滅菌劑量下γ射線輻照對(duì)環(huán)烯烴共聚物的影響及機(jī)理研究

張 帆 季珎琰 沈蓉芳 邢 哲 吳國(guó)忠,3

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

3（上?？萍即髮W(xué) 上海201210）

環(huán)烯烴共聚物（Cyclic Olefin Copolymer，COC）是一種高品質(zhì)的熱塑性塑料，具有良好的化學(xué)惰性和生物相容性、透光率高（>90%）、密度小和易加工成型等優(yōu)點(diǎn)，成為醫(yī)療、包裝、光學(xué)、微電子等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用材料［1?4］。目前，COC 已在歐、美等發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器具和藥物包裝，特別是預(yù)灌裝注射器需求呈增長(zhǎng)趨勢(shì)［5］。在我國(guó)COC的生產(chǎn)和應(yīng)用都處在起步階段，對(duì)預(yù)灌裝注射器的需求快速增長(zhǎng)。全球的2019 冠狀病毒病（Corona Virus Disease 2019，COVID-19）疫情對(duì)疫苗的旺盛需求更加速了這一趨勢(shì)［6］。

醫(yī)療器械和藥品包裝需要進(jìn)行滅菌處理，以保證生物安全性。輻照滅菌具備無(wú)須解析時(shí)間、滅菌效率高、無(wú)須拆開包裝、可連續(xù)作業(yè)、操作方便等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為醫(yī)療器械的主流滅菌方式［7?8］。盡管輻照滅菌有效劑量通常小于25 kGy，對(duì)未添加輻照穩(wěn)定劑的聚合物材料而言，仍是不小的挑戰(zhàn)［9?10］。COC分子鏈由柔性好的乙烯鏈段和剛性的降冰片烯單元組成，輻照滅菌過程中射線斷裂分子鏈，引發(fā)自由基和生色基團(tuán)，導(dǎo)致降解、變色等性能劣化現(xiàn)象。Ka?arevi? 等［11］在空氣中用γ 射線輻照COC，吸收劑量100~200 kGy，發(fā)現(xiàn)輻照后COC 中生成了酮類和醛 類 氧 化 產(chǎn) 物。?e?erov 等［12］發(fā) 現(xiàn) 吸 收 劑 量 為500 kGy（輻照滅菌劑量上限的20 倍）時(shí)，COC 分子鏈發(fā)生交聯(lián)，凝膠含量約23%，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg隨吸收劑量增加而上升。Cerrada等［13］利用10 MeV電子束在空氣氣氛室溫下輻照COC，吸收劑量從34 kGy增加到233 kGy。低吸收劑量時(shí)COC以輻射降解為主，吸收劑量高于167 kGy時(shí)COC發(fā)生支化，并未觀察到明顯的交聯(lián)。Barakat 等［14］通過10 MeV電子加速器對(duì)添加多酚抗氧化劑的COC輻照，研究發(fā)現(xiàn)，吸收劑量低于25 kGy時(shí)，COC以降解為主；吸收劑量在25~150 kGy范圍內(nèi)交聯(lián)占優(yōu)勢(shì)；輻照后多酚抗氧化劑顯著減少。Chodur 等［15］研究了電子束輻照對(duì)COC 熱穩(wěn)定性的影響（吸收劑量25~150 kGy），發(fā)現(xiàn)在氧氣中輻照對(duì)COC的熱穩(wěn)定性影響更顯著；輻照交聯(lián)有抑制氧化的效果；添加酚類抗氧化劑顯著提高COC 的熱氧化穩(wěn)定性。Barakat等［16］將COC膜浸泡在藥物溶液中72 h后，分析溶液吸光度沒有明顯變化，認(rèn)為輻照COC膜產(chǎn)生的降解產(chǎn)物不會(huì)進(jìn)入藥物溶液；輻照后COC的表面粗糙度顯著增加，且潤(rùn)濕性增強(qiáng)，但沒有證據(jù)表明潤(rùn)濕性增強(qiáng)會(huì)對(duì)藥物產(chǎn)生吸附影響。文獻(xiàn)中，COC輻射效應(yīng)研究主要關(guān)注于γ射線和電子束作用下COC的交聯(lián)和降解現(xiàn)象、抗氧化劑對(duì)COC輻射氧化的抑制作用以及輻解產(chǎn)物對(duì)藥物安全性的影響。迄今未有文獻(xiàn)對(duì)自由基反應(yīng)機(jī)理和宏觀性能進(jìn)行深入探討。

