CN105132869A

CN105132869A - 对聚醚醚酮材料进行表面改性的方法及改性的聚醚醚酮材料

Info

Publication number: CN105132869A
Application number: CN201510442878.5A
Authority: CN
Inventors: 刘宣勇; 陆涛; 孟凡浩
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2015-07-24
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2015-12-09

Abstract

本发明涉及对聚醚醚酮材料进行表面改性的方法及改性的聚醚醚酮材料，使用电子束蒸发技术，以含有硅元素的生物陶瓷作为蒸发靶材，将硅元素蒸发沉积至聚醚醚酮材料表面，形成含有硅元素的改性层。本发明采用电子束蒸发技术在聚醚醚酮材料表面引入硅元素，方法简便易行，改性效果优良，硅元素含量可控，可以实现聚醚醚酮材料表面生物相容性和骨整合性的大幅改善。

Description

对聚醚醚酮材料进行表面改性的方法及改性的聚醚醚酮材料

技术领域

本发明涉及一种对聚醚醚酮材料进行表面改性的方法，具体涉及一种通过电子束蒸发技术对聚醚醚酮材料进行表面改性的方法，以及由该方法制备的表面改性聚醚醚酮材料。

背景技术

近年来，医用高分子植入体材料的应用前景愈加广阔。医用聚醚醚酮材料(PEEK)的弹性模量与人体骨组织最为匹配，可有效减少应力遮挡效应造成的骨吸收和骨萎缩，且抗疲劳性突出，有望成为替代钛及其合金材料的首选硬组织植入体材料(Biomaterials2007,28:4845-4869.)。然而，PEEK材料尽管有较好的生物相容性，但是其生物活性较差，植入人体后不易与人体骨组织键合，长期植入易出现松动或松动导致的细菌感染等现象，限制了其作为植入体材料长期植入。因此，提高PEEK骨整合性是其能否临床应用的关键，并且已经成为研究热点。目前对聚醚醚酮材料进行改性的主要方法是化学接枝法及有机/无机复合法，前者改性深度浅，效果较差，效率低；后者易导致PEEK力学性能下降，不利于临床应用。

因此，如何通过简便易行的方式，对聚醚醚酮材料进行表面改性，提高聚醚醚酮材料的骨整合性，已经成为研究热点之一。

发明内容

本发明旨在克服现有对聚醚醚酮材料进行表面改性的方法的缺陷，提高聚醚醚酮材料的骨整合性，本发明提供一种通过电子束蒸发技术对聚醚醚酮材料进行表面改性的方法以及表面改性聚醚醚酮材料。

研究表明，硅元素可以调节骨髓干细胞向成骨方向分化(Biomaterials2002；23:963-968.)。适量的硅离子对于骨稳态的调节具有非常积极的作用，能够加速成骨细胞的成熟和分化，促进新骨的形成和重建。因此，在聚醚醚酮材料表面引入硅元素，有利于实现材料骨整合性的大幅改善。电子束蒸发技术蒸发效率高、速度快，可选靶材丰富，适用于在材料表面的沉积。基于上述，完成本发明。

一方面，本发明提供一种对聚醚醚酮材料进行表面改性的方法，所述方法包括：使用电子束蒸发技术，以含有硅元素的生物陶瓷作为蒸发靶材，将硅元素蒸发沉积至聚醚醚酮材料表面，形成含有硅元素的改性层。

本发明采用电子束蒸发技术在聚醚醚酮材料表面引入硅元素，方法简便易行，改性效果优良，硅元素含量可控，可以实现聚醚醚酮材料表面生物相容性和骨整合性的大幅改善。

较佳地，所述生物陶瓷为硅酸钙、硅酸锶、硅磷酸钙和锌黄长石中的至少一种，优选为硅酸钙生物陶瓷。

较佳地，所述电子束蒸发技术的工艺参数包括：本底真空度为1×10^-4～1×10^-2Pa，电子束激发电压20kV以下，电子束电流调节为2A以下，电子束蒸发时间为30分钟以下。

