聚四氟乙烯材料的化學表面改性方法
2023-07-02 19:00:16
專利名稱：聚四氟乙烯材料的化學表面改性方法
技術領域：
本發明一般性地涉及一種用於將聚四氟乙烯(PTFE)材料表面進行化學改性的方法，該方法使得PTFE材料的生物相容性得到改善。更特別地，本發明涉及一種將膨脹型聚四氟乙烯(ePTFE)人造血管、PTFE薄膜或多孔PTFE膜的表面進行改性的方法。另外，本發明涉及ePTFE人造血管、PTFE薄膜和多孔PTFE膜，它們都具有改善的生物相容性。
背景技術：
聚四氟乙烯(下文也稱為「PTFE」)是具有化學結構為CF3-(CF2-CF2)n-CF3的聚合物材料。
膨脹型聚四氟乙烯(下文也稱為ePTFE)是具有微孔結構的聚合物材料，其是用作人造血管的管狀材料。
現有技術ePTFE人造血管或PTFE薄膜用作有專利權的接觸血管或接觸血液的生物材料，但是接枝後，它們由於具有低的生物相容性而引起多種副作用。此外，PTFE薄膜或多孔PTFE膜還具有使它們對於工業應用不穩定的性能。
因此，需要一種將聚四氟乙烯材料的表面改性的方法，該方法使得所述材料的生物相容性得以改善。
現有技術中用於將膨脹型聚四氟乙烯的表面改性的等離子體處理方法是一種如下的方法其中將ePTFE引入等離子體反應器中，該反應器中提供有氣體或液體，並且使用電流作為能源形成等離子體，使得ePTFE的表面用具有強反應性的等離子體粒子加以改性。
但是，這種方法的不利之處在於，產生的自由基在微孔中喪失其活性，並因此不能將微孔的表面改性。
作為現有技術中另一種表面改性方法，有一種使用二苯甲酮或苯偶姻陰離子的方法。在這種方法中，藉助電子交換或電子過渡而從ePTFE的表面除去氟，由此將ePTFE的表面改性。但是，這種方法還具有的不利之處在於，不能將微孔的表面加以合適地改性。
期間，韓國專利申請第1991-0000095號(題目為「具有改善的血液相容性的氟化聚氨酯」)公開了一種用於製備改性的聚氨酯的方法，其中將氟化合物化學鍵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。
韓國專利申請第1994-0026594號(題目為「一種用於製備改性的聚四氟乙烯的方法及其用途」)公開了一種製備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個碳原子。這種方法包括將單體在水介質中，通過懸浮聚合方法，使用高錳酸鹽引發劑，在溫度低於60℃下進行聚合。
但是，仍然需要一種改進的表面改性方法，通過這種方法改善膨脹型聚四氟乙烯人造血管、PTFE薄膜、多孔PTFE膜等的生物相容性。
本發明的公開內容因此，本發明致力於解決現有技術中存在的上述問題，並且本發明的目的是提供一種用於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。
本發明的另一個目的是提供ePTFE人造血管、PTFE薄膜或多孔PTFE膜，其表面經改性以具有改善的生物相容性。
為實現上述目的，本發明提供一種用於將聚四氟乙烯材料的表面進行化學改性的方法，其使得所述材料的生物相容性得以改善。
具體地，本發明提供一種用於將聚四氟乙烯人造血管、PTFE薄膜或多孔PTFE膜的表面進行改性的方法。
此外，本發明提供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。
根據本發明的用於將聚四氟乙烯材料的表面進行化學改性的方法包括如下步驟將氫化合物，例如硼氫化鈉，與環狀化合物，例如蒽醌或其衍生物，在有機溶劑例如二氯甲烷中混合，以致於得到一種反應物溶液；將聚四氟乙烯材料，例如ePTFE人造血管、PTFE薄膜或多孔PTFE膜，加入所述反應物溶液中；對此包含聚四氟乙烯材料的混合物施加熱能或紫外線能量，以致於通過電子交換反應而從聚四氟乙烯材料的表面除去氟；從聚四氟乙烯材料中除去剩餘的反應物；並將聚四氟乙烯材料乾燥。
這種經表面改性的膨脹型聚四氟乙烯人造血管，其生物相容性根據本發明加以改善，具有從疏水性表面轉化來的親水性表面、明顯低的氟含量和增加的細胞粘著。
