对气体施加电压使之产生辉光放电的技能，或许称做“等离子体”技能，在医疗器械范畴现已成为了一种处理外表预处理问题的有力东西。等离子体不只可用于外表的极点清洁和消毒，它还能够改进生物资料对体外确诊渠道以及生物相容性涂层对体内器械的粘合性。的确，等离子体不只能够活化外表然后有利于细胞或生物分子的固定，还能够反过来产生光滑的外表，然后反抗生物污染，或用于计量药物的制作。等离子体还能够大大前进微流体器械的成效。临床确诊设备上的微通道能够在不影响自身剖析功用的情况下变得对生物流体愈加“滋润”。等离子体相同运用于一些低端技能范畴，例如改进导管的油墨符号，前进注射器针头对针筒的粘合力。其他，由于等离子体是一种干法外表处理技能，不需求处理抛弃的化学品，然后成为了只需极少量消耗品的绿色工艺。在这篇文章中，咱们将评论在体外确诊渠道工业中等离子体技能的功用。咱们将重视等离子体怎么操控外表能量，以及怎么润饰外表化学性然后改进对生物资料的粘附性。在等离子体戏法般的对外表进行改性的背面的科学依据是什么呢？
什么是等离子体？
图1：四种物质状况的示意图。等离子态与气态的底子区别是等离子态能够是电导性的。电子摆脱了原子或分子的引力然后能够经过电子的磕碰来传递能量。
等离子体和固体、液体或气体相同，是物质的一种状况。对气体施加满意的能量使之离化成等离子状况。等离子体的“活性”组分包含：离子、电子、活性基团、激起态的核素（亚稳态）、光子等。操控和驾御这些活性组分集合后的功用可进行各式各样的外表处理，例如纳米级其他清洁、活化外表的滋润性、化学接枝、涂层堆积等。
等离子体的高化学活性用来在不影响基材的情况下改动外表的功用。实践上能够操控这些部别离化的气体所带着的能量，使之含有很低的“热”能。完成的办法是经过把能量与自在电子而不是与更重的离子进行耦合，这样便能够处理对热量灵敏的聚合物，例如聚乙烯和聚丙烯。能量是怎么与气体耦合的呢？大多数情况下是经过在低压环境下在两个电极间施加电场。这就像荧光灯的作业原理，仅有的区别是不让光宣布。咱们分配他的化学功用来处理资料的外表。等离子体也能够在大气压力下产生。在曩昔，大气压等离子体温度太高而不能作为外表处理的东西。最近，改进的技能能够在大气压力下产生低温等离子体，可运用于大多数对温度灵敏的聚合物的处理。
等离子体怎么改动外表的功用？
图 2：作为外表处理东西的等离子体大多数情况下是在一个低压真空腔室内产生。跟着技能的前进在大气压力下产生等离子体现已开端遍及，并且被越来越多的运用。图 2a是PVA Tepla公司的台式低压等离子体体系。这种类型的体系具有先进的功用，很适宜于单元式工业以及实验室中适用。图 2b是 PVATepla公司的大气压等离子体笔的特写。这种规划把电压和电流安全的操控在等离子体笔体内部，它可用于在线式运用或许挑选性的部分处理。
假定一个固体的外表吸附了碳氢污染物。这些污染物很简略与等离子化的氧元素反响。氧进犯吸附的碳氢化合物，然后转变成CO2 和 H2O。图3是一个简略的反响机理。关于易氧化的外表，能够挑选用等离子化的氢气进行外表清洁。氢不只能够把外表的部分有机物变成挥发性的烃，还能够削减铜、镍、银等金属的氧化。
等离子体的化学特性简直取决于质料气体。例如，O2, N2, N2O, CO2等可产生氧化性等离子体。这些气体用于把外表关于极性溶液变得愈加滋润，或许亲水。这是经过等离子体诱导共价的氧键变为羰基、羧基、羟基等官能团来完成的。这些极性官能团可增加外表的能量，因而，可使安排细胞更好的黏附，或许使分配到确诊渠道上的剖析物能够更简略的流过微流体通道。
