патент
№ RU 2664925
МПК B29C59/00

СПОСОБ ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИЛАКТИДА

Авторы:
Ромашкин Алексей Валентинович Левин Денис Дмитриевич Петухов Владимир Александрович
Все (12)
Номер заявки
2017145782
Дата подачи заявки
26.12.2017
Опубликовано
23.08.2018
Страна
RU
Дата приоритета
26.06.2024
Номер приоритета
Страна приоритета
Как управлять
интеллектуальной собственностью
Реферат

Изобретение относится к полимерной промышленности и может быть использовано для медицинских имплантов и культивирования клеток. Осуществляют модификацию поверхности изделий из полилактида путем функционализации гидроксильными группами посредством обработки высокочастотной плазмой разряда инертного газа. Обрабатываемые изделия перед воздействием плазмы выдерживают в парах воды по меньшей мере 5 часов при температуре в камере в диапазоне от 35°С до температуры стеклования используемого полилактида. Одновременно с этим в камере плазменной обработки поддерживают температуру в диапазоне от -35°С до -7°С. Процесс проводят в течение не более 20 секунд. Обеспечивается увеличение плотности функциональных групп на поверхности обрабатываемого изделия, приводящее к уменьшению срока биоинтеграции. 1 з.п. ф-лы, 1 пр.

Формула изобретения

1. Способ функционализации поверхности полилактида гидроксильными группами путем обработки высокочастотной плазмой инертного газа, отличающийся тем, что обрабатываемое изделие предварительно выдерживают в парах воды по меньшей мере 5 часов, при этом температуру в камере, в которой выдерживают изделие, поддерживают в диапазоне от 35°С до температуры стеклования используемого полилактида, при этом температуру обрабатываемого изделия во время обработки плазмой поддерживают в диапазоне от -35°С до -7°С, а процесс обработки проводят в течение не более 20 секунд.
2. Способ по п.1, в котором во время обработки плазмой на столик с обрабатываемым изделием может подаваться постоянное напряжение смещения величиной не более 100 В.

Описание

Изобретение относится к модификации поверхности изделий из полилактида, а именно функционализации гидроксильными группами, посредством плазменной обработки. Способ может быть применен для увеличения гидрофильности поверхности, что может быть применено для медицинских имплантов с целью уменьшения срока биоинтеграции. Также способ может применяться для обработки поверхностей, предназначенных для культивации клеток с целью увеличения пролиферации.

Известен способ модификации поверхности биодеградируемых полимеров [1]. В данном способе предлагается модификация полимеров различными группами с целью придания требуемых свойств, предлагается изменение смачиваимости поверхности полимера, посредством связывания их третьим веществом. В качестве примера приводится функционализация полилактида NH2 группами с помощью коротких цепочек полиэтиленгликоля. Данный способ является трудоемким, поскольку предлагается химическое присоединение молекул к поверхности и необходимо приготовление множества растворов и проведение реакция с точным соблюдением всех условий, в частности для приготовления растворов требуется длительная сушка реагентов, строгое соблюдение температурных режимов. В случае изменения полимера или присоединяемых групп необходимо подбирать иное вещество для сшивки функциональных групп с поверхностью и соответствующие реакции.

Также известны способы модификации поверхности полимеров посредством обработки изделия в плазме газового разряда.

Способ [2] предлагает обработку поверхности стекла в плазме с целью улучшения смачиваимости материала. В способе для присоединения к поверхности стекла гидроксильных групп использовать высокочастотный плазменный разряд в газовой среде, содержащей пары воды.

Способ, описанный в [3], является прототипом. В данном способе предложена модификация поверхности полиэтилена посредством обработки в плазме высокочастотного тлеющего разряда при пониженном давлении с целью увеличения гидрофильности поверхности полимера. С целью увеличения срока старения обработанного материала процесс предлагается проводить в две стадии: на первой процесс проводится в атмосфере насыщенного водяного пара, на второй же в атмосфере технического воздуха. Недостатком способов модификации поверхности с использованием плазмы газового разряда является возможное повреждение поверхности полимера с сопутствующим чрезмерным увеличением шероховатости ввиду сочетания процессов функционализации и травления материала обрабатываемого изделия.

Задачей предлагаемого способа является повышение плотности гидроксильных групп на поверхности полилактида при минимальном изменении шероховатости поверхности обрабатываемого изделия.

