CN113201163A - 一种改性聚醚醚酮及其制备方法和应用 - Google Patents

一种改性聚醚醚酮及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改性聚醚醚酮及其制备方法和其在制备诱导类骨磷灰石形成的产品或制备诱导干细胞成骨分化的产品中的应用。所述改性聚醚醚酮的制备方法为：将聚醚醚酮片材采用浓硫酸进行磺化处理，然后采用水浸泡，得到磺化聚醚醚酮；将磺化聚醚醚酮在生物玻璃溶胶中处理，然后热处理得到改性聚醚醚酮。本发明提供的改性聚醚醚酮力学性能好，生活相容性好，能够缓释功能性元素，具有良好的生物活性和骨诱导能力；并且能够释放功能性离子，诱导干细胞成骨分化。

Description

一种改性聚醚醚酮及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及高分子材料领域，特别是涉及一种改性聚醚醚酮及其制备方法和用途。
背景技术
聚醚醚酮是一种特种高分子材料，因其优良的热力学特性，在工业以及航空航天等领域得到了广泛应用。聚醚醚酮因具有与骨接近的力学性能，并具备射线可透过性，且具有良好的热塑性，因此成为了骨科植入材料的优良选择；然而聚醚醚酮具有生物惰性，不能与骨组织形成良好的整合，植入体植入生物体内，无法与骨组织形成连续结构并发挥功能连续；因此，需要通过改性的方式来增强其生物活性。
在聚醚醚酮相关研究领域中，通过共混以及表面改性的方法能够显著提升其表面的生物活性；然而共混的方法容易造成其力学性能下降，从而不利于聚醚醚酮本身性能的发挥；目前使用浓硫酸对其进行磺化改性，从而改变其表面的物理化学性能是常用的方法；然而仅仅通过磺化对其表面的生物活性的提升有限，因此如何在磺化聚醚醚酮基础上进行聚醚醚酮改性，从而提升其实际应用价值，仍然是本领域研究人员的重要课题之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何在磺化PEEK基础上进行聚醚醚酮改性。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种改性聚醚醚酮的制备方法，将聚醚醚酮片材采用浓硫酸进行磺化处理，然后采用水浸泡，得到磺化聚醚醚酮；将磺化聚醚醚酮在生物玻璃溶胶中处理，然后热处理得到改性聚醚醚酮。
优选地，所述磺化处理的时间不少于1min。
更优选地，所述磺化处理的时间不少于1min～10min。
优选地，所述水浸泡的温度为70～90℃，浸泡时间不少于12h，具体如可以为15h、16h、17h、18h、19h、20h、21h、22h、23h和24h等。
优选地，以1g所述聚醚醚酮片材的质量为基准计，所述浓硫酸的使用量不少于100mL；以1g所述聚醚醚酮片材的质量为基准计，所述生物玻璃溶胶的使用量不少于50mL，处理时间至少3min。
更优选地，所述磺化聚醚醚酮加入生物玻璃溶胶中的处理时间为3～10min，如可以为3min、4min、5min、6min、7min、8min、9min或10min。
优选地，所述的生物玻璃溶胶为采用氯化钙、正硅酸乙酯和氯化镁为原料，在酸性条件下经溶胶凝胶反应制得。
更优选地，所述的酸性条件为pH值2～6。
进一步地，所述的酸性条件通过加入盐酸水溶液实现。
更进一步地，所述盐酸水溶液的浓度为0.1～0.5mol/L。
更优选地，所述生物玻璃溶胶中，钙元素、硅元素、镁元素与水的摩尔比为(5～20)：(70～90)：(5～10)：(100～300)。
进一步地，所述钙元素、硅元素、镁元素和水的摩尔比为(10～20)：(75～85)：(5～10)：200。
更优选地，所述正硅酸乙酯在水中的溶解时间至少为10min。
更优选地，所述氯化钙的混合时间至少为10min。
更优选地，所述氯化镁混合时间至少为10min。
优选地，所述磺化聚醚醚酮在生物玻璃溶胶中的处理时间为3～10min，并重复2～3次。
优选地，所述热处理的温度为100～300℃。
