CN112898619A - 具有抗菌及成骨整合性能的生物材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于生物医用高分子材料技术领域，提供了一种具有抗菌及成骨整合性能的生物材料及其制备方法和应用，该制备方法包括：对碳纤维增强聚醚醚酮复合材料进行表面磺化处理；将磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料浸没在凝胶前体液中，并进行预先交联；所述凝胶前体液包括甲基丙烯酸酯化明胶、聚乙二醇二丙烯酸酯和氧化石墨烯‑羟基磷灰石复合材料；通过紫外辐照的方法对预先交联的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料进行接枝，得到生物材料。本发明通过以甲基丙烯酸酯化明胶/聚乙二醇二丙烯酸酯凝胶为中间媒介将氧化石墨烯‑羟基磷灰石复合材料负载到经过磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的表面上，可以增强其抗菌性能和成骨整合能力。

Description

具有抗菌及成骨整合性能的生物材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物医用高分子材料技术领域，尤其涉及一种具有抗菌及成骨整合性能的生物材料及其制备方法和应用。
背景技术
碳纤维增强聚醚醚酮(CFRPEEK)以其优良的热稳定性、机械性能、射线可透性、及生物相容性成为最有发展前途的、可代替传统金属植入体的硬组织修复材料。与具有超过100 GPa的高弹性模量的典型金属材料不同，具有不同纤维长度和取向的碳纤维增强聚醚醚酮（CFPEEK）具有接近皮质骨（~20 GPa）的可调节的弹性模量，这可以减轻植入物与人体骨骼之间的弹性失配导致的应力屏蔽引起的骨质疏松和骨吸收的风险。然而CFPEEK复合材料的生物惰性不利于细胞的生长与粘附，而且其劣势的成骨整合能力使其在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。并且CFRPEEK植入手术难免会在手术过程和术后康复过程中遇到细菌感染，为了避免细菌感染，通常使用抗生素来预防细菌感染，降低炎症发生的几率。在临床上广泛应用青霉素、链霉素、甲氧苄啶和四环素等抗生素来降低了病原性细菌感染疾病的发病率和死亡率。但是，长期滥用抗生素将使许多致病菌容易对各种抗生素产生耐药性，轻则导致病原体感染疾病久治不愈，降低治疗效果，重则导致患者病情的恶化甚至死亡。
因此对于生物材料表面改性应该同时具备促进成骨整合同时具有抗菌性能，但目前应用于骨科的功能化材料大多具有单一的促进骨整合或抗菌性能。很少有骨科材料会考虑到细菌感染，更不用说同时具备促进成骨分化骨整合及抗菌的多种功能化的材料。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种具有抗菌及成骨整合性能的生物材料的制备方法，旨在解决背景技术中提出的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种具有抗菌及成骨整合性能的生物材料的制备方法，其包括以下步骤：
对碳纤维增强聚醚醚酮复合材料进行表面磺化处理，得到磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；
将磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料浸没在凝胶前体液中，并进行预先交联处理，得到预先交联的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；所述凝胶前体液包括甲基丙烯酸酯化明胶、聚乙二醇二丙烯酸酯和氧化石墨烯-羟基磷灰石复合材料；
通过紫外辐照的方法对预先交联的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料进行接枝，得到具有三维凝胶结构表面的生物材料。
作为本发明实施例的一个优选方案，所述对碳纤维增强聚醚醚酮复合材料进行表面磺化处理，得到磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的步骤，具体包括：
将碳纤维增强聚醚醚酮复合材料依次经丙酮、乙醇、蒸馏水进行超声清洗后，再进行真空干燥，得到预处理后的生物材料；
将预处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料浸没在浓硫酸中进行搅拌后，再置于蒸馏水中以终止反应，然后依次在丙酮、蒸馏水中分别进行清洗，以去除浓硫酸残基后，再进行真空干燥，得到磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
作为本发明实施例的另一个优选方案，浓硫酸的质量浓度为90%~98%。
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述将磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料浸没在凝胶前体液中，并进行预先交联处理，得到预先交联的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的步骤，具体包括：
将磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料按60~80μL/cm2的比例浸没到凝胶前体液中进行静置；
将浸没在凝胶前体液中的磺化碳纤维增强聚醚醚酮置于2~6℃的环境中进行冷藏后，再将其转移到-25~-15℃的环境中进行冷冻，使磺化的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料表面上的凝胶前体液进行预先交联，得到预先交联的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述通过紫外辐照的方法对预先交联的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料进行接枝，得到具有三维凝胶结构表面的生物材料的步骤，具体包括：
在保护气氛下，将预先交联的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料置于光强为10~20mW/cm2的紫外灯下进行光照接枝后，再浸泡在蒸馏水中以去除未反应的凝胶前体液，得到具有三维凝胶结构表面的生物材料。
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述凝胶前体液中，甲基丙烯酸酯化明胶的质量百分比浓度为10%~15%、聚乙二醇二丙烯酸酯的质量百分比浓度为0~5%、氧化石墨烯-羟基磷灰石复合材料的质量浓度为25~100μg/mL。
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述甲基丙烯酸酯化明胶制备方法包括以下步骤：
将明胶溶于缓冲液中，得到明胶溶液；
将甲基丙烯酸酐缓慢加入到明胶溶液中进行反应，并加入缓冲液以终止反应，得到反应液；
将反应液置入透析袋中进行透析，得到透析液；
将透析液进行离心，取上清液进行真空干燥，得到所述甲基丙烯酸酯化明胶。
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述氧化石墨烯-羟基磷灰石复合材料是通过将氯化钙、磷酸氢二钠以及氧化石墨烯通过溶液离子共滴定法进行制备得到，其制备方法具体包括以下步骤：
将无水氯化钙溶解到蒸馏水中，得到氯化钙溶液；
将氧化石墨烯悬液缓慢滴加到氯化钙溶液中进行搅拌，得到混合液；
将磷酸氢二钠溶液缓慢滴加到上述混合液中，并将其pH值调节为9~11后，再经水浴处理，然后进行离心处理，取沉淀物进行干燥，得到所述氧化石墨烯-羟基磷灰石复合材料。
本发明实施例的另一目的在于提供一种上述的制备方法制得的生物材料。
本发明实施例的另一目的在于提供一种上述的生物材料在制备骨移植材料、和/或骨固定材料、和/或骨修复材料中的应用。