较佳地，所述电子束蒸发技术的工艺参数包括：电子束激发电压8～20kV，电子束电流调节1～2A，电子束蒸发时间为10分钟以下。

较佳地，所述电子束蒸发技术的工艺参数包括：本底真空度为5×10^-3Pa，所述电子束激发电压为8.5kV，所述电子束电流调节为1.6A，所述电子束蒸发时间为10分钟以下。

较佳地，所述聚醚醚酮材料为纯聚醚醚酮材料或碳纤维增强聚醚醚酮材料。

另一方面，本发明提供一种由上述方法改性得到的表面改性聚醚醚酮材料，所述表面改性聚醚醚酮材料的表面具有硅元素，硅元素原子百分比例为20％以下。

较佳地，所述表面改性聚醚醚酮材料的表面无钙元素存在。

本发明的表面改性聚醚醚酮材料表面具有硅元素，骨整合性有较大程度的提高。骨髓间充质干细胞(bMSC)分化实验结果证实，经过本发明改性方法处理得到的聚醚醚酮材料表面可以促进骨髓间充质干细胞的骨向分化，相关成骨基因表达均明显高于未改性的聚醚醚酮材料。改性处理后的材料将可以满足临床实际需求。

附图说明

图1是经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮与未改性碳纤维增强聚醚醚酮表面的扫描电镜形貌对照图，图中：PEEK为未改性碳纤维增强聚醚醚酮，EBE-2min为经实施例1改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-5min为经实施例2改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-8min为经实施例3改性处理得到的聚醚醚酮；

图2是未改性、经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮表面的XPS全谱谱图、以及经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮表面硅元素的XPS高分辨谱图，图中：(a)，(b)，(c)和(d)分别为未改性，经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮表面XPS全谱谱图，(e)，(f)和(g)分别为经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮表面硅元素的XPS高分辨谱图；横坐标表示结合能，纵坐标表示峰强；

图3是未改性、经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮表面的水接触角，图中：PEEK为未改性碳纤维增强聚醚醚酮，EBE-2min为经实施例1改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-5min为经实施例2改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-8min为经实施例3改性处理得到的聚醚醚酮；

图4是未改性、经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮材料样品表面的zeta电位随pH变化曲线，图中：PEEK为未改性碳纤维增强聚醚醚酮，EBE-2min为经实施例1改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-5min为经实施例2改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-8min为经实施例3改性处理得到的聚醚醚酮；

图5是经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮材料表面硅元素的释放量，图中：EBE-2min为经实施例1改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-5min为经实施例2改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-8min为经实施例3改性处理得到的聚醚醚酮；

图6是未改性、经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮表面培养骨髓间充质干细胞bMSC4和24小时粘附形貌扫描电镜图，图中：PEEK为未改性碳纤维增强聚醚醚酮，EBE-2min为经实施例1改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-5min为经实施例2改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-8min为经实施例3改性处理得到的聚醚醚酮；

图7是未改性、经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮表面培养骨髓间充质干细胞bMSC1，4和7天的增殖结果，图中：PEEK为未改性碳纤维增强聚醚醚酮，EBE-2min为经实施例1改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-5min为经实施例2改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-8min为经实施例3改性处理得到的聚醚醚酮，纵坐标为吸光值；

图8是未改性、经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮表面培养骨髓间充质干细胞bMSC4和7天后成骨相关基因表达结果，图中：PEEK为未改性碳纤维增强聚醚醚酮，EBE-2min为经实施例1改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-5min为经实施例2改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-8min为经实施例3改性处理得到的聚醚醚酮。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明为了解决现有医用聚醚醚酮材料存在的骨整合差问题，公开了一种医用聚醚醚酮材料的表面改性方法，所述方法包括使用电子束蒸发技术将硅元素蒸发沉积至医用聚醚醚酮材料表面。