此外，這種經表面改性的ePTFE人造血管可以用可生物降解的聚合物，例如聚交酯或細胞粘著蛋白質塗覆。
另外，這種經表面改性的PTFE薄膜具有顯著提高的滲透性。
根據本發明的具有改善的生物相容性的聚四氟乙烯材料用作拉幅結合(stent-bound)的ePTFE人造血管、人造心臟、人造瓣膜、人工腎、靜脈導管等的材料。
下面將參考附
圖1詳細描述根據本發明的用於將聚四氟乙烯材料的表面進行化學改性的方法。
步驟1反應物溶液的製備在惰性氣體的氣氛下製備一種反應物溶液。
在製備該反應物溶液中，將0.1-1g氫化合物，例如硼氫化鈉或氫化鈉，0.2-2g環狀化合物，例如蒽醌或其衍生物，10-100ml有機溶劑，例如無水二氯甲烷、二甲基甲醯胺或二甲亞碸，引入一個配有磁性攪拌棒的圓底燒瓶中。
可以用於本發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。
在這種情況下，氫化合物、環狀化合物和有機溶劑的用量是按相對比例。
實驗容器、樣品和化學品的重量在惰性氣體的氣氛下測量。
在實驗容器中存在的水使用熱爐或惰性氣體除去。
步驟2膨脹型聚四氟乙烯等的引入將聚四氟乙烯材料引入含有在步驟1中製備的反應物溶液的反應器中。
在這種情況下，聚四氟乙烯材料選自ePTFE人造血管、PTFE薄膜和多孔PTFE膜。
步驟3反應裝置的裝配如圖2中所示裝配一種反應裝置。
將反應器11，其包括含有膨脹型聚四氟乙烯人造血管等的反應物溶液，連接到冷凝器10，並且將軟管14連接到布置在冷凝器10外側的水出入口使得水可以循環。
氣體管線16，通過它有惰性氣體例如氮氣或氬氣流過，連接到與反應器11連接的冷凝器10的上部。
將反應器11布置在護套12內部，並且將這種反應器裝置安裝在攪拌器13上。
將包含油21的起泡器20連接到惰性氣體管線16。
供給惰性氣體，覆蓋反應物溶液，並以一定方式流動，使得除去剩餘的氧氣。
如果在起泡器20中含有的油21中出現落差，則確定有氣體流動。
步驟4能量供給和去除氟的反應通過連接到電控制器的護套12，用電能將反應器11加熱到溫度為30-300℃，使得反應器11供應有能量。
還可選擇，用紫外燈產生的190-1000nm波長的輻射能供給反應器。
水14通過冷凝器10循環，使得反應物溶液回流。由此，防止反應物溶液隨著溫度升高而蒸發，並使得反應物溶液與聚四氟乙烯材料反應，同時反應物溶液的量保持在恆定水平。
使用磁性攪拌棒攪拌反應物溶液1-120小時，視需要的表面改性的程度而定，同時通過向其供給能量而反應。
引起聚四氟乙烯材料與反應物溶液中活化的反應物之間的電子過渡，使得從聚四氟乙烯材料的表面除去氟。
步驟5剩餘反應物的去除在反應進行一定時間後，停止能量供給並停止攪拌。
從反應器中取出經反應的聚四氟乙烯材料。
使用水與有機溶劑的混合溶劑，所述有機溶劑例如氯仿、甲苯、苯等，從聚四氟乙烯材料中除去剩餘的反應物。
步驟6乾燥在真空乾燥器中，在60℃下將聚四氟乙烯材料乾燥1天。
根據如上文所述的方法，聚四氟乙烯材料的表面被化學改性。
附圖的簡要說明圖1是一個圖解說明根據本發明的用於將聚四氟乙烯材料的表面進行改性的方法的流程圖；圖2示意性地顯示一種用於根據本發明將聚四氟乙烯材料的表面進行改性的反應裝置；圖3是顯示在表面改性前ePTFE人造血管的表面的照片；圖4是顯示ePTFE人造血管的表面的照片，該血管根據本發明的方法加以改性24小時；圖5是顯示ePTFE人造血管的表面的照片，該血管根據本發明的方法加以改性72小時；圖6是顯示在表面改性前對ePTFE人造血管的表面的化學分析結果的附圖；圖7是顯示對根據本發明的方法加以改性的ePTFE人造血管表面的化學分析結果的附圖；和圖8是顯示塗覆有聚合物的ePTFE人造血管的表面的照片。
實施本發明的最佳方式現在將通過實施例和測試實施例進一步詳細地描述根據本發明將聚四氟乙烯材料的表面進行化學改性的方法。但是，應該記住的是，本發明不限於這些實施例和測試實施例或不受它們的限制。
