CN105331946B

CN105331946B - 一种锆离子注入改善医用聚醚醚酮材料生物活性的方法

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Publication number: CN105331946B
Application number: CN201510797209.XA
Authority: CN
Inventors: 刘宣勇; 李剑
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2015-11-18
Publication date: 2018-04-03
Anticipated expiration: 2035-11-18
Also published as: CN105331946A

Abstract

本发明涉及一种锆离子注入改善医用聚醚醚酮材料生物活性的方法，所述方法包括：使用等离子体浸没离子注入技术，在聚醚醚酮的表面进行锆离子注入，得到改性后的聚醚醚酮材料。本发明利用等离子体浸没离子注入技术对聚醚醚酮材料进行锆离子注入改性，在材料表面引入微纳结构的同时，也引入生物活性成分氧化锆，以提高聚醚醚酮的机械性能、生物活性和成骨性能，同时也赋予材料一定的抗菌性。

Description

一种锆离子注入改善医用聚醚醚酮材料生物活性的方法

技术领域

本发明涉及一种对医用聚醚醚酮表面进行改性的方法，具体说，是涉及一种使用等离子体浸没离子注入技术对聚醚醚酮材料表面进行改性的方法，属于医用高分子材料表面改性技术领域。

背景技术

作为一种新型的硬组织替换材料，聚醚醚酮(PEEK)因其优异的机械性能和化学稳定性而被广泛应用在骨组织工程领域(Biomaterials,2006,27,324-334)。与传统医用金属材料相比，聚醚醚酮的弹性模量与人体骨组织更为匹配，可以有效减少应力屏蔽效应引起的骨吸收和骨萎缩(Biomaterials,2007,28,4845-4869)。另外，聚醚醚酮具有优异的化学稳定性，在人体内不会降解和腐蚀，因而不会产生有毒物质释放(Biomaterials,2013,34,9264-9277)。然而，聚醚醚酮属于生物惰性材料，不具有生物活性，不利于细胞的粘附与生长(Biomaterials,2010,31,8181-8187)。而且聚醚醚酮骨整合性能较差，植入人体后不能与人体骨组织形成牢固的键合，从而影响植入体材料在人体内的长期稳定性(ActaBiomater.,2013,9,6177-6187)。这些缺点限制了聚醚醚酮材料的广泛应用。因此，提高聚醚醚酮材料生物活性已经成为研究热点。

目前，有许多方法被用来改善聚醚醚酮的生物活性。其中，等离子体浸没离子注入技术(Plasma immersion ion implantation,PIII)是一种全方位、高反应活性的新型表面改性技术。利用该技术可以对材料表面微区进行改性而不影响块体材料的整体性能(Mater.Sci.Eng.R-Rep.,2002,36,143-206)。在等离子体浸没离子注入过程中，高分子材料表面会发生许多化学反应，如交联、断链、消熔和刻蚀等(Interface Anal.,1992,18,751-756)，从而在材料表明引入活性官能团和微纳结构。另外，通过等离子体浸没离子注入技术，可以将生物活性材料引入到材料表面，从而改善材料的生物活性。

氧化锆具有良好的生物相容性而被广泛应用于牙科、整形和骨修复领域(Mater.Express,2014,4,1-12)。体外细胞实验表明纳米氧化锆和氧化锆薄膜具有良好的生物活性，能显著促进干细胞的增殖和分化(Biomaterials,2006,27,3904-3911)。体内动物实验表明氧化锆具有良好的骨整合性能，当其植入体内，能与宿主骨形成直接的键合(Clin.Oral Implant.Res.,2009,20,1247-1253)。另外纳米氧化锆还具有一定的抗菌性能，能抑制细菌在材料表面的粘附生长(J Ind Text,2012,41,222-240)。