本发明可在聚醚醚酮材料表面引入含量可控的硅元素。经过本发明改性处理得到的聚醚醚酮材料，其表面生物相容性和骨整合性得到显著提高。骨髓间充质干细胞增殖和分化实验证实，经过本发明改性处理得到的聚醚醚酮材料表面bMSC细胞增殖明显好于未改性聚醚醚酮，同时bMSC的相关成骨因子表达明显好于未改性聚醚醚酮，可满足医用聚醚醚酮所需的性能要求，使其满足临床实际需求。

本发明中，电子束蒸发技术中使用的靶材可以是含有硅元素的生物陶瓷，包括但不限于硅酸钙、硅酸锶、硅磷酸钙和锌黄长石中的至少一种，优选为使用硅酸钙生物陶瓷作为靶材。与直接将硅酸钙与聚醚醚酮复合相比，本发明可以在保证聚醚醚酮材料力学性能不下降的同时改善材料的相关生物学性能。

所述电子束蒸发工艺参数包括本底真空度为1×10^-4～1×10^-2Pa(帕)，电子束激发电压为0～20kV(优选8～20kV，更优选5～15kV)，电子束电流调节0～2A(优选1～2A)，电子束蒸发时间0～30min(优选0～10min)。

本发明的尤其优选的示例中，所述本底真空度为5×10^-3Pa，所述电子束激发电压为8.5kV，所述电子束电流为1.6A，所述电子束蒸发时间为0～10分钟。

通过调控电子束蒸发工艺参数，可以控制聚醚醚酮材料表面的硅含量。优选地，改性后的聚醚醚酮表面硅元素原子百分比例为0～20％。若硅元素原子百分比例高于20％，则过高的硅含量和表面pH值将可能会引起骨髓间充质干细胞的凋亡和抑制细胞的骨向分化。在本发明的一个示例中，改性后的聚醚醚酮材料表面无钙元素。通过调控电子束蒸发工艺参数，可以控制改性后的聚醚醚酮材料的性能以及在植入体内后的生物活性。例如通过控制电子束蒸发的时间，可以控制改性后的聚醚醚酮的表面亲水性、植入体内后聚醚醚酮表面硅释放量、骨向分化性能等。因此可以根据实际需要选择合适的电子束蒸发工艺参数。

本发明的方法适用于对各种聚醚醚酮进行表面改性，例如纯聚醚醚酮材料或碳纤维增强聚醚醚酮材料等。

进一步地，本发明还可以用于对其它生物医用高分子材料(聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯，聚乳酸和聚酰亚胺等)的表面改性。即，通过电子束蒸发技术，使用生物陶瓷作为蒸发靶材，在生物医用高分子材料的表面进行不同元素沉积，形成改性层，得到生物相容性和所需生物活性(例如骨整合性、抗感染等)的生物医用高分子材料。所采用的生物陶瓷包括但不限于硅酸钙、硅酸锶、碳酸锶、钛酸锶、硅磷酸钙、锌黄长石等，以此可以实现硅元素、锶元素、锌元素和磷元素等生物活性或抗菌元素在生物医用高分子材料的表面沉积。