本工作從自由基反應(yīng)機(jī)理出發(fā)，研究了空氣氣氛下γ射線輻照（輻照滅菌劑量范圍）后COC的自由基反應(yīng)、顏色變化、輻射降解程度以及宏觀性能變化。通過傅里葉變換紅外光譜、X射線光電子能譜、紫外-可見吸收光譜法、電子自旋共振波譜、差示掃描量熱分析、熱重分析、凝膠滲透色譜、水接觸角和熔體質(zhì)量-流動(dòng)速率測(cè)量等方法對(duì)輻照滅菌過程中COC 化學(xué)結(jié)構(gòu)、自由基、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、熱穩(wěn)定性、分子量分布、表面性質(zhì)以及熔融指數(shù)進(jìn)行測(cè)定。從輻射電離產(chǎn)生的自由基反應(yīng)解釋COC的變色、降解以及性能變化，對(duì)COC在醫(yī)療器材領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

環(huán)烯烴共聚物為乙烯-降冰片烯共聚物TOPAS COC 5013L-10（圖1），降冰片烯摩爾比為46%，購(gòu)自日本寶理塑料株式會(huì)社（Polyplastics）。TOPASCOC 5013L-10 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為129.1 ℃，分子量（Mn）為71 015 g·mol?1。COC 粒料經(jīng)平板硫化機(jī)180 ℃熱壓成1 mm的薄板。

圖1 COC(TOPAS 5013)的分子式Fig.1 Molecular formular of the COC sample(TOPAS 5013)

1.2 γ射線輻照

使用中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所的60Co γ射線源，活度4.105 PBq，在室溫空氣中照射COC 樣品，劑 量 率 為2 kGy·h?1，總 吸 收 劑 量 為2 kGy、4 kGy、8 kGy、14 kGy和24 kGy。

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 COC的自由基表征

將COC粒料裝入直徑5 mm、長(zhǎng)度200 mm的玻璃管中。采用X波段的JES-FA200型電順磁共振波譜儀（Electron Spin Resonance，ESR）進(jìn)行自由基信號(hào)測(cè)試。微波頻率為9 100 MHz、功率為0.001 W。調(diào)制頻率為100 kHz，調(diào)制幅度為0.35 mT，中心磁場(chǎng)為324 mT，掃描寬度為±25 mT。采用JEOL 標(biāo)準(zhǔn)樣品TEMPOL（1.00×10?6mol·L?1，以苯為溶劑）標(biāo)定樣品中自由基濃度。

1.3.2 COC的化學(xué)結(jié)構(gòu)表征

使用Bruker Tensor 207 型傅里葉-紅外光譜儀（Fourier Transform InfraRed，F(xiàn)T-IR）在全反射模式下進(jìn)行COC 薄板化學(xué)結(jié)構(gòu)表征，波數(shù)范圍為600~4 000 cm?1，分辨率為4 cm?1，掃描次數(shù)為32次。

1.3.3 接觸角測(cè)試

COC 表面水接觸角測(cè)試（Water Contact Angle，WCA）使用Attension Theta 系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。以2 μL去離子水液滴測(cè)定水接觸角。每個(gè)COC 薄板樣品測(cè)量5 個(gè)不同的位置，并使用平均值以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.3.4 X射線光電子能譜表征

采用PHI-5702 電子能譜儀采集X 射線光電子能譜（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS），激發(fā)源為Al Kα線。使用XPS PEAK41 分峰軟件對(duì)高分辨核殼層能譜圖數(shù)據(jù)進(jìn)行分峰處理。

1.3.5 COC的紫外-可見吸收光譜分析

使用Evolution 200 Thermo Scientific 型紫外可見分光光度儀（Ultraviolet–visible spectroscopy，UV-vis）測(cè)試輻照前后COC 樣品的吸光度。波長(zhǎng)掃描范圍200~800 nm。

