CN104497344B

CN104497344B - 一种对聚醚醚酮表面进行改性的方法

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Publication number: CN104497344B
Application number: CN201410856843.1A
Authority: CN
Inventors: 刘宣勇; 欧阳丽萍
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2014-12-29
Filing date: 2014-12-29
Publication date: 2017-09-01
Anticipated expiration: 2034-12-29
Also published as: CN104497344A

Abstract

本发明涉及一种对聚醚醚酮表面进行改性的方法，所述方法包括如下步骤：先通过浓硫酸对聚醚醚酮进行磺化处理以使聚醚醚酮表面形成具有三维孔道结构的改性层，磺化处理完毕后取出聚醚醚酮块体材料洗涤后，再对其进行水热处理以去除所述三维孔道结构中残留的硫。

Description

一种对聚醚醚酮表面进行改性的方法

技术领域

本发明涉及一种对PEEK表面进行改性的方法，具体说，是涉及一种使用浓硫酸对其进行磺化处理后，经过水热处理，获得去除S的具有三维网络结构的PEEK表面改性层，属于生物医用高分子材料表面改性技术领域。

背景技术

聚醚醚酮(PEEK)，一种半结晶性高分子，结晶度在30-35％，玻璃化转化温度为143℃。PEEK因为具有射线可透性，与人骨相近的机械性能(J.Reinf.Plast.Compos.22(2003)751–767)，并且具有很好的热塑性，易于制作需要的骨形状，弹性与人骨接近(Biomaterials28(2007)4845–4869)因此成为了人们青睐的医疗植入装置材料。然而，聚醚醚酮的生物活性较差，植入体不能很好的诱导类骨羟基磷灰石的形成。

由于PEEK具有化学惰性(Acta Biomaterialia 9(2013)6177–6187)，目前对PEEK表面进行结构改变的研究比较少。浓硫酸以外基本不被腐蚀，因此在PEEK表面的改性也尤为困难。以往的现有技术大多采用聚醚醚酮粉体进行磺化处理，以使聚醚醚酮粉体表面连接官能团，以改善聚醚醚酮粉体的相关性能参数，用于制备含有聚醚醚酮的薄膜。近来，有研究表明磺化之后的PEEK表面能够形成利于细胞粘附和增殖的三维孔道结构(Biomaterials.2013；34:9264-77.)，但是磺化之后的PEEK表面形成的微介孔结构内会残余部分有害的S系化合物，而这些S系化合物会影响细胞的正常活动。

因此，如何进一步改善聚醚醚酮的材料的性能，从而提高其实际应用价值，仍然本领域技术人员的研究方向之一。

发明内容

本发明旨在进一步提升现有聚醚醚酮块体材料的生物相容性等相关性能，本发明提供了一种对PEEK表面进行改性的方法。

本发明提供了一种对聚醚醚酮表面进行改性的方法，所述方法包括：

先通过浓硫酸对聚醚醚酮进行磺化处理以使聚醚醚酮表面形成具有三维孔道结构的改性层，磺化处理完毕后取出聚醚醚酮块体材料洗涤后，再对其进行水热处理以去除所述三维孔道结构中残留的硫。

较佳地，所述聚醚醚酮包括抛光的聚醚醚酮块体材料和/或未抛光的聚醚醚酮块体材料。

较佳地，浓硫酸的浓度大于70％。

较佳地，使用浓硫酸磺化处理聚醚醚酮时进行搅拌操作。

较佳地，磺化处理聚醚醚酮的时间为3～30分钟。

较佳地，水热处理的水热介质包括水、无机酸和/或无机碱。

较佳地，水热处理采用0.2M～9M的酸或碱。

较佳地，水热处理温度为25℃～200℃，时间为≤24小时。

较佳地，所述三维孔道结构，孔径范围在0.1μm～10μm。

本发明的有益效果：

1、经本发明的改性处理后，PEEK表面均匀的出现三维孔道结构，经过水热处理后原有的三维孔道结构不发生断裂，脱落及破坏的现象，可解决超声除硫的孔道结构破碎的问题；既可以保留PEEK优良的机械性能，又能提高材料的生物活性、抗菌性并能保持其良好的生物相容性；

