CN113398329A - 一种聚醚醚酮人工骨骼的表面改性方法 - Google Patents

一种聚醚醚酮人工骨骼的表面改性方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种聚醚醚酮人工骨骼的表面改性方法，该方法利用化学反应将制备好的聚醚醚酮人工骨骼表面的聚醚醚酮分子结构中的羰基转变为氨基，然后利用氨基与异氰酸酯的化学反应，在聚醚醚酮表面接枝异氰酸酯，再利用异氰酸酯的反应将生物活性物质接枝到聚醚醚酮表面，得到表面改性的聚醚醚酮人工骨骼。采用本发明技术方案制得的改性聚醚醚酮人工骨骼，其表面化学接枝效率明显提高，人工骨骼表面接枝的官能团含量增加明显，可显著提高人工骨骼表面细胞的附着力，改善聚醚醚酮人工骨与人体的匹配性。

Description

一种聚醚醚酮人工骨骼的表面改性方法
技术领域
本发明公开涉及人工骨表面改性技术领域，尤其涉及一种聚醚醚酮人工骨骼的表面改性方法。
背景技术
人工骨材料的研制是医学和生物材料科学领域的一个重要课题。当前人工骨骼的材料多采用陶瓷材料(如：羟基磷灰石、磷酸钙等)或金属材料(如：不锈钢、钛合金等)。羟基磷灰石因其强度和韧性较低，使用范围受到限制；金属植入材料的弹性模量远远高于骨组织，难以形成合理的梯度强度，在植入体相邻的骨骼会产生“应力屏蔽”效应，使得相邻骨骼没有得到足够应力的刺激而发生退化和萎缩，最终造成植入失败。聚醚醚酮 (PEEK)作为一种高性能有机高分子材料，其弹性模量与骨骼弹性模量接近，可消除“应力屏蔽”效应，有利于植入体与骨组织之间的骨整合,保证了PEEK种植体的长期稳定性。此外，PEEK还具有良好的生物相容性、耐磨损、耐疲劳、耐腐蚀、易加工等特点，使其广泛应用于创伤、脊柱和关节等领域。由于PEEK的表面能较低，不利于细胞的黏附，使得PEEK植入体与宿主骨组织之间的骨整合能力较差，会发生植入体移位、笼陷或假性关节等问题，难以达到理想的植入结果。
为提高人工骨骼与人体的匹配，研究人员一方面通过物理共混或表面涂覆羟基磷灰石、磷酸钙诱导骨骼生长，或在人工骨骼表面涂覆米诺环素、地塞米松等抗菌素可抑制骨骼表面细菌的生长，降低人工骨骼表面的感染和炎症的发生；另一方面通过化学接枝的方式，在PEEK材料表面引入具有生物活性的物质，如多巴胺、明胶等，涂覆的生物活性物质不仅促进细胞的分裂生长，也提高人工骨骼的表面自由能和细胞的附着能力。物理改性的方法尽管可以促进骨细胞的快速生长，但细胞与人工骨骼表面的结合为机械互锁作用，粘接强度不高。而化学接枝通常采用等离子体、紫外线辐照的方法，诱导PEEK 表面产生自由基，利用自有反应，在PEEK表面接枝含有双键的化合物，如马来酸酐、丙烯酸、乙酸乙烯酯等，但由于等离子体或紫外线辐照的方法引入自由基的效率较低，表面接枝的官能团含量较少，对于提高细胞的附着力效果并不十分显著。
因此，提供一种PEEK人工骨的有效表面改性方法是人们亟待解决的问题。
发明内容
鉴于此，本发明公开提供了一种聚醚醚酮人工骨骼的表面改性方法，以实现充分改善PEEK人工骨表面细胞黏附性，提高PEEK人工骨与人体的匹配性，扩大PEEK人工骨的应用范围，从而提高我国人工骨植入的整体技术水平的作用。
本发明提供的技术方案，具体为，一种聚醚醚酮人工骨骼的表面改性方法，包括如下步骤：
步骤1：将聚醚醚酮人工骨骼进行表面氨基化改性；
步骤2：将表面氨基化改性后的聚醚醚酮人工骨骼与异氰酸酯进行反应，得到异氰酸酯接枝的PEEK人工骨骼；
步骤3：将异氰酸酯接枝的PEEK人工骨骼浸入含有氨基或羟基的生物活性化合物中，得到表面改性的PEEK人工骨骼。
优选地，所述步骤1具体包括：
