БИОФИЗИКА, 2019, том 64, № 3, с. 527-534
БИОФИЗИКА КЛЕТКИ
УДК 577.3
ВЛИЯНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПЛАЗМЕННОГО ПОКРЫТИЯ
ПОЛИУРЕТАНА НА РОСТ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК
© 2019 г. И.А. Морозов*, А.С. Каменецких**, А.Ю. Беляев*, М.Г. Щербань***,
Л.М. Лемкина****, Д.В. Ерошенко*****, В.П. Коробов****
*Институт механики сплошных сред УрО РАН, 614013, Пермь, ул. Академика Королева, 1
**Институт электрофизики УрО РАН, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 106
***Пермский государственный национальный исследовательский университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15
****Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН, 614081, Пермь, ул. Голева, 13
*****Институт технической химии УрО РАН, 614013, Пермь, ул. Академика Королева, 3
E-mail: ilya.morozov@gmail.com
Поступила в редакцию 05.03.2019 г.
После доработки 05.03.2019 г.
Принята к публикации 28.03.2019 г.
Одним из возможных материалов для создания биомедицинских изделий являются эластичные по-
лиуретаны. Плазменная обработка является перспективным методом модификации тех или иных
свойств их поверхности. Однако деформационные повреждения модифицированного слоя упругой
подложки могут привести к различным нежелательным последствиям. В работе исследованы два
отличающихся жесткостью упругих полиуретана. Материалы обрабатывали плазменной импланта-
цией ионов азота (энергия 1 и 3 кэВ). Показано, что в результате обработки изменяются рельеф и
гидрофобность поверхности, что ведет к снижению адгезии как грамположительных (стафило-
кокк), так и грамотрицательных (кишечная палочка) бактерий. Циклическая одноосная деформа-
ция является причиной образования на обработанных поверхностях поперечных трещин и про-
дольных складок. Такие изменения провоцируют рост бактерий до величин, превышающих их ко-
личество на необработанных материалах. Все изменения поверхности (влияние обработки,
повреждения) имеют корреляцию как со свойствами исходной подложки, так и режимом обработ-
ки. Основным фактором, повлиявшим на бактериальную адгезию явились изменения структуры
рельефа.
Ключевые слова: полиуретаны, плазма, медицинские полимеры, деформация, бактерии.
DOI: 10.1134/S000630291903013Х
Модификация поверхности жестких материа-
широкому диапазону их термомеханических
лов (металлы, керамика, пластмассы) плазмен-
свойств - от твердых пластиков до мягких эласто-
ными методами позволяет достичь, в зависимо-
меров. В частности, полиуретановые эластомеры
сти от поставленных целей, существенных изме-
используются в биомедицинских целях для изго-
нений свойств необработанной поверхности:
товления грудных имплантов [6], межфаланговых
повышение износостойкости, твердости, сопро-
протезов [7], катетеров [8].
тивления коррозии, изменение смачиваемости и
адгезии с определенными материалами, улучше-
Плазменная обработка существенным обра-
ние биомедицинских характеристик. Данным
зом изменяет физико-химические и механиче-
проблемам посвящено огромное количество при-
ские свойства поверхности полимеров, а также их
кладных и фундаментальных работ. Ведутся ис-
шероховатость [9]. Особенностью плазменной
следования и мягких полимеров [1-3]. Однако в
этом случае преимущества покрытия оказывают-
обработки мягких материалов является формиро-
ся не столь очевидными, так как внешняя дефор-
вание выраженной складчатой текстуры рельефа
мация может привести к повреждению покрытия
[10,11]. Эти изменения связаны с внутренними
[4,5].
напряжениями, возникающими в модифициро-
Среди полимеров широкое применение в раз-
ванном слое, жесткость которого превышает
личных отраслях нашли полиуретаны благодаря жесткость подложки [12].
527
528
Уникальные свойства обработанных плазмой
модуль упругости - 30 и 20 МПа, разрывная де-
поверхностей могут быть использованы для со-
формация - 800 и 1000% для ПУ1 и ПУ2 соответ-
здания биомедицинских изделий с улучшенными
ственно.
