CN113413486B - 一种表面改性的聚醚醚酮材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种表面改性的聚醚醚酮材料及其制备方法和应用。所述聚醚醚酮材料包括水热处理后的磺化聚醚醚酮骨架和通过原位合成负载于所述骨架表面的聚吡咯纳米层，其中聚吡咯的负载量为1×10‑3mg/cm2‑10mg/cm2。本发明对聚醚醚酮磺化而赋予其磺化官能团，这利于后续负载聚吡咯以作为改性层，不仅可以增强聚醚醚酮的力学性能、亲水性、光热性能等理化性质，而且能够赋予该材料表面生物活性、光响应智能调控免疫反应及光热快速杀菌功能，拓宽了聚醚醚酮材料在生物医学领域的应用。

Description

一种表面改性的聚醚醚酮材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及生物医用高分子材料表面改性技术领域，尤其涉及一种表面改性的聚醚醚酮材料及其制备方法和应用。
背景技术
聚醚醚酮(PEEK)是一种半结晶线型多环芳香族热塑性塑料，具有生物相容性良好、力学性能接近人类皮质骨(PEEK弹性模量～8.3GPa、人类皮质骨～18GPa)、物理化学性能稳定、高温耐磨、耐腐蚀性(除浓硫酸外)以及易加工等优点，是椎体手术中常用的椎体间融合器材料，多用于创伤、骨科和脊柱植入等。但聚醚醚酮在生物学领域表现出生物惰性。尽管在赋予PEEK表面生物活性方面已有诸多报道，但研究发现改性样品在体内外的效果往往有所差异。近年来的研究结果指出，植入材料在体内触发宿主保护机制，引发免疫反应是体内外产生差异性效果的关键。依据巨噬细胞的可塑性和功能性，调节M1/M2极化表型比例是调控免疫反应、促进组织愈合的有效策略。此外，术后感染也是导致惰性PEEK材料植入失败的主要原因之一。据统计，在临床骨折和非愈合性缺陷的外科手术中，植入生物材料进行缺损修复后，约10％的手术因细菌感染而失败。由此，PEEK表面生物惰性导致其无法在体内适应性调节免疫反应以及产生抗菌效果从而限制了其在临床中的应用。
在实际的临床应用中，植入体材料在体内需要进行智能调控免疫反应以匹配复杂的生理过程和具备快速高效的杀菌作用。现有的植入体材料多数利用材料表面特性以单一诱导免疫细胞行为，无法依据临床的不同需求进行可控调节免疫反应并更好地促进组织修复。至于赋予PEEK表面抗菌性能，现有策略主要有：装载药物、掺杂功能元素、组成复杂的混合涂层、施加过外界刺激产生热电等物理信号杀伤细菌。但这些方法仍然存在不足，如：依赖药物杀菌会产生耐药菌，使后续感染治疗更为困难；金属元素虽然具备抗菌效果，但对正常组织仍有损伤；外场如近红外光刺激时，往往会由于有效作用时间过长，使得感染部位表皮灼伤。因此，如何进一步改善聚醚醚酮材料表面性能，使其表面具有智能响应性和低副作用高效性抗菌功能，提高其实际应用价值，仍是本领域技术人员的研究方向之一。
中国专利CN 104497344B公开了磺化处理聚醚醚酮材料表面并获得多孔网络状结构，以及通过水热调控表面硫含量使得表面具有一定的抗菌性能。然而该方法得到的聚醚醚酮力学性能差，无法满足植入体材料的要求。此外，该方法得到的聚醚醚酮表面也不具有响应性和低副作用的高效性抗菌功能(尤其是对大肠杆菌)。
发明内容
第一方面，本发明提供一种表面改性的聚醚醚酮材料。所述聚醚醚酮材料包括水热处理后的磺化聚醚醚酮骨架和通过原位合成负载于所述骨架表面的聚吡咯纳米层。在所述表面改性的聚醚醚酮材料中，聚吡咯的负载量为1×10-3mg/cm2-10mg/cm2，优选为4×10- 2mg/cm2-3mg/cm2。本发明对聚醚醚酮磺化而赋予其磺化官能团，这利于后续负载聚吡咯以作为改性层，不仅可以增强聚醚醚酮的力学性能、亲水性、光热性能等理化性质，而且能够赋予该材料表面生物活性、光响应智能调控免疫反应及光热快速杀菌功能，拓宽了聚醚醚酮材料在生物医学领域的应用。