Ar/H2，NH3等可产生还原性的等离子体。这些气体已证明可有用的活化碳氟化合物，如PTFE。由于PTFE的慵懒和生物相容性，它是制作体内医疗器械的抱负资料。但这些特色又是加工PTFE的不利要素，比如需粘附到组成支架上以促进体内设备上的安排成长。还原性的等离子体可经过下降整个外表的氟浓度，用羟基等官能团置换氟原子来处理这些问题。外表的羟基可供给支撑这些组成支架的定位点。
一些运用需求将主资料进行腐蚀。NF3，SF6，CF4等含氟的气体很适宜用来刻蚀碳氢聚合物、硅以及氧化硅、氮化硅等资料。等离子体除了很强的化学效果之外，直接性的效果也扮演了很重要的人物，带有动能的粒子碰击外表能够去除更多的外表慵懒污染物（例如金属氧化物以及其他无机污染物），以及在恰当的方位使聚合物交联来坚持等离子体处理的效果。
能够经过等离子体增强化学气相堆积（PECVD）工艺来成长聚合物涂层。PECVD是经过在等离子体中活化单体等核素，并诱导它们在工件的基面产生聚合来作业的。PECVD涂层具有防护层、防粘、防划等一些功用。其他有些涂层含有一些特其他官能团，例如-NH3，-OH，-COOH。这些官能团为后续的接枝供给了适宜的接合方位（例如为生物资料而固定蛋白质或传感剂），或许能够前进官能团涂层的结合力（例如抗凝血酶原、光滑、IV型胶原质等）。堆积涂层的外表化学性决议于几十纳米深度的外外表。
等离子体能对IVD渠道做些什么？
等离子体在医疗器械职业中的运用的确是十分广泛的。因而，本文将首要会集在现已过咱们的研发部门证明以及和医疗确诊渠道工业相关的运用范畴。在这个范畴等离子体用来为下流工艺做外表清洁的预备，以及活化外表然后有利于生物资料的粘合。后者经过改动外表极性、接枝特其他官能团或在外表聚合涂层来完成。为了更好的了解等离子体怎么调整外表来满意运用的需求，让咱们来看一些重要的比如。
微流体设备和亲水性
外表能是一种决议滋润性、生物污染易理性等要素的资料功用。一般，具有高外表能的资料是亲水性的，对血浆、细菌细胞悬浮液、缓冲液、油墨、胶水等流体以及各种吸附物和涂层具有滋润性。另一方面，低能量的外表称为疏水性，具有“不粘”的特性。将在下面评论这些“不粘”外表。
一般，微流体设备需求亲水性的外表以便于剖析物能够继续陡峭的流经微通道而抵达勘探和处理部件。这种活动可经过各种抽吸、电浸透、热量、机械等办法来完成。与培养基（见下面）相同，微射流器材由疏水性的聚合资料（丙烯酸、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成。由这些资料的疏水性导致的一个首要问题便是在微通道中捕集的气泡按捺了液体的活动。即便通道用酒精和缓冲液处理过，仍存在气泡问题。用等离子体处理能够氧化微通道的外表，使它们变成亲水性，然后避免气泡的构成。电动抽吸时的外表电荷密度相同会影响活动速率。电动抽吸经过把电能转换为动能的电反响原理来驱动流体经过微通道。带电外表会招引电解液中的带有反性电荷的微粒。这样能够使这些微粒仍保留在流体中，经过电动抽吸而更简略的经过通道。等离子体能够有用地促进带电外表的电泳或电浸透活动。
图 3：上面的反响机理是等离子产生的氧基团进犯吸附在外表的碳氢化合物的简略示意图。还存在很多其它的机理包含不同的氧的激起状况，如自在基态和二价分子。吸附在外表的碳氢化合物能够被等离子体中的电子磕碰所激化，然后供给其他可行的反响途径。
免疫测定、微阵列和安排培养基
