通过等离子体处理和涂层改变聚合物实验室用具的表面特性,制造商正在提高测试结果的质量,同时增加他们创造的产品的价值。
杰夫·艾略特PVA TePla America
每年,数以十亿计的多孔板、移液器、瓶子、瓶子、小瓶、埃本多夫管、培养板和其他聚合物实验室用品被制造出来,用于研究、药物发现和诊断测试。虽然许多是简单、廉价的消耗品,但现在越来越多的比例正在使用气体等离子体进行表面处理或具有专门设计的功能涂层,以提高研究质量和提高诊断的复杂性。
表面修饰的目标之一是改善抗体、蛋白质、细胞和组织的粘附和/或增殖;以及改进的信噪比,因此测试更精确,所需的目标材料或标记更少。
对于一些实验室设备制造商来说,从商业角度来看,改变这些设备的属性也是有意义的。在一个由几家大型实验室用品制造商主导的市场中,更专业的产品可以创造竞争优势,并提高每种消耗品的价值。对于那些创造下一代医疗诊断设备的人来说,为测试优化的涂层或等离子体处理实验室器皿也可以提高结果的质量、特异性和有效性。
“对于聚苯乙烯或聚丙烯实验用具,如果你能添加一层功能涂层或使用等离子体改变表面性能,你就可以把2美元的物品变成50美元的物品,”来自伦敦的Mic Barden说PVA TePla America该公司是一家领先的系统工程公司,设计用于表面活化、功能化、涂层、超精细清洗和蚀刻的等离子系统。
等离子体处理
可以肯定的是,使用等离子体对塑料实验用具进行一些表面改性已经被最大的实验用具制造商所追求。
等离子体是一种物质状态,就像固体、液体或气体一样。当向气体中加入足够的能量时,它就会电离成等离子体状态。这些活性成分的集体性质可以控制清洁,激活,化学接枝和沉积广泛的化学物质。
然而,等离子体在塑料实验室用具中的大多数应用可以归类为“简单”处理,例如在分子水平上清洗基质的O2或Argon。等离子体的使用也被广泛用于表面调节,使聚合物更疏水(拒水)或亲水(亲水)。
然而,体外诊断底物可能需要更多的选择性化学物质来选择性粘附促进和生物活性分子的偶联。
这可以通过在表面提供特定的化学功能来实现,允许生化物种发生共价耦合。氨基、羧基、羟基和环氧官能团是使用气体等离子体表面处理很容易获得的化学物质的重要例子。
多井盘子
多孔或微量滴度板是分析研究和临床诊断测试实验室的标准工具。大多数板带有96、384或1536个样品“孔”,功能类似小型试管。
用于制造微量滴定板的最常见的材料是聚苯乙烯,因为它具有生物惰性,具有优异的光学清晰度,并且足够坚韧,可以承受日常使用。大多数一次性细胞培养皿和盘子也是由聚苯乙烯制成的。
其他聚合物,如聚丙烯和聚碳酸酯,也用于必须承受广泛的温度范围的应用聚合酶链反应(聚合酶链反应)DNA放大。
然而,未经处理的合成聚合物是极端疏水的,因此为细胞有效地锚定在其表面提供了不足的结合位点。
为了提高生物分子的附着性、生存能力和增殖能力,必须使用等离子体对其进行表面修饰,使其变得更亲水。例如,微量滴度板可以用羟基、羧基或胺基修饰,使其亲水(或可湿性),并引入负电荷或正电荷。
以这种方式处理表面有许多好处,包括改善分析物对井的润湿,细胞更大的增殖而不结块,减少检测所需的血清、尿液或试剂的数量,降低溢出和井间污染的风险。
改善抗体粘附生物分析
微量滴度板的常见用途是生物分析,如广泛用于诊断测试的酶联免疫吸附试验(ELISA)。酶联免疫吸附试验(ELISA)用于检测某种物质的存在抗原,在液体样品中。
酶联免疫吸附试验涉及至少一种对特定抗原具有特异性的抗体。含有未知数量抗原的样品被固定在微量滴定板通过吸附或通过另一种针对同一抗原的抗体捕获。