较佳地，所述聚吡咯纳米层的厚度为50-2000nm。此时聚吡咯纳米层与基体的结合性好，残余的非原位结合的聚吡咯纳米颗粒少，且免疫调控效果显著。
较佳地，所述聚吡咯纳米层由聚吡咯纳米颗粒沿着含有磺基的骨架生长并包裹该骨架而成；优选地，聚吡咯颗粒的直径为100-500nm。
较佳地，所述骨架为孔骨架，优选为三维多孔骨架；所述孔骨架的孔径为4μm以下，优选为2μm以上。如此易于形成纳米颗粒层包裹结构并增强骨架力学性能。
较佳地，所述表面改性的聚醚醚酮材料的表面具有良好的亲水性。例如表面接触角为50°以下，优选为5°-50°。
较佳地，表面可快速响应近红外光，抑菌率为70-100％。优选地，当照射时间在30s-5min时，表面响应近红外光的抑菌率在90％以上。
第二方面，本发明提供上述任一项所述的表面改性的聚醚醚酮材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)使用浓硫酸对聚醚醚酮进行磺化处理以使聚醚醚酮表面被活化形成磺化官能团修饰的骨架结构；
(2)磺化处理完毕后，对聚醚醚酮进行水热处理以残留的硫元素；
(3)水热处理完毕后，引发吡咯单体在水热处理后的磺化聚醚醚酮表面原位聚合并形成聚吡咯纳米层。
本发明所述制备方法首先借助磺化在聚醚醚酮表面生成磺化基团并使得其表面变得粗糙，该粗糙表面利于聚吡咯纳米层在聚醚醚酮材料表面的稳定负载，同时聚吡咯和磺化基团之间通过氢键、共轭等相互作用，如此得以改善聚醚醚酮表面的理化性能，并赋予其优异的免疫学效应和光热快速杀菌作用。
较佳地，步骤(3)中，采用引发剂引发吡咯单体在水热处理后的磺化聚醚醚酮表面原位聚合并形成聚吡咯纳米层的具体操作为：将水热处理后的磺化聚醚醚酮至于含有引发剂、吡咯单体和有机溶剂的溶液中保持聚合3-60min直至在水热处理后的磺化聚醚醚酮表面原位生成聚吡咯纳米层；所述溶液中吡咯单体的浓度大于0.02M，引发剂的浓度为0.2-1M，有机溶剂的体积百分比为10-80％。
较佳地，步骤(1)中，磺化的时间为5s-30min，优选为6-8min；步骤(2)中，水热处理的温度为25-200℃，优选为80-120℃；水热处理的时间为24h以下，优选为4-8h。
较佳地，所述制备方法还包括：原位聚合完成后，对聚醚醚酮材料于100℃以下继续水热处理10min以上以去除残留的化学物质。优选为去除孔道结构中残留的化学物质。
第三方面，本发明提供了上述任一项所述的表面改性的聚醚醚酮材料在生物医学领域尤其是光响应智能调控免疫以及快速杀菌方面的应用。
附图说明
图1中的(a)示出了聚醚醚酮经浓硫酸磺化处理6min并水热处理后的样品(标记为SP)表面扫描电镜照片；(b)示出了SP负载聚吡咯样品(聚合时间为3min，标记为SPPM)的表面扫描电镜照片；(c)示出了SP负载聚吡咯样品(聚合时间为5min，标记为SPPH)的表面扫描电镜照片；(d)示出了利用上述聚合反应5min后的剩余单体重新发生聚合，在SP表面缓慢负载聚吡咯样品(聚合时间为30min，标记为SPPL)的表面扫描电镜照片；
图2(a)示出了SP表面的EDS图谱；
图2(b)示出了SPPL表面的EDS图谱；
图2(c)示出了SPPM表面的EDS图谱；
图2(d)示出了SPPH表面的EDS图谱；
图3示出了SP、SPPL、SPPM、SPPH的表面接触角；
图4中的(a)示出了改性后聚醚醚酮材料在空气中的光热效果；(b)示出了改性后聚醚醚酮材料在水中的光热效果；
图5中的(a)示出了SP在50HZ、300W功率下超声30min后的表面扫描电镜照片；(b)示出了SPPM在50Hz、300W功率下超声30min后的表面扫描电镜照片；
图6示出了改性后聚醚醚酮材料对巨噬细胞增殖活性的影响；
图7中的(a)示出了巨噬细胞在SP表面培养4天后的扫描电镜照片；(b)示出了巨噬细胞在SPPL表面培养4天后的扫描电镜照片；(c)示出了巨噬细胞在SPPM表面培养4天后的扫描电镜照片；(d)示出了巨噬细胞在SPPH表面培养4天后的扫描电镜照片；