优选地，所述热处理的时间不少于24h。
更优选地，所述热处理的时间为24h～60h。
本发明还提供了一种上述制备方法制备的改性聚醚醚酮。
本发明还提供了上述改性聚醚醚酮在制备诱导类骨磷灰石形成的产品中的应用。
本发明还提供了上述改性聚醚醚酮在制备诱导干细胞成骨分化的产品中的应用。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果在于：
本发明提供了一种改性聚醚醚酮，其表面出现均匀的三维孔道结构，并且这种三维孔道结构在清洗后，并不发生结构的改变；表面的这种三维孔道结构的厚度在20μm左右，这种结构并不会对聚醚醚酮的力学性能造成较大的改变；本申请中的改性聚醚醚酮表面涂覆有生物玻璃溶胶，由此形成的改性聚醚醚酮可以在模拟体液中能够有效诱导类骨磷灰石的形成，并且能够缓释功能性元素，具有良好的生物活性和骨诱导能力；并且能够释放功能性离子，诱导干细胞成骨分化。
附图说明
图1为实施例1中聚醚醚酮的表面形貌照片；
图2为实施例1中磺化聚醚醚酮的表面形貌照片；
图3为实施例1中改性聚醚醚酮的表面形貌照片；
图4为实施例1中改性聚醚醚酮的EDS图谱；
图5为实施例1中改性聚醚醚酮在缓冲溶液中浸泡不同时间的溶液离子浓度变化趋势图；
图6为实施例1中吸光度值测定结果；
图7为实施例1中的聚醚醚酮、磺化聚醚醚酮和改性聚醚醚酮的染色照片；
图8为实施例1中的聚醚醚酮、磺化聚醚醚酮和改性聚醚醚酮的成骨相关基因表达的效果图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
本实施例中提供的改性聚醚醚酮的制备方法，包括如下步骤：
1、磺化：将聚醚醚酮片材加入浓硫酸进行磺化，磺化时间为3min，得到磺化聚醚醚酮，以1g聚醚醚酮片材的质量为基准计，所述浓硫酸的使用量为不少于100mL；
2、活性处理：将磺化聚醚醚酮加入生物玻璃溶胶中处理5min，取出烘干，并再重复这一动作三次；以1g聚醚醚酮片材的质量为基准计，所述生物玻璃溶胶的使用量为50mL；
3、热处理：在120℃下热处理24h得到改性聚醚醚酮。
本实施例中的生物玻璃溶胶为采用钙源、硅源、镁源，在酸性条件下通过溶胶凝胶法获得生物玻璃溶胶；所述钙源为氯化钙；所述硅源为正硅酸乙酯；所述镁源为氯化镁；所述酸性条件是采用盐酸实现的；所述酸性条件是指pH为2～6。其中，所述生物玻璃溶胶中，钙、硅、镁与水的摩尔比为10：80：10：200。
1)扫描电镜形貌观察
对本实施例中的聚醚醚酮、磺化聚醚醚酮和改性聚醚醚酮依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中清洗后，在真空烘箱中烘干；分别将三种样品通过导电胶贴附在扫描电镜台上，使用真空镀膜仪对其进行喷金处理，时间为40s；使用扫描电镜进行表面形貌进行观察(Hitachi，S-4800)。观察条件为：加速电压为15kV，电流为10mA，工具距离为8mm；观察倍数为2000倍、5000倍，10000倍。具体结果如图1～图3所示，其中，图1～图3中由左至右观察倍数依次为2000倍、5000倍，10000倍；由图1～图3可以看出未进行改性的聚醚醚酮表面较为平整；在经过磺化处理之后，聚醚醚酮表面观察到微米级的孔道，均匀分布；在经过生物玻璃溶胶改性之后，孔道被生物玻璃溶胶覆盖。
2)EDS表征
对本实施例中获得的改性聚醚醚酮进行EDS表征，具体为：通过EDS探头，对其表面元素进行观察测量，使用高电压模式，工作加速电压为20V，工作距离为15mm；使用区域分析，在一个视野中圈出3个不同区域进行分析，获得的EDS谱图如图4所示，由图4可以看出：经过磺化改性后，表面出现了硫元素；经过生物玻璃溶胶改性之后，表面出现了硅元素，钙元素和镁元素；说明生物活性玻璃溶胶已经成功的在磺化聚醚醚酮表面形成了涂层。
3)离子浓度测试实验