在本发明中，甲基丙烯酸酯化明胶（GelMA）是可光聚合的明胶材料，其通过将甲基丙烯酸酯基团加入其含胺侧基中而合成。 GelMA含有精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）序列，可促进细胞生长与粘附，与天然细胞外基质（ECM）相似。由于其胶原样骨架和温和的聚合条件，GelMA水凝胶表现出多种细胞反应的特征，例如促进细胞粘附，增殖和分化。而聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝胶具有优异的柔韧性和变形性能并且无毒副作用，它能够调控GelMA/ PEGDA水凝胶的机械性能和降解性能。
近年来，光学技术发展迅速，光敏材料由于其可以协同光动力疗法和光热疗法在生物医学领域得到了广发的应用。最近，许多二维（2D）材料包括二硫化钼（MoS2），二硫化钨（WS2），氧化石墨烯（GO），黑磷和过渡金属碳化物/碳氮化物/氮化物（MXene）由于其固有的优异的光热和光动力特性而被用于杀死病原体。在这些2D材料中，GO具有更好的生物相容性，并且已在生物医学领域中出于各种目的引起了广泛的兴趣，这些领域包括药物输送，生物医学植入物，组织工程，癌症治疗，生物传感器等。当使用近红外（NIR）光时，GO材料具有捕获和杀死革兰氏阳性和革兰氏阴性病原体的高能力，尽管GO能够增强整形外科植入物的抗菌性能，但通常无法保证植入物的以下成骨活性和骨整合。而羟基磷灰石（HAP）是自然骨中主要无机成分，它能够自发地在骨组织表层形成有生物活性的骨状HAP，和骨组织界面形成很强的化学性键合，对新骨的生长具有一定的诱导作用，人工合成的 HAP表现出良好的生物相容性、生物活性和骨传导性。
本发明实施例提供的一种具有抗菌及成骨整合性能的生物材料的制备方法，通过以甲基丙烯酸酯化明胶/聚乙二醇二丙烯酸酯凝胶为中间媒介将2D纳米复合材料（即氧化石墨烯-羟基磷灰石复合材料）负载到经过磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的表面上，可以增强其抗菌性能和成骨整合能力。与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）本发明所用的中间媒介甲基丙烯酸酯化明胶/聚乙二醇二丙烯酸酯凝胶（GelMA/ PEGDA）的应用广泛，有优异的亲水性能，无生物毒性，同时通过紫外辐照接枝的甲基丙烯酸酯化明胶/聚乙二醇二丙烯酸酯凝胶（GelMA/ PEGDA）能够将材料表面完全包裹，形成的三维凝胶结构有利于提高其生物相容性，并且包裹层不易脱落，对原始复合材料机械性能几乎没有影响。
（2）本发明所用的氧化石墨烯-羟基磷灰石复合材料（GO-HAP）是一种2D纳米复合材料，此纳米复合材料不仅具有良好的光热性能，利用此功能可满足其抗菌需求，而且它还能提高成骨整合能力。
（3）本发明所采用的制备方法的工艺简单，对仪器的要求不高，成本低，易于实现，是一种优异的CFPEEK表面改性方法。
（4）通过本发明得到的生物材料性能优异，结构合理，能够满足大多数骨移植、骨固定、骨修复等临床应用的要求，尤其能够用于载荷情况下的骨移植。
附图说明
图1为GO-HAP复合材料的扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）示意图、GO、HAP和GO-HAP的XRD图、GO-HAP和HAP的Raman图，其中（a）为GO-HAP复合材料的扫描电镜（SEM）示意图，（b）为GO-HAP复合材料的透射电镜（TEM）示意图，（c）为GO、HAP和GO-HAP的XRD图，（d）为GO-HAP和GO的Raman图。
图2为SCP、GP10-0、GP10-5和 GH100的红外谱图、SCP、GP10-0、GP10-5、GH100的XPS谱图以及GH100的Ca、P元素的谱图，其中（a）为SCP、 GP10-0、GP10-5和 GH100的红外谱图，（b）为SCP、GP10-0、GP10-5、GH100的XPS谱图以及GH100的Ca、P元素的XPS窄谱。
图3是实施例1得到的各类型碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的表面扫描电镜（SEM）示意图，图中：（a）为经过浓硫酸磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（即SCP），（b）为实施例1中经GelMA/PEGDA=10:0（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（即GP10-0），（c）为实施例1中经GelMA/PEGDA=10:5（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（即GP10-5）；（d）为实施例1中经GelMA/PEGDA=15:5（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（即GP15-5）；（e）为实施例1中经GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（即GH100）；（f）为实施例1中经GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（即GH100）的高倍图。
图4是实施例1得到的各类型碳纤维增强聚醚醚酮复合材料表面的亲水性图。
图5是实施例1到的各类型碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的体外矿化7天后的扫描电镜（SEM）示意图。其中SCP为只经过浓硫酸磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GP10-5为经GelMA/PEGDA=10:5（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH25为经GO-HAP浓度为25（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH50为经GO-HAP浓度为50（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH100为经GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
图6是实施例1得到的各类型的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的rBMSCs细胞活性荧光显微镜照片。其中Blank为空白对照组；SCP为只经过浓硫酸磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GP10-5为经GelMA/PEGDA=10:5（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH25为经GO-HAP浓度为25（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH50为经GO-HAP浓度为50（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH100为经GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
图7是实施例1得到的各类型碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的rBMSCs细胞粘附实验的结果。其中SCP为只经过浓硫酸磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GP10-5为经GelMA/PEGDA=10:5（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH25为经GO-HAP浓度为25（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH50为经GO-HAP浓度为50（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH100为经GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