2、经过本发明的改性处理后得到的去S磺化PEEK材料，浸泡在模拟体液中可诱发类骨磷灰石在表面的形成和生长，并且在抗菌实验中表现出良好的抗菌作用，可获得一种综合性能优良的人工骨替换材料；

3、本发明制备工艺稳定可控，操作简单，成本低，易于实现，便于推广应用。

附图说明

图1(a)示出了未被处理的纯PEEK的表面扫描电镜照片；

图1(b)示出了仅经过硫化处理的PEEK的表面扫描电镜照片；

图1(c)示出了本发明一个实施方式中磺化PEEK、水热去S的PEEK表面扫描电镜照片；

图1(d)示出了本发明中经过磺化处理、超声处理(60HZ/1h)的PEEK的SEM图谱；

图2(a)示出了仅经过硫化处理的PEEK的EDS图谱；

图2(b)示出了本发明中经过磺化处理、水热处理(水/80℃/24h)的PEEK的EDS图谱；

图2(c)示出了本发明中经过磺化处理、水热处理(稀盐酸/80℃/24h)的PEEK的EDS图谱；

图2(d)示出了本发明中经过磺化处理、水热处理(稀氢氧化钠/80℃/24h)的PEEK的EDS图谱；

图2(e)示出了本发明中经过磺化处理、水热处理(水/120℃/4h的EDS图谱)的PEEK的EDS图谱；

图3是本发明提供的经磺化、水热去S的PEEK材料与纯PEEK的生物活性对比图，其中，(a)纯PEEK材料浸泡在模拟体液中21天后的SEM图，(b)磺化去S的PEEK材料浸泡在模拟体液中21天后的SEM图；

图4(a)示出了大肠杆菌菌液滴涂在纯PEEK上并培养24小时后重新移植至琼脂板培养后的大肠杆菌菌落图；

图4(b)示出了大肠杆菌菌液滴涂在磺化、水热去S的PEEK材料上并培养24小时后重新移植至琼脂板培养后的大肠杆菌菌落图；

图4(c)示出了金黄色葡萄球菌菌液滴涂在纯PEEK上并培养24小时后重新移植至琼脂板培养后的金黄色葡萄球菌菌落图；

图4(d)示出了金黄色葡萄球菌菌液滴涂在磺化、水热去S的PEEK材料上并培养24小时后重新移植至琼脂板培养后的金黄色葡萄球菌菌落图。

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技术中存在的PEEK植入体不具有生物活性的难题，提供一种对PEEK表面进行改性的方法，以填补现有技术的空白。

PEEK因其具有与骨近似的弹性模量以及良好的力学性能而成为了一种很有潜力的硬组织替换材料。但是，PEEK本身不具备生物活性，使其应用受到了限制。磺化能使PEEK表面形成三维网络结构而有利于细胞的粘附，但是会同时引入大量的硫元素(S)，对细胞的生长造成不利的影响。本发明主要针对去除磺化处理中引入的S。使用水热处理的方法不仅可以保持原有的三维网络结构，而且可以除去网络结构中残存的S，使磺化后的PEEK具有良好的成骨性及抗菌性，使生物惰性的PEEK材料成为一种具有优良综合性能的人工骨替换材料成为可能。