经过本发明电子束蒸发表面改性处理得到的聚醚醚酮表面具有一些粗糙化结构。电子束蒸发引入硅元素明显改变了材料表面原有的平整结构。图1示出经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮与未改性碳纤维增强聚醚醚酮表面的扫描电镜形貌对照图，图1中：PEEK为未改性碳纤维增强聚醚醚酮，EBE-2min为经实施例1改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-5min为经实施例2改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-8min为经实施例3改性处理得到的聚醚醚酮。由图1可见：经改性处理得到的聚醚醚酮表面具有明显的粗糙化结构，且分布比较均匀。图2是未改性、经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮表面的XPS全谱谱图、以及经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮表面硅元素的XPS高分辨谱图，由图2可知：使用电子束蒸发硅酸钙法可以将硅元素引入至聚醚醚酮表面，且不引入钙元素；硅在材料表面主要以氧化硅形式存在。图6是未改性、经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮表面培养骨髓间充质干细胞bMSC4和24小时粘附形貌扫描电镜图。从图6可知：bMSC在改性样品表面粘附速度更快，4时即有大量细胞粘附于样品表面。并且改性样品细胞伪足伸展更多，形态更为铺展，显示出改性样品具有更好的细胞相容性。图7是经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮与未改性聚醚醚酮表面bMSC细胞1，4和7天增殖实验统计结果。由图7可见：bMSC细胞在经上述实施例1和实施例2改性处理得到的聚醚醚酮表面增殖情况与未改性样无明显区别，而bMSC细胞在经上述实施例3改性处理得到的聚醚醚酮表面增殖情况则明显优于未改性样，显示出改性样品无明显细胞毒性，且可以促进成骨细胞增殖。图8是未改性、经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮表面培养骨髓间充质干细胞bMSC4和7天后成骨相关基因表达结果。由图8可见：培养不同时间后，bMSC在经实施例2改性处理得到的聚醚醚酮表面骨向分化最为明显，成骨表达因子BMP-2，Runx2和ALP均明显好于经实施例1、实施例3改性得到的聚醚醚酮表面，此外，bMSC在经实施例1、实施例2和实施例3改性得到的聚醚醚酮表面骨向分化总体好于未改性样，表明硅元素可以有效促进骨髓间充质干细胞向成骨方向分化。

以下进一步列举出一些示例性的实施例以更好地说明本发明。应理解，本发明详述的上述实施方式，及以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。另外，下述工艺参数中的具体配比、时间、温度等也仅是示例性，本领域技术人员可以在上述限定的范围内选择合适的值。

实施例1

10mm×10mm×1mm的聚醚醚酮经过抛光处理后，依次用丙酮和去离子水超声清洗干净，每次30min，清洗后置于80℃烘箱中烘干并妥善保存。采用电子束蒸发技术，使用硅酸钙作为蒸发靶材，对聚醚醚酮材料进行电子束蒸发，其具体的工艺参数见表1所示，所获得样品编号EBE-2min；

表1电子束蒸发参数：

电子束激发电压(kV)	8.5	电子束电流	1.6A
				蒸发时间(min)	2	本底真空(Pa)	5×10^-3

；

改性后聚醚醚酮材料表面硅含量为4.0％。

实施例2

10mm×10mm×1mm的聚醚醚酮经抛光处理后，依次用丙酮和去离子水超声清洗干净，每次30min，清洗后置于80℃烘箱中烘干并妥善保存。采用电子束蒸发技术，使用硅酸钙作为蒸发靶材，对聚醚醚酮材料进行电子束蒸发，其具体的工艺参数见表2所示，所获得样品编号EBE-5min；

表2电子束蒸发参数：

电子束激发电压(kV)	8.5	电子束电流	1.6A
				蒸发时间(min)	5	本底真空(Pa)	5×10^-3

；

改性后聚醚醚酮材料表面硅含量为5.0％。

实施例3

10mm×10mm×1mm的聚醚醚酮经过抛光处理后，依次用丙酮和去离子水超声清洗干净，每次30min，清洗后置于80℃烘箱中烘干并妥善保存。采用电子束蒸发技术，使用硅酸钙作为蒸发靶材，对聚醚醚酮材料进行电子束蒸发，其具体的工艺参数见表3所示，所获得样品编号EBE-8min；

表3电子束蒸发参数：

电子束激发电压(kV)	8.5	电子束电流	1.6A
				蒸发时间(min)	8	本底真空(Pa)	5×10^-3

；

改性后聚醚醚酮材料表面硅含量为7.0％。

实施例4

10mm×10mm×1mm的纯聚醚醚酮经过抛光处理后，依次用丙酮和去离子水超声清洗干净，每次30min，清洗后置于80℃烘箱中烘干并妥善保存。采用电子束蒸发技术，使用硅酸钙作为蒸发靶材，对聚醚醚酮材料进行电子束蒸发，其具体的工艺参数见表4所示；