图8是实施例1得到的各类型碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的rBMSCs细胞增殖实验的结果。其中SCP为只经过浓硫酸磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GP10-5为经GelMA/PEGDA=10:5（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH25为经GO-HAP浓度为25（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH50为经GO-HAP浓度为50（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH100为经GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
图9是实施例1得到的各类型碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的rBMSCs细胞成骨分化的实验结果：（a）为成骨诱导7和14天后rBMSCs的碱性磷酸酶（ALP）活性定量结果；（b）为在不同样品表面上培养rBMSC 21d后的茜素红的定量结果；（c）为不同样品材料上的碱性磷酸酶（ALP）和茜素红（ARS）染色图；其中SCP为只经过浓硫酸磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GP10-5为经GelMA/PEGDA=10:5（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH25为经GO-HAP浓度为25（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH50为经GO-HAP浓度为50（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH100为经GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
图10是实施例1得到的各类型碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的光热性能的结果：（a）为各组样品的光热性能的结果；（b）为GH100的光热稳定性的结果；其中SCP为只经过浓硫酸磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GP10-5为经GelMA/PEGDA=10:5（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH25为经GO-HAP浓度为25（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH50为经GO-HAP浓度为50（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH100为经GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
图11是实施例1得到的各类型碳纤维增强聚醚醚酮复合材料对金黄色葡萄球菌（S.aureus）和大肠杆菌（E.coli）的光热抑菌性能的实验结果：（a）为各组样品对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌效果的光学照片；（b）为各组样品对金黄色葡萄球菌的杀菌效果的定量结果；（c）为各组样品对大肠杆菌的杀菌效果的定量结果；其中PBS为空白对照组；SCP为只经过浓硫酸磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GP10-5为经GelMA/PEGDA=10:5（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH25为经GO-HAP浓度为25（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH50为经GO-HAP浓度为50（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH100为经GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
该实施例提供了一种具有抗菌及成骨整合性能的生物材料的制备方法，其本质上是对碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的表面进行改善，具体包括以下步骤：
S1. 将碳纤维增强聚醚醚酮复合材料裁切成直径为9mm、厚为1.5mm的圆片，并依次经丙酮、乙醇、蒸馏水进行超声清洗3次（每次30min）后，再置于60℃的真空干燥箱中干燥并储存备用，得到预处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（CFRPEEK）。
其中，上述的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料是取自发明专利（申请号201710504295.X，发明名称：碳纤维长纤增强聚醚醚酮复合材料及其制备方法）所制备的长碳纤维增强聚醚醚酮，其中碳纤维:聚醚醚酮=30:70（wt%）。其具体的制备步骤分为两部分：三维（3D）针刺毡预制件的制作和真空熔融热压成型。在3D针刺毡预制件的过程中，聚醚醚酮复丝由熔体指数为42 g/10min 纺丝级PEEK专用料经高温熔融纺丝机（北京涩谷设备有限公司，中国）纺丝而成。将得到的PEEK纤维和碳纤维（T700-24K，Toray，Japan）分别用纤维切割机切成40mm。然后将70％PEEK纤维和30％碳纤维洗涤，混合，梳理，铺设和针刺以制备碳纤维增强聚醚醚酮复合针刺毡预制件。在真空熔融热压成型的过程中，将碳纤维增强聚醚醚酮针刺毡预制件切成模具尺寸，然后放入真空热压机中。经过加热-加压-饱和-冷却模塑过程，最后通过脱模获得碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。该碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的弹性模量为18~20GPa与人体的皮质骨的弹性模量一致，这将减轻其植入人体后与人体骨骼之间的弹性失配导致的应力屏蔽引起的骨质疏松和骨吸收的风险。此外，该碳纤维增强聚醚醚酮还具有各向同性。
S2. 将上述预处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料浸没在质量浓度为98%浓硫酸中，在磁力搅拌器上反应3min，转速设为500rpm/min，室温下进行磺化处理反应3min后，再快速取出置于蒸馏水中以终止反应，然后依次在丙酮、蒸馏水中分别进行清洗10min，以去除浓硫酸残基后，再置于60℃的真空干燥箱中干燥并储存备用，得到表面多孔的磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（命名为SCP）。