将本实施例中获得的改性聚醚醚按照0.1g/10mL的比例浸泡在HCl-Tris缓冲溶液中不同时间，在1天、3天、7天时间段，取出钙缓冲溶液100μL，定容到5mL进行测量其Si，Ca，Mg的离子浓度。具体结果如图5所示，由图5可以看出表面形成的生物玻璃涂层能够缓释出硅、钙、镁三种离子。
4)细胞相容性测试
将大鼠间充质干细胞(P2)分别在三种样品聚醚醚酮、磺化聚醚醚酮和改性聚醚醚酮表面培养1、3和7天后，再将三种样品分别移入到新的24孔板中；避光条件下，加入1mL体积比为1：9的CCK-8与细胞培养基的混合液。
在37℃，5vol％CO2的无菌条件下孵育4h；孵育完成后，在避光的环境下以0.2mL/孔加入反应后的培养基到新的96板中，然后用酶标仪波长为450nm，检测液体的吸光度值。具体结果如图6所示，由图6可以看出改性前后，样品表面的细胞数量未出现显著性差异，证明经过磺化处理，以及后续的生物活性玻璃溶胶涂层处理后的样品，仍没有细胞毒性。
5)大鼠间充质干细胞与材料浸出液培养的形态学观察
将本实施例中的聚醚醚酮、磺化聚醚醚酮和改性聚醚醚酮作为样品分别进行如下处理：大鼠间充质干细胞接种在样品表面24个小时候后，将样品取出，并将样品用PBS溶液清洗三次，每次1min，以便去除未粘附的细胞以及细胞培养基等残留物；往每个样品孔中，加入约2mL 2.5％的戊二醛溶液，室温固定12h以上，之后吸出戊二醛溶液，并加入PBS溶液清洗三次，洗耳球吹干后放入新的孔板中保存；避光条件下，用移液枪吸取100μL DAPI(4',6-二脒基-2-苯基吲哚)染料滴加到样品表面，并轻轻摇晃孔板，使染料完全覆盖样品表面，染色5min后，在使用FITC染色细胞骨架，时间为40min；将染色的样品放入激光共聚焦显微镜下拍摄。具体结果如图7所示，其中图7中由左至右依次为聚醚醚酮、磺化聚醚醚酮和改性聚醚醚酮；由图7可以看出聚醚醚酮表面的细胞，仍然团缩，相比而言，磺化聚醚醚酮以及生物活性玻璃涂层表面细胞，其伪足更为明显，且铺展的更为良好。因此，通过表面改性，有利于干细胞的黏附。
6)成骨基因表达
通过Real-PCR法测定样品表面细胞成骨相关基因表达情况。使用大鼠间充质干细胞样品进行共培养，7、14、21天后收集细胞并提取总RNA。
通过Trizol法提取RNA；Trizol将细胞裂解，手机裂解液于离心管中，加入氯仿后离心，吸取上层水相，并转移至另一离心管中；加入异丙醇，混匀后室温放置，离心沉淀RNA；加入乙醇，温和震荡离心管，使沉淀悬浮，4℃下继续离心5分钟，弃上清后自然风干。加入DEPC处理的双蒸水溶液，置于60℃水浴锅10分钟，溶解RNA样品，稀释后使用酶标仪测定260nm和280nm的吸光度值(OD＝A260/A280)，计算RNA浓度，将样品储存在-80℃下备用。在PCR仪上反应，使得RNA变性，并使用逆转录酶使RNA逆转录为cDNA，将所得样品储存在-80℃下备用；设计引物后，通过PCR仪定量检测成骨相关基因的表达。最终得到目标基因与Control组样品目标基因表达量相比较后的倍数关系。具体结果如图8所示，由图8可以看出通过磺化改性以及生物玻璃涂层改性后，磺化改性相对未改性样品，其成骨相关基因的表达水平有所提升，然而通过在磺化表面制备生物玻璃涂层后，其成骨相关基因的表达水平发生了显著的提升；因此，生物活性玻璃涂层显著提升了干细胞的成骨向分化。
实施例2
本实施例中提供的改性聚醚醚酮的制备方法，包括如下步骤：
1、磺化：将聚醚醚酮片材加入浓硫酸进行磺化，磺化时间为3min，得到磺化聚醚醚酮，以1g聚醚醚酮片材的质量为基准计，所述浓硫酸的使用量为不少于100mL；
2、活性处理：将磺化聚醚醚酮加入生物玻璃溶胶中处理5min，取出烘干，并再重复这一动作三次；以1g聚醚醚酮片材的质量为基准计，所述生物玻璃溶胶的使用量为50mL；
3、热处理：在150℃下热处理24h得到改性聚醚醚酮。
本实施例中的生物玻璃溶胶为采用钙源、硅源、镁源，在酸性条件下通过溶胶凝胶法获得生物玻璃溶胶；所述钙源为氯化钙；所述硅源为正硅酸乙酯；所述镁源为氯化镁；所述酸性条件是采用盐酸实现的；所述酸性条件是指pH为2～6。其中，所述生物玻璃溶胶中，钙、硅、镁与水的摩尔比为15：85：5：200。
