1 前言

硅橡胶因其具有良好的耐温性，耐候性以及生理惰性等特点^[1~3]，而被广泛的应用于国防、医疗卫生、工农业生产及日常生活中^[4]。硅橡胶在现代医学领域发挥着越来越重要的作用，但因硅橡胶表面高度疏水性使其极易导致表面细菌黏附，从而大大限制了其在医疗领域的应用，目前硅橡胶表面改性降低其表面细菌黏附成为研究热点之一^[5~7]。硅橡胶表面改性^{[8, 9]}方法主要有辐射、电晕放电、等离子体处理^[10]等，但通过物理方法改性的硅橡胶表面功能性不够稳定，具有时效性。而化学接枝改性尤其活性接枝聚合^{[11, 12]}具有可设计性强、有效等优点。本文通过改变复配交联剂比例制备系列室温硫化硅橡胶。采用等离子体处理硅橡胶，在硅橡胶表面产生活性基团，再利用表面引发原子转移自由基聚合技术，在硅橡胶表面接枝极性聚丙烯酰胺。考察硅橡胶表面组成、结构及性能对细菌黏附^[13~15]的影响。

2 实验(材料和方法) 2.1 主要试剂

端羟基聚二甲基硅氧烷(PDMS):M_n=8000，山东大易化工有限公司，C.P.，提纯后使用；甲基三丁酮肟基硅烷(D-30)、γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(KH570)：湖北新蓝天新材料股份有限公司；丙烯酰胺(AM)、乙酸乙酯：国药集团化学试剂有限公司，A.R.；CuCl:国药集团化学试剂有限公司，A.R.，提纯后使用；其它试剂均为分析纯，直接使用。

2.2 室温硫化硅橡胶的制备

将提纯后的聚二甲基硅氧烷在110℃下抽真空搅拌2.5 h，加入脱肟型和脱醇型混合交联剂，其中羟基封端聚二甲基硅氧烷：混合交联剂(质量比)=100:8，其中混合交联剂中脱肟型交联剂与脱醇型交联剂D-30与KH570质量比为7:1；继续抽真空搅拌1 h后加入催化剂二月桂酸二丁基锡，抽真空搅拌30 min后倒入模具中，在室温下硫化2周，即制得室温硫化硅橡胶。

2.3 硅橡胶表面固定引发剂

(1) 将制备的室温硫化硅橡胶剪成1 cm×1 cm的硅橡胶片，利用等离子体处理硅橡胶，采用氧气为处理氛围，功率：500 W，氧气流：0.2 NL·min^-1，处理时间：4 min。

(2) 上述(1)中活化后的硅橡胶置于250 mL烧瓶，加入80 mL乙酸乙酯和6.5 mL三乙胺，冰盐浴下搅拌，用恒压滴液漏斗滴加含有5 mL α-溴代异丁酰溴和20 mL乙酸乙酯的混合液，升到室温继续搅拌反应5 h。取出硅橡胶片，用去离子水、无水乙醇和丙酮各超声洗涤三次，50 ℃真空下干燥过夜，得到表面含溴基团的硅橡胶。

2.4 硅橡胶表面接枝PAM

对50 mL克氏瓶进行烤瓶-抽真空-充氮气循环操作3次。将表面固定引发剂的硅橡胶片、0.047 g 2，2′-联二吡啶(bpy)、0.01 g CuCl和2.50 g AM加入克氏瓶中。然后加入3 mL水与丙酮(V_水:V_丙酮=1:1)的混合溶剂、3 μL的游离引发剂(2-溴代乙丁酸乙酯)后密封，将克氏瓶置于50℃油浴中反应一定时间。取出硅橡胶，分别用去离子水、无水乙醇和丙酮超声波洗涤三次，置于50℃真空干燥箱中干燥24 h，即得到表面接枝聚丙烯酰胺的硅橡胶。

2.5 硅橡胶表面细菌粘附实验 2.5.1 菌液的制备

按照液体培养基配比，配制出200 mL的牛肉膏胰蛋白胨液体培养基，利用湿热法高温杀菌。利用接种环刮取一环细菌接种于液体培养基中，置于37℃、120 r·min^-1的气浴恒温振荡器中振荡培养12 h。液体及固体培养基配方如表 1所示。