抗原固定后,检测抗体与酶共价连接或可被抗原检测二次抗体它通过生物偶联与一种酶相连。
在最后一步,通过添加酶来显影底物产生一个可见的信号,表示样本中抗原的数量。
为了改善抗体的结合和功能,可以应用等离子涂层来定向在大多数这类测试中使用的y型IgG蛋白。如果做不到这一点,可能意味着一些抗体会朝下或变形,基本上无法与抗原结合。
“对于大多数未涂层的聚合物表面,你无法控制y形‘捕获’抗体的方向,”Barden说。“然而,功能性涂层可用于支持正确的向上方向,因此整个表面都可用于分析。通过这种方法,我们可以提高分析的信噪比和动态范围。
为此,应用胺涂层是一种流行的解决方案。
Barden说:“胺涂层通常被使用,因为它们具有中等表面能,与水的接触角约为60度。”“因此,涂层具有足够的亲水性,使液体能够很好地分散,并且具有足够的疏水性,以促进材料的结合。”
其他选择包括放置连接分子,如环氧化合物或羧酸;或者使用等离子体增强化学气相沉积法在石英样表面进行处理。
根据Barden的说法,所有这些方法都提供了相似的表面能量,但根据应用的不同,功能上的差异可能很重要。
细胞、组织培养实验用具的表面修饰
整个活细胞研究的巨大增长导致了一系列全新的微板产品,这些产品是为此工作处理的细胞和组织培养。
根据Barden的说法,适用于用于ELISA的蛋白质的粘附问题也适用于细胞和组织培养。
吸管技巧
移液管是另一种常见的实验室工具。移液管通常由高密度聚乙烯或聚丙烯制成,往往是疏水性的,但液体仍然难以粘附在表面,特别是在尖端或周围。
为了解决这个问题,一些移液管制造商在注射成型过程中在聚丙烯中添加氟化聚合物。然而,仍然可能存在问题,如相分离或浸出。
为了确保移液管尖端更有效地“剥离”任何水溶液,PVA TePla等公司可以利用纳米技术创建超疏水表面。
其中一种技术是蚀刻表面,使其变得粗糙,这样空气、氮气、氧气和其他气体就会被困在凹槽中,让液体像“莲花效应”一样漂浮在顶部。
另一种方法是在移液管尖端的内外涂上疏水涂层。
PVA已经设计了特殊的托盘和夹具,能够处理96和384孔微量滴度板的整个机架。该过程利用等离子体的“脉冲”来激活特定的单体,使其在移液管尖端内扩散和聚合。
降低浸出
由于塑料实验用具容易从增塑剂、稳定剂和聚合残留物中浸出,有时也用等离子体在容器内部涂上石英样的屏障材料。这些柔性石英样涂层通过等离子体增强化学气相沉积聚合到塑料上。
所得到的涂层可以非常薄(100-500纳米),高度保形,非结晶和高度柔性(180o ASTM D522)涂层。
这种屏障涂层的市场包括药物发现、药物输送、生物储存、干细胞和体外受精培养磨损。除了该涂层的屏障特性外,SiO2还具有耐溶剂的化学性能,使其非常适合用于分析磨损。
研发的援助
Barden表示,等离子体处理非常普遍,领先的设备供应商能够修改现有的、成熟的工具和技术,并完成固定,从而提供本质上的解决方案。
一些供应商甚至提供现场研究和开发设备以及工程专业知识。例如,PVA TePla经常邀请实验室设备制造商参观其位于加州科罗纳的实验室,在内部设备上运行部件和进行实验,客户完全参与其中。
正是在这些技术客户/供应商会议期间,产生了许多最好的实验矩阵和想法。
“这些(等离子体处理)解决方案的优雅之处在于,它们利用了现有的技术和专业知识,而不是创造一些全新的东西,”Barden说。“获得这一知识库有助于新进入者进入市场。”
Jeff Elliott是加利福尼亚州托伦斯市的技术作家。