聚醚醚酮复合材料表面生物活性涂层的制备与性能_闫鹏涛

Vol．34高等学校化学学报No．7 2013年7月CHEMICAL JOUＲNAL OF CHINESE UNIVEＲSITIES1782 1787
doi：10．7503/cjcu20130048聚醚醚酮复合材料表面生物活性
涂层的制备与性能
闫鹏涛，李文科，王永鹏，朱晔，张海博，姜振华
（吉林大学化学学院，长春130012）
摘要以聚醚醚酮/钡玻璃粉（PEEK-BGF）复合材料为基体，通过硅烷偶联剂，在复合材料表面构建具有生物活性的纳米羟基磷灰石（nHA）和甲基丙烯酸酯基的光固化树脂复合涂层．采用扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）分析了材料表面形貌和元素分布，测试了涂层与复合材料之间的粘接强度．通过检测大鼠成骨细胞总蛋白含量和碱性磷酸酶表达水平，评价新型光固化纳米羟基磷灰石/聚甲基丙烯酸酯（nHA/PMMA）复合涂层的生物活性．研究结果表明，nHA填充的光固化复合材料形成粗糙的表面，随着nHA的填充量提高，涂层表面生物学活性得到提高．
关键词聚醚醚酮；复合材料；生物活性；光固化涂层；纳米羟基磷灰石
中图分类号O631文献标志码A
聚醚醚酮（PEEK）具有良好的力学性能、化学稳定性和生物相容性，可耐受蒸气和辐照消毒，因此PEEK制成的椎间融合器材料获得广泛的临床应用［1 4］．经过无机填料如玻璃粉、玻璃纤维和碳纤维等的充填后PEEK的力学性能显著提高，可以和人体骨骼相匹配．PEEK作为生物惰性材料，难以和人体骨骼形成骨融合，限制了其作为骨修复材料的应用．羟基磷灰石（HA）具有骨传导作用，在植入人体后短时间内与软组织形成紧密结合，广泛用于修复骨缺损和填充整形等方面．人的骨骼由胶原蛋白和纳米羟基磷灰石（nHA）等组成，使用nHA制备骨骼修复材料相比于微米级HA更有助于成骨细胞的黏附、增殖及功能发挥，因此利用nHA制备骨骼修复材料受到关注［5 7］．高含量的nHA在PEEK中容易发生团聚，导致材料的力学性能迅速下降．使用等离子体表面处理和等离子喷涂技术在聚醚醚酮表面实现了羟基磷灰石涂层的制备［8，9］．但这些涂层的制备仪器复杂，制备工艺繁琐，而且所制备的生物涂层成分与人体骨骼有较大差距，另外，所制备的涂层无法与PEEK形成较强的结合［10 16］．UV光照、可见光光照和电子束照射等聚合技术已经被广泛应用于生物涂层的制备［17，18］．Kyomoto 等［19］和Sun等［20］利用UV光照，在纯PEEK表面分别接枝了2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱和丙烯酰胺．可见光固化技术不需要大型仪器，便于临床操作，是一种在口腔及骨修复等领域获得广泛应用的技术．甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）具有优良的生物相容性和柔软性，在临床上作为角膜接触镜、软组织替代物和药物控释体系的医用材料，但是其力学强度较差，固化速度较慢．双酚A甲基丙烯酸缩水甘油酯（Bis-GMA）是一种具有良好力学性能且能够迅速光照固化的甲基丙烯酸酯单体，广泛应用于口腔和骨科修复材料中，可以弥补HEMA的缺点［21 30］．本文以这2种单体为主要材料制备了光固化树脂，然后与生物活性的nHA复合，通过硅烷偶联剂，将复合nHA的光固化树脂固化在PEEK-BGF复合材料表面，考察了该涂层与基体之间的粘接强度及材料表面的生物活性．
1实验部分
1．1试剂与仪器
聚醚醚酮，长春吉大特塑工程研究有限公司，熔融指数26g/10min；钡玻璃粉（BGF），韩国
收稿日期：2013-01-14．
基金项目：吉林省科技发展规划项目（批准号：20106020）资助．
联系人简介：张海博，男，博士，副教授，主要从事燃料电池质子交换膜材料的制备研究．E-mail：zhanghaib@jlu．edu．cn
Sukgyung 公司，粒径1μm ；纳米羟基磷灰石（nHA ），南京埃普瑞纳米材料有限公司，平均粒径20nm ；光固化树脂液，吉林省登泰克牙科材料有限公司，主要成分为甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA ）和双酚A 甲