антибактериальными свойствами. Различные ви-
Плазменная обработка. Образцы обрабатывали
ды бактерий способны присоединяться и размно-
плазменной иммерсионной имплантацией ионов
жаться на биомедицинских полимерах, что при-
азота N2+. Для генерации плазмы в вакуумной ка-
водит к серьезным внутрибольничным инфекци-
ям [13,14]. Считается, что на адгезию бактерий к
мере применяли источник электронов с плазмен-
любой поверхности влияют как топография, так и
ным катодом на основе тлеющего разряда. Рабо-
физико-химические свойства поверхности мате-
чее давление газа - 0,2 Па. Электроны ускорялись
риала. Например, неровности материала в преде-
до энергии 10 - 20 эВ в области сетки плазменно-
лах размеров бактериальной клетки обычно спо-
го катода. Электрически изолированный держа-
собствуют бактериальной адгезии и образованию
тель образцов, охлаждаемый проточной водой до
биопленок [15]. Однако известно, что и снижение
температуры 20°С, находился внутри вакуумной
шероховатости может приводить к аналогичному
камеры на расстоянии 150 мм от сетки источника
увеличению числа сорбированных клеток [16].
электронов. Образцы размещали внутри держате-
Повышение гидрофобности поверхности обычно
ля и закрывали металлической сеткой с шагом
связано с повышением бактериальной адгезии
между натянутыми нитями 10 мм. На держатель
[17,18]: показано, что гидрофильные материалы
подавали напряжение U величиной 1 или 3 кэВ.
более устойчивы к бактериальной колонизации
Ионы извлекались из плазмы и ускорялись в слое
по сравнению с гидрофобными [19, 20].
катодного падения потенциала вблизи поверхно-
сти сетки. Режимы обработки определяли из
Плазменная обработка мягкого полимера вли-
условия поддержания температуры образцов не
яет как на смачиваемость, так и на текстуру релье-
выше 50°С. Накопленная доза ионов составила
фа. Кроме этого, в условиях реальной эксплуата-
2 · 1016 ионов/см2. Оценочная толщина получен-
ции данные материалы подвергаются различного
ных покрытий - 25 и 42 нм [11] для U = 1 или 3 кэВ
вида нагрузкам, что неизбежно ведет к измене-
соответственно.
нию рельефа, его повреждению. Все эти факторы
неоднозначным образом сказываются на адгезии
Механические испытания. Обработанные плаз-
биопленок. В настоящей работе исследовано
мой образцы в форме лопаток (размеры рабочей
влияние обработки поверхности эластичного по-
части 25 × 4 мм) подвергали циклической одноос-
лиуретана плазменной иммерсионной импланта-
ной деформации (испытательная машина Testo-
цией ионов азота на адгезию бактерий (стафило-
metric, Великобритания): 10 циклов нагрузки-
кокка и кишечной палочки). Обработанные по-
разгрузки до деформации 50%, скорость дефор-
верхности подвергали одноосному циклическому
мации 50%/мин.
нагружению, после чего проводили повторное
Смачиваемость. Гидрофильность поверхно-
исследование роста бактерий.
стей оценивали по краевым углам смачивания
дистиллированной водой. Измерения проводили
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
на гониометре DSA-4 (KRÜSS GmbH, Германия)
методом лежащей капли. Известно, что эффект
Изготовление материалов. В работе исследова-
от плазменной обработки поверхности с течени-
ли две полиуретановые композиции (ПУ1 и
ем времени асимптотически снижается [2,21]. В
ПУ2), изготовленные из готовых преполимера и
нашем случае краевые углы измеряли параллель-
сшивающего агента согласно предписаниям по-
но с исследованием биопленок спустя семь суток
ставщика (ООО «Эластопласт», Пермь, Россия) в
после плазменной обработки.
соотношении
100:34 (ПУ1) и
100:46 (ПУ2).
Изучение процесса образования биопленок. Не-
Преполимер - форполимер уретановый на осно-
обработанные и обработанные плазмой образцы,
ве простого полиэфира; сшивающий агент -
в том числе после механических испытаний, сте-
отвердитель (3,3'-дихлор-4,4'-диаминодифенил-
рилизовали ультрафиолетовым облучением в ап-
метан - MOKA) и пластификатор (полифурит).
парате «Микроцид» (ООО «Электронная медици-
Компоненты вакуумировали и смешивали при
на», Москва, Россия) по 20 мин с каждой стороны
температуре 80°C. Смеси заливали в формы,
и помещали в стерильные луночные планшеты, в
оставляя верхнюю поверхность свободной, и от-
которые вносили по 2 мл посевного материала
верждали в термошкафу (20 ч при температуре
бактерий Staphylococcus cohnii ВКМ В-3165 и Esch-
100°C). Толщина полученных пластин - 2 мм,
твердость по Шору
- 80 и
65, начальный
erichia coli ATCC 25992, содержащих 107 КоЕ/мл.