本发明公开了一种对聚醚醚酮(PEEK)表面进行改性的方法，使用浓硫酸对其进行磺化处理后，经过水热处理，获得去除S元素的具有三维网络结构的PEEK表面改性层。

使用浓硫酸对PEEK进行磺化处理，获得具有三维孔道结构的PEEK表面改性层。

使用浓硫酸进行磺化处理的浓硫酸为浓度>70％的浓硫酸；

使用浓硫酸对PEEK进行磺化处理时，使用的磺化试剂为浓硫酸其浓度可为98％。

使用浓硫酸磺化处理PEEK时进行搅拌。磺化过程中使用磁子进行搅拌。

磺化处理PEEK的时间为3min～30min。

磺化PEEK的表面孔径范围在0.1μm～10μm。

使用水热法去除磺化PEEK三维孔道结构中残留的S。磺化后的PEEK使用的水热去S处理的水热介质为水、无机酸、无机碱等介质。

磺化后的PEEK使用的水热去S处理的水热介质无机酸及无机碱的为0.2M～9M的稀酸/碱。

磺化PEEK使用水热去S的水热处理温度为25℃～200℃。

磺化PEEK使用水热去S的水热处理的时间为0h～24h。

所述的PEEK为生物医用PEEK材料，尤指抛光的PEEK经无水乙醇以及去离子水清洗去除表面杂质后的PEEK材料。

使用浓硫酸磺化处理的PEEK为抛光的PEEK或未抛光的PEEK。

所述的生物医用PEEK材料使用无水乙醇以及去离子水清洗去除表面杂质后的PEEK材料。

在模拟体液浸泡下可诱发类骨磷灰石在表面的形成和生长。

该改性层对革兰氏阴性的大肠杆菌和革兰氏阳性菌的金黄色葡萄球菌均有较明显的抗菌效果。

MC3T3细胞能够在涂层表面快速粘附和增殖，rBMMSC细胞能够在涂层表面快速向成骨细胞方向分化，显示出优异的成骨相容性；与未改性的PEEK相比，该涂层能够显著提高细胞在涂层表面的成骨活性。使用化学方法对磺化PEEK进行处理可以在不改变原有的三维孔道结构的情况下除去磺化PEEK表面微介孔中的S，以增强磺化后的PEEK生物相容性。

经本发明的改性处理后，PEEK表面均匀的出现三维孔道结构，经过水热处理后原有的三维孔道结构不发生断裂，脱落及破坏的现象，可解决超声除硫的孔道结构破碎的问题。由于水热处理在高温釜内形成的高压可使得残存在三维孔道内的硫几乎全部去除，并且采用水热介质水，不引入对人体有害的元素。通过本发明的处理，在PEEK表面形成一层具有三维孔道结构的无S改性层，既可以保留PEEK优良的机械性能，又能提高材料的生物活性、抗菌性并能保持其良好的生物相容性。因此，采用本发明的改性方法，将能获得一种综合性能优良的人工骨替换材料。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

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。

实施例一

a)医用PEEK材料经过抛光后经过乙醇、丙酮、去离子水依次分别清洗三遍；b)将磁子置于浓硫酸中，在磁力搅拌器中以300r/min的速度搅拌，将PEEK置于其中反应5min，将磺化后的PEEK置于去离子水中，浸泡5min，取出自然晾干，获得具有三维孔道结构的改性层；c)将磺化后的PEEK置于去离子水中在80℃下在水热釜中进行水热处理24h后取出样品涮洗，自然干燥，获得去S的三维孔道结构改性层。

图1(a)、图1(b)、图1(c)为实施例中相关附图；从图1(a)、图1(b)、图1(c)中可以看出，磺化处理能够在PEEK表面形成三维孔道结构，水热处理不会破坏形成的三维孔道结构。

图2(a)为本实施例中仅经过硫化处理的PEEK的EDS图谱，图2(b)为本实施例中经过硫化处理、水热处理(水/80℃/24h)的PEEK的EDS图谱，从中可以看出，以去离子水作水热介质在80℃下进行水热处理能够去除三维孔道结构中大部分S。

采用本实施例中纯PEEK以及经磺化、去S处理的PEEK材料，分别进行生物活性对比实验。从图3，可以看出，磺化去S的PPEK材料比纯PEEK材料具有更好的生物活性。

采用本实施例中纯PEEK以及经磺化、去S处理的PEEK材料，分别进行抗菌对比实验。从图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)，可以看出，磺化去S的PEEK材料具有很好的抗菌性。