1)取得聚醚醚酮人工骨骼，对其粗糙表面进行打磨，用水清洗干净；
2)将打磨好的聚醚醚酮人工骨骼浸入到溶液中进行脱脂；所述溶液为异丙醇、乙酸乙酯或乙酸丁酯中的一种或多种混合物；
3)将脱脂后的聚醚醚酮人工骨浸入多氨基试剂中，在80℃～115℃温度下浸泡1～8 小时，取出后用去离子水清洗，再用步骤2)所述溶液进行清洗，干燥后得到表面氨基化改性的聚醚醚酮人工骨骼，其中所述多氨基试剂的质量百分浓度为：5％-100％。
优选地，所述多氨基试剂为乙二胺、丙二胺、丁二胺中的一种或多种混合物。
优选地，所述步骤2包括：
1)配制异氰酸酯树脂溶液：将异氰酸酯树脂溶解在甲苯、四氯化碳或二氯甲烷的一种或多种混合溶剂中；所述氰酸酯树脂溶液的质量百分浓度为：5％-95％；
2)将表面氨基化改性的聚醚醚酮人工骨骼浸入异氰酸酯溶液中1～10小时，然后取出，在常压烘箱中50～80℃干燥1～10小时，得到异氰酸酯接枝的聚醚醚酮人工骨骼；
优选地，所述异氰酸酯为己二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、4,4-二环己基甲烷二异氰酸酯中的一种。
优选地，所述步骤3)将异氰酸酯接枝的聚醚醚酮人工骨骼浸入含有氨基或羟基的生物活性化合物中2～3小时，随后依次经过无水乙醇、去离子水反复清洗，最后在真空烘箱中50～80℃下干燥24小时，得到表面改性的聚醚醚酮人工骨骼；所述含有氨基或羟基的生物活性化合物的质量百分浓度为5-100％。
本发明提供的一种对聚醚醚酮人工骨骼进行表面改性的方法，其化学接枝效率明显提高，人工骨骼表面接枝的官能团含量可提高20％以上，可显著提高人工骨骼表面细胞的附着力，改善聚醚醚酮人工骨与人体的匹配性，扩大聚醚醚酮人工骨的应用范围。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的系统的例子。
为解决现有技术中，人工骨骼与人体的匹配度低的问题，本实施方案提供了一种聚醚醚酮人工骨骼的表面改性方法，利用化学反应将制备好的PEEK人工骨骼表面的PEEK分子结构中的羰基转变为氨基，然后利用氨基与异氰酸酯的化学反应，在PEEK表面接枝异氰酸酯，再利用异氰酸酯的反应将含有氨基的生物活性化合物接枝到PEEK表面，得到表面改性的PEEK人工骨骼，以提高PEEK人工骨骼表面细胞的黏附性。
PEEK人工骨骼的具体表面改性步骤如下：
(1)将制备好的PEEK人工骨骼表面打磨粗糙，用水清洗干净；
(2)将打磨好的PEEK人工骨骼浸入异丙醇、乙酸乙酯或乙酸丁酯溶液中的一种或多种混合溶液中进行脱脂；
(3)将脱脂后的PEEK人工骨浸入质量百分浓度为5～100％的多氨基试剂中，在 80℃～115℃温度下浸泡1～8小时，取出后用去离子水清洗，再用异丙醇、乙酸乙酯或乙酸丁酯清洗，干燥后得到表面氨基化改性的PEEK人工骨骼；
(4)将异氰酸酯树脂溶解在甲苯、四氯化碳或二氯甲烷的一种或多种混合溶剂中，配制成质量百分浓度为5～95％异氰酸酯溶液，将表面氨基化改性的PEEK人工骨骼浸入异氰酸酯溶液中1～10小时，然后在常压烘箱中50～80℃干燥1～10小时，得到异氰酸酯接枝的PEEK人工骨骼；
(5)将异氰酸酯接枝的PEEK人工骨骼浸入质量百分浓度为5～100％含有氨基的生物活性化合物中2～3小时，随后依次经过无水乙醇、去离子水反复清洗，最后在真空烘箱中50～80℃下干燥24小时以上，得到表面改性的PEEK人工骨骼；
具体地，上述多氨基试剂为乙二胺、丙二胺、丁二胺中的一种或多种混合物，其中优选分析纯及以上纯度的多胺试剂；
具体地，上述的氰酸酯为己二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、4,4-二环己基甲烷二异氰酸酯中的一种或多种混合物；