БИОФИЗИКА том 64
№ 3
2019
ВЛИЯНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПЛАЗМЕННОГО ПОКРЫТИЯ ПОЛИУРЕТАНА
529
Рис. 1. АСМ-изображения (20×10 мкм) необработанных (а - ПУ1, г - ПУ2) и обработанных (б, в - ПУ1, 1 и 3 кэВ; д,
е - ПУ2, 1 и 3 кэВ) поверхностей. Для качественной оценки возникших складок на рис. 1д показан профиль
выделенного участка поверхности.
Образцы термостатировали 48 ч при 37°C, после
тость на интервале частот от f1 до f2 вычисляли по
чего отмывали в фосфатном буфере (рН 7,2). Ко-
f
2
личество жизнеспособных клеток в образовав-
формуле
R
= PSDdf
. В частности, при
RMS
шихся биопленках определяли окрашиванием
f1
образцов водорастворимым тетразолием в систе-
f
= f2 получаем оценку амплитуды A длины вол-
1
ме «Cell Proliferation Assay». Результаты выражали
ны λ = 1/f1, а при f2 = 1/L - среднюю шерохова-
в условных единицах (величина оптической
тость в области размером s = 1/f1.
плотности окрашенного раствора при 490 нм, де-
ленная на площадь пластинки). Для статистики
Величина PSD показывает силу сигнала в зави-
эксперименты проведены три раза.
симости от λ, т.е. от расстояния между точками
рельефа. Локальные максимумы PSD(λ) соответ-
Микроскопия. Информация о микроструктуре
ствуют повторяющимся особенностям рельефа и
поверхности была получена при помощи оптиче-
представлены на рис. 2. На графиках есть участ-
ского 3D-видеомикроскопа Hirox KH-7700 (Hi-
ки, где для необработанных и обработанных
rox, Япония) и атомно-силового микроскопа Na-
плазмой поверхностей максимумы PSD лежат в
no-DST (Pacific Nanotechnology, США) в полу-
окрестности одного значения λ. Это те области
контактном режиме работы, радиус острия
рельефа, которые после обработки качественно
зондов <10 нм.
остались прежними, изменились только размеры
локальных неровностей. Особенно это выражено
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
для жесткого материала ПУ1: за исключением
λ = 850 нм (выделенная область на рис. 2а) все
Рельеф поверхности (рис. 1) после плазменной
особенности обработанного плазмой рельефа по-
обработки изменяется и зависит как от парамет-
добны необработанному.
ров обработки, так и от подложки. На поверхно-
сти образуются складки. Их характеристики
Для мягкого материала ПУ2 плазменная обра-
определяли, анализируя рельеф z-координаты
ботка вызвала более сильные изменения рельефа:
изображений, полученных на атомно-силовом
появился целый спектр складок амплитудой
микроскопе, при помощи спектральной плотно-
2÷3 нм и длинами волн 800÷1800 нм (выделенная
область на рис. 2б).
сти мощности (PSD): PSD = Δ/n |fft(z)|2, где fft -
преобразование Фурье; n - количество точек
Влияние на рельеф увеличения энергии обра-
изображения с длиной стороны L; шаг Δ = L/n.
ботки с 1 до 3 кэВ зависит от свойств подложки:
Дискретные частоты f принимают значения: 1/L,
для материала ПУ1 это отразилось в трех- и четы-
2/L, …, 0,5n/L. Среднеквадратичная шерохова-
рехкратном увеличении шероховатости (см.
БИОФИЗИКА том 64
№ 3
2019
530
Рис. 2. Структурные свойства рельефа необработанных и обработанных поверхностей: зависимость локальных
максимумов спектральной плотности мощности от длины волны: (а) - ПУ1, (б) - ПУ2). Прямоугольниками
выделены участки PSD, имеющиеся только на обработанных поверхностях. Значения над маркерами
-
соответствующие амплитуды в нм. На вставках представлена шероховатость в зависимости от размеров области
рассмотрения.