用于临床确诊基片的渠道，例如免疫测定、微阵列和细胞培养基等首要是由组成聚合物制作的。从工业上来说，这些资料具有很好的慵懒、安稳的机械性以及很低的本钱一起，它们的外表功用也有固有的局限性。尤其是它们没有适宜的结合点来使生物活化分子或细胞有用的固着在它们的外表。关于固定生物资料以及体外细胞培养来说，有力、均匀分配的结合点是十分重要的先决条件。为了改进组成聚合物渠道的功用，以便于细胞繁衍和双分子的吸附，有必要对它们的外表进行改性。这儿咱们将评论等离子体在对这些剖析设备进行外表改性时所扮演的人物。
等离子体前进细胞成长率
安排培养（细胞取自于动物或植物）在体外成长需求养分、激素、以及其他成长要素，而这些都能够在体内被天然的供给。黏附在固体外表的安排细胞繁衍分散到富含养分的液体培养基中，例如血清（以动物细胞为例）。培养基的外表功用有必要能够使细胞均匀的黏赞同成长。虽然如此，在调理外表功用之前，有必要去除它们的污染物。经过冷却来去除细胞培养渠道的脱模剂、挥发性的碳氢化合物以及其他污染元素，这也是运用等离子体所需的适宜环境。
用于制作培养基的聚合资料固有的疏水性不利于安排细胞的黏附。因而，需求一个亲水的外表。氧化性的等离子体用于增加外表的氧官能团，然后增加它们的极性，使它们趋向于亲水。亲水性的外表能够诱导安排细胞的吸附。亲水性外表吸附安排细胞，诱导它们被吸附。当需求特其他化学功用时，能够进行化学接枝或聚合一些含有所需官能团的单体。咱们将在下面的章节中愈加详细的评论这一点。
图4：左面和中心的图画显现的是未处理的的聚苯乙烯孔。左面的图画显现了细胞黏附不均匀，呈现了细胞集合。中心的图画显现了一部分区域没有黏附上细胞。右侧的图画显现的是经过等离子体处理后的培养基上细胞均匀的黏赞同繁衍。
粗糙的外表具有更大的外表积，在理论上等于含有更多的能够结合细胞的方位。由于一般情况下细胞的巨细在10μm的等级，因而外表的微粗糙化能够明显的前进细胞粘合。纳米级其他外表粗糙化并不能有用地前进细胞的粘合，由于相对来说尺度更大的细胞并不能运用这些增加的纳米级的外表积。可是，一个实在的比如是，纳米级其他粗糙化能够诱导药物产生分解和凋亡。虽然还不清楚详细的原因（或许的原因包含增加了细胞受体的数量以及前进了通往核子的信号途径），但这关于改进注入设备上的安排支架的开展存在重要意义。
在等离子体环境下外表的形状能够被挑选性的改动，既能够经过前进离子撞向外表的加快度，也能够经过化学刻蚀工艺。%&&&&&%耦合射频等离子体中的离子一般情况下是网状方向性的向基体移动。这取决于离子和电子关于产生等离子体的电场极性改动的反响时刻。由于电子比离子轻的多，电子的反响要更快。因而，置于电子移动途径内的基体在等候正离子抵达时将带有负电。由于带有负电荷外表的静电招引效果，正离子将加快移向该外表。经过磕碰，这些离子将能够去除外表上的质料。氩气很适宜用这种办法来微粗糙化外表。能够经过设置等离子体的能量和压力来操控加快离子的能量。例如，使压力前进一毫托能够很明显的削减离子的磕碰能量（假设磕碰能量没有被彻底消除），这样便能够去掉等离子体对外表的粗糙效果。相关于方才所说的氩气，氧气等离子体工艺要细微得多，它的细微的化学刻蚀效果能够用来对聚合资料进行纳米级其他粗糙化。
总归，用等离子体进行外表清洁、活化以及微粗糙化后的归纳效果能够增加细胞黏附（与未处理的基体比较最多可增加30%），使细胞散布的愈加均匀。
用等离子体改进生物分子在免疫测定和微阵列渠道的粘附性