實施例1膨脹型聚四氟乙烯人造血管的表面改性將0.4g硼氫化鈉、0.8g蒽醌和100ml無水二甲基甲醯胺引入250ml圓底燒瓶中。
使用磁性攪拌棒攪拌該混合物，由此得到一種反應物溶液。
將5cm長的聚四氟乙烯人造血管引入該反應物溶液中。
如圖2中所示裝配一種反應裝置。
將含有反應物溶液和ePTFE人造血管的圓底燒瓶連接到一個冷凝器，並且將軟管連接到布置在冷凝器外側的水出入口使得水可以循環。
將一個氣體管線連接到與圓底燒瓶連接的冷凝器的上部。然後，使用護套和控制器，將反應物溶液電加熱至100℃，並有氮氣流過此反應物溶液。
將水通過冷凝器進行循環，並將反應物溶液與ePTFE材料的表面反應24小時，同時用攪拌器攪拌。
反應後，將ePTFE人造血管從最終的溶液中取出。
使用水和氯仿，將剩餘的反應物從ePTFE人造血管中除去。
將ePTFE人造血管放置在一個真空乾燥器內並在60℃下乾燥24小時。
按此方式，膨脹型聚四氟乙烯人造血管的表面被改性。
實施例2對ePTFE人造血管表面改性48小時按照與實施例1相同的方式對ePTFE人造血管的表面加以改性，只是反應進行48小時，而不是反應24小時。
實施例3對ePTFE人造血管表面改性72小時按照與實施例1相同的方式對ePTFE人造血管的表面加以改性，只是反應進行72小時，而不是反應24小時。
實施例4PTFE薄膜的表面改性按照與實施例1相同的方式對2cm×2cm大小的PTFE薄膜的表面加以改性，只是將上述PTFE薄膜引入反應物溶液中，而不是引入膨脹型聚四氟乙烯人造血管。
實施例5多孔PTFE膜的表面改性按照與實施例1相同的方式對2cm×2cm大小的多孔PTFE膜的表面加以改性，只是將上述多孔PTFE膜引入反應物溶液中，而不是引入膨脹型聚四氟乙烯人造血管。
測試實施例1測量隨表面改性而產生的形態變化使用掃描電子顯微鏡檢術，檢查在表面改性前和表面改性後膨脹型聚四氟乙烯人造血管的形態變化。
圖3是顯示表面改性前ePTFE人造血管的表面的照片。
圖4是顯示根據實施例1加以改性24小時的ePTFE人造血管的表面的照片，圖5是顯示根據實施例3加以改性72小時的ePTFE人造血管的表面的照片。
從這些照片可以發現，人造血管的表面通過表面改性而在形態上發生了變化。
此外，動態水接觸角的測量結果表明，表面改性前人造血管的疏水性表面(接觸角為120°)在表面改性後改變為親水性表面(接觸角為20-90°)。
測試實施例2測量隨表面改性而產生的ePTFE人造血管表面的氟含量變化使用X射線電子顯微術，檢查在表面改性前和表面改性後ePTFE人造血管的表面的氟含量。
圖6是顯示在表面改性前對ePTFE人造血管表面的化學分析結果的附圖。從圖6可以發現，在表面改性前，ePTFE人造血管的表面含有大量的氟。
圖7是顯示對根據實施例1加以改性24小時的ePTFE人造血管表面的化學分析結果的附圖。從圖7可以發現，在化學結構CF3-(CF2-CF2)n-CF3中的氟的量減少並加入了新的氧。
測試實施例3隨表面改性而測試成纖維細胞培養為檢查表面改性前和表面改性後ePTFE人造血管的生物相容性，進行成纖維細胞培養的測試。
在此測試中，使用在表面改性前的ePTFE人造血管和已根據實施例1進行表面改性的ePTFE人造血管。
將成纖維細胞(1×106個細胞/cm2)直接培養或在吸附有細胞粘著蛋白質例如纖連蛋白之後培養。
結果是，表面改性前ePTFE人造血管顯示在其表面積中小於5％的面積上有細胞粘著。另一方面，已經根據實施例1進行表面改性的ePTFE人造血管的細胞粘著顯著增加。即，其顯示出在其表面積中多於80％的面積上有細胞粘著。
測試實施例4測試雜化人造血管的形成在本測試中，使用已經根據實施例1進行表面改性的ePTFE人造血管。
將聚交酯作為可生物降解的聚合物溶解在二氯甲烷溶劑中以得到5％的溶液。
將得到的可生物降解聚合物的溶液塗覆在經表面改性的ePTFE人造血管的內部和外部，直至1mm厚度。
結果是，裸眼觀察到有可生物降解聚合物-ePTFE雜化人造血管形成。
圖8是顯示塗覆有可生物降解聚合物的ePTFE人造血管的表面的照片。