实施例3
本实施例中提供的改性聚醚醚酮的制备方法，包括如下步骤：
1、磺化：将聚醚醚酮片材加入浓硫酸进行磺化，磺化时间为3min，得到磺化聚醚醚酮，以1g聚醚醚酮片材的质量为基准计，所述浓硫酸的使用量为不少于100mL；
2、活性处理：将磺化聚醚醚酮加入生物玻璃溶胶中处理5min，取出烘干，并再重复这一动作三次；以1g聚醚醚酮片材的质量为基准计，所述生物玻璃溶胶的使用量为50mL；
3、热处理：在120℃下热处理24h得到改性聚醚醚酮。
本实施例中的生物玻璃溶胶为采用钙源、硅源、镁源，在酸性条件下通过溶胶凝胶法获得生物玻璃溶胶；所述钙源为氯化钙；所述硅源为正硅酸乙酯；所述镁源为氯化镁；所述酸性条件是采用盐酸实现的；所述酸性条件是指pH为2～6。其中，所述生物玻璃溶胶中，钙、硅、镁与水的摩尔比为20：75：7：200。
实施例4
本实施例中提供的改性聚醚醚酮的制备方法，包括如下步骤：
1、磺化：将聚醚醚酮片材加入浓硫酸进行磺化，磺化时间为3min，得到磺化聚醚醚酮，以1g聚醚醚酮片材的质量为基准计，所述浓硫酸的使用量为不少于100mL；
2、活性处理：将磺化聚醚醚酮加入生物玻璃溶胶中处理5min，取出烘干，并再重复这一动作三次；以1g聚醚醚酮片材的质量为基准计，所述生物玻璃溶胶的使用量为50mL；
3、热处理：在180℃下热处理24h得到改性聚醚醚酮。
本实施例中的生物玻璃溶胶为采用钙源、硅源、镁源，在酸性条件下通过溶胶凝胶法获得生物玻璃溶胶；所述钙源为氯化钙；所述硅源为正硅酸乙酯；所述镁源为氯化镁；所述酸性条件是采用盐酸实现的；所述酸性条件是指pH为2～6。其中，所述生物玻璃溶胶中，钙、硅、镁与水的摩尔比为10：80：10：200。
实施例2～4中获得的材料没有细胞毒性，有利于干细胞的黏附，也能够有效促进干细胞的成骨向分化。

Claims (10)

1.一种改性聚醚醚酮的制备方法，其特征在于，将聚醚醚酮片材采用浓硫酸进行磺化处理，然后采用水浸泡，得到磺化聚醚醚酮；将磺化聚醚醚酮在生物玻璃溶胶中处理，然后在100～250℃下热处理得到改性聚醚醚酮。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磺化处理的时间不少于1min；所述水浸泡的温度为70～90℃，浸泡时间不少于12h。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以1g所述聚醚醚酮片材的质量为基准计，所述浓硫酸的使用量不少于100mL；以1g所述聚醚醚酮片材的质量为基准计，所述生物玻璃溶胶的使用量不少于50mL，处理时间至少3min。
4.如权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述的生物玻璃溶胶为采用氯化钙、正硅酸乙酯和氯化镁为原料，在酸性条件下经溶胶凝胶反应制得。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的酸性条件为pH值2～6。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述生物玻璃溶胶中，钙元素、硅元素、镁元素与水的摩尔比为(5～20)：(70～90)：(5～10)：(100～300)。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磺化聚醚醚酮在生物玻璃溶胶中的处理时间为3～10min，并重复2～3次；所述热处理的温度为100～300℃，所述热处理的时间不少于24h。
8.一种权利要求1-7任意一项所述的制备方法制备的改性聚醚醚酮。
9.权利要求8所述的改性聚醚醚酮在制备诱导类骨磷灰石形成的产品中的应用。
10.权利要求8所述的改性聚醚醚酮在制备诱导干细胞成骨分化的产品中的应用。
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