表4电子束蒸发参数：

电子束激发电压(kV)	8.5	电子束电流	1.6A
				蒸发时间(min)	30	本底真空(Pa)	5×10^-3

实施例5

10mm×10mm×1mm的碳纤维增强聚醚醚酮经过抛光处理后，依次用丙酮和去离子水超声清洗干净，每次30min，清洗后置于80℃烘箱中烘干并妥善保存。采用电子束蒸发技术，使用硅酸钙作为蒸发靶材，对碳纤维增强聚醚醚酮材料进行电子束蒸发，其具体的工艺参数见表5所示；

表5电子束蒸发参数：

实施例6

采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM,HitachiS-4800,Japan)观察试样的表面形貌，观察前试样表面不做任何镀膜处理，结果参见图1。使用X射线光电子能谱仪(XPS,PhysicalElectronicPHI5802配备有单频AlK_α源)表征试样表面组成以及主要元素Si的高分辨谱，结果参见图2。

由图1可见：经改性处理得到的聚醚醚酮表面具有明显的粗糙化结构，且分布比较均匀。由图2可知：使用电子束蒸发硅酸钙法可以将硅元素引入至聚醚醚酮表面，且不引入钙元素；硅在材料表面主要以氧化硅形式存在。

实施例7

采用静态水接触角测试仪(AutomaticContactAngleMeterModelSL200B,SoloninformationtechnologyCo.,Ltd,China)测试材料表面润湿性，通过注射器将2μL超纯水垂直悬滴到样品表面，使用机器自带成像系统拍摄液滴照片并分析接触角大小。在样品上取3个测量数据求平均值。

图3显示改性前后聚醚醚酮材料的表面水接触角。图中：PEEK为未改性碳纤维增强聚醚醚酮，EBE-2min为经实施例1改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-5min为经实施例2改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-8min为经实施例3改性处理得到的聚醚醚酮。从图中可以看出，PEEK样品表面接触角约为85°，EBE-2min样品表面接触角约为31°，EBE-5min样品表面接触角约为25°，EBE-8min样品表面接触角仅约为21°。显示硅元素引入至聚醚醚酮表面后，材料表面逐渐由疏水转为亲水。

实施例8

采用zeta电位测试仪(AntonParr,Austria)对改性前后碳纤维增强聚醚醚酮材料的表面zeta电位进行表征。具体方法如下：使用0.01M盐酸(HCl)和0.01M氢氧化钠(NaOH)调节氯化钾(KCl)溶液pH值，测试时，KCl溶液在压力下沿着样品表面流动，根据Helmholtz-Smoluchowski公式，计算离子在扩散层中的相对运动以获得zeta电位值：

ζ = \frac{d U}{d P} \times \frac{η}{ϵ \times ϵ_{0}} \times K

公式中ζ代表zeta电位，dU/dP表示流动电位/压力的斜率，η,ε₀,ε和K分别代表电解液粘度、真空介电常数、电介质介电常数和电导率。Zeta电位(ζ)由仪器自动算出。通过取4个测量数据求得zeta电位的平均值。

图4是未改性、经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮材料样品表面的zeta电位随pH变化曲线，图中：PEEK为未改性碳纤维增强聚醚醚酮，EBE-2min为经实施例1改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-5min为经实施例3改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-8min为经实施例2改性处理得到的聚醚醚酮。从图中可以看出，pH＝7.4时，PEEK，EBE-2min，EBE-5min和EBE-8min样品的表面zeta电位值分别约为-72mV，-80mV，-111mV和-121mV，显示硅元素引入至聚醚醚酮表面后，样品表面zeta电位在pH＝7.4时呈现下降趋势。

实施例9

采用三羟甲基氨基甲烷(Tris)和盐酸(HCl)溶液配制Tris-HCl缓冲溶液，在36.5℃下调节pH值为7.4。将经本发明改性处理前后的样品浸泡于5mL上述缓冲溶液中，每隔7天取出溶液并更换新的缓冲溶液，浸泡7、14、21、28、35、42、49和56天后，采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES，VistaAX，Varian，USA)测试溶液中的硅离子浓度。