S3. 在避光条件下，将上述磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料按60μL/cm2的比例分别浸入到GelMA/ PEGDA浓度比例为10:0，10:5，15:5（wt%）的GelMA/ PEGDA凝胶前体液中，在室温下静置10-15min使得凝胶前体液均匀的覆盖到磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（SCP）表面上，将浸没在前体液中的磺化碳纤维增强聚醚醚酮静置在4℃环境中冷藏1h，再将其转移到-20℃的环境中冷冻18h，使得磺化的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（SCP）表面上的凝胶前体液进行预先交联（分别命名为GP10-0、GP10-5、GP15-5）。
按照同样的方法，在避光条件下，将上述磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料按60μL/cm2的比例分别浸入GO-HAP浓度为25,50,100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP前体液中（GelMA/PEGDA=10:5 wt%），在室温下静置10-15min使得凝胶前体液均匀的覆盖到磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（SCP）表面上，将浸没在前体液中的磺化碳纤维增强聚醚醚酮静置在4℃环境中冷藏1h，再将其转移到-20℃的环境中冷冻18h，使得磺化的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（SCP）表面上的凝胶前体液进行预先交联（分别命名为GH25、GH50、GH100）。
其中，上述甲基丙烯酸酯化明胶（GelMA）的具体制备方法包括以下步骤：将5g明胶溶于50mL的PBS溶液中，在60℃下磁力搅拌至明胶完全溶解。然后，将8mL的甲基丙烯酸酐缓慢加入到明胶溶液中，在50℃下磁力搅拌3h。然后向混合溶液中加入200mL的50℃PBS溶液以终止反应。将反应液置入12-14kDa的透析袋中，在50℃的蒸馏水中透析3天，期间要经常换水。将透析液在2500rpm下离心15min取上清液并在真空冷冻干燥机中干燥2天得到白色松散状的甲基丙烯酸酯化明胶（GelMA）。
上述氧化石墨烯-羟基磷灰石（GO-HAP）复合材料的制备方法具体包括以下步骤：以制备150mg 的GO-HAP为例 ，其中GO：HAP=1:2即（GO:33%）。将185mg的无水氯化钙（CaCl2）溶解到15mL的蒸馏水中，随后将经过30min超声处理的13.2mL的3.8 mg/mL GO悬液缓慢滴加到无水CaCl2溶液中，磁力搅拌30min。然后，将1.7mL的0.6M的Na2HPO4缓慢滴加到上述混合液中。用1M的NaOH水溶液调节pH在9~11之间，将混合物在45℃水浴下搅拌过夜。将制备的GO-HAP沉淀物用去离子水洗涤并以8000rpm离心3次，最后在60℃的真空烘箱中干燥24h。
上述GelMA/ PEGDA凝胶前体液的配制方法具体包括以下步骤：在避光条件下，将GelMA/PEGDA分别按照10:0,10:5,15:5（wt%）的比例配置水溶液，在37℃下磁力搅拌至两者混合均匀，这样就得到了不同比例的GelMA/PEGDA 前体液。
上述GelMA/PEGDA/GO-HAP凝胶前体液的配制方法具体包括以下步骤：在避光条件下，将0.5mg/mL GO-HAP超声分散1h后分别按照25,50,100（μg/mL）的浓度加入到GelMA/PEGDA（10:5 wt%）混合溶液中，为了使GO-HAP均匀的混合到GelMA/PEGDA（10:5 wt%）混合溶液中，将混合溶液在37℃下磁力搅拌8h，这样就得到了不同浓度的GelMA/PEGDA/GO-HAP凝胶前体液。
S4. 在保护气氛下，将上述浸没在凝胶前体液中并将过预先交联的磺化碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（SCP）放置在波长为365nm，光强为15mW/cm2的紫外灯下， 光照15min，光照完成后将接枝完成的磺化碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（SCP）浸泡在蒸馏水中以去除未反应的凝胶前体液，即可得到经过GelMA/PEGDA/GO-HAP改善后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，即为具有抗菌及成骨整合性能的生物材料。
另外，图1为上述GO-HAP复合材料的扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）示意图、上述GO、HAP和GO-HAP的XRD图、GO-HAP和HAP的Raman图，其中（a）为GO-HAP复合材料的扫描电镜（SEM）示意图，（b）为GO-HAP复合材料的透射电镜（TEM）示意图，（c）为GO、HAP和GO-HAP的XRD图，（d）为GO-HAP和GO的Raman图。
由图1可见，（a）扫描电镜示意图和（b）透射电镜示意图都观察到了针棒状的HAP附着在GO上，这说明成功制备了GO-HAP复合材料；（c）GO、HAP和GO-HAP的XRD图中GO-HAP的谱图与HAP能够很好的匹配，同时（d）GO-HAP和GO的Raman图中在962cm-1处观察到HAP的峰，这说明成功制备了GO-HAP复合材料。
图2为上述SCP、 GP10-0、GP10-5和 GH100的红外谱图、上述SCP、 GP10-0、GP10-5、GH100的XPS谱图以及GH100的Ca、P元素的谱图，其中（a）为SCP、 GP10-0、GP10-5和 GH100的红外谱图，（b）为SCP、 GP10-0、GP10-5、GH100的XPS谱图以及GH100的Ca、P元素的XPS窄谱。
由图2可见，（a）GH100的红外谱图除了有GelMA以及PEGDA的峰以外，还在609cm-1附近检测到-PO4 3-的弯曲振动，这说明GelMA/PEGDA/GO-HAP已经成功负载到SCP表面上，（b）GH100的XPS谱图与SCP、 GP10-0、GP10-5相比除了有C、N、O峰外，在其窄谱中还检测到了Ca、P元素的峰，说明了在SCP表面已经成功负载上了GelMA/PEGDA/GO-HAP。
图3是经过实施例1改善得到的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的表面扫描电镜（SEM）示意图，图中：（a）为经过浓硫酸磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（即SCP），（b）为实施例1中经GelMA/PEGDA=10:0（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（即GP10-0），（c）为实施例1中经GelMA/PEGDA=10:5（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（即GP10-5）；（d）为实施例1中经GelMA/PEGDA=15:5（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（即GP15-5）；（e）为实施例1中经GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（即GH100）；（f）为实施例1中经GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（即GH100）的高倍图。
由图3可见，（a）在本实施例中经过浓硫酸磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮（SCP）表面具有明显的三维多孔结构，（b-d）而GP10-0、GP10-5、GP15-5具有三维凝胶网络，并且GP10-5表面的凝胶网络的孔径达最大，而较大的孔径更适于细胞的生长，（e-f）GH100同样具有三维凝胶网络并且能在高倍图中观察到附着在GO上的针棒状的HAP，而GO-HAP的掺入并没有明显改变凝胶网络的孔径。