具体地，上述含有氨基的生物活性化合物为多巴胺、胰岛素样生长因子-1、整合素靶向肽、羟基酪醇等分子结构中含有氨基或羟基的具有生物活性的化合物中的一种或多种。
以下实施例将对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不受此实施例的限制。
实施例1
将采用熔融沉积快速成型(FDM)方法制备的PEEK人工骨骼表面打磨粗糙，用去离子水反复清洗至干净；将清洗好的PEEK人工骨骼浸入到纯度为100％的异丙醇中浸泡约1h进行脱脂；将脱脂后的PEEK人工骨浸入100％浓度的乙二胺中，在105℃温度下浸泡约3小时，取出后用去离子水反复清洗干净，再用乙酸乙酯和乙酸丁酯体积比为1:1 的溶液进行清洗，取出后，放入真空干燥箱中在60℃条件下真空干燥2小时，得到表面氨基化改性的PEEK人工骨骼；再将己二异氰酸酯树脂溶解在甲苯中，配制成质量浓度为95％的己二异氰酸酯/甲苯溶液中，将表面氨基化改性的PEEK人工骨骼浸入该95％的己二异氰酸酯/甲苯溶液中约1小时，然后在常压烘箱中60℃干燥2小时，得到己二异氰酸酯接枝的PEEK人工骨骼；将己二异氰酸酯接枝的PEEK人工骨骼浸入65％的多巴胺溶液中约2小时，随后取出，并依次经过无水乙醇、去离子水反复清洗，最后在真空烘箱中60℃下干燥24小时，得到表面改性的PEEK人工骨骼。
经实验验证，上述方法制得的PEEK人工骨，表面接枝的氨基官能团含量提高了42.7％，可显著提高人工骨骼表面细胞的附着力，改善聚醚醚酮人工骨与人体的匹配性。
实施例2
将采用激光烧结(SLS)3D打印成型方法制备的PEEK人工骨骼表面打磨粗糙，用去离子水反复清洗至干净；将清洗好的PEEK人工骨骼浸入到体积比为1：1的乙酸乙酯和乙酸丁酯的共混溶液中浸泡约8h进行脱脂；将脱脂后的PEEK人工骨浸入45％浓度的丙二胺中，在110℃温度下浸泡约6小时，取出后用去离子水反复清洗干净，再用乙酸乙酯和乙酸丁酯体积比为1:1的溶液进行清洗，取出后，放入真空干燥箱中在80℃条件下真空干燥2小时，得到表面氨基化改性的PEEK人工骨骼；再将质量比为3：1的异佛尔酮二异氰酸酯与4,4-二环己基甲烷二异氰酸酯溶解在四氯化碳中，配制成质量浓度为55％的二异氰酸酯/四氯化碳共混溶液中，将表面氨基化改性的PEEK人工骨骼浸入该55％的二异氰酸酯/四氯化碳共混溶液中约5小时，然后在常压烘箱中50℃干燥6小时，得到混合二异氰酸酯接枝的PEEK人工骨骼；将混合二异氰酸酯接枝的PEEK人工骨骼浸入70％的整合素靶向肽溶液中约2小时，随后取出，并依次经过无水乙醇、去离子水反复清洗，最后在真空烘箱中80℃下干燥24小时，得到表面改性的PEEK人工骨骼。
经实验验证，上述方法制得的PEEK人工骨，表面接枝的氨基官能团含量提高了23.2％，可显著提高人工骨骼表面细胞的附着力，改善聚醚醚酮人工骨与人体的匹配性。
实施例3
将采用熔融沉积快速成型(FDM)方法制备的PEEK人工骨骼表面打磨粗糙，用去离子水反复清洗至干净；将清洗好的PEEK人工骨骼浸入到纯度为100％的乙酸丁酯中浸泡约3h进行脱脂；将脱脂后的PEEK人工骨浸入质量比为1：1的乙二胺与丙三胺共混溶液中，在80℃温度下浸泡约8小时，取出后用去离子水反复清洗干净，再用乙酸乙酯和乙酸丁酯体积比为1:1的溶液进行清洗，取出后，放入真空干燥箱中在60℃条件下真空干燥4小时，得到表面氨基化改性的PEEK人工骨骼；再将4,4-二环己基甲烷二异氰酸酯溶解在体积比为3：1的四氯化碳和二氯甲烷中，配制成质量浓度为85％的4,4-二环己基甲烷二异氰酸酯/四氯