2.5.2 硅橡胶表面细菌黏附及分离

将接枝改性前后的硅橡胶膜片经高压灭菌后，放入处于对数期的新鲜菌液中，在37℃气浴恒温振荡器中振荡培养8 h，培养完成后取出膜片。将黏附有细菌的膜片用无菌水冲洗，除去其表面游离的细菌，再将薄片放入无菌水中，置于超声清洗机中超声处理5 min，分离黏附于硅橡胶薄膜样品表面的细菌。

2.5.3 平板菌落计数法

将上述2.5.2节中菌液，采用10倍系列稀释法(1 mL菌液+9 mL稀释液)进行等比稀释，取0.1 mL菌液均匀涂在固体培养基中，在37℃培养箱中培养24 h后进行菌落计数(每个梯度做五个平行)。根据菌落计数结果，计算硅橡胶改性前后表面黏附的细菌个数。细菌计算公式：

细菌数=菌落数目×稀释倍数

2.6 硅橡胶表面结构表征及性能测试 2.6.1 硅橡胶表面XPS分析

利用ESCALABMKLL型X射线光电子能谱(英国VG CO)测试硅橡胶表面元素组成。

2.6.2 红外光谱测试

采用Nicolet 460型傅里叶变换红外光谱仪(美国Nicolet公司)分析接枝改性前后硅橡胶表面结构变化。

2.6.3 接枝量，接触角及表面自由能测试

(A) 硅橡胶单位面积上的接枝量：利用称重法测定硅橡胶表面单位面积接枝量，G=(m₂-m₁)/A。

(B) 接触角：利用HARKE-CA接触角测试仪测试改性前后硅橡胶接触角。

(C) 表面自由能：根据水与甲酰胺接触角数据，通过如下Fowkes公式计算求出硅橡胶表面自由能。

$ {\gamma _{\rm{L}}}\left( {1 + \cos \theta } \right) = 2{\left( {{\gamma _{\rm{S}}}^{\rm{d}} \times {\gamma _{\rm{L}}}^{\rm{d}}} \right)^{1/2}} + 2{\left( {{\gamma _{\rm{S}}}^{\rm{P}} \times {\gamma _{\rm{L}}}^{\rm{P}}} \right)^{1/2}} $

(1)

$ {\gamma _{\rm{L}}} = {\gamma _{\rm{L}}}^{\rm{d}} + {\gamma _{\rm{L}}}^{\rm{P}} $

(2)

$ {\gamma _{\rm{S}}} = {\gamma _{\rm{S}}}^{\rm{d}} + {\gamma _{\rm{S}}}^{\rm{P}} $

(3)

2.6.4 SEM测试

硅橡胶表面经喷金处理，利用日本电子公司JSM-6360LA型扫描电子显微镜观察改性前后硅橡胶表面形貌变化。

2.6.5 细菌黏附测试

利用上海工微所科技有限公司提供的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌对硅橡胶进行细菌黏附性测试。

3 结果与讨论 3.1 硅橡胶表面XPS分析

图 1分别为未改性硅橡胶和接枝PAM硅橡胶表面C 1s的XPS能谱图，纯硅橡胶表面C 1s的特征电子结合能峰只出现在284.8 eV处，而改性后硅橡胶表面的C 1s经拟合出现三个特征峰：(1)284.8 eV为脂肪烃中C特征峰；(2)285.8 eV为与酰胺基相连的C的特征能峰(C-CONH₂)；(3)288.4 eV为酰胺基中C的特征能峰(-CONH₂)。其中-CONH₂中C的特征能峰和图 1(B)右上角的N 1s特征能峰的出现表明PAM成功地接枝在硅橡胶表面。

3.2 红外光谱分析

图 2(A)、(B)分别为AM和未改性硅橡胶的红外光谱图，对比图 2(C)、(D)表面接枝PAM改性4 h及24 h后硅橡胶表面的红外光谱图，改性后硅橡胶在1665 cm^-1处出现了新的吸收峰，为酰胺基的特征吸收峰，3100~3300 cm^-1是-NH₂的伸缩振动吸收峰，1614 cm^-1是-NH₂的弯曲振动吸收峰，与丙烯酰胺特征吸收峰相符，表明在硅橡胶表面成功接枝上了亲水性PAM；随着接枝聚合时间的增长，硅橡胶表面-C=O和-NH₂的吸收峰都在逐渐增强，主要是由于随着接枝聚合时间延长，硅橡胶表面接枝PAM的量在不断增大，从而其特征吸收峰在不断增强。(E)中脱肟型与脱醇型交联剂比例为7:10，对比图 2(D)、(E)，随着复配交联剂中KH570用量的增加，硅橡胶表面接枝PAM的量也在不断增加，这是因为交联剂KH570中含有不饱和双键可以参与到接枝聚合中从而使接枝量增大。