对经实施例1改善得到的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的表面进行亲水性测试，其结果如图4所示。由图4可知，随着GO-HAP复合材料浓度的增加水接触角也小幅度上升，但经过所有浓度的GelMA/PEGDA/GO-HAP改性后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮都较只经过磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮的亲水性能力要强。
实施例2
该实施例提供了一种具有抗菌及成骨整合性能的生物材料的制备方法，其包括以下步骤：
S1. 将碳纤维增强聚醚醚酮复合材料裁切成直径为9mm、厚为1.5mm的圆片，并依次经丙酮、乙醇、蒸馏水进行超声清洗6次（每次30min）后，再置于60℃的真空干燥箱中干燥并储存备用，得到预处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（命名为CFPEEK）。其中，上述的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料与上述实施例1的来源相同。
S2. 将上述预处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料浸没在质量浓度为90%浓硫酸中，在磁力搅拌器上反应3min，转速设为500rpm/min，室温下进行磺化处理反应3min后，再快速取出置于蒸馏水中以终止反应，然后依次在丙酮、蒸馏水中分别进行清洗30min，以去除浓硫酸残基后，再置于60℃的真空干燥箱中干燥并储存备用，得到表面多孔的磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（命名为SCP）。
S3. 在避光条件下，将上述磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料按70μL/cm2的比例浸入GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP前体液中（GelMA/PEGDA=10:5 wt%），在室温下静置10-15min使得凝胶前体液均匀的覆盖到磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（SCP）表面上，将浸没在前体液中的磺化碳纤维增强聚醚醚酮静置在2℃环境中冷藏1h，再将其转移到-25℃的环境中冷冻12h，使得磺化的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（SCP）表面上的凝胶前体液进行预先交联（命名为GH100）。
上述氧化石墨烯-羟基磷灰石（GO-HAP）复合材料的制备方法具体包括以下步骤：以制备150mg 的GO-HAP为例 ，其中GO：HAP=1:2即（GO:33%）。将185mg的无水氯化钙（CaCl2）溶解到15mL的蒸馏水中，随后将经过30min超声处理的13.2mL的3.8 mg/mL GO悬液缓慢滴加到无水CaCl2溶液中，磁力搅拌30min。然后，将1.7mL的0.6M的Na2HPO4缓慢滴加到上述混合液中。用1M的NaOH水溶液调节pH在9~11之间，将混合物在45℃水浴下搅拌过夜。将制备的GO-HAP沉淀物用去离子水洗涤并以8000rpm离心3次，最后在60℃的真空烘箱中干燥24h。
上述GelMA/ PEGDA凝胶前体液的配制方法具体包括以下步骤：在避光条件下，将GelMA/PEGDA按照10:5（wt%）的比例配置水溶液，在37℃下磁力搅拌至两者混合均匀，这样就得到了GelMA/PEGDA 前体液。
上述GelMA/PEGDA/GO-HAP凝胶前体液的配制方法具体包括以下步骤：在避光条件下，将0.5mg/mL GO-HAP超声分散1h后按照100（μg/mL）的浓度加入到GelMA/PEGDA（10:5wt%）混合溶液中，为了使GO-HAP均匀的混合到GelMA/PEGDA（10:5 wt%）混合溶液中，将混合溶液在37℃下磁力搅拌8h，这样就得到了GelMA/PEGDA/GO-HAP前体液。
S4. 在保护气氛下，将上述浸没在凝胶前体液中并将过预先交联的磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（SCP）放置在波长为365nm，光强为10mW/cm2的紫外灯下，光照10min，光照完成后将接枝完成的磺化碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（SCP）浸泡在蒸馏水中以去除未反应的凝胶前体液，即可得到经过GelMA/PEGDA/GO-HAP改善后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，即为具有抗菌及成骨整合性能的生物材料。
实施例3
该实施例提供了一种具有抗菌及成骨整合性能的生物材料的制备方法，其包括以下步骤：
S1. 将碳纤维增强聚醚醚酮复合材料裁切成直径为9mm、厚为1.5mm的圆片，并依次经丙酮、乙醇、蒸馏水进行超声清洗9次（每次30min）后，再置于60℃的真空干燥箱中干燥并储存备用，得到预处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（命名为CFPEEK）。其中，上述的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料与上述实施例1的来源相同。
S2. 将上述预处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料浸没在质量浓度为95%浓硫酸中，在磁力搅拌器上反应3min，转速设为500rpm/min，室温下进行磺化处理反应3min后，再快速取出置于蒸馏水中以终止反应，然后依次在丙酮、蒸馏水中分别进行清洗30min，以去除浓硫酸残基后，再置于60℃的真空干燥箱中干燥并储存备用，得到表面多孔的磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（命名为SCP）。
S3. 在避光条件下，将上述磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料按80μL/cm2的比例浸入GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP前体液中（GelMA/PEGDA=10:5 wt%），在室温下静置10-15min使得凝胶前体液均匀的覆盖到磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（SCP）表面上，将浸没在前体液中的磺化碳纤维增强聚醚醚酮静置在6℃环境中冷藏1h，再将其转移到-15℃的环境中冷冻24h，使得磺化的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（SCP）表面上的凝胶前体液进行预先交联（命名为GH100）。
上述氧化石墨烯-羟基磷灰石（GO-HAP）复合材料的制备方法具体包括以下步骤：以制备150mg 的GO-HAP为例 ，其中GO：HAP=1:2即（GO:33%）。将185mg的无水氯化钙（CaCl2）溶解到15mL的蒸馏水中，随后将经过30min超声处理的13.2mL的3.8 mg/mL GO悬液缓慢滴加到无水CaCl2溶液中，磁力搅拌30min。然后，将1.7mL的0.6M的Na2HPO4缓慢滴加到上述混合液中。用1M的NaOH水溶液调节pH在9~11之间，将混合物在45℃水浴下搅拌过夜。将制备的GO-HAP沉淀物用去离子水洗涤并以8000rpm离心3次，最后在60℃的真空烘箱中干燥24h。
上述GelMA/ PEGDA凝胶前体液的配制方法具体包括以下步骤：在避光条件下，将GelMA/PEGDA按照10:5（wt%）的比例配置水溶液，在37℃下磁力搅拌至两者混合均匀，这样就得到了GelMA/PEGDA 前体液。
