鄭晨龍，徐 亞，仇猛淋，龐學(xué)雯，吳正龍，王廣甫,4,*

(1.北京師范大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 射線束技術(shù)與材料改性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 免疫學(xué)系，北京 100191；3.北京師范大學(xué) 分析測(cè)試中心，北京 100875；4.北京市輻射中心，北京 100875)

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碳及碳團(tuán)簇負(fù)離子注入硅橡膠細(xì)胞相容性研究

鄭晨龍1，徐 亞1，仇猛淋1，龐學(xué)雯2，吳正龍3，王廣甫1,4,*

(1.北京師范大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 射線束技術(shù)與材料改性教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 免疫學(xué)系，北京 100191；3.北京師范大學(xué) 分析測(cè)試中心，北京 100875；4.北京市輻射中心，北京 100875)

通過(guò)在GIC4117串列加速器前注入器加裝注入靶架以及掃描系統(tǒng)，建立了低能負(fù)離子注入平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)具有“Charge-up free”優(yōu)點(diǎn)的負(fù)離子以及團(tuán)簇負(fù)離子的注入，從而進(jìn)行了碳及碳團(tuán)簇負(fù)離子注入硅橡膠細(xì)胞相容性研究。水接觸角測(cè)量表明，隨著注入劑量增大到3×1015cm-2，材料表面的水接觸角從108.7°減小到103.1°，表面親水性得到改善。XPS測(cè)試表明，隨著注入劑量的增加，樣品中碳含量逐漸減小，而氧和氮含量逐漸增加?；谏鲜鼋Y(jié)果對(duì)負(fù)離子注入硅橡膠細(xì)胞相容性改善的機(jī)制進(jìn)行了討論，最后在樣品上進(jìn)行了細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，負(fù)離子注入法是一種簡(jiǎn)單、有效提升硅橡膠細(xì)胞相容性的方法。

負(fù)離子注入；硅橡膠；表面改性；XPS；細(xì)胞相容性

負(fù)離子注入技術(shù)，因具有“Charge-up free”的優(yōu)點(diǎn)，使絕緣材料的表面上基本不會(huì)有電荷積累，一般表面充電電壓在正負(fù)幾伏之間，從而不會(huì)形成電荷放電現(xiàn)象。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得負(fù)離子注入技術(shù)相較于正離子注入技術(shù)在很多方面有著更好的應(yīng)用前景，如集成電路、粉末表面改性等[1]。近期，這項(xiàng)技術(shù)也用于聚合材料細(xì)胞相容性改善的研究中[2-4]。

在整形外科臨床應(yīng)用中，硅橡膠(SR)因具有良好的理化穩(wěn)定性、生理惰性、易加工性和耐腐蝕性，是目前臨床最常用的填充材料[5]。然而，SR表面呈強(qiáng)烈的疏水性，導(dǎo)致其與組織細(xì)胞的相容性較差，使得其很難與生物組織結(jié)合生長(zhǎng)，加之纖維結(jié)締組織在材料周圍形成包囊，并隨時(shí)間增厚、攣縮，易導(dǎo)致植入材料變形、移位。因此，對(duì)硅橡膠材料進(jìn)行合適的材料表面改性，增強(qiáng)其細(xì)胞相容性，以提高軟組織材料填充后的臨床治療效果，具有重要的意義[6]。對(duì)于硅橡膠材料的表面改性，可采取等離子體處理、接枝共聚、仿生涂層等方法，但均有一定的缺陷，如步驟繁瑣、條件不易控制、基材溫度不易控制等。離子注入方法因能避免上述方法中的缺餡，被用于提高硅橡膠表面的細(xì)胞相容性的研究中[7-9]。

本文通過(guò)在北京師范大學(xué)GIC4117串列加速器前注入器加裝注入靶架和掃描系統(tǒng)，建立具有“Charge-up free”優(yōu)點(diǎn)的低能負(fù)離子及團(tuán)簇負(fù)離子注入平臺(tái)，并利用該平臺(tái)開(kāi)展碳及碳團(tuán)簇負(fù)離子注入改性硅橡膠細(xì)胞相容性的研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 系統(tǒng)搭建