3.3 接触角及表面自由能分析

如图 3所示，未经处理的硅橡胶接触角为108.5°，基本为疏水性材料，随着接枝聚合时间的延长改性硅橡胶表面亲水性不断增强，接枝24 h后接触角下降到49.5°，亲水性得到明显改善；硅橡胶表面接枝量也在不断增大，接枝24 h后接枝量增加到3.1 mg·cm^-2，体现了原子转移自由基聚合“活性”/可控的特点。表 2中硅橡胶表面自由能随着硅橡胶亲水性的不断增强也在逐渐增加，这主要是由于硅橡胶表面接枝PAM后，在硅橡胶表面引入了亲水性基团-NH₂，且随着聚合时间的增加，接枝到硅橡胶表面的聚合物不断增加，-NH₂的量也在不断增大，导致其接触角逐渐降低；同时随着极性聚合物PAM量的不断增加，极性基团酰胺基(-CO-NH₂)的量也在不断增加，导致表面自由能的极性分量增加，从而提高了表面自由能；同时由于在硅橡胶表面形成氢键，因而接枝PAM的硅橡胶表面能进一步增大。

3.4 硅橡胶表面形貌分析

图 4为硅橡胶改性前后硅橡胶表面扫描电镜照片。(A)和(B)分别为未改性硅橡胶和接枝改性24 h后硅橡胶的扫描电镜图。对比两图可以发现，图 4(B)较图 4(A)出现了许多凸起和不平整的结构，这主要是接枝的PAM中极性基团-NH₂在硅橡胶表面能形成氢键，分子间作用力增大，使得PAM在硅橡胶表面出现了团聚；并且PAM与硅橡胶基体之间存在相分离作用，导致硅橡胶表面形成粗糙结构。此外，整体上看，接枝的聚丙烯酰胺较均匀地覆盖于基体硅橡胶表面。

3.5 硅橡胶表面细菌黏附状况分析

图 5给出了接枝PAM改性前后硅橡胶表面细菌的黏附状况示意图。样品由a到e中接枝时间依次增长，分别为0，4，8，12，24 h。从图中可以看出，未改性的硅橡胶膜片由于表面惰性疏水，大肠杆菌(E.coli)的黏附量较多。经表面接枝改性后，硅橡胶表面大肠杆菌(E.coli)的黏附量从39.9×10⁵ cfu·cm^-2最低降至0.5×10⁵ cfu·cm^-2，大肠杆菌黏附量降低了98.7%，与此同时，金黄色葡萄球菌(S.aureus)，枯草芽孢杆菌(B.subtilis)较改性之前，硅橡胶表面细菌黏附量最低也可分别降低98.2%和97.3%。这是由于接枝PAM聚合物后向硅橡胶表面引入了大量的亲水性酰胺基团，提高了硅橡胶表面的极性及表面能，从而降低了硅橡胶表面与细菌之间的黏附引力，导致细菌的非特异性黏附被极性亲水的聚丙烯酰胺所抑制，而且随着接枝聚丙烯酰胺量的增大，细菌非特异性黏附能力越弱，从而起到了抑菌的效果。

4 结论

结合等离子体辐射和表面引发接枝在硅橡胶表面成功的接枝了PAM，而且随着混合交联剂中脱醇型交联剂量的增加，硅橡胶表面接枝的PAM的量也在不断增加；改性后亲水性聚合物PAM均匀地覆盖于硅橡胶表面，使得硅橡胶表面亲水性增强，但与基体硅橡胶存在相分离。此外接枝改性后硅橡胶表面细菌黏附量降低，在一定程度上大大改善了硅橡胶的生物亲和性。

符号说明：

A        -硅橡胶表面积，cm²

G        -硅橡胶单位面积的接枝量，mg·cm^-2

m₁        -接枝前硅橡胶的质量，mg

m₂        -接枝后硅橡胶的质量，mg

γ^d        -表面能的色散分量，mN·m^-1

γ^p        -表面能的极性分量，mN·m^-1

γL        -试剂的表面能，mN·m^-1

γS        -被测样品的表面能，mN·m^-1