等离子体技能能够处理生物资料在确诊基体上的黏附性问题。它经过给外表供给特其他化学官能团，使生化元素能够耦组成共价键来完成。羧基、羟基和氨基是用等离子体工艺能够简单取得的常见的化学官能团的重要实例。例如，在微列阵工业，氨基能够为作业外表供给可直接黏附核苷（DNA或RNA）和寡核苷酸的粘结点。假如原子间的摆放空间阻挠了结合这些大生物分子，这时能够运用原分子，有时也叫做“键合”。键合能够使生物分子以恰当的结构吸附在外表供给空间。的确，键合分子自身也需求外表被活化以协助它们固着在基体上。一般，氧气等离子体的直接效果就能够满意改进这些分子的结合效果。虽然如此，有时也需求一些特定的官能团。例如，有些捕获剂能够在酸性或碱性环境下很好的作业。假如捕获剂经过羟基进行键合，则可供给酸性环境。相反，氨基能够供给一个碱性的环境。
有两种碱性办法能够使外表带上特定的化学基团。一种办法是经过PEC V D堆积含有所需官能团的涂层，另一种办法是使现有的官能团产生等离子体并使之能够结合在外表上。虽然后边的办法愈加简略，但前者具有更高的外表官能团浓度（10%-20%）。运用氨气作为质料气能够在外表上结合-NH3。甲醇用来结合羟基，一起运用甲醇和CO2能够供给羧基。不幸的是，堆积这些官能团一起会产生一些副反响，然后改动主官能团。例如，氨气等离子体在堆积伯氨基的一起也会堆积季氨、叔胺、腈、亚胺等。这些基团的份额依据等离子体体系和运用的参数改动而改动。虽然如此，这种办法也可供给2-8%的所需官能团。
有时仅供给正确的化学官能团是不行的。氨基可增加外表能量使之愈加呈现出亲水性。有时并不需求过度亲水的外表，例如在微阵列渠道上的凝胶滴剂摆放，由于这些微滴能够湿润外表。这种类型的湿润构成了丑陋的小滴。相同，等离子体能够处理这个问题，经过操控外表能量来坚持小滴的形状，即便在有氨基的情况下。在微列阵渠道的等离子体氨化处理时，在工艺中参加氟元素是一种操控的办法。氟能够束缚渠道的基底并增加它的疏水性，因而可使小滴坚持它的球态。走运的是该工艺既不会影响外表堆积的伯氨浓度，也不会影响凝胶与渠道的共价键合。
图6：等离子体外表处理增加化学官能团：经过把外表暴露在含有特别官能团的等离子体中（可增加2-8%的所需官能团(例如用氨气等离子体增加氨基）)，或经过PECVD运用含有所需官能团的单体来在外表成长涂层（可增加10-29%的官能团）。
免疫测定渠道的形状、尺度和结构会常常产生改动和改动。96和384孔板是最常见的基板类型。等离子体处理是使孔板变得亲水，然后有利于固定抗原、抗体以及其他生物活化小分子。一个潜在的问题是在流体分配时会构成气泡，能够用等离子体来操控。在图7中咱们把两个孔进行比照，（7a）未经等离子体处理，（7b）经过了等离子体处理。孔（7a）含有一个捕集到的气泡。这个气泡会导致分光光度计的读数过错，乃至依据其所占用的空间而有或许溢出到附近的孔内。等离子体能够保证孔内的剖析物彻底被滋润，然后实践上排除了构成气泡的或许性。
上述阶段解说了疏水性的池怎么在剖析液中捕集气泡。可是，过于亲水的池会导致剖析液在毛细效果下爬到渠道层上并或许污染接近的池。有这样一个实例，咱们得到了一个由疏水聚合物制作的免疫测定渠道。这个聚合物供给了许多底部带有金检测器的池孔。在堆积生物传感器之前需求清洁金面，因而需求把渠道暴露在氧气等离子体中。当等离子体对金面进行很好的清洁的一起，它对池孔旁边面有一个欠好的效果，会导致分配的生物传感液在毛细效果下爬到旁边面上。关于等离子工艺工程师来说难点在于在清洁金板的一起要保持池孔壁的亲水程度。能够经过运用混合质料气的等离子体来完成该意图：一方面用来去除金面上的碳氢污染物，另一方面经过增加氟基使孔壁趋向于疏水。不论使命有多困难，工艺的运转现已证明了等离子体外表改性的全能性。