发明内容

本发明为解决现有的医用聚醚醚酮存在生物活性和成骨性能不佳的问题，提供一种医用聚醚醚酮材料的表面改性方法，以满足医用聚醚醚酮材料所需的生物活性需求。

在此，所述方法包括：使用等离子体浸没离子注入技术，在聚醚醚酮的表面进行锆离子注入，得到改性后的聚醚醚酮材料。

本发明利用等离子体浸没离子注入技术对聚醚醚酮材料进行锆离子注入改性，在材料表面引入微纳结构的同时，也引入生物活性成分氧化锆，以提高聚醚醚酮的机械性能、生物活性和成骨性能，同时也赋予材料一定的抗菌性。

较佳地，使用等离子体浸没离子注入技术在聚醚醚酮的表面进行锆离子注入时，使用纯金属锆作为阴极。

本发明中，所述锆离子注入的工艺参数包括：本底真空度为3×10^-3～5×10^-3Pa，注入电压为15～40kV，注入脉宽为50～600μs，注入脉冲频率为5～10Hz，阴极源触发脉宽为500～2000μs，注入时间为30～180分钟。

较佳地，所述注入脉宽为200～600μs，所述注入时间为60～180分钟。

较佳地，所述本底真空度为5×10^-3Pa，所述注入电压为15kV，所述注入脉冲频率为10Hz，所述注入脉宽为500μs，所述注入时间为120分钟。

较佳地，所述聚醚醚酮为纯聚醚醚酮材料或碳纤维增强聚醚醚酮材料。

其中，所述聚醚醚酮为纯聚醚醚酮材料，锆离子注入会在纯聚醚醚酮表面形成纳米颗粒和纳米膜结构。

又，所述聚醚醚酮为碳纤维增强聚醚醚酮材料，锆离子注入碳纤维增强聚醚醚酮表面形成具有纳米颗粒和岛状结构的多级纳米结构。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

经过本发明改性方法处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮材料，表面纳米硬度、弹性模量和弹性恢复能力得到显著提高，材料的生物活性和成骨性能也有较大程度的提高，同时也具有一定的抗菌性。细胞实验结果证实，经过本发明改性方法处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮材料具有较好的生物活性和促进干细胞成骨分化的能力，rBMSCs细胞在改性表面增殖和成骨分化明显高于未改性表面，能满足医用碳纤维增强聚醚醚酮材料所需的生物活性和成骨性能要求。

附图说明

图1是经实施例1改性处理得到的碳纤维增强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：(a)为未改性碳纤维增强聚醚醚酮，(b)和(c)为改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮。

图2是经实施例1改性处理前后碳纤维增强聚醚醚酮表面XPS全谱谱图，图中：(a)为未改性碳纤维增强聚醚醚酮表面XPS全谱，(b)、(c)分别为改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮表面XPS全谱和Zr3d高分辨谱。

图3是经实施例1改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮表面元素深度分布谱图。

图4是经实施例1改性处理前后的碳纤维增强聚醚醚酮表面(a)纳米硬度、(b)弹性模量和(c)载荷-位移曲线。图中：Zr-0表示未经离子注入改性的样品，Zr-2表示15kV偏压下注入锆离子2h的样品。

图5是经实施例2改性处理得到的纯聚醚醚酮与未改性纯聚醚醚酮表面的扫描电镜形貌对照图，图中：(a)、(b)为未改性纯聚醚醚酮，(c)、(d)为改性处理得到的纯聚醚醚酮。

图6是经实施例1改性处理前后的碳纤维增强聚醚醚酮表面培养rBMSCs干细胞形貌扫描电镜图，图中：Zr-0表示未经离子注入改性的样品，Zr-2表示15kV偏压下注入锆离子2h的样品。

图7是经本发明改性处理前后的碳纤维增强聚醚醚酮表面培养rBMSCs干细胞的增殖实验结果，图中：Zr-0表示未经离子注入改性的样品，Zr-2表示15kV偏压下注入锆离子2h的样品。

图8是经本发明改性处理前后的碳纤维增强聚醚醚酮表面培养rBMSCs干细胞碱性磷酸酶(ALP)活性测试结果，图中：Zr-0表示未经离子注入改性的样品，Zr-2表示15kV偏压下注入锆离子2h的样品。