实施例二

a)医用PEEK材料经过抛光后经过乙醇、丙酮、去离子水依次分别清洗三遍；b)将磁子置于浓硫酸中，在磁力搅拌器中以300r/min的速度搅拌，将PEEK置于其中反应5min，将磺化后的PEEK置于去离子水中，浸泡5min，取出自然晾干，获得具有三维孔道结构的改性层；c)将磺化后的PEEK置于去稀盐酸中在80℃下在水热釜中进行水热处理24h后取出样品涮洗，自然干燥，获得去S的三维孔道结构改性层；

图2(c)为本实施例中经过硫化处理、水热处理的PEEK的EDS图谱，从中可以看出，以稀盐酸作为水热介质在80℃先进行水热处理能够去除三维孔道结构中大部分S。

实施例三

a)医用PEEK材料经过抛光后经过乙醇、丙酮、去离子水依次分别清洗三遍；b)将磁子置于浓硫酸中，在磁力搅拌器中以300r/min的速度搅拌，将PEEK置于其中反应5min，将磺化后的PEEK置于去离子水中，浸泡5min，取出自然晾干，获得具有三维孔道结构的改性层；c)将磺化后的PEEK置于去稀氢氧化钠中在80℃下在水热釜中进行水热处理24h后取出样品涮洗，自然干燥，获得去S的三维孔道结构改性层；

图2(d)为本实施例中经过硫化处理、水热处理的PEEK的EDS图谱，从中可以看出，以稀氢氧化钠作为水热介质在80℃先进行水热处理能够去除三维孔道结构中部分S。

实施例四

a)医用PEEK材料经过抛光后经过乙醇、丙酮、去离子水依次分别清洗三遍；b)将磁子置于浓硫酸中，在磁力搅拌器中以300r/min的速度搅拌，将PEEK置于其中反应5min，将磺化后的PEEK置于去离子水中，浸泡5min，取出自然晾干，获得具有三维孔道结构的改性层；c)将磺化后的PEEK置于去离子水中在120℃下在水热釜中进行水热处理4h后取出样品涮洗，自然干燥，获得去S的三维孔道结构改性层；

图2(e)为本实施例中经过硫化处理、水热处理的PEEK的EDS图谱，从中可以看出，以稀去离子水作为水热介质在120℃先进行水热处理能够去除三维孔道结构中绝大部分S。

对比例一

医用PEEK材料经过抛光后经过乙醇、丙酮、去离子水依次分别清洗三遍；b)将磁子置于浓硫酸中，在磁力搅拌器中以300r/min的速度搅拌，将PEEK置于其中反应5min，将磺化后的PEEK置于去离子水中，浸泡5min，取出自然晾干，获得具有三维孔道结构的改性层；c)将磺化后的PEEK置于60Hz的超声频率下超声1h取出样品涮洗，自然干燥，获得去S的三维孔道结构改性层；

图1(d)为本实例附图，从图中可以看出60Hz超声1h会破坏形成对的三维孔道结构。

Claims

1.一种对聚醚醚酮表面进行改性的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

先通过浓硫酸对聚醚醚酮进行磺化处理以使聚醚醚酮表面形成具有三维孔道结构的改性层，磺化处理完毕后取出聚醚醚酮块体材料洗涤后，再对其进行水热处理以去除所述三维孔道结构中残留的硫，水热处理温度为80℃～200℃，水热处理时间为≤24小时，水热处理的水热介质包括水、无机酸和/或无机碱，改性后的聚醚醚酮材料保持磺化形成的三维孔道结构，同时提高了聚醚醚酮的生物活性和抗菌性。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚醚醚酮包括抛光的聚醚醚酮块体材料和/或未抛光的聚醚醚酮块体材料。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，浓硫酸的浓度大于70%。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用浓硫酸磺化处理聚醚醚酮时进行搅拌操作。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，磺化处理聚醚醚酮的时间为3～30分钟。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，水热处理采用0.2M～9M的酸或碱。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三维孔道结构，孔径范围在0.1μm～10μm。