基丙烯酸缩水甘油酯（Bis-
GMA ）等；偶联剂KH570，日本信越有机硅国际贸易（上海）有限公司；磷酸盐缓冲溶液（PBS ），自制（0.1mol /L ，pH =7.4）；其它化学试剂均为分析纯，北京化学试剂公司；DMEM 培养基、IMDM 培养基和胎牛血清（FBS ），美国GIB-CO 公司；大鼠成骨细胞，天津卫凯生物工
程有限公司；BCA 蛋白质检测试剂盒，美国HyClone-
PIEＲCE 公司；碱性磷酸酶（ALP ）检测试剂盒，南京建成生物工程研究所；TritonX-100，美国Genview 公司；24孔细胞培养板，美国Costar 公司；ML-Ⅲ
发光二极管（LED ）固化灯，河南Mident 工业有限公司；SSX-
550型扫描电子显微镜，日本Shimadzu 公司；ESCALAB MK Ⅱ型射线光电子能谱，英国VG 公司；MK3酶联免疫检测仪，美国Thermo 公司；HZQ 2X100恒温培养箱，哈尔滨东联电子技术开发有限公司；3K30冷冻离心机，德国Sigma 公司．
1．2nHA /PMMA 光固化复合树脂的制备
在遮蔽蓝紫光的条件下，将制备好的光固化树脂液与nHA 在研钵中充分混合，制成nHA 质量分
数分别为10%，
30%和50%的复合树脂，分别记为nHA-10%，nHA-30%和nHA-50%，无nHA 填充的光固化树脂液记为nHA-
0%．1．3nHA /PMMA 复合材料涂层的制备
PEEK /钡玻璃粉（PEEK-BGF40）复合材料由PEEK 和钡玻璃粉按质量比60ʒ40的比例，通过双螺杆挤出和模压制得，将样品裁剪成直径15mm 的圆形，经600#SiC 防水砂纸打磨后，用蒸馏水超声清洗10min ，作为对照样品（Control ）．使用硅烷偶联剂、水和醋酸配置成硅烷偶联液，涂覆在PEEK-BGF40复合物材料表面，于80ħ真空干燥12h．然后将4组nHA 光固化材料分别涂覆在经过硅烷处理后的材料表面，使用发光二级管（LED ）光固化灯光照30s ，固化．分别以乙醇和水为抽提剂将材料
于索氏抽提器中抽提24h ，除掉未反应的单体，高温高压灭菌（120ħ，
30min ），备用．1．4材料表征
将复合材料和各种表面处理后的样品用导电胶粘于金属载物台上并喷金处理，用扫描电子显微镜（SEM ）观察材料表面形貌．使用ESCALAB 250X 型表面光电子能谱测试样品的表面元素含量，射线源
为Mg K α（h ν=1486.6eV ），内腔压力为8ˑ10－8Pa．
1．5光固化涂层的粘接强度测试
将内径3.7mm ，长度4mm 的树脂管置于硅烷处理过的PEEK /BGF 复合材料表面，并添加光固化材料，然后在树脂管的左右两侧分别使用LED 光固化灯光照固化20s ，于（37ʃ2）ħ，水浴24h ，然后使用万能试验机进行剪切测试，剪切速度0.7mm /min．
1．6光固化涂层的生物性能测试
将材料分别放置于24孔培养板中，每组材料24个样品．将传代至第3代的成骨细胞接种到材料
表面（接种密度1.5ˑ104/mL ），静置3min ，缓慢从材料边缘加入含质量分数10%胎牛血清的DMEM
培养液1mL ，密闭后置于37ħ，
5%CO 2及饱和湿度孵箱中，隔日换液1次，分别培养7 28d．1．6．1细胞裂解液的制备将接种后7，14，21，28d 样品的孔内上清液吸出，使用PBS 清洗3次，使用2.5g /L 胰酶消化细胞后吸出，用转速1000r /min 离心5min ，弃去上层清液，加入200μL 的0.1%Triton X-100重悬，用吸管反复吹打1min ，再轻轻吹打混匀，在4ħ冰箱内放置过夜，直到显微镜观察细胞结构完全消失，得到不同组分的细胞裂解液．
1．6．2细胞内总蛋白含量的测定在每个样品管中加入100μL 上述细胞裂解液，与BCA 蛋白质检测试剂盒中反应液按比例混合，在37ħ恒温下反应30min．用酶联免疫检测仪在570nm 波长处测定溶液的光吸收值．以蒸馏水为空白对照，以牛血清白蛋白为标准品绘制标准曲线，依据标准曲线计算各组的细胞内总蛋白含量（μg /mL ）．