вставку на рис. 2а). Шероховатость ПУ2 увеличи-
фа: возникшая после обработки складчатая по-
лась в два раза, однако в этом случае появилась
верхность ПУ2 с длиной волны от 1000 до 1500 нм
выраженная структура складок, которая дала рез-
(рис. 2б) затрудняет колонизацию и оказывает
кое увеличение шероховатости на областях раз-
дополнительный антибактериальный эффект на
мером 1-2 мкм (см. вставку на рис. 2б) - этому же
кишечную палочку.
интервалу соответствуют вышеупомянутые
В качестве иллюстрации на рис. 4 представле-
складки рельефа обработанной поверхности.
ны биопленки кишечной палочки на необрабо-
Величины контактного угла смачивания водой
танной (а) и обработанной плазмой поверхности
и количества жизнеспособных бактерий пред-
(были исследованы высохшие подложки). В пер-
ставлены на рис. 3. В абсолютных цифрах число
вом случае бактериями покрыта практически вся
адсорбированных бактерий стафилококка значи-
поверхность, во втором - отдельные участки.
тельно меньше, чем кишечной палочки. Это свя-
Свободная от бактерий поверхность, по сравне-
зано с различием в гидрофобности их клеточной
нию с исходным состоянием (рис. 1), выглядит
стенки и поверхностном заряде [22]. Количество
более гладкой. Она покрыта слоем различных ор-
клеток стафилококков на поверхности связано в
ганических соединений, адсорбировавшихся за
первую очередь со смачиваемостью поверхности
время роста бактерий.
и на исследуемых поверхностях существенно не
В результате механической нагрузки на обра-
изменяется. Однако наблюдалocь незначитель-
ботанных поверхностях образуются поперечные
ное снижение адгезии бактерий стафилококка на
трещины и складки, сонаправленные с осью де-
материале ПУ2 при увеличении угла смачивания.
формации (рис. 5). После снятия нагрузки под
влиянием остаточных деформаций края трещин
Клетки бактерий кишечной палочки более
оказываются раскрытыми, и на поверхности
чувствительны к химическому составу подложки,
остаются складки - результат сжатия материала в
так, на необработанном ПУ2 интенсивность ды-
поперечном направлении. Ширина поперечных
хания биопленок кишечной палочки была в пол-
трещин составила 250-400 нм; средняя глубина
тора раза больше, чем на ПУ1. После обработки
(~25 или 45 нм) совпадает с оценочной толщиной
полиуретана количество прикрепившихся бакте-
поверхностного слоя.
рий резко убывает. Так как угол смачивания су-
щественно не меняется, то в первую очередь это
Нагрузка вызвала увеличение среднеквадра-
связано со структурными особенностями релье- тичной шероховатости (см. вставки на рис. 5) по-
БИОФИЗИКА том 64
№ 3
2019
ВЛИЯНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПЛАЗМЕННОГО ПОКРЫТИЯ ПОЛИУРЕТАНА
531
Рис. 3. Смачиваемость и антибактериальные свойства необработанных и обработанных поверхностей ПУ1 (а) и
ПУ2 (б).
верхностей (за исключением ПУ1-3 кэВ, где ше-
является открытая в трещинах поверхность необ-
роховатость незначительно уменьшилась) на ве-
работанного полимера.
личину 20-30 нм.
Известно, что шероховатость [23] и текстура
рельефа [24] существенным образом влияют на
Исследование роста биопленок на поврежден-
способность бактерий закрепляться на поверхно-
ных поверхностях показало, что бактерии лока-
сти. В нашем случае на увеличение количества
лизуются в местах дефектов покрытия (рис. 6).
кишечной палочки на деформированных поверх-
Удельная площадь биопленки, по сравнению с
ностях в первую очередь повлияли протяженные
неповрежденным покрытием, возрастает, во-
длинные трещины: количество этих бактерий
первых, за счет увеличения площади контакта
возрастает в полтора раза после приложения на-
между бактерией и покрытием. Во-вторых, фак-
грузки и существенно не зависит от подложки.
тором, увеличивающим бактериальную адгезию,
Двукратный рост количества стафилококка, за-
Рис. 4. Кишечная палочка на необработанной (а) и обработанной (б) поверхности ПУ2. Изображения оптической и
атомно-силовой микроскопии.