医疗器械需求“不粘”功用
图7：图7a是流体分配到未处理的孔内后捕集到的气泡。疏水性的孔外表常常会捕集空气。图7b显现的是等离子体处理的分配流体时彻底滋润的孔外表。
“不粘”外表的概念在经用厨具职业众所周知。在蒸煮罐的外表涂上一层Teflon?可避免食物粘附在烹饪的外表上。“不粘”的运用规模现已很好的扩展到煎锅产品。体内和体外医疗器械有时需求外表能够阻挠蛋白质或细胞的粘附，以便前进血液相容性。例如，能够经过在外表涂覆类P T F E资料来操控抗凝血酶的活性。
下降外表自在能能够削减外表的吸附力，外表自在能也便是外表能够用来构成化学键的能量。可行的办法之一是涂上低外表能的涂层。碳氟聚合物涂层具有类Teflon?的性质，并且和Teflon?相同都是由(C Fx ) n化学单元组成。这种涂层能够很简略的经过PEC V D粘附在各种资料上。等离子体处理经过在外表聚合碳氟化合物而供给了一个牢靠、生物相容且绿色的削减资料外表能量的办法，且具有高可控性。泵出口处的净化器能够吸收一切出气口处的碳氟化合物。
据报道，过长时刻的DNA与聚丙烯PCR板的交互效果会导致DNA变性。这就意味着当运用聚丙烯简略储存DNA时，时刻过久会下降所储存DNA的质量和数量。研讨标明用氧气等离子体处理后的聚丙烯板会下降对DNA的吸附力。氧气等离子体可使外表带负电荷。人们信任这些负电荷能够排挤人工DNA的硅酸盐主链，这样便可阻挠DNA粘附在外表上。
怎么验证等离子体的效果？
图8：左面的相片为一滴水珠在未经处理的疏水外表上。右边的相片未经过等离子体处理后的同一外表。经等离子体处理后，外表变为亲水性。
接触角丈量是一种广泛运用的丈量外表粘合力的办法。未处理的聚合物外表能较低，滴在这种外表上的水珠呈现出高接触角。这是由于水珠的内聚力强于对外表的粘合力。等离子体处理后的外表的水滴接触角十分低，这是由于经过极性化学官能团的方式增加了外表的能量。这些能量用来粘结水分子，使水珠沿着外表打开。这便是亲水性或滋润性的外表。因而低外表接触角表明外表是可滋润的。
X射线光电子能谱(xps)和外表衍生技能用来确认被所需化学基团润饰的外表的百分比。例如：丙烯胺的外表聚合能够构成氨基。为了确认伯胺的数量，能够经过试剂挑选性的将伯胺氟化。用氟是由于它很简略被xps检测出来，并且它的化学性质没有改动（例如氮能够和含氮的功用团共存）。用xps检测出外表氟的浓度就能够得出外表原有伯胺的浓度。
结束语
多年来，等离子体技能现已运用于半导体职业的微芯片制作范畴。众所周知这些工艺具有很高的复杂性，但等离子体体系很适宜于这种工业。最近，等离子体技能现已延伸到聚合资料范畴。虽然在该范畴等离子体技能具有优势和可操作性，但该运用范畴扩展的很慢。原因之一是一般等离子体办法的本钱高，且约束出产过程的灵活性。现在，等离子体公司不只要求工程师尽量下降产品的本钱，一起要前进产品的灵活性和多功用性。现在的体系可供给批次式和在线式结构，也可供给低压或大气压体系。它们很简略被集成到现有的出产线上，十分简略运用，且只需很低的人力本钱进行操作。
等离子体技能在医疗器械范畴取得了很高的点评，由于它能够很好的对外表进行清洁和改性，实践是它也是一个干法、绿色的工艺。它不再被认为是一种“巫术”或需求进行外表预处理的贵重挑选。这种高效工艺使出产制作变得愈加简略，为未来的技能奠定了柱石。