1．6．3碱性磷酸酶活性的测定在每个样品管中加入50μL 上述细胞裂解液，与ALP 检测试剂盒中的100μL 反应液混合后，于37ħ恒温下反应30min ，加入0.25mol /L NaOH 终止反应．使用免疫酶联仪检测碱性磷酸酶活性，波长为410nm．以反应产物的光吸收值（OD ）表示．空白对照为底物加细
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胞裂解产物．
1．7数据分析
所有测试数据以平均值ʃ标准差（x ʃs ）表示，采用单因素方差分析，应用SPSS16.0软件进行统计学分析，以P ＜0.05表示有统计学差异．
2
结果与讨论2．1材料和光固化涂层的表面元素分析
根据XPS 测试中的发射峰面积可以计算出材料表面的化学组成（表1），PEEK-
BGF40表面有C ，O ，Si 和Ba 4种元素；经过硅烷处理后，Ba 元素消失，Si 元素含量大幅度提高，说明材料表面已被硅烷覆盖；经过光固化涂层的涂覆和光照固化，材料表面的Si 元素消失，说明光固化涂层已经将表面材
料表面完全覆盖，同时随着nHA 的含量提高，材料表面的O ，P 和Ca 含量随之提高，说明nHA 暴露在
材料表面的含量提高．
Table 1
Surface chemical composition of the PEEK-BGF40and modalities after different surface coating Sample
Elemental content （%）O C Si Ba P Ca
PEEK-BGF40
17.8578.76 3.290.10Silica coated PEEK-BGF40
30.2457.6012.16nHA-0%
28.9871.02nHA-10%
29.6869.420.370.53nHA-30%
33.5859.67 2.85 3.90nHA-50%41.9333.6310.0614.382．2光固化涂层的表面形貌
Fig．1SEM images of PEEK-BGF40and modalities after different surface coating
（A ）PEEK-BGF40；（B ）silica coated ；（C ）nHA-0%coated ；（D ）nHA-10%coated ；（E ）nHA-30%coated ；（F ）nHA-50%coated．图1是PEEK-
BGF40和不同涂层修饰后表面扫描电镜照片．经过600#砂纸打磨后，PEEK-BGF40形成了粗糙表面，钡玻璃粉颗粒暴露在材料表面［图1（A ）］
；经过偶联剂涂覆后，复合材料表面变得模糊［图1（B ）］；经过nHA-0%光固化涂层涂覆后，材料表面出现平整的涂层［图1（C ）］
；经过nHA-10%，nHA-30%和nHA-50%光固化涂层涂覆后，可以观察到粗糙的表面［图1（D ） （F ）］
．nHA 的加入导致聚醚醚酮表面复合光固化树脂液的流平性能变差，因此在聚醚醚酮表面形成了具有很多树脂突
起的粗糙表面．而纯树脂（nHA-
0%）的流平性很好，因此在聚醚醚酮表面形成了较为平整的光固化涂层［图1（C ）］
．4871高等学校化学学报Vol．34
由于PEEK 为化学惰性，难与其它材料形成稳定的粘接
［31，32］，因此在以往有关PEEK 生物活性涂层的报道中，对涂层与基体材料之间粘接强度的表征较少．研究发现，
PEEK 纯树脂及PEEK-BGF40与光固化树脂均无法形成有效的粘接．因此本文通过硅烷偶联剂对PEEK-
BGF40表面进行预处理的方法Fig．2Shear bond strength bewteen coating material and PEEK-BGF40*P ＜0.05compared with nHA-0%group．
来提高生物涂层与PEEK-
BGF40复合材料之间的粘接强度，结果如图2所示．可以看出，硅烷偶联剂
KH570的加入，使PEEK-BGF40复合材料与光固化
生物涂层之间具有较高的粘接强度，这主要是由于
KH570中三甲氧基硅烷水解后可以与玻璃粉上的
羟基发生缩聚反应，同时其甲基丙烯酰氧基官能团
与甲基丙烯酸酯的活性相近，可以通过共聚引入聚
甲基丙烯酸酯主链结构中，因此增加了PEEK-
BGF40基体与光固化涂层的粘接能力，随着生物活
性填料nHA 的含量增加，光固化树脂在复合涂层