上述GelMA/PEGDA/GO-HAP凝胶前体液的配制方法具体包括以下步骤：在避光条件下，将0.5mg/mL GO-HAP超声分散1h后按照100（μg/mL）的浓度加入到GelMA/PEGDA（10:5wt%）混合溶液中，为了使GO-HAP均匀的混合到GelMA/PEGDA（10:5 wt%）混合溶液中，将混合溶液在37℃下磁力搅拌8h，这样就得到了GelMA/PEGDA/GO-HAP前体液。
S4. 在保护气氛下，将上述浸没在凝胶前体液中并将过预先交联的磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（SCP）放置在波长为365nm，光强为20mW/cm2的紫外灯下， 光照20min，光照完成后将接枝完成的磺化碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（SCP）浸泡在蒸馏水中以去除未反应的凝胶前体液，即可得到经过GelMA/PEGDA/GO-HAP改善后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，即为具有抗菌及成骨整合性能的生物材料。
实施例4
为了评估上述实施例1改善得到的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的体外矿化的能力，利用模拟体液（SBF, pH = 7.4）来评估复合材料的体外矿化能力。具体操作方法如下：
（1）将实施例1得到的不同的样品浸没到2mL的模拟体液中，将其置于37℃的恒温摇床中，每两天更换一次模拟体液。
（2）7天后，将样品从溶液中移出并用蒸馏水清洗2-3次并利用真空冷冻干燥机中冻干。
（3）通过扫描电镜（SEM）来确定样品的的体外矿化情况，结果如图5所示。
图5是经过上述实施例1改善得到的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的体外矿化7天后的扫描电镜（SEM）示意图。其中SCP为只经过浓硫酸磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GP10-5为经GelMA/PEGDA=10:5（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH25为经GO-HAP浓度为25（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH50为经GO-HAP浓度为50（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH100为经GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
由图5可知，经过GelMA/PEGDA/GO-HAP表面改性处理的磺化碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的体外矿化能力（即表面形成的球形颗粒）要优于只经过磺化处理和经过GelMA/PEGDA改性的，尤其是当GO-HAP浓度为100（μg/mL）时具有优异的体外矿化能力。
实施例5
采用大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSCs）体外培养实验评估经上述实施例1改善得到的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的细胞毒性。利用Calcein-AM/PI Double Stain Kit（Yeasen,Shanghai,China）试剂盒检测复合材料的细胞毒性。具体操作方法如下：
（1）在24孔培养板中，每孔滴加密度为1×104细胞悬液。
（2）24h后分别在上述接种孔板中加入实施例1得到的不同样品的浸提液培养24h。
（3）将上述孔板中的浸提液吸除，按照试剂盒说明对活细胞进行荧光染色，洗涤。
（4）染色结束后用荧光显微镜进行观察，拍照，结果如图6所示。
图6是经过上述实施例1改善得到的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的rBMSCs细胞活性荧光显微镜照片。其中Blank为空白对照组；SCP为只经过浓硫酸磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GP10-5为经GelMA/PEGDA=10:5（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH25为经GO-HAP浓度为25（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH50为经GO-HAP浓度为50（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH100为经GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
由图6可知经过表面改性处理后的活细胞荧光显微镜图与空白对照组无明显差别，说明经过表面改性处理后的复合材料对rBMSCs细胞并无毒性。
实施例6
采用大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSCs）体外培养实验评估经上述实施例1改善得到的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的细胞粘附。利用扫描电子显微镜观察rBMSCs在复合材料上的粘附。具体操作方法如下：
（1）将3×104的rBMSCs在灭菌后的复合材料上培养了1天后，取出样品，用PBS轻柔冲洗3次，每次10min；
（2）样品用2.5%的戊二醛，在4℃环境下固定2h以上；
（3）将样品用去离子水冲洗15min；
（4）乙醇梯度脱水（10，30，50，70，90，95，100%）干燥过夜；
（5）样品表面喷金处理后，通过扫描电子显微镜观察rBMSCs在复合材料上的生长情况，结果如图7所示。
图7是经过上述实施例1改善得到的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的rBMSCs细胞粘附实验的结果。其中SCP为只经过浓硫酸磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GP10-5为经GelMA/PEGDA=10:5（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH25为经GO-HAP浓度为25（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH50为经GO-HAP浓度为50（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH100为经GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
由图7可知，SCP上的rBMSCs细胞伪足较小，可以看见细胞，但形态一般。而经过GelMA/PEGDA以及GelMA/PEGDA/GO-HAP改性后的磺化碳纤维增强聚醚醚酮复合材料上的rBMSCs细胞伪足较长，延展更好，并且容易生长成片，与SCP相比，改性后的磺化碳纤维增强聚醚醚酮复合材料更有利于细胞的生长。
实施例7
采用大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSCs）体外培养实验评估经上述实施例1改善得到的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的细胞增殖。利用Cell Counting Kit（CKK-8，Beyotime,Shanghai,China）试剂盒检测细胞在材料表面的增殖情况。具体操作方法如下：
（1）在48孔培养板中， 将3×104的rBMSCs接种到灭菌后的不同样品的表面。
（2）将细胞培养板放入5%CO2饱和湿度的细胞培养箱中37℃培养，每2-3天换一次细胞培养液。