Решение поставленной задачи достигается с помощью предварительной выдержки обрабатываемого изделия в парах воды при температуре в камере, в которой выдерживается обрабатываемое изделие, в диапазоне от 35°С до температуры стеклования используемого полилактида в течение по меньшей мере 5 часов и поддержанием температуры образца во время плазменной обработки в диапазоне от -35°С до -7°С, а также временем плазменной обработки не более 20 секунд. Так как полилактид является гигроскопичным материалом, при выдержке его в атмосфере водяного пара обеспечивается насыщение приповерхностных слоев молекулами воды, а также образование слоя водного адсорбата. Поддержание повышенной температуры в камере при выдержке изделия обеспечивает сорбцию большего количества воды, чего не удается достичь при комнатной температуре изделия, на которое проводится сорбция. Ограничение максимальной температуры в камере при выдержке изделия обусловлено требованием сохранения структуры полилактида и шероховатости его поверхности. При превышении температуры стеклования материала неизбежно привносятся изменения в его внутреннюю структуру, и изменяется морфология поверхности. Исходя из известной скорости сорбции воды полилактидом известно, что при указанной температуре 90% от максимально возможной массы водного адсорбата напитывается в образец за время порядка 5 часов. Таким образом, выдержка обрабатываемого изделия в течение менее указанного времени не приведет к сорбции значительного количества воды, ввиду чего, эффект повышения плотности гидроксильных групп на поверхности полилактида окажется недостижим. При обработке в плазме сорбированная на поверхности вода будет являться источником гидроксильных групп. Замещение всего адсорбата и газов у поверхности обрабатываемого образца слоем воды обеспечивает максимальную концентрацию функциональных групп на поверхности образцов.

Для сохранения слоя адсорбата во время плазменной обработки необходимо поддерживать температуру образца в диапазоне от -35°С до -7°С. Данное решение препятствует быстрому удалению воды с поверхности, а также, вследствие снижения скорости сублимации, позволяет сохранить тонкую пленку льда на поверхности обрабатываемого объекта в течение плазменной обработки. Согласно графику сублимации воды при температурах выше -7°С и давлениях, характерных для процессов плазменной обработки, на обрабатываемом изделии не сохранится достаточного количества адсорбата в течение всего процесса обработки. Температуры значительно ниже -35°С недопустимы, поскольку существует вероятность повреждения структуры полимера. Тонкая пленка льда на поверхности обрабатываемого изделия препятствует непосредственному распылению образца под действием плазмы и увеличению шероховатости поверхности. Также данный слой способствует увеличению плотности функциональных групп на поверхности образца за счет снижения вероятности отрыва уже связавшихся с поверхностью групп, а также прохождения реакций с группами, сформированными на поверхности раздела полилактид/адсорбат. Время плазменной обработки изделия из полилактида составляет не более 20 секунд, поскольку при превышении указанного времени существует вероятность удаления слоя адсорбата и повреждения поверхности полимера под действием потока заряженных частиц плазмы.

Для увеличения вероятности диссоциации воды и активации поверхности образца под действием заряженных частиц плазмы возможна подача постоянного напряжения смещения на образец величиной до 100 В. Данное решение позволяет увеличить энергию частиц, взаимодействующих с обрабатываемым изделием, что повышает степень диссоциации воды в слое адсорбата и вероятность образования оборванных связей полилактида и как следствие повышению плотности функциональных групп на поверхности обрабатываемого изделия. Напряжение смещения величиной более 100 В значительно повысит коэффициент распыления, что негативно скажется на качестве поверхности обрабатываемого изделия.

В качестве источника плазы может выступать любой инертный газ, что позволяет использовать предлагаемый метод в любой установке плазменной обработки без изготовления специальной оснастки.

Пример

Способ функционализации изделий из полилактида, где в качестве обрабатываемого объекта используется однородная пленка полилактида толщиной 200 мкм. Предварительная выдержка образца в парах воды осуществляется в эксикаторе. Поддержание температуры эксикаторе около 40°С обеспечивается при помощи подогреваемого столика с резистивным нагревом.

Обработка в плазме происходит при давлении в камере 102 Па. Газом-источником плазмы является аргон. Поток газа устанавливается на уровне 45 sccm. Мощность плазмы составляет 30 Вт. Температура обрабатываемого изделия поддерживается равной -30°С. Для увеличения количества функциональных групп на поверхности обрабатываемого изделия на подложке задается постоянное смещение на уровне -80 В. Обработка в плазме проводится в течение 15 секунд.

Способ позволяет функционализировать поверхность пленки полилактида гидроксильными группами при минимальном изменении морфологии поверхности.

Источники информации

1. Biodegradable block copolymers with modifiable surface, US patent №20070299227 A1.

2. Water vapor plasma treatment of glass surfaces, WO patent №1999050199 A1.

3. Способ модифицирования поверхности полиэтилена, патент РФ №2443558 – прототип.

Как компенсировать расходы
на инновационную разработку
Похожие патенты