為實(shí)現(xiàn)多樣品、高效率的低能負(fù)離子和團(tuán)簇負(fù)離子的注入，對(duì)北京師范大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的GIC4117型串列加速器前注入器部分進(jìn)行改造。改造后的系統(tǒng)主要由銫濺射源、分析磁鐵、靜電掃描系統(tǒng)以及樣品臺(tái)組成(圖1)。銫經(jīng)過(guò)熱源加熱蒸發(fā)與外包鉭殼的高溫電離絲接觸失去其最外層電子，電離后的Cs+離子經(jīng)陰極的吸引撞擊靶物質(zhì)，從而從石墨中濺射出碳負(fù)離子，最后從20 keV的提取電極引出離子源[10-11]。碳負(fù)離子由銫濺射源產(chǎn)生后，經(jīng)分析磁鐵的篩選，由x、y方向上的兩個(gè)靜電掃描板進(jìn)行電場(chǎng)掃描，使束流在樣品上更均勻，保證了注入的均勻性。經(jīng)掃描的束流在經(jīng)一16 mm直徑的光欄后，到達(dá)樣品臺(tái)。

圖1 注入系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of implantation system

1) 樣品臺(tái)設(shè)計(jì)

在GIC4117串列加速器前法拉第筒位置真空管道上、下各有一直徑不足16 mm的法拉第筒備用安裝圓孔，使用這兩個(gè)圓孔作為樣品臺(tái)的安裝位置，設(shè)計(jì)加工了負(fù)離子注入樣品臺(tái)。由于前注入器僅一套真空系統(tǒng)，且同樣品臺(tái)之間無(wú)真空隔離閥，每次換樣破壞真空時(shí)需關(guān)閉真空系統(tǒng)，離子源的真空無(wú)法維持，必須關(guān)掉離子源；換樣后需抽真空、加離子源再進(jìn)行負(fù)離子注入，致使每次更換樣品時(shí)間較長(zhǎng)。所以在設(shè)計(jì)上希望樣品臺(tái)能裝載多個(gè)樣品，提高注入樣品的效率。

樣品臺(tái)示意圖示于圖2,上部是一不銹鋼材料的圓柱套管，通過(guò)與其中的絲杠配合實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)換樣的功能。底部是一由聚氧亞甲基材料制作的絕緣套管，將樣品臺(tái)同地電位絕緣，以便測(cè)量束流積分，其與金屬桿接觸的部分由一橡皮圈進(jìn)行真空密封。中間金屬桿的下部加工為半圓柱，半圓柱的平面用于放置樣品。通過(guò)上述設(shè)計(jì)，在20 cm的有效區(qū)域內(nèi)可放置7、8個(gè)1 cm2的樣品。進(jìn)行負(fù)離子注入前，在側(cè)方將法拉第筒拉出，通過(guò)上下移送樣品臺(tái)，使待注入樣品移到原有法拉第筒位置即可進(jìn)行負(fù)離子注入。需將負(fù)離子提供給串列加速器時(shí)，只需將樣品臺(tái)提升到底部高于前法拉第筒的位置，就不會(huì)影響加速器前注入器的正常工作。

圖2 注入樣品臺(tái)示意圖Fig.2 Schematic diagram of implantation sample carrier

2) 靜電掃描系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)完成樣品臺(tái)后進(jìn)行測(cè)試性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)注入的均勻性不好，特別當(dāng)引出電壓較低、團(tuán)簇離子的質(zhì)量數(shù)較大時(shí)尤為明顯。為提高注入均勻性，在雙45°開(kāi)關(guān)磁鐵之間加裝了一x方向的靜電掃描板，將原加速器上的y方向?qū)蚱饔米鱵方向的靜電掃描板。系統(tǒng)使用美國(guó)National Electrostatics Corp公司的Raster Scanner Electronics掃描電源，x方向掃描頻率517 Hz，y方向掃描頻率64 Hz。通過(guò)加裝靜電掃描系統(tǒng)，使離子束束斑在樣品上掃描，提高了注入均勻性。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在材料表面物理特性的表征中，材料表面的親水性能被認(rèn)為與細(xì)胞吸附性有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，而親水性能可簡(jiǎn)單地由水接觸角進(jìn)行表征。在水接觸角測(cè)量中，樣品先在超凈間經(jīng)無(wú)水酒精擦拭，后被轉(zhuǎn)移到載玻片上。使用德國(guó)Dataphysics公司的OCA15EC光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x，在30 ℃的環(huán)境下使用去離子水對(duì)樣品進(jìn)行水接觸角測(cè)量。

為得到樣品表面的元素含量信息，對(duì)不同劑量的注入樣品使用Thermofisher公司的Escalab 250Xi進(jìn)行XPS的分析，通過(guò)對(duì)比注入前后樣品全譜圖、C 1s峰以及各元素組成的變化，對(duì)樣品材料改性的機(jī)制進(jìn)行討論。