БИОФИЗИКА том 64
№ 3
2019
532
Рис. 5. Изображения (20×10 мкм) обработанных поверхностей после нагрузки: (а) - ПУ1, 1 кэВ; (б) - ПУ1, 3 кэВ; (в) -
ПУ2, 1 кэВ; (г) - ПУ2, 3 кэВ; в, г - ПУ2: 1 и 3 кэВ. На вставках показаны шероховатости до (белые ромбы) и после
нагружения (черные ромбы).
Рис. 6. (а) - Влияние нагружения на адгезию бактерий: количество жизнеспособных бактерий на обработанных
поверхностях после деформации; (б) - кишечная палочка на материале ПУ2 (1 кэВ).
БИОФИЗИКА том 64
№ 3
2019
ВЛИЯНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПЛАЗМЕННОГО ПОКРЫТИЯ ПОЛИУРЕТАНА
533
фиксированный на материале ПУ1 при 3 кэВ,
ка более устойчивых к деформации несплошных
связан с разглаживанием поверхности после на-
островковых покрытий [25,26].
грузки.
Работа выполнена при финансовой поддержке
Российского фонда фундаментальных исследова-
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ний (грант 17-48-590057_р_а).
Плазменная модификация поверхностей
упругих материалов может иметь перспективы
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
при создании биомедицинских изделий с улуч-
1.
D. A. Panchuk, Z. K. Sadakbaeva, D. V. Bagrov, et al.,
шенными характеристиками. В работе исследова-
Polymer Sci., Ser. A 52 (8), 794 (2010).
ли влияние плазменной иммерсионной имплан-
тации ионов азота (энергия ионов 1 или 3 кэВ) на
2.
P. Alves, S. Pinto, H. C. de Sousa, and M. H. Gil, J.
антибактериальные свойства двух эластичных
Appl. Polym. Sci. 122 (4), 2302 (2011).
полиуретанов различной жесткости.
3.
I.A. Morozov, A.S. Mamaev, I.V. Osorgina, et al., Mat.
В результате обработки изменяется смачивае-
Sci. Eng. C - Mater. 62, 242 (2016).
мость поверхности, рельеф приобретает складча-
4.
A. L. Volynskii, D. A. Panchuk, Z. K. Sadakbaeva,
тую структуру. Образовавшиеся складки поверх-
ности характеризуются спектром длин волн и ам-
et al., Dokl. Phys. Chem. 427 (2), 133 (2009).
плитуд и особенно выражены на более мягком
5.
I. A. Morozov, A. S. Mamaev, M. V. Bannikov, et al.,
материале.
Coatings 8 (2), 75-1-11 (2018).
Изменения поверхности существенным обра-
6.
И. В. Осоргина, С. Е. Порозова, С. А. Плаксин и И.
зом повлияли на адгезию бактерий кишечной па-
А. Морозов, Мед. техника, № 1, 45 (2016).
лочки, чья сорбционная активность на обрабо-
7.
A. Beliaev, A. Svistkov, R. Iziumov, et al., IOP Conf.
танных поверхностях снизилась в два и более ра-
Series: Materials Science and Engineering 123, Article
за. В первую очередь это связано с появлением
ID 012001 (2016).
текстуры разветвленных складок, а также с увели-
чением шероховатости рельефа. Незначительно
8.
I. Kondyurina, G. S. Nechitailo, A. L. Svistkov, et al.,
уменьшилась и адгезия стафилококка (его абсо-
Nucl. Instrum. Meth. 342, 39 (2015).
лютное количество на исследуемых подложках до
9.
M. Stüber, L. Niederberger, F. Danneil, et al., Adv.
и после плазменной обработки было значительно
Eng. Mater. 9 (12), 1114 (2007).
меньше, чем кишечной палочки), на это повлия-
10.
K. Tsougeni, A. Tserepi, G. Boulousis, et al., Plasma
ло как увеличение гидрофобности, так и особен-
Process Polym. 4 (4), 398 (2007).
ности рельефа поверхности.
11.
I. A. Morozov, A. S. Mamaev, I. V. Osorgina, et al., J.
Циклическая одноосная деформация вызвала
Appl. Polym. Sci. 135 (11), 45983 (2018).
необратимые изменения плазменного покрытия:
12.
R. C. Cammarata, T. M. Trimble, and D. J. Srolovitz,
на поверхностях появились поперечные трещины
J. Mater. Res. 15 (11), 2468 (2000).
и сонаправленные с осью нагружения складки.
13.