1.3.6 COC的熱性能分析

使用Netzsch TG 209 F3 型熱重分析儀（Thermal Gravimetric Analyzer，TGA）測(cè)定COC 的熱穩(wěn)定性，測(cè)試溫度范圍100~800°C，升溫速率10 °C·min?1，氮?dú)饬魉?0 mL·min?1。使用Mettler DSC 3 型差示掃描量熱儀（Differential Scanning Calorimetry，DSC）測(cè)定COC 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），測(cè) 試 溫 度 范 圍30~330° C，升 溫 速 率10°C·min?1，氮?dú)饬魉?0 mL·min?1。

1.3.7 COC的分子量表征

將輻照前后的COC 粉末樣品在室溫下溶于甲苯中，用Waters Breeze 2 型凝膠滲透色譜儀（Gel Permeation Chromatography，GPC）測(cè)定COC 分子量。標(biāo)準(zhǔn)樣品為PS，記錄凝膠色譜圖和各平均分子量。

1.3.8 COC的熔融指數(shù)測(cè)試

用ZXNR-400A 熔體流動(dòng)速率儀測(cè)定不同吸收劑量COC 的熔體流動(dòng)速率（Melting Flow Rate，MFR）。溫度設(shè)定260 ℃，載荷2.16 kg，記錄30 s 內(nèi)流過樣品的質(zhì)量，在每個(gè)樣品測(cè)試8次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 γ射線輻照誘導(dǎo)形成自由基的機(jī)理

圖2（a）是不同吸收劑量的COC 樣品的ESR 譜圖。從譜圖中可以看到，COC的ESR譜線由對(duì)稱的三重峰譜線與不對(duì)稱譜線疊加而成，其中譜線的不對(duì)稱部分歸因于氧化產(chǎn)生的過氧自由基［10，17?21］。說(shuō)明COC 經(jīng)輻照引發(fā)的自由基為烷基自由基和過氧自由基。在實(shí)驗(yàn)劑量范圍內(nèi)，自由基濃度隨吸收劑量的增加而增大，從1.71×1017spins·g?1增加到4.18×1018spins·g?1，而且在最大劑量時(shí)樣品中自由基仍未達(dá)到飽和。在空氣中輻照時(shí)，γ 射線切斷COC 分子鏈中的碳-氫鍵和碳-碳鍵，產(chǎn)生大量的烷基自由基，其中叔碳位點(diǎn)的碳?xì)滏I發(fā)生斷裂生成的叔碳自由基，由于空間位阻導(dǎo)致遷移受限難以耦合，與氧氣反應(yīng)生成過氧自由基，引發(fā)后續(xù)系列反應(yīng)生成酮、醛和羧酸等氧化產(chǎn)物［22?24］。

圖2 空氣中輻照COC的ESR譜(a)及COC的自由基濃度與吸收劑量之間的關(guān)系(b)Fig.2 ESR spectra of COC irradiated in air(a),dependence of free radical concentrations in the irradiated COC samples on absorbed dose(b)

圖3 顯示了輻照前后COC 的ATR-FTIR 光譜變化。波數(shù)1 454 cm?1歸屬于?CH2?彎曲振動(dòng)，1 725~1 699 cm?1歸 屬 于C=O 伸 縮 振 動(dòng)，2 866 cm?1和2 943 cm?1分別歸屬于?CH2?的對(duì)稱和不對(duì)稱拉伸振動(dòng)，3 900~3 566 cm?1歸屬于O?H伸縮振動(dòng)。未輻照樣品中的弱的羰基和羥基特征吸收峰來(lái)自熱壓成型時(shí)空氣中氧氣引起的氧化。在空氣中輻照，氧氣分子與COC中自由基反應(yīng)生成氧化產(chǎn)物，導(dǎo)致羰基和羥基特征吸收峰強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，表明空氣中輻照后COC中引入了羰基和羥基。

圖3 COC在空氣中輻照前后的ATR-FTIR光譜Fig.3 ATR-FTIR spectra of the COC before and after irradiation in air