图5是经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮材料表面硅元素的释放量，图中：EBE-2min为经实施例1改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-5min为经实施例2改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-8min为经实施例3改性处理得到的聚醚醚酮。从图中可以看出，聚醚醚酮表面硅释放量随电子束蒸发时间延长而增加。

实施例11

选用大鼠骨髓间充质干细胞(bMSC)，采用体外细胞培养实验评估经上述实施例1、实施例2和实施例3改性处理所得聚醚醚酮材料的细胞相容性。利用SEM观察材料表面细胞形貌，实验步骤如下：1)将使用75％乙醇灭菌的样品放入24孔培养板中，每孔滴加1mL密度为5×10⁴cell/mLbMSC细胞悬液；2)将细胞培养板放入5％CO₂饱和湿度的细胞培养箱中36.5℃孵化18h；3)细胞培养4h和24h后，取出样品，用2％戊二醛在室温下固定24小时，用PBS清洗三遍；4)用梯度酒精(30％、50％、75％、90％、95％和100％)对已固定的细胞进行脱水处理；6)将试样依次置于不同配比的酒精和六甲基二硅胺烷(HMDS)的混合溶液(酒精：HMDS＝2:1、1:1、1:2和100％HMDS)中进行干燥，处理时间各10min。试样喷金后用SEM观察样品表面的细胞形态。

图6是未改性、经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮表面培养骨髓间充质干细胞bMSC4和24小时粘附形貌扫描电镜图，图中：PEEK为未改性碳纤维增强聚醚醚酮，EBE-2min为经实施例1改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-5min为经实施例2改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-8min为经实施例3改性处理得到的聚醚醚酮。从图中可知，bMSC在改性后的聚醚醚酮表面粘附更为迅速，有更多的丝状和板状伪足。

实施例12

采用bMSC细胞体外培养实验评估经上述实施例1、实施例2和实施例3改性处理所得聚醚醚酮材料的细胞相容性。利用AlamarBlue^TM(AbDserotecLtd，UK)试剂盒检测细胞在材料表面的增殖情况。方法如下：1)将使用75％乙醇灭菌的样品放入24孔培养板中，每孔滴加1mL密度为5×10⁴cell/mLbMSC细胞悬液；2)将细胞培养板放入5％CO₂饱和湿度的细胞培养箱中36.5℃孵化18h；3)吸去细胞培养液，用PBS清洗样品表面后，将样品移至新的24孔板内，放入培养箱中继续培养；4)细胞培养1、4和7天后，吸去原培养液，加入含有5％AlamarBlue^TM染液的新培养液，将培养板置于培养箱中培养4h后，从每孔取出100μL培养液放入96孔板中；5)利用酶标仪(BIO-TEK，ELX800)测量各孔在570nm和600nm波长下的吸光度值。按照以下公式计算AlamarBlue^TM被细胞还原的百分率：

公式：

其中：A为吸光度值，A`为阴性对照孔的吸光度值，λ₁＝570nm，λ₂＝600nm。

图7是未改性、经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮表面培养骨髓间充质干细胞bMSC1，4和7天的增殖结果，图中：PEEK为未改性碳纤维增强聚醚醚酮，EBE-2min为经实施例1改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-5min为经实施例2改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-8min为经实施例3改性处理得到的聚醚醚酮。由图7可见：bMSC细胞在经上述实施例1和实施例2改性处理得到的聚醚醚酮表面增殖情况与未改性样无明显区别，而bMSC细胞在经上述实施例3改性处理得到的聚醚醚酮表面增殖情况则明显优于未改性样，显示出改性样品无明显细胞毒性，且可以促进成骨细胞增殖。