图9是经本发明改性处理前后的碳纤维增强聚醚醚酮表面培养rBMSCs干细胞胶原(COLL)分泌测试结果，图中：Zr-0表示未经离子注入改性的样品，Zr-2表示15kV偏压下注入锆离子2h的样品。

图10是经本发明改性处理前后的碳纤维增强聚醚醚酮表面培养rBMSCs干细胞细胞外基质(ECM)矿化测试结果，图中：Zr-0表示未经离子注入改性的样品，Zr-2表示15kV偏压下注入锆离子2h的样品。

图11是经本发明改性处理前后的碳纤维增强聚醚醚酮抗菌实验结果(图中右上角为细菌涂板实验结果)，图中：(a)表示处理前样品，(b)表示Zr-2样品，Zr-2表示15kV偏压下注入锆离子2h的样品。

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，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明公开了一种在医用聚醚醚酮材料表面进行改性的方法，该方法提出采用等离子体浸没离子注入技术在聚醚醚酮表面进行锆离子注入，以解决现有医用聚醚醚酮材料植入人体后存在的生物活性和骨整合性能不佳等问题。经过本发明改性处理得到的聚醚醚酮材料，其表面可获得纳米结构，机械性能、生物活性和成骨性能得到显著提高。

本发明采用的技术方案如下：

一种医用聚醚醚酮材料的表面改性方法，包括：使用锆离子注入法对聚醚醚酮材料进行表面改性并在其表面构建多级纳米结构。

作为一种优选方案，采用等离子体浸没离子注入(PIII)技术在医用碳纤维增强聚醚醚酮材料表面注入锆离子。

作为一种优选方案，采用等离子体浸没离子注入技术在医用碳纤维增强聚醚醚酮材料表面注入锆离子时，优选纯锆作为阴极。

其中，采用等离子体浸没离子注入技术在医用碳纤维增强聚醚醚酮材料表面注入锆离子的工艺参数推荐为：本底真空度为3×10^-3～5×10^-3Pa，注入电压为15～40kV，注入脉宽为50～500μs，注入频率为5～10Hz，阴极源触发脉宽为500～2000μs，注入时间为0.5～3h。

经过本发明表面改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮表面分布有50nm左右岛状结构，岛状结构中分布有粒径大小为10nm左右的纳米颗粒。锆元素和纳米结构的引入显著地改善了碳纤维增强聚醚醚酮的机械性能、生物活性、成骨性能和抗菌性能。

作为一种优选方案，本发明的表面改性方法亦可应用于纯聚醚醚酮材料。

本发明的优点是：与现有技术相比，经过本发明改性方法处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮材料，生物活性和成骨性能有较大程度的提高，同时也具有一定的抗菌性。细胞实验结果证实，经过本发明改性方法处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮材料具有较好的生物活性和促进干细胞成骨分化的能力，经过本发明改性处理得到的聚醚醚酮材料表面大鼠骨髓基质干细胞(rBMSCs)增殖、碱性磷酸酶(ALP)活性、胶原(COLL)分泌、细胞外基质(ECM)矿化明显高于未改性样，可满足医用聚醚醚酮所需的性能要求。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，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。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

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。采用等离子体浸没离子注入技术，将锆离子注入碳纤维增强聚醚醚酮基体其具体的工艺参数见表1所示，所获得样品编号Zr-2。

表1锆离子注入参数

注入偏压(kV)	15	脉宽(μs)	500
				注入时间(h)	2	本底真空(Pa)	5×10^-3
阴极触发脉宽(μs)	500	频率(Hz)	10

图1是经实施例1改性处理得到的碳纤维增强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，图中：(a)为未改性碳纤维增强聚醚醚酮，(b)和(c)为改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮。

由图1可见：经本实施例改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮表面具有明显的岛状纳米结构，在这些岛状纳米结构表面分布有粒径为10nm左右的氧化锆纳米颗粒，且纳米颗粒分布比较均匀。