中的体积分数减少，涂层与PEEK-BGF40的粘接强度出现了一定程度的下降，由nHA-
0%的（4.56ʃ1.48）MPa 下降到nHA-30%的（2.53ʃ0.85）MPa 和nHA-50%的（1.68ʃ0.78）MPa ，其中nHA-50%下降了63%，粘接强度降低较为明显（P ＜0.05）．以往的火焰喷涂等方法制备的生物涂层，涂层与基底材料之间缺少化学键合作用，仅靠物理锁合作用，容易发生涂层的剥离．本实验的涂层制备使得涂层与基底材料之间形成了化学键，树脂涂层与复合材料基体之间表现出较高的粘接强度．因此在实际应用中，可以通过增加材料表面粗糙程度，提高涂层材料与基底材料之间的物理锁合，进一步提高涂层与基底材料之间的粘接强度．
合成和分泌蛋白是成骨细胞的基本功能，骨组织的钙化也是在此基础上进行的，因此细胞合成和
分泌的总蛋白含量是检测细胞活性的重要指标之一［33］．各组材料对细胞总蛋白含量的影响如图3所
示．在固化7d 时，nHA-
0%的总蛋白含量低于Control 组和nHA-10%组（P ＜0.05）．而在固化14，21和28d 时，nHA-
0%的总蛋白含量与Control 组（PEEK-BGF40）和nHA-10%组没有显著差异．大量实验证明，无规则的形貌、粗糙的表面有利于细胞的黏附．如Deligianni 等［34］研究了人骨髓细胞在不同粗
糙度的羟基磷灰石表面的生长情况，结果表明，在粗糙的表面细胞更容易发生黏附和增殖．Zhu 等
［35］研究发现，粗糙度大的钛氧化物表面会有利于成骨细胞的增殖．图1显示nHA-
0%的表面粗糙度低于其它各组，这导致了其在固化7d 时，nHA-
0%总蛋白含量低于Control 组和nHA-10%组，随着时间的延长，细胞黏附在材料表面，粗糙度的影响逐渐减弱．除固化7d 的nHA-
30%组较Control 组没有明显提高外，在其它不同固化时间中，nHA-
30%和nHA-50%组的总蛋白含量均明显高于Control 组和nHA-0%组（P ＜0.05）．表明随着涂层中nHA 含量的提高，促进了涂层表面成骨细胞的生长．
碱性磷酸酶（ALP ）是成骨细胞分化时所分泌的一种细胞外酶，可以释放到血液中，其主要功能是在微碱性条件下（pH =7.6 9.9）水解磷酸酯，在局部增加无机磷酸浓度，促进骨骼矿化．ALP 能够反映成骨细胞合成Ⅰ型胶原蛋白和形成骨基质的能力，作为骨组织代谢的功能性标志酶，在矿化过程中起着十分重要的作用，所以ALP 的活性可以反映细胞的矿化能力．体外测试结果表明，没有ALP 的存
在，无法发生钙化
［36，37］．本实验中材料对成骨细胞的ALP 活性的影响如图4所示．在固化7和14d 时，nHA-
0%的ALP 活性低于Control 组（P ＜0.05），而固化21和28d 时，它们的差异不显著，这与细胞的总蛋白含量测试结果相类似．在不同固化时间中，nHA-
50%的ALP 活性均明显高于Control 组和nHA-0%组（P ＜0.05）．在固化21和28d 时，nHA-30%的ALP 活性明显高于Control 组和nHA-0%组（P ＜0.05），其它组别中这种差异不显著；nHA-10%的ALP 活性和Control 组在不同固化时间中都没
有显著差异．从XPS 的结果可见，nHA-10%组暴露在材料表面的Ca 和P 元素含量小于1%，说明nHA
很少暴露在材料表面，所以相比于Control 组并没有显著差异．随着nHA 含量的提高，nHA 暴露在材料表面的含量显著提高，材料的生物活性也表现出明显的差异（表1）．实验结果说明nHA 的填充对于成骨细胞分泌ALP 具有一定的促进作用，随着nHA 含量的提高，材料的生物活性随之提高．当nHA
5
871No．7闫鹏涛等:聚醚醚酮复合材料表面生物活性涂层的制备与性能
Fig．3Total protein content of osteoblasts cultured on PEEK-BGF40and modalities after different
surface coating
*P＜0.05compared with control group；
#P＜0.05compared with nHA-0%