实施例13

使用RT-PCR技术，采用大鼠骨髓间充质干细胞(bMSC)体外实验评估bMSC在改性处理前后聚醚醚酮材料上成骨相关基因表达情况，方法如下：1)使用75％乙醇灭菌的尺寸为20mm×20mm×1mm样品放入6cm直径培养盘中，每盘放入3个样品，7天样品每盘滴加数量为为1×10⁵的bMSC细胞悬液，14天样品每盘滴加数量为0.5×10⁵的bMSC细胞悬液；2)将细胞培养盘放入5％CO₂饱和湿度的细胞培养箱中36.5℃培养，每隔3天换液；3)细胞培养7天和14天后，吸去原培养液，将样品转移至新的培养盘中，PBS清洗3遍；4)使用TRIZOL试剂(Invitrogen,USA)裂解细胞并萃取RNA；5)根据操作手册，使用标准试剂盒(PrimeScriptIStrandcDNASynthesiskit，TaKaRa)反转录1μgRNA至cDNA，正向引物(forwardprimer)和反向引物(reverseprimer)如表3-3所示，测试基因包括COL-I(I型胶原)，Runx2(Runx转录因子)，BMP-2(2型骨形态发生蛋白)，ALP(碱性磷酸酶)，OCN(骨钙素)和OPN(骨桥蛋白)，测试选用β-actin作为管家基因(house-keepinggene)用于归一化；6)使用RT-PCR(LightCycler480Real-TimePCRSystem,Roche,USA)测试并量化相关基因，具体程序包括95℃下cDNA变性30s，40个PCR循环(95℃下10s和60℃下20s)；7)使用测试中所得的CT值定量各基因的表达水平。

图8是未改性、经实施例1、实施例2和实施例3改性处理得到的聚醚醚酮表面培养骨髓间充质干细胞bMSC4和7天后成骨相关基因表达结果，图中：PEEK为未改性碳纤维增强聚醚醚酮，EBE-2min为经实施例1改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-5min为经实施例2改性处理得到的聚醚醚酮，EBE-8min为经实施例3改性处理得到的聚醚醚酮。由图8可见：培养不同时间后，bMSC在经实施例2改性处理得到的聚醚醚酮表面骨向分化最为明显，成骨表达因子BMP-2，Runx2和ALP均明显好于经实施例1、实施例3改性得到的聚醚醚酮表面，此外，bMSC在经实施例1、实施例2和实施例3改性得到的聚醚醚酮表面骨向分化总体好于未改性样，表明硅元素可以有效促进骨髓间充质干细胞向成骨方向分化。

产业应用性

本发明的方法简单易控，经过本发明改性处理得到的聚醚醚酮材料，其表面可获得不同的纳米结构，生物相容性得到显著提高；并具有潜在的骨诱导生长因子和抗菌药物装载前景，可满足医用聚醚醚酮所需的性能要求。

Claims

1.一种对聚醚醚酮材料进行表面改性的方法，其特征在于，使用电子束蒸发技术，以含有硅元素的生物陶瓷作为蒸发靶材，将硅元素蒸发沉积至聚醚醚酮材料表面，形成含有硅元素的改性层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物陶瓷为硅酸钙、硅酸锶、硅磷酸钙、和锌黄长石中的至少一种，优选为硅酸钙生物陶瓷。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述电子束蒸发技术的工艺参数包括：本底真空度为1×10^-4～1×10^-2Pa，电子束激发电压20kV以下，电子束电流调节为2A以下，电子束蒸发时间为30分钟以下。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述电子束蒸发技术的工艺参数包括：电子束激发电压8～20kV，电子束电流调节1～2A，电子束蒸发时间为10分钟以下。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述电子束蒸发技术的工艺参数包括：本底真空度为5×10^-3Pa，所述电子束激发电压为8.5kV，所述电子束电流调节为1.6A，所述电子束蒸发时间为10分钟以下。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述聚醚醚酮材料为纯聚醚醚酮材料或碳纤维增强聚醚醚酮材料。

7.一种由权利要求1至6中任一项所述的方法改性得到的表面改性聚醚醚酮材料，其特征在于，所述表面改性聚醚醚酮材料的表面具有硅元素，硅元素原子百分比例为20%以下。

8.根据权利要求7所述的表面改性聚醚醚酮材料，其特征在于，所述表面改性聚醚醚酮材料的表面无钙元素存在。