甲烷/二氯甲烷溶液中，将表面氨基化改性的PEEK人工骨骼浸入该85％的4,4-二环己基甲烷二异氰酸酯/四氯甲烷/二氯甲烷溶液中约3小时，然后在常压烘箱中60℃干燥8小时，得到4,4-二环己基甲烷二异氰酸酯接枝的PEEK人工骨骼；将4,4-二环己基甲烷二异氰酸酯接枝的PEEK人工骨骼浸入质量比为3：1，浓度为95％的多巴胺/整合素靶向肽溶液中约3小时，随后取出，并依次经过无水乙醇、去离子水反复清洗，最后在真空烘箱中60℃下干燥24小时，得到表面改性的PEEK人工骨骼。
经实验验证，上述方法制得的PEEK人工骨，表面接枝的氨基官能团含量提高了28.2％，可显著提高人工骨骼表面细胞的附着力，改善聚醚醚酮人工骨与人体的匹配性。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种聚醚醚酮人工骨骼的表面改性方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将聚醚醚酮人工骨骼进行表面氨基化改性；
步骤2：将表面氨基化改性后的聚醚醚酮人工骨骼与异氰酸酯进行反应，得到异氰酸酯接枝的PEEK人工骨骼；
步骤3：将异氰酸酯接枝的PEEK人工骨骼浸入含有氨基或羟基的生物活性化合物中，得到表面改性的PEEK人工骨骼。
2.根据权利要求1所述的一种聚醚醚酮人工骨骼的表面改性方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
1)取得聚醚醚酮人工骨骼，对其粗糙表面进行打磨，用水清洗干净；
2)将打磨好的聚醚醚酮人工骨骼浸入到溶液中进行脱脂；所述溶液为异丙醇、乙酸乙酯或乙酸丁酯中的一种或多种混合溶液；
3)将脱脂后的聚醚醚酮人工骨浸入多氨基试剂中，在80℃～115℃温度下浸泡1～8小时，取出后用去离子水清洗，再用步骤2)中所述溶液进行清洗，干燥后得到表面氨基化改性的聚醚醚酮人工骨骼，其中多氨基试剂采用的质量百分浓度为5％-100％。
3.根据权利要求2所述的一种聚醚醚酮人工骨骼的表面改性方法，其特征在于，所述多氨基试剂为乙二胺、丙二胺、丁二胺中的一种或多种混合物。
4.根据权利要求1所述的一种聚醚醚酮人工骨骼的表面改性方法，其特征在于，所述步骤2包括：
1)配制异氰酸酯树脂溶液：将异氰酸酯树脂溶解在甲苯、四氯化碳或二氯甲烷的一种或多种混合溶剂中；
2)将表面氨基化改性的聚醚醚酮人工骨骼浸入异氰酸酯溶液中1～10小时，然后取出，在常压烘箱中50～80℃干燥1～10小时，得到异氰酸酯接枝的聚醚醚酮人工骨骼，其中所述异氰酸酯溶液的质量百分浓度为5％-95％。
5.根据权利要求4所述的一种聚醚醚酮人工骨骼的表面改性方法，其特征在于，所述异氰酸酯为己二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、4,4-二环己基甲烷二异氰酸酯中的一种或多种混合物。
6.根据权利要求1所述的一种聚醚醚酮人工骨骼的表面改性方法，其特征在于，所述步骤3)将异氰酸酯接枝的聚醚醚酮人工骨骼浸入含有氨基或羟基的生物活性化合物中2～3小时，随后依次经过无水乙醇、去离子水反复清洗，最后在真空烘箱中50～80℃下干燥24小时，得到表面改性的聚醚醚酮人工骨骼，其中所述含有氨基或羟基的生物活性化合物的质量百分浓度为5-100％。
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刘吕花等: "氨基修饰聚醚醚酮表面及其成骨细胞相容性", 《工程塑料应用》 *

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