图2是经本实施例改性处理前后碳纤维增强聚醚醚酮材料表面XPS谱：(a)为未改性碳纤维增强聚醚醚酮表面XPS全谱，(b)、(c)分别为改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮表面XPS全谱和Zr 3d高分辨谱。图3是经实施例1改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮表面元素深度分布图。

由图2和图3可知：使用等离子体浸没离子注入技术可以将锆元素引入至聚醚醚酮表面，表面锆元素以氧化锆形式存在，锆元素在分布较大深度范围，且元素含量随深度增加而降低。

图4是经实施例1改性处理前后的碳纤维增强聚醚醚酮表面(a)纳米硬度、(b)弹性模量和(c)载荷-位移曲线。

由图4可知，经本实施例改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮表面纳米硬度、弹性模量和弹性恢复能力得到显著提高，其中，经本实施例改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮表面弹性模量达14GPa，与人骨的弹性模量很接近。

实施例2

的纯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。采用等离子体浸没离子注入技术，将锆离子注入纯聚醚醚酮基体，其具体的工艺参数见表2所示：

表2锆离子注入参数

注入偏压(kV)	15	脉宽(μs)	500
				注入时间(h)	1.5	本底真空(Pa)	5×10^-3
阴极触发脉宽(μs)	500	频率(Hz)	10

图5是实施例2改性处理后纯聚醚醚酮表面扫描电镜形貌对照图，图中：(a)、(b)为未改性纯聚醚醚酮，(c)、(d)为改性处理得到的纯聚醚醚酮。

由图5可见：经本实施例改性处理得到的纯聚醚醚酮表面具有明显的纳米颗粒，在颗粒粒径为20nm左右，且纳米颗粒分布比较均匀。

实施例3

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。采用等离子体浸没离子注入技术，将锆离子注入碳纤维增强聚醚醚酮基体，其具体的工艺参数见表3所示：

表3锆离子注入参数

注入偏压(kV)	30	脉宽(μs)	500
				注入时间(h)	2	本底真空(Pa)	5×10^-3
阴极触发脉宽(μs)	500	频率(Hz)	10

实施例4

选用rBMSCs干细胞细胞，采用体外细胞培养实验评估经上述实施例1改性处理所得碳纤维增强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/mLrBMSCs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24h。(3)吸去细胞培养液，将样品移至新的24孔板内，用PBS清洗三遍，用5％戊二醛在4℃下固定24小时。(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。(5)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是经本发明改性处理前后的碳纤维增强聚醚醚酮表面rBMSCs干细胞形貌扫描电镜图。由图6可知：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。

实施例5

采用rBMSCs干细胞体外培养实验评估经上述实施例1改性处理所得碳纤维增强聚醚醚酮材料的细胞活性。利用AlamarBlue^TM(AbD serotec Ltd，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1×10⁴cell/mL rBMSCS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℃培养。(3)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。(4)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：

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是经上述实施例1改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮与未改性碳纤维增强聚醚醚酮的rBMSCS细胞增殖实验统计结果。由图7可见：rBMSCS细胞在经上述实施例1改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮表面增殖情况明显好于未改性碳纤维增强聚醚醚酮，显示出改性样品具有较好的生物活性。

实施例6

rBMSCs干细胞的碱性磷酸酶(ALP)活性用ALP活性检测试剂盒(生工生物工程(上海)有限公司)测定。方法如下：(1)将灭菌好的样品放入24孔细胞培养板中，向每孔中滴加1mL密度为1×10⁴/mL(7天)(0.5×10⁴/mL(14天))的rBMSCs细胞悬液，并置于5％CO₂饱和湿度的36.5℃培养箱中恒温培养7、14天。(2)细胞培养7、14天后，将样品移至新的24孔板内并用PBS清洗样品表面，向每孔中加入细胞裂解液，置于4℃裂解40min。(3)将裂解的细胞从样品表面洗脱，离心后取上清液，向上清液中加入磷酸对硝基苯酯(p-NPP)，置于36.5℃恒温箱中30min后加入1M的NaOH溶液终止反应，通过在酶标仪上测量其在405nm波长处的吸光度来计算反应生成的对硝基苯酚的量。最终用经过细胞内蛋白总量标准化的对硝基苯酚的量来衡量ALP活性，而细胞内蛋白总量是通过BCA蛋白法进行测量的。