（3）细胞培养1、4和7天后，吸去原细胞培养液,加入200μL含有10% CKK-8溶液的新的培养液，将培养板置于培养箱中培养2h后，从每孔取出100μL培养液放入96孔板中。
（4）利用酶标仪（iMark，Bio-Rad, USA），测量各孔在450nm波长下的吸光度值，结果如图8所示。
图8是经过上述实施例1改善得到的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的rBMSCs细胞增殖实验的结果。其中SCP为只经过浓硫酸磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GP10-5为经GelMA/PEGDA=10:5（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH25为经GO-HAP浓度为25（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH50为经GO-HAP浓度为50（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH100为经GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
由图8可知只经过磺化处理碳纤维增强聚醚醚酮的吸光度最低，而经过GelMA/PEGDA以及GelMA/PEGDA/GO-HAP改性后的磺化碳纤维增强聚醚醚酮复合材料表面细胞的增殖情况明显要好于只经过磺化处理碳纤维增强聚醚醚酮，并且随着GO-HAP浓度的增加，吸光值上涨，显示出改性样品具有较好的生物增殖特性。（*表示与SCP相比时 P<0.05）
实施例8
采用大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSCs）体外培养实验评估经上述实施例1改善得到的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的成骨分化能力。具体操作方法如下：
（1）在48孔培养板中， 将3×104的rBMSCs接种到灭菌后的不同样品的表面。
（2）将细胞培养板放入5%CO2饱和湿度的细胞培养箱中37℃培养24小时达到细胞贴壁后，细胞培养基更换为含有成骨诱导液的DMEM培养基(成骨诱导液：10％胎牛血清培养液中加入50μM维生素C，10mMβ-甘油磷酸钠和100nM地塞米松)；此后，每隔两天换液。
（3）细胞培养7和14天后进行碱性磷酸酶（ALP）染色评价大鼠骨髓间充质干细胞成骨细胞早期分化及21天后进行茜素红染色评价细胞外基质矿化即成骨晚期分化标志。
碱性磷酸酶染色：各组材料与rBMSCs共培养7天和14天后，移去成骨培养基，取出各组样品，根据ALP染色试剂盒(碧云天)说明书进行ALP染色：PBS轻洗3次后，放入固定液4℃固定30min；PBS再次轻洗3次，加入工作液并置于37℃水浴箱45min；最后，吸去工作液，PBS冲洗3次后，干燥拍照。
茜素红染色：各组材料与rBMSCs共培养21天后，用茜素红染色观察细胞成骨细胞外基质矿化情况。培养21天后终止培养，吸去培养基并PBS轻洗3次后，固定液4℃固定30min，再轻洗3次；在48孔板中加入0.1％茜素红溶液，置37℃水浴箱45min；双蒸水反复轻洗去除多余染液，最后晾干拍照。
图9是经过上述实施例1改善得到的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的rBMSCs细胞成骨分化的实验结果：（a）为成骨诱导7和14天后rBMSCs的碱性磷酸酶（ALP）活性定量结果；（b）为在不同样品表面上培养rBMSC 21d后的茜素红的定量结果；（c）为不同样品材料上的碱性磷酸酶（ALP）和茜素红（ARS）染色图；其中SCP为只经过浓硫酸磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GP10-5为经GelMA/PEGDA=10:5（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH25为经GO-HAP浓度为25（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH50为经GO-HAP浓度为50（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH100为经GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
图9的a为碱性磷酸酶定量结果：在第7天时，与SCP相比，其他四组的碱性磷酸酶活性较高，到14天时各组都有所增高但是GH100表现出更优异的碱性磷酸酶活性，并且具有统计学意义（*表示与SCP相比时 P<0.05）。由图9的c所示，与SCP相比，其他四组的ALP染色颜色更深。表明GelMA/PEGDA/GO-HA的改性处理磺化碳纤维增强聚醚醚酮复合材料能够通过增强碱性磷酸酶的活性来促进成骨早期分化。
图9的b为茜素红的定量结果：在21天时，GH100与SCP相比*P<0.05，GH100与GH25相比*P<0.05。由图9c所示，与SCP相比，其他四组的矿化结节形成更高，尤其是GH100有更明显的矿化结节，表明GelMA/PEGDA/GO-HA的改性处理磺化碳纤维增强聚醚醚酮复合材料能够显著促进细胞外矿化机制。
实施例9
采用近红外激光（808nm，1.5W/cm2）照射的实验方法评估经上述实施例1改善得到的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的光热性能。具体操作方法如下：
（1）将实施例1制备的每组的3个样品在808 nm NIR下以1.5 W/cm2的光强度分别垂直照射10分钟；
（2）每间隔1min利用Testo 869热成像仪捕捉样品表面的温度变化，观察样品的光热性能，结果如图10a所示。
（3）将实施例1制备的GH100在808 nm NIR下以1.5 W/cm2的光强度垂直照射10分钟，然后关闭红外激光器待样品冷却至室温；
（4）每隔30秒利用Testo 869热成像仪捕捉样品表面的温度变化，此激光器开/关反复进行3个循环，观察样品的光热稳定性，结果如图10b所示。
图10是经过上述实施例1改善得到的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的光热性能的结果：（a）为各组样品的光热性能的结果；（b）为GH100的光热稳定性的结果；其中SCP为只经过浓硫酸磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GP10-5为经GelMA/PEGDA=10:5（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH25为经GO-HAP浓度为25（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH50为经GO-HAP浓度为50（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH100为经GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
如图10所示，经GelMA/PEGDA/GO-HAP的改性处理磺化碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的光热性得到提高，并且其光热循环稳定性良好，有利于稳定的光热抗菌。
实施例10
采用（S.aureus）和大肠杆菌（E.coli）体外培养实验评估经上述实施例1改善得到的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的光热抗菌能力。具体操作方法如下：
（1）将实施例1制备的经过灭菌的每组6个样品分别放入到48孔板中，以磷酸盐缓冲液（PBS，pH=7.4）为对照组；
（2）向每个孔中滴加10μL的106CFU/mL金黄色葡萄球菌；