2.2 γ輻照對(duì)COC吸收波長(zhǎng)的影響

輻照前后COC的顏色變化如圖4（a）所示，輻照前COC 無(wú)色透明，輻照后呈現(xiàn)淺黃綠色，而且隨著吸收劑量增大，顏色逐漸加深。不同吸收劑量的COC 樣品的紫外-可見吸收光譜如圖4（b）所示，隨著吸收劑量增大，最大吸收波長(zhǎng)也從287.57 nm增大到300.98 nm。COC 的吸收光譜中多個(gè)吸收帶疊加，每個(gè)吸收帶對(duì)應(yīng)特定類型的共軛結(jié)構(gòu)，最大吸收波長(zhǎng)紅移可以解釋為COC 在輻照氧化后生成的碳氧雙鍵n-π*類型電子躍遷所導(dǎo)致。除此之外，輻照后COC 在400 nm 附近的紫色光范圍內(nèi)出現(xiàn)新吸收峰，峰強(qiáng)度隨著吸收劑量的增加而增強(qiáng)，并在24 kGy時(shí)發(fā)展為一個(gè)清晰的小峰，故COC樣品呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)的黃綠色。在輻照過程中COC分子鏈被打斷，產(chǎn)生不同種類的自由基，并最終生成不同分子量的氧化產(chǎn)物。因此COC 顏色的變化可以認(rèn)定為由含有碳氧雙鍵結(jié)構(gòu)的生色基團(tuán)［21］和由自由基［25?26］共同導(dǎo)致。

圖4 在室溫下空氣中COC輻照前后的顏色變化(a)和紫外-可見吸收光譜變化(b)Fig.4 Changes in color(a)and UV-visible absorption spectra(b)of COC before and after irradiation with different doses in air at room temperature

2.3 γ射線輻照前后表面性能的變化

圖5 顯示了不同吸收劑量COC 的XPS 譜。COC 的XPS 中的C1s峰分為3 個(gè) 峰［26］，分別位于285.20 eV、286.20 eV 和289.80 eV，對(duì)應(yīng)于碳碳單鍵（C1）、碳氧單鍵（C2）和碳氧雙鍵（C3）。表1列出了不同吸收劑量的COC 表面碳、氧元素比例。輻照后COC 表面的化學(xué)成分發(fā)生變化，隨著吸收劑量增加，C2和C3峰的強(qiáng)度增加。γ射線切斷碳?氫鍵和碳?碳鍵，產(chǎn)生烷基類自由基；在有氧條件下氧分子與自由基迅速反應(yīng)生成過氧自由基，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為分子鏈較短的含氧產(chǎn)物，導(dǎo)致碳?氧單鍵和碳?氧雙鍵含量增加，表面O/C值升高。

圖5 室溫空氣環(huán)境下COC的XPS譜隨輻照吸收劑量的變化(a)0 kGy，(b)2 kGy，(c)4 kGy，(d)8 kGy，(e)14 kGy，(f)24 kGyFig.5 Variations of the XPS spectra of the irradiated COC samples with absorbed dose in air at room temperature(a)0 kGy,(b)2 kGy,(c)4 kGy,(d)8 kGy,(e)14 kGy,(f)24 kGy

表1 利用XPS光譜測(cè)定不同吸收劑量的COC表面碳、氧含量Table 1 Percentage of carbon and oxygen on the surface of the COC samples with different dose determined by XPS

對(duì)輻照前后COC 樣品表面進(jìn)行水接觸角測(cè)試考察COC 親水性變化，結(jié)果如圖6 所示。接觸角主要取決于表面粗糙度和表面極性，選每一樣板的5個(gè)位置進(jìn)行測(cè)試，減少樣品表面測(cè)試位點(diǎn)差異所帶來(lái)的誤差。隨著吸收劑量增大，樣品表面的水接觸角逐漸減小，24 kGy時(shí)，接觸角降低了8.28%。由于輻照前后COC樣品表面粗糙度無(wú)顯著變化，表明輻照后COC 樣品表面極性增強(qiáng)導(dǎo)致水接觸角減小。輻照氧化產(chǎn)物有助于提升COC的表面親水性。

圖6 吸收劑量對(duì)COC樣品表面水接觸角的影響Fig.6 Effect of absorbed dose on the surface water contact angle of the irradiated COC samples