G. Speranza, G. Gottardi, C. Pederzolli, et al., Bioma-
Это привело к существенному увеличению, по
terials 25, 2029 (2004).
сравнению с необработанным материалом, бак-
териальной адгезии как кишечной палочки, так и
14.
K. Triandafillu, D.J. Balazs, B.O. Aronsson, et al., Bio-
стафилококка. Основным фактором роста бакте-
materials 24, 1507 (2003).
рий явились протяженные дефекты рельефа -
15.
M. Katsikogianni and Y. F. Missirlis, Eur. Cell Mater.
трещины и складки.
8, 37 (2004).
Таким образом, вызванные деформацией из-
16.
N. Mitik-Dineva, et al., Biotechnol. J.: Healthcare Nu-
менения структуры покрытия нивелируют перво-
trition Technology 3, 536 (2008).
начальный положительный антибактериальный
17.
M. G. Katsikogianni and Y. F. Missirlis, Acta Biomater.
эффект плазменной обработки. Учитывая также
6, 1107 (2010).
то, что при многоцикловых нагрузках трещины
18.
V. A. Tegoulia and S. L. Cooper, Colloids Surf. B: Bio-
прорастают вглубь материала и разрушают мяг-
interfaces 24, 217 (2002).
кую подложку [5], использование подобных мате-
риалов в реальных изделиях нежелательно. Выхо-
19.
J. D. Patel, M. Ebert, R. Ward, and J. M. Anderson, J.
дом из данной ситуации может служить разработ-
Biomed. Mater. Res. A 80A, 742 (2007).
БИОФИЗИКА том 64
№ 3
2019
534
20. T. Shida, H. Koseki, I. Yoda, et al., Int. J. Nanomed. 8,
24. D. Perera-Costa, J. M. Bruque, M. L. González-
3955 (2013).
Martín, et al., Langmuir 30, 4633 (2014).
21. M. R. Sanchis, O. Calvo, O. Fenollar, et al., Polym.
25. A. P. Alekhin, G. M. Boleiko, S. A. Gudkova, et al.,
Test. 27 (1), 75 (2008).
Nanotechnologies in Russia 5, 696 (2010).
22. P. Gilbert, D. J. Evans, E. Evans, et al., J. Appl. Bacte-
riol. 71 (1), 72 (1991).
26. I. A. Morozov, A. S. Kamenetskikh, R. I. Izumov, and
23. K. J. Edwards and A. D. Rutenberg, Chem. Geol. 180
M. G. Scherban, J. Phys. Conf. Ser. 1134, 012042
(1-4), 19 (2001).
(2018).
Damage Effect of Plasma-Treated Polyurethane Surface on Bacterial Adhesion
I.A. Morozov*, A.S. Kamenetskikh**, A.Yu. Beliaev*, M.G. Scherban***, L.M. Lemkina****,
D.V. Eroshenko*****, and V.P. Korobov****
*Institute of Continuous Media Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,
ul. Academika Koroleva 1, Perm, 614013 Russia
**Institute of Electrophysics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,
ul. Amundsena 106, Ekaterinburg, 620016 Russia
*** Perm State University, ul. Bukireva 15, Perm, 614990 Russia
**** Institute of Ecology and Genetics of Microorganisms, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,
ul. Goleva 13, Perm, 614081 Russia
*****Institute of Technical Chemistry, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,
ul. Academika Koroleva 3, Perm, 614013 Russia
Elastic polyurethanes are one of the feasible materials for creating biomedical products. Plasma treatment is
a promising method of surface modification. However, external deformation of the elastic substrate could
damage the modified layer and provoke various undesirable consequences. In this work, two elastic polyure-
thanes with different stiffness are studied. The materials are treated with plasma immersion implantation of
nitrogen ions (energy is 1 and 3 keV). As a result, the relief and hydrophobicity of the surfaces are changed,
which decreased the adhesion of both gram-positive (Staphylococcus) and gram-negative (E. coli) bacteria.
Cyclic uniaxial deformation damages the treated surfaces: transverse cracks and longitudinal folds are
formed. These changes increase the bacterial adhesion to the values exceeding their number on the untreated
materials. All the features of the modified surfaces are correlated both with the properties of the original sub-
strate and the treatment parameters. The bacterial adhesion is mainly affected by the peculiarities of the relief
structure.
Keywords: polyurethanes, plasma, medical polymers, deformation, bacteria
БИОФИЗИКА том 64
№ 3
2019