group．Fig．4Synthesis of alkaline phosphatase by osteoblasts culture on PEEK-BGF40and modalities with
different surface coating
*P＜0.05compared with control group；
#P＜0.05compared with nHA-0%group．
的含量达到30%以后，材料的生物活性得到显著提高．
综上所述，经过nHA填充的生物涂层复合材料形成了粗糙的表面，随着涂层中纳米羟基磷灰石含量的提高，成骨细胞的增殖和ALP的分泌能力增强，证明该涂层有利于骨细胞的生长，具有一定的生物活性．当nHA含量达到30%以后涂层的生物活性明显优于PEEK-BGF复合材料．通过偶联剂的作用，涂层和PEEK-BGF复合材料之间可以形成一定的粘接强度，当nHA含量达到50%，涂层与复合材料的粘接强度下降较大．结果表明，30%nHA含量的生物涂层具有较好的效果．
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Preparation and Properties of Bioactivite Coating on
Poly （ether ether ketone ）Composite
YAN Peng-Tao ，LI Wen-Ke ，WANG Yong-Peng ，ZHU Ye ，ZHANG Hai-Bo *，JIANG Zhen-Hua
（College of Chemistry ，Jilin University ，Changchun 130012，China ）
Abstract By the linkage of silane coupling agent ，light cured coating was formed on poly （ether ether ketone ）/barium-containing glass filler （PEEK-BGF ）composite surface．The coating was composed of bioac-tive nano hydroxyapatite （nHA ）and methacrylate light cure resin．Scanning electron microscope （SEM ）and X-ray photoelectron spectroscopy （XPS ）were used to analyze the topography and elements distribution feature of the sample surface ，and the bonding strength was tested by the universal testing machine．Ｒat osteoblasts cells were cultured on the material surface．The total protein concentration test and alkaline phosphatase （ALP ）assay of osteoblasts were performed to examine the bioactivity of new type light cured nano hydroxyapa-tite /polymethacrylate （nHA /PMMA ）hybrid coating．The results show that the nHA hybrid coating can form a rough morphology on the composite surface．With the increase of nHA content ，the bioactivity of the coating is enhanced．
Keywords Poly （ether ether ketone ）；Composite ；Bioactivity ；Light cured coating ；Nano hydroxyapatite
(Ed．:D ，Z )7871No．7闫鹏涛等:聚醚醚酮复合材料表面生物活性涂层的制备与性能。