图8中的(a)示出了改性后聚醚醚酮材料无近红外光照射下对巨噬细胞炎症相关基因表达的影响；(b)示出了改性后聚醚醚酮材料在近红外光照射下对巨噬细胞炎症相关基因表达的影响；
图9中的(a)示出了大肠杆菌菌液滴涂在SP上培养后，在生理盐水介质中1W近红外光照射5min后重新移植至琼脂板培养后的大肠杆菌菌落图；(b)示出了大肠杆菌菌液滴涂在SPPH上培养后，在生理盐水介质中1W近红外光照射5min后重新移植至琼脂板培养后的大肠杆菌菌落图；
图10中的(a)示出了大肠杆菌菌液滴涂在SP上培养后，在24孔板中直接经过1W近红外光照射30s后重新移植至琼脂板培养后的大肠杆菌菌落图；(b)示出了大肠杆菌菌液滴涂在SPPH上培养后，在24孔板中直接经过1W近红外光照射30s后重新移植至琼脂板培养后的大肠杆菌菌落图。
具体实施方式
通过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。在没有特殊说明的情况下，各百分含量指质量百分含量。
为了克服聚醚醚酮材料的生物惰性且满足其作为植入体材料的要求，本发明开发一种表面改性的聚醚醚酮材料，并对其进行功能化，以赋予其光响应调控免疫反应及快速杀菌功能，具有临床应用价值。
所述聚醚醚酮材料包括水热处理后的磺化聚醚醚酮骨架和通过原位合成负载于所述骨架表面的聚吡咯纳米层。聚醚醚酮表面的聚吡咯层的生长需要磺基参与，因此聚醚醚酮经过(任意时间的)磺化处理后均可形成聚吡咯层。而且经过磺化处理可以在聚醚醚酮表面形成粗糙结构，这对于聚吡咯的负载具有益处。
一些技术方案中，所述聚醚醚酮材料包括水热处理后的磺化聚醚醚酮构建的孔骨架、以及通过原位合成负载于所述孔骨架表面的聚吡咯纳米层。通过控制磺化使得磺化后形成具有多孔结构的聚醚醚酮。水热处理后的磺化聚醚醚酮仍能保持孔道结构，但由于表面是以高分子为骨架的疏松多孔结构，使得其表面力学性能大大下降，在超声作用下孔骨架断裂孔道坍塌。然而本发明经过在水热处理后的磺化聚醚醚酮上原位负载聚吡咯纳米层，不仅可以稳定保持多孔结构，且该多孔结构即使在超声的反复作用下也能够很好地保留。
更优选地，磺化后形成具有三维多孔结构的聚醚醚酮。具有多孔结构(尤其是三维多孔结构)的聚醚醚酮能够为聚吡咯的生长提供大量反应位点——磺基；同时其孔骨架(尤其是三维多孔骨架)可为聚吡咯的生长提供空间导向，使聚吡咯沿着骨架生长并随反应程度的加深而逐渐填充孔道。这种空间导向和大量的反应位点的协同作用能够引导聚吡咯紧密堆积在三维孔道中，形成光热性能和力学性能优异的复合涂层。
原位聚合生成的聚吡咯以颗粒形态负载在磺化聚醚醚酮表面。所述聚吡咯颗粒的粒径可为100-500nm。在上述原位聚合过程中，吡咯单体借助水热处理后的磺化聚醚醚酮(SP)的大比表面积以吸附纳米颗粒，以及吡咯的N-H键与SP表面的璜基产生的静电吸附作用，从而得以负载在水热处理的磺化聚醚醚酮表面。具体地，该聚吡咯纳米颗粒纳米颗粒沿含有璜基的(孔)骨架生长，颗粒逐渐致密相互融合，在此基础上又形成了新的形核位点(逐渐将孔道填充)。其中，水热处理的磺化聚醚醚酮和聚吡咯间可通过氢键和π-π共轭增强相互作用，以使得聚吡咯在聚醚醚酮表面的负载更加稳定。
本发明使用聚吡咯对水热处理后的磺化聚醚醚酮进行改性，实现聚醚醚酮表面的智能调控免疫效应和广谱快速杀菌性能，克服了水热处理后的磺化聚醚醚酮对大肠杆菌抑制不高效的缺点，同时增强了表面力学性能，避免水热处理后的磺化聚醚醚酮经超声则会使表面坍塌、多孔结构遭到破坏。
磺化聚醚醚酮的疏水性表面不利于蛋白和细胞的黏附，从而影响骨系细胞附着成骨。通过在聚醚醚酮材料表面负载聚吡咯，可以使得材料表面转变为亲水性。这利于细胞、蛋白的附着，促进材料与细胞的交互，利于骨整合。