图8是经上述实施例1改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮与未改性碳纤维增强聚醚醚酮的rBMSCS细胞碱性磷酸酶(ALP)活性测试实验统计结果。由图8可见：经上述实施例1改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮表面的rBMSCS细胞碱性磷酸酶(ALP)活性明显好于未改性碳纤维增强聚醚醚酮表面细胞碱性磷酸酶活性，显示出改性样品能促进干细胞的早期成骨分化。

实施例7

rBMSCs干细胞的胶原(COLL)分泌检测方法如下：(1)将灭菌好的样品放入24孔细胞培养板中，向每孔中滴加1mL密度为1×10⁴/mL(7天)(0.5×10⁴/mL(14天))的rBMSCs细胞悬液，并置于5％CO₂饱和湿度的36.5℃培养箱中恒温培养7、14天。(2)细胞培养7、14天后，将样品移至新的24孔板内并用PBS清洗样品表面，然后向每孔中加入0.5mL含0.1％天狼星红的饱和苦味酸混合液，在4℃下染色18h。(3)用0.1M的醋酸溶液反复清洗样品表面直至溶液澄清。(4)向每孔加入由0.2M的氢氧化钠和甲醇按体积比1：1配制而成的洗脱液，将样品表面的染料洗脱下来。(5)从每孔取出100μL洗脱液放入96孔板中，利用酶标仪(BIO-TEK，ELX800)测量各孔在570nm波长下的吸光度值。

图9是经上述实施例1改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮与未改性碳纤维增强聚醚醚酮的rBMSCS干细胞胶原(COLL)分泌测试实验统计结果。由图9可见：经上述实施例1改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮表面的rBMSCS细胞胶原(COLL)分泌明显高于未改性碳纤维增强聚醚醚酮表面细胞胶原分泌，表明改性样品能促进干细胞的早期成骨分化。

实施例8

rBMSCs干细胞细胞外基质(ECM)矿化分泌检测方法如下：(1)将灭菌好的样品放入24孔细胞培养板中，向每孔中滴加1mL密度为1×10⁴/mL(7天)(0.5×10⁴/mL(14天))的rBMSCs细胞悬液，并置于5％CO₂饱和湿度的36.5℃培养箱中恒温培养7、14天。(2)细胞培养7、14天后，将样品移至新的24孔板内并用PBS清洗样品表面，然后向每孔中加入0.5mL75vol.％的酒精，在室温下固定细胞1h。(3)向每孔加入40mM的茜素红溶液，在室温下对细胞进行染色10min。(4)用超纯水反复清洗样品表面直至无红色析出。(5)向每孔加入0.5mL含10％氯化十六烷吡啶的磷酸钠溶液溶解样品表面的染料。(6)从每孔取出100μL洗脱液放入96孔板中，利用酶标仪(BIO-TEK，ELX800)测量各孔在600nm波长下的吸光度值。

图10是经上述实施例1改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮与未改性碳纤维增强聚醚醚酮的rBMSCS干细胞细胞外基质(ECM)矿化测试实验统计结果。由图10可见：经上述实施例1改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮表面的rBMSCS干细胞细胞外基质(ECM)矿化明显高于未改性碳纤维增强聚醚醚酮表面的rBMSCS干细胞细胞外基质矿化，表明改性样品能促进干细胞后期成骨分化。