2.4 γ輻照對(duì)COC熱穩(wěn)定性的影響

圖7（a）是不同吸收劑量的COC 樣品的DSC 曲線。隨吸收劑量增加，輻照COC的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度呈下降趨勢(shì)，從129.1 ℃降到126.1 ℃。輻照過程中由于輻射降解，COC 分子量減小，分子鏈運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，引起玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低［27?30］。圖7（b）為COC 樣品的TG 曲線，呈現(xiàn)為一級(jí)失重臺(tái)階。輻照后樣品的初始分解溫度（失重5%對(duì)應(yīng)的分解溫度，Tloss，5%）由未輻照時(shí)的427.0 ℃下降到了24 kGy 時(shí)的423.2 ℃，變化幅度較小。整體來(lái)看，實(shí)驗(yàn)劑量范圍內(nèi)γ輻照對(duì)COC的熱穩(wěn)定性能影響較小。

圖7 COC樣品輻照不同吸收劑量后的DSC(a)和TG(b)圖譜變化Fig.7 Changes of DSC(a)and TG(b)spectra of irradiated COC with absorbed doses

2.5 γ輻照對(duì)COC分子量變化和黏度的影響

對(duì)輻照前后樣品進(jìn)行GPC測(cè)試，結(jié)果如圖8（a）所示。隨著吸收劑量增加，COC 的數(shù)均分子量-----Mn、重均分子量-----Mw和峰值分子量Mp都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表2 列出輻照前后COC 的峰值、數(shù)均和重均分子量數(shù)值。當(dāng)吸收劑量為24 kGy時(shí)，COC的峰值分子量從1.11×105g·mol?1下降到9.71×104g·mol?1，為初始值的87.48%。在輻照中COC 分子鏈斷裂生成長(zhǎng)鏈自由基，自由基向小分子轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致分子量降低；或者自由基與氧氣接觸反應(yīng)，生成過氧自由基，并進(jìn)一步反應(yīng)生成過氧化物、氫過氧化物和氧化物，導(dǎo)致分子量降低。

表2 不同吸收劑量輻照COC的分子量Table 2 Molecular weight of the irradiated COC with different absorbed dose

圖8 不同吸收劑量COC的分子量分布(a)和熔融指數(shù)變化(b)Fig.8 Changes of molecular weight distribution(a)and melt index(b)of the irradiated COC with different absorbed doses

為進(jìn)一步探究輻照對(duì)COC降解程度的影響，測(cè)試了COC的熔融指數(shù)，如圖8（b）所示。輻照后樣品的熔融指數(shù)與分子量和分子鏈支化程度有關(guān)，分子量越大、分子鏈支化程度越高，熔融指數(shù)越小。COC在未輻照時(shí)的熔融指數(shù)為25.00 g/10 min。輻照后COC的熔融指數(shù)隨吸收劑量的增加而增大，24 kGy時(shí)熔融指數(shù)升高到42.20 g/10 min。輻照COC 的熔體流動(dòng)性增強(qiáng)，說(shuō)明COC輻照裂解趨勢(shì)明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

1）COC 經(jīng)過60Co 源輻照，產(chǎn)生大量自由基，吸收劑量為24 kGy 時(shí)，自由基濃度可達(dá)到4.18×1018spins·g?1。輻射導(dǎo)致的分子鏈斷裂和自由基與氧氣的反應(yīng)是COC降解的主要原因。

2）COC被輻照后顏色變化明顯，從無(wú)色變?yōu)辄S綠色；有氧條件下輻照生成的含氧產(chǎn)物使COC表面極性增強(qiáng)，更易被水浸潤(rùn)。

3）COC 在γ 射線輻照后，吸收劑量24 kGy 時(shí)，數(shù)均分子量降低到輻照前的73.66%，熔融指數(shù)上升68.80%，裂解較為明顯。

在輻照滅菌劑量范圍內(nèi)，COC 表面的氧含量、顏色、平均分子量受到較大影響。明顯的顏色變化會(huì)使得COC 的應(yīng)用受到限制。故建議COC 醫(yī)療器械輻照滅菌過程中，通過退火消除自由基，減弱降解程度，COC中添加抗氧化劑改善輻射致色。

作者貢獻(xiàn)聲明張帆、邢哲、吳國(guó)忠設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并撰寫初稿；張帆、季珎琰進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)；張帆、季珎琰、沈蓉芳對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了表征和分析；邢哲和吳國(guó)忠對(duì)初稿進(jìn)行了修改。所有作者都對(duì)稿件的最終版本給予了認(rèn)可。