造血管可以用可生物降解的聚合物,例如聚交酯等涂覆。另外,经表面改性的ePTFE薄膜具有显著提高的渗透性。
此外,根据本发明改善其生物相容性的聚四氟乙烯材料用作膜、血液接触薄膜、人造血管、拉幅结合的人造血管、人造心脏、人造瓣膜、人造心肺机、人工肾、静脉导管等的材料。
Claims (2)
1.一种用于将聚四氟乙烯材料的表面进行化学改性的方法,其包括如下步骤:
将选自硼氢化钠和氢化钠的氢化合物,与选自蒽醌或其衍生物的环状化合物,在选自无水二氯甲烷、二甲基甲酰胺和二甲亚砜的有机溶剂中混合,以致于得到一种反应物溶液;
将聚四氟乙烯材料加入所述反应物溶液中;
在惰性气体的气氛下,对此包含聚四氟乙烯材料的混合物施加热能或紫外线能量,并使此混合物在温度为30-300℃下反应1-72小时,由此通过电子交换反应而从聚四氟乙烯材料的表面除去氟;
从聚四氟乙烯材料中除去剩余的反应物;并且
将聚四氟乙烯材料干燥。
2.权利要求1的方法,其中聚四氟乙烯材料选自膨胀型聚四氟乙烯人造血管、聚四氟乙烯薄膜和多孔聚四氟乙烯膜。
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