測試實施例5使用PTFE薄膜測量藥物釋放使用水、肝素和清蛋白作為模型藥物，測量表面改性前和表面改性後PTFE薄膜的藥物釋放。
在表面改性前的PTFE薄膜對水、肝素和清蛋白的滲透性分別是104×10-7cm/sec，28×10-7cm/sec，和1.9×10-7cm/sec。
已經根據實施例4進行表面改性的PTFE薄膜的滲透性顯著提高。即它顯示出對水、肝素和清蛋白的滲透性分別是168×10-7cm/sec，45×10-7cm/sec，和7.1×10-7cm/sec。
工業適用性如上所述，本發明提供用於將PTFE材料，例如膨脹型聚四氟乙烯人造血管、PTFE薄膜和多孔PTFE膜的表面進行化學改性的方法，該方法使得PTFE材料的生物相容性得到提高。
另外，根據本發明對表面加以改性的膨脹型聚四氟乙烯人造血管等具有從疏水性表面改變而來的親水性表面，顯著降低的氟含量，和增加的細胞粘著。
此外，經表面改性的ePTFE人造血管可以用可生物降解的聚合物，例如聚交酯等塗覆。另外，經表面改性的ePTFE薄膜具有顯著提高的滲透性。
此外，根據本發明改善其生物相容性的聚四氟乙烯材料用作膜、血液接觸薄膜、人造血管、拉幅結合的人造血管、人造心臟、人造瓣膜、人造心肺機、人工腎、靜脈導管等的材料。
權利要求
1.一種用於將聚四氟乙烯材料的表面進行化學改性的方法，其包括如下步驟將選自硼氫化鈉和氫化鈉的氫化合物，與選自蒽醌或其衍生物的環狀化合物，在選自無水二氯甲烷、二甲基甲醯胺和二甲亞碸的有機溶劑中混合，以致於得到一種反應物溶液；將聚四氟乙烯材料加入所述反應物溶液中；在惰性氣體的氣氛下，對此包含聚四氟乙烯材料的混合物施加熱能或紫外線能量，並使此混合物在溫度為30-300℃下反應1-72小時，由此通過電子交換反應而從聚四氟乙烯材料的表面除去氟；從聚四氟乙烯材料中除去剩餘的反應物；並且將聚四氟乙烯材料乾燥。
2.權利要求1的方法，其中聚四氟乙烯材料選自膨脹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。
3.膨脹型聚四氟乙烯人造血管、聚四氟乙烯薄膜或多孔聚四氟乙烯膜，其具有經過根據權利要求2的方法改性的表面。
4.聚四氟乙烯材料，其具有經過根據權利要求1的方法改性的表面並用作廢水過濾膜、血液接觸薄膜、拉幅結合的ePTFE人造血管、用於噪聲校正的假體、血液滲析器、人造心臟、人造瓣膜、人造心肺機和靜脈導管的材料。
5.一種用於將聚四氟乙烯材料的表面進行改性的裝置，其包括具有位於其外側的水出入口的冷凝器10，該水出入口連接到軟管，使得水14可以循環；連接到冷凝器10的反應器11；氣體管線16，其連接到冷凝器10的上部並且惰性氣體15流過該氣體管線；起泡器20，其連接到氣體管線16並包含油21；護套12，其布置在反應器11周圍並用於通過電加熱或紫外線而提供表面改性用能量；和攪拌器13，其布置在護套12的下部同時支撐護套12。
全文摘要
本發明公開了一種用於將聚四氟乙烯材料表面加以化學改性的方法，該方法使得所述材料的生物相容性得到改善。該方法包括如下步驟將氫化合物，例如硼氫化鈉，與環狀化合物，例如蒽醌或其衍生物，在有機溶劑例如二氯甲烷中混合，以致於得到一種反應物溶液；將聚四氟乙烯材料，例如ePTFE人造血管、PTFE薄膜或多孔PTFE膜加入所述反應物溶液中；對此包含聚四氟乙烯材料的混合物施加熱能或紫外線能量，以致於通過電子交換反應而從聚四氟乙烯材料的表面除去氟；從聚四氟乙烯材料中除去剩餘的反應物；並將聚四氟乙烯材料乾燥。根據本發明對其表面加以改性的膨脹型聚四氟乙烯人造血管等具有從疏水性表面改變而來的親水性表面，顯著降低的氟含量，和增加的細胞粘著。此外，經表面改性的ePTFE人造血管可以用可生物降解的聚合物，例如細胞粘著蛋白質或聚交酯等塗覆。另外，經表面改性的ePTFE薄膜具有顯著提高的滲透性。
文檔編號A61M1/16GK1633450SQ03804097
公開日2005年6月29日 申請日期2003年2月19日 優先權日2002年2月20日
發明者盧仁燮 申請人:株式會社現代組織工學