实施例9

选用金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)，采用抗菌实验评估经上述实施例1改性所得碳纤维增强聚醚醚酮材料的抗菌性，利用扫描电子显微镜观察材料表面细菌形貌。具体步骤如下：(1)将使用75％乙醇灭菌的样品置于培养板中，吸取60μL密度为10⁷cfu/mL的菌液接种于样品表面，保持湿度大于90％，置于36.5℃厌氧恒温箱中培养24h。(2)取出样品，用2％戊二醛在室温下固定24小时，用PBS清洗三遍。(3)用梯度酒精(30％、50％、75％、90％、95％和100％)对已固定的细菌进行脱水处理。(4)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观察样品表面的细菌形态。

另外，利用金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus，S.aureus，ATCC 25923)通过涂板实验评价材料的抗菌活性。具体步骤如下：取金黄色葡萄球菌接种于营养琼脂板表面，在36.5℃厌氧恒温箱中培养48h，连续传至第三代无杂菌者作为实验用菌种。刮下菌种并接种于营养琼脂培养基，继续培养24h。参照细菌标准比浊管，将菌液稀释为10⁷cfu/mL。将待测样品置于75％乙醇水溶液中震荡消毒2h。吸取60μL菌液接种于样品表面，置于36.5℃和90％湿度的厌氧恒温箱中培养。24h后用4.5mL生理盐水将样品表面的细菌洗下，并稀释至特定浓度。取稀释后的菌液100μL接种于营养琼脂培养皿，于36.5℃厌氧恒温箱培养18h后，记录存活菌落数。

图11是经上述实施例1改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮与未改性样细菌形貌图。由图11可知：改性样品表面细菌数量明显少于对照组材料表面细菌数量，涂板实验结果表明实施例1改性处理后，材料对金黄色葡萄球菌的抑制率达到62.7％，，表明改性材料对金黄色葡萄球菌具有一定抗菌性。

产业应用性：经过本发明改性方法处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮材料表面机械性质得到显著提高，尤其是表面弹性模量与人骨弹性模量更为匹配，另外经过本发明改性方法处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮材料表面具有较好的生物活性和促进干细胞成骨分化的能力，rBMSCs细胞在改性表面增殖和成骨分化明显高于未改性表面，能满足医用碳纤维增强聚醚醚酮材料所需的生物活性和成骨性能要求。

Claims

1.一种注入锆离子改善聚醚醚酮材料生物活性的方法，其特征在于，所述方法包括：使用等离子体浸没离子注入技术，在聚醚醚酮的表面进行锆离子注入，得到改性后的聚醚醚酮材料，所述锆离子注入的工艺参数包括：本底真空度为3×10^-3～5×10^-3Pa，注入电压为15～40 kV，注入脉宽为50～600μs，注入脉冲频率为5～10Hz，阴极源触发脉宽为500～2000μs，注入时间为30～180分钟；

所述改性后的聚醚醚酮材料的表面弹性模量比未经离子注入改性的聚醚醚酮材料表面提高；

所述改性后的聚醚醚酮材料的表面纳米硬度比未经离子注入改性的聚醚醚酮材料表面提高；

所述改性后的聚醚醚酮材料的弹性恢复能力比未经离子注入改性的聚醚醚酮材料提高。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用等离子体浸没离子注入技术在聚醚醚酮的表面进行锆离子注入时，使用纯金属锆作为阴极。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述注入脉宽为200～600μs，所述注入时间为60～180分钟。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述本底真空度为5×10^-3Pa，所述注入电压为15 kV，所述注入脉冲频率为10 Hz，所述注入脉宽为500μs，所述注入时间为2小时。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述聚醚醚酮为纯聚醚醚酮材料或碳纤维增强聚醚醚酮材料。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述聚醚醚酮为纯聚醚醚酮材料，锆离子注入纯聚醚醚酮表面形成纳米膜或纳米颗粒。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述聚醚醚酮为碳纤维增强聚醚醚酮材料，锆离子注入碳纤维增强聚醚醚酮表面形成具有纳米颗粒和岛状结构的多级纳米结构。