Design et réalisation d'un réacteur plasma à pression atmosphérique pour des traitements de surfaces dans le domaine des biomatériaux

Abstract

Les modifications de surface de polymères par plasmas froids sont beaucoup utilisées dans le domaine biomédical pour adapter les propriétés de surface des matériaux et ainsi améliorer leurs performances de biocompatibilité. Le plasma froid est un milieu gazeux contenant des espèces excitées pouvant réagir avec la surface des matériaux et cela, à une température près de celle de la pièce. Cette technologie fonctionne très bien mais requiert généralement une basse pression et par le fait même des systèmes à vide ce qui rend le procédé coûteux et peu envisageable comme procédé industriel. Récemment, des décharges filamentaires par barrière diélectrique (FDBD) et des décharges luminescentes contrôlées par barrière diélectrique (DLBD) fonctionnant à pression atmosphérique sont apparues comme des alternatives intéressantes aux systèmes plasma basse pression pour les modifications de surface de polymères. Cette idée vise à éliminer la nécessité d'un système à vide et ainsi développer une technique aussi performante mais peu coûteuse pour s'approcher de plus en plus d'un procédé industriel. Au cours de ce projet, un réacteur plasma à pression atmosphérique a été conçu et réalisé. Le réacteur a été réalisé de manière à optimiser et contrôler les paramètres expérimentaux (puissance, fréquence, choix et flux des gaz) et permettre le traitement de surface de polymères. Pour comparer avec la technologie basse pression existante, des modifications de surface sur le poly(tétrafluoroethylène) (PTFE) ont été effectués dans différentes atmosphères (NH3, mélanges N2 + H2 et N2 + NH3) avec soit une décharge plasma radiofréquence basse pression (RFGD), une FDBD et une DLBD. Les modifications de surfaces créées ont été étudiées et comparées à l’aide de différentes techniques d’analyse de surface. La fonctionnalisation de surface obtenue avec le réacteur plasma à pression atmosphérique semble être une méthode efficace, peu coûteuse pour la création de modification de surface uniforme de groupements amines qui peuvent subséquemment être utilisés pour greffer diverses fonctionnalités chimiques pouvant être utilisées pour améliorer la biocompatibilité des matériaux.

Cold plasma polymer surface modification is widely used in the biomedical field to tailor the surface properties of materials to improve their biocompatibility. Cold plasma is a gaseous environment near ambient temperature containing excited species that can react with the surface of materials. This technology is well known and efficient but usually requires low pressure plasma systems which render the process costly and less interesting for industrial scale-up. But recently, filamentary dielectric barrier discharge (FDBD) and atmospheric pressure glow discharge (APGD) working at atmospheric pressure have appeared as interesting alternatives for polymer surface modification. This idea aims to eliminate the need of vacuum system thus developing a technique as efficient but at a low cost to come closer to an industrial process. During this master, an atmospheric pressure plasma reactor has been designed and realized. The reactor was built in a way to be able to optimize and control the experimental conditions (power, frequency, gases choices and flow) and allow the surface treatment of various polymers. To compare with the existing low pressure plasma technology, surface modifications of poly(tetrafluoroethylene) (PTFE) has been performed in different atmospheres (NH3, N2 + H2, and N2 + NH3 mixtures) with a low pressure radio-frequency glow discharge (RFGD), an FDBD and an APGD. The modified surfaces has been studied and compared with various surface analysis techniques. Surface functionalization obtained with the atmospheric pressure plasma reactor seems to be an effective, low cost method for the production of uniform surface modification with amino-groups that can subsequently be used to graft various chemical functionalities used for biomaterial compatibility.