為證明該方法能有效改善材料表面的細(xì)胞相容性，將注入劑量為3×1015cm-2和無(wú)注入的兩片樣品分別放入培養(yǎng)皿進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，樣品首先被70%的酒精浸泡30 min滅菌，再用無(wú)菌水沖洗兩次。然后加入含有10%滅活胎牛血清的細(xì)胞培養(yǎng)基(DMEM)，之后3.7×105個(gè)宮頸癌細(xì)胞(HeLa)被接種在里面，放入37 ℃、5%的二氧化碳孵箱中培養(yǎng)24 h。培養(yǎng)完成后，首先吸棄原培養(yǎng)液，然后加入磷酸緩沖鹽水(PBS)，最后加入Hoechest 33342熒光染液5 min，對(duì)細(xì)胞的細(xì)胞核進(jìn)行染色。之后使用熒光顯微鏡(Olympus IX51)進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 水接觸角測(cè)量

離子注入；離子注入

通過(guò)測(cè)量可看出，經(jīng)處理后的硅橡膠板，其接觸角從108.7°下降到了103.1°，有5°左右的降低(圖4)。可見(jiàn)，經(jīng)碳離子注入后，材料的親水性有明顯的改善。

2.2 XPS測(cè)量分析

a——注入前；b——注入后

a——注入前；b——注入后

圖6 硅橡膠元素含量在20 keV注入能量下隨注入劑量的變化Fig.6 Element content of silicon rubber before and after implantation at 20 keV

通過(guò)對(duì)照注入與未注入的SR片，發(fā)現(xiàn)注入后樣品中出現(xiàn)了N元素(圖5b)，且其含量隨著注入劑量的升高而升高(圖6b)。樣品注入后，并未接觸到任何含氮的試劑，因此，認(rèn)為樣品經(jīng)碳負(fù)離子注入后，表面的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)遭到破壞，發(fā)生斷裂，形成了許多自由基。這些自由基也與空氣中氮原子反應(yīng)，形成了親水的官能團(tuán)，如—NH2，從而造成XPS譜圖中出現(xiàn)N峰。這可能是使得硅橡膠表面親水性得到改善的另一個(gè)原因。

2.3 細(xì)胞培養(yǎng)測(cè)試

a——未注入樣品；離子注入劑量為3×1015 cm-2的樣品

對(duì)實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)樣品進(jìn)行了宮頸癌細(xì)胞培養(yǎng)并在熒光顯微鏡下進(jìn)行了觀察(圖7)，可看到改性前后的樣品上面所粘附的細(xì)胞數(shù)量差異明顯，說(shuō)明使用碳負(fù)離子注入，對(duì)硅橡膠材料的細(xì)胞相容性的改善非常明顯。因此，使用碳負(fù)離子注入進(jìn)行細(xì)胞相容性的改善是一簡(jiǎn)單實(shí)用的辦法。

3 結(jié)論

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Cell Biocompatibility Study of Silicon Rubber by Carbon and Cluster Carbon Negative Ion Implantation

ZHENG Chen-long1, XU Ya1, QIU Meng-lin1, PANG Xue-wen2,WU Zheng-long3, WANG Guang-fu1,4,*

(1.KeyLaboratoryofBeamTechnologyandMaterialModification,MinistryofEducation,CollegeofNuclearScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.DepartmentofImmunology,PekingUniversitySchoolofBasicMedicalSciences,Beijing100191,China;3.Analytical&TestingCenter,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;4.BeijingRadiationCenter,Beijing100875,China)

A negative cluster ion implantation system with “Charge-up free” characteristic was established by installing a sample holder and an electrostatic scanner on the injector of the GIC4117 tandem accelerator. The carbon and cluster carbon negative ion implantation was used for surface modification study of cell biocompatibility of silicon rubber (SR). The measure of water contact angle shows, with an increase in dose up to 3×1015cm-2, the water contact angle decreases from about 108.7° to 103.1° and the surface hydrophilicity is promoted. The XPS results indicate, with an increase in dose, the surface composition of carbon atoms decreases while oxygen and nitrogen atoms fraction increases. Based on above results, the mechanism of negative ion implantation cell biocompatibility modification of SR was discussed. Finally, cells were cultured on the sample, and the result shows that negative ion implantation is a convenient and effective method to improve cell biocompatibility of SR.

negative ion implantation; silicon rubber; surface modification; XPS; cell biocompatibility

2014-08-19;

2014-12-16

北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1142006)

鄭晨龍(1988—)，男，四川仁壽人，碩士研究生，核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)

*通信作者：王廣甫，E-mail: guangfu_w@bnu.edu.cn

TL99

A

1000-6931(2015)07-1309-06

10.7538/yzk.2015.49.07.1309