（3） 将每组实验组中的一半放到黑暗中培养10分钟，剩余的一半在近红外激光(808nm，1 .5W/cm2)的条件下培养10分钟；
（4）光照完成后向每孔中加入1mL的PBS并吹打均匀，取10μL稀释后的菌液接种在LB固体培养基上，在37℃的恒温培养箱中培养24h后观察各种材料的杀菌效果，结果如图11的a、11的b所示；
（5）所述对大肠杆菌的抑菌分析与对金黄色葡萄球菌的分析方法相同，不同的是，将孔中加入的金黄色葡萄球菌用大肠杆菌替换，结果如图11的a、11的c所示。
图11是经过上述实施例1改善得到的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料对金黄色葡萄球菌（S.aureus）和大肠杆菌（E.coli）的光热抑菌性能的实验结果：（a）为各组样品对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌效果的光学照片；（b）为各组样品对金黄色葡萄球菌的杀菌效果的定量结果；（c）为各组样品对大肠杆菌的杀菌效果的定量结果；其中PBS为空白对照组；SCP为只经过浓硫酸磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GP10-5为经GelMA/PEGDA=10:5（wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH25为经GO-HAP浓度为25（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH50为经GO-HAP浓度为50（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；GH100为经GO-HAP浓度为100（μg/mL）的GelMA/PEGDA/GO-HAP（GelMA/PEGDA=10:5 wt%）改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
由图11可知，GelMA/PEGDA/GO-HAP改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料在激光激发条件下能产生光热，对细菌的生长产生影响，从而抑制细菌的生长，而SCP基本无抑菌效果，因此GelMA/PEGDA/GO-HAP改善后的磺化处理的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料在激光激发条件下具有良好的抑菌效果（*p<0.05）。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种具有抗菌及成骨整合性能的生物材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
对碳纤维增强聚醚醚酮复合材料进行表面磺化处理，得到磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；
将磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料浸没在凝胶前体液中，并进行预先交联处理，得到预先交联的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料；所述凝胶前体液包括甲基丙烯酸酯化明胶、聚乙二醇二丙烯酸酯和氧化石墨烯-羟基磷灰石复合材料；
通过紫外辐照的方法对预先交联的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料进行接枝，得到具有三维凝胶结构表面的生物材料。
2.根据权利要求1所述的一种具有抗菌及成骨整合性能的生物材料的制备方法，其特征在于，所述对碳纤维增强聚醚醚酮复合材料进行表面磺化处理，得到磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的步骤，具体包括：
将碳纤维增强聚醚醚酮复合材料依次经丙酮、乙醇、蒸馏水进行超声清洗后，再进行真空干燥，得到预处理后的生物材料；
将预处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料浸没在浓硫酸中进行搅拌后，再置于蒸馏水中以终止反应，然后依次在丙酮、蒸馏水中分别进行清洗，以去除浓硫酸残基后，再进行真空干燥，得到磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
3.根据权利要求2所述的一种具有抗菌及成骨整合性能的生物材料的制备方法，其特征在于，浓硫酸的质量浓度为90%~98%。
4.根据权利要求1所述的一种具有抗菌及成骨整合性能的生物材料的制备方法，其特征在于，所述将磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料浸没在凝胶前体液中，并进行预先交联处理，得到预先交联的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的步骤，具体包括：
将磺化处理后的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料按60~80μL/cm2的比例浸没到凝胶前体液中进行静置；
将浸没在凝胶前体液中的磺化碳纤维增强聚醚醚酮置于2~6℃的环境中进行冷藏后，再将其转移到-25~-15℃的环境中进行冷冻，使磺化的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料表面上的凝胶前体液进行预先交联，得到预先交联的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料。
5.根据权利要求1所述的一种具有抗菌及成骨整合性能的生物材料的制备方法，其特征在于，所述通过紫外辐照的方法对预先交联的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料进行接枝，得到具有三维凝胶结构表面的生物材料的步骤，具体包括：
在保护气氛下，将预先交联的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料置于光强为10~20mW/cm2的紫外灯下进行光照接枝后，再浸泡在蒸馏水中以去除未反应的凝胶前体液，得到具有三维凝胶结构表面的生物材料。
6.根据权利要1所述的一种具有抗菌及成骨整合性能的生物材料的制备方法，其特征在于，所述凝胶前体液中，甲基丙烯酸酯化明胶的质量百分比浓度为10%~15%、聚乙二醇二丙烯酸酯的质量百分比浓度为0~5%、氧化石墨烯-羟基磷灰石复合材料的质量浓度为25~100μg/mL。
7.根据权利要求1或6所述的一种具有抗菌及成骨整合性能的生物材料的制备方法，其特征在于，所述甲基丙烯酸酯化明胶制备方法包括以下步骤：
将明胶溶于缓冲液中，得到明胶溶液；
将甲基丙烯酸酐缓慢加入到明胶溶液中进行反应，并加入缓冲液以终止反应，得到反应液；
将反应液置入透析袋中进行透析，得到透析液；
将透析液进行离心，取上清液进行真空干燥，得到所述甲基丙烯酸酯化明胶。
8.根据权利要求1或6所述的一种具有抗菌及成骨整合性能的生物材料的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯-羟基磷灰石复合材料是通过将氯化钙、磷酸氢二钠以及氧化石墨烯通过溶液离子共滴定法进行制备得到，其制备方法具体包括以下步骤：
将无水氯化钙溶解到蒸馏水中，得到氯化钙溶液；
将氧化石墨烯悬液缓慢滴加到氯化钙溶液中进行搅拌，得到混合液；
将磷酸氢二钠溶液缓慢滴加到上述混合液中，并将其pH值调节为9~11后，再经水浴处理，然后进行离心处理，取沉淀物进行干燥，得到所述氧化石墨烯-羟基磷灰石复合材料。
9.一种如权利要求1~8中任一项所述的制备方法制得的生物材料。
10.一种如权利要求9所述的生物材料在制备骨移植材料、和/或骨固定材料、和/或骨修复材料中的应用。
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