将硅化技术转化为类液滑涂层：提升医药与医疗器械表面性能的新策略

本研究针对工业硅化技术过度关注疏水性而忽视接触线摩擦的问题，开发了一种基于Sigmacote?的喷雾涂层方法（SoSLIC），可在玻璃（G）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚氨酯（PU）和不锈钢（SS）表面实现超低接触角滞后（ΔθCAH < 3°）的类液滑涂层。通过分子封端（甲基化）技术，成功将水滴动力学从高动能摩擦转换为低动能摩擦状态，显著提升了液体滑落性能。该研究为医药包装和医疗设备表面处理提供了创新解决方案，对抑制蛋白质吸附和生物膜形成具有重要意义。

　　

在医药和医疗器械领域，硅化技术（siliconization）长期以来被广泛应用于表面处理，旨在通过涂覆医用级硅油或聚二甲基硅氧烷（PDMS）层来实现润滑、产品完全排空以及抑制蛋白质吸附和生物膜形成等功能。然而，传统工业硅化过程主要聚焦于优化疏水性（hydrophobicity），而忽视了液体滑落性能的关键影响因素——静态和动态接触线摩擦（contact line friction）。这种局限性导致现有技术无法有效解决实际应用中的液滴残留和运动阻力问题，特别是在注射器筒、导管等医疗设备中。

为了突破这一技术瓶颈，来自英国爱丁堡大学工程学院的Hernán Barrio-Zhang等研究人员开展了一项创新研究，通过改进硅化技术，开发出具有超低接触角滞后（ultra-low contact angle hysteresis）的类液滑涂层（slippery liquid-like coatings）。这项研究不仅成功将工业硅化技术与前沿的液滑表面科学相结合，还为医药包装和医疗器械表面处理提供了新的解决方案。相关成果发表在《Progress in Oceanography》上。

研究人员采用喷雾涂层技术（spray-on coating）结合表面活化处理，在玻璃（G）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚氨酯（PU）和不锈钢（SS）四种典型医药材料上实现了超低接触角滞后（Δθ_CAH < 3°）的类液滑涂层。通过分子封端（methylation）处理，进一步改善了涂层的动力学摩擦特性。关键技术包括：氧等离子体表面活化、Sigmacote?溶液喷雾涂层、接触角滞后测量、液滴滑动动力学分析以及椭圆偏振仪膜厚测量。

1. 引言

硅化技术在医药行业中主要通过三种方式实现：油性硅化、烘烤硅化和有机聚硅氧烷硅化流体。虽然这些技术能够提供一定的疏水性和润滑性，但都存在接触角滞后（Δθ_CAH）过高、动态摩擦性能不佳等问题。近年来，液滑表面研究领域取得了重要进展，特别是通过共价接枝短聚合物链形成的类液滑涂层，展现出超低接触角滞后和优异的液滴滑落性能。然而，工业硅化技术与这些前沿成果之间缺乏有效结合。

2. 液滴-固体摩擦与类液滑表面概念

根据Young定律，理想光滑表面的液滴存在唯一的平衡接触角（θ_e）。然而实际表面由于化学和拓扑不均匀性，会产生接触角滞后（Δθ_CAH = θ_A - θ_R），这是决定液滴运动阻力的关键因素。研究表明，液滴的侧向钉扎力（F_p）与Δθ_CAH成正比。类液滑表面通过接枝玻璃化转变温度低于室温的短聚合物链，形成柔性蘑菇状构象（mushroom conformation），从而实现超低接触角滞后（Δθ_CAH < 5°）。

3. 实验部分

研究采用四种基底材料：玻璃载玻片、PDMS（聚合物与交联剂比例10:1）、聚氨酯导管和304S15不锈钢。通过标准硅化程序（SCP）和新开发的喷雾硅化类液滑涂层（SoSLIC）方法进行表面处理。关键步骤包括：基底清洗、氧等离子体活化、Sigmacote?溶液喷雾涂覆（三层）和分子封端处理。采用体积变化测角法测量接触角滞后，通过倾斜基底上的液滴滑动实验表征动力学摩擦性能。

4. 结果与讨论

未涂层基底表现出较大的接触角滞后（Δθ_CAH ～ 10°-22°）。标准硅化处理后，接触角滞后虽有降低但仍较高（Δθ_CAH ～ 10°-22°）。采用SoSLIC方法后，所有四种材料都实现了超低接触角滞后（Δθ_CAH < 3°），钉扎力降低了90%-95%。椭圆偏振测量显示SoSLIC涂层厚度为18.5 ± 0.4 nm，优于标准硅化涂层的3.5 ± 2.4 nm。

研究还发现SoSLIC涂层可作为底层，进一步接枝SOCAL（Slippery Omniphobic Covalently-Attached Liquid）和QLS（Quasi-Liquid Surfaces）涂层。分子封端处理能将羟基封端的PDMS链转化为甲基封端，显著改善动力学性能：SOCAL涂层液滴滑动速度提高55倍，SoSLIC涂层提高4倍，且后者最终速度达到前者的4倍。

5. 结论

该研究成功开发了一种基于喷雾涂覆的硅化技术，可在多种医药材料表面实现超低接触角滞后的类液滑涂层。通过分子封端处理，进一步改善了涂层的动力学摩擦特性。这项工作的重要意义在于：首先，它将工业硅化技术与前沿表面科学相结合，解决了传统技术忽视接触线摩擦的问题；其次，提供了一种简单易行的表面处理方法，适用于玻璃、PDMS、聚氨酯和不锈钢等多种材料；最后，通过分子封端技术实现了从高动能摩擦向低动能摩擦的转变，为改善医疗设备的液体滑落性能提供了新途径。

这项研究不仅对医药包装和医疗器械的表面处理具有直接应用价值，也为类液滑涂层在抑制蛋白质吸附和生物膜形成方面的应用奠定了基础。未来可进一步探索这些涂层在复杂生物流体环境中的性能表现，以及在实际医疗设备中的长期稳定性和生物相容性。