以下示例性说明本发明所述表面改性的聚醚醚酮材料的制备方法。通过本提出的改性手段，简便快捷地实现了对聚醚醚酮表面的功能化，赋予聚醚醚酮材料表面调控免疫趋于智能化和抗菌性能高效性，从而提高其在生物医学领域的应用价值。
对聚醚醚酮进行磺化处理以得到表面负载磺基官能团的磺化聚醚醚酮。所述聚醚醚酮包括抛光或未抛光的聚醚醚酮块体或线性材料。例如使用质量分数95-98％的浓硫酸以对聚醚醚酮进行磺化处理。该磺化处理的目的是活化聚醚醚酮表面以利于后续聚吡咯的负载。在磺化处理前可对聚醚醚酮进行抛光并洗涤。可以使用丙酮、酒精和去离子水依次洗涤。在磺化过程中可保持搅拌。搅拌转速可为300-800r/min。
聚醚醚酮(PEEK)材料经过至少5s的磺化处理即可活化其表面。取出后经过水热除硫即可进行聚吡咯的负载。例如，磺化的时间可为5s-30min。当磺化时间较短时，在聚醚醚酮表面尚未形成孔结构，但是此时却依然能够在聚醚醚酮表面负载磺基，这足以进行后续聚吡咯的负载。磺化时间优选为6-20min，进一步优选为6-8min。此时聚醚醚酮的表面形成均匀多孔结构，甚至形成三维网络多孔结构。当磺化时间少于6min时，由于磺化不完全不能形成三维多孔；但是磺化时间超出8min表面则会导致力学性能有所降低且三维多孔不均匀。在实际试验过程中，可以根据聚醚醚酮的结晶度对磺化时间作出适应性调整。理论上来说，结晶度越高的PEEK材料所需磺化时间越长。
将表面负载磺基官能团的磺化聚醚醚酮进行水热处理。在水热处理前可清洗磺化聚醚醚酮的样品表面以清除残余硫酸。该水热处理的目的是去除过量毒性元素例如硫。这避免过量硫产生生物毒性。该水热处理可以将孔骨架中残留的硫元素也得以去除。
水热处理的温度为25-200℃，优选为80-140℃，进一步优选为80-120℃。水热反应时间可为24h以下，优选为2-10h，更优选为4-8h。以水为反应介质，水热处理磺化聚醚醚酮完毕后，清洗晾干。
将水热处理后的磺化聚醚醚酮浸没在含有引发剂和吡咯单体的溶液中并通过原位聚合以在磺化聚醚醚酮表面负载聚吡咯。
上述聚合时间可为3-60min。当聚合时间超出60min，外表面形成的聚合物主要为物理吸附，此时聚吡咯和聚醚醚酮的结合不牢固，在超声处理后聚吡咯纳米层则被剥离除去。
所述溶液中引发剂的浓度为0.2-1M。引发剂优选使用具有氧化作用的引发剂，这样可以便于吡咯的原位聚合负载。所述引发剂包括但不限于过硫酸铵和/或三氯化铁。
所述溶液中吡咯单体的浓度应大于0.02M，优选为0.08-0.2M。吡咯单体的浓度过低会使聚吡咯负载量较少，从而无法形成紧密结合的改性层。由于反应过程中吡咯单体并非100％负载(会有部分聚吡咯损失)，所以在单体浓度较低的情况下延长时间也可能不会实现聚吡咯颗粒的长大和互相连接并形成保护骨架。
所述溶液的溶剂为有机溶剂，所包括但不限于酒精(例如体积分数为20-80％的酒精)、三氯甲烷等。
在该原位聚合的过程中可保持搅拌。搅拌转速可为300-800r/min。
通过调控单体浓度和聚合时间可以在聚醚醚酮表面可控负载不同含量的聚吡咯。例如提高单体浓度或者增加聚合时间可增加聚吡咯负载量。聚吡咯的负载量影响着磺化聚醚醚酮表面的亲疏水性。高聚吡咯负载量的聚醚醚酮材料表面亲水性更优。
通过后处理去除(孔道中)残存的化学物质。依据聚吡咯的负载量，可实现孔洞的部分保留或填充，例如可为填充、半填充、不填充。例如将负载聚吡咯的聚醚醚酮在沸水中保持10min。
本发明所述方法得到的负载聚吡咯的聚醚醚酮材料可在表面产生良好的光热效果。未经近红外光刺激时，改性样品具有抗炎效果；通过近红外光照射表面，改性样品可响应光刺激，调控免疫反应，调节炎症相关因子的分泌。另外，所述方法得到负载聚吡咯的聚醚醚酮材料因具有良好的光热效果，而展现出良好的抗菌作用，可在5min内实现快速杀菌，进而提高聚醚醚酮材料在体内外的实际应用价值。
在此说明的是，现有技术公开通过将去S磺化PEEK材料浸泡在模拟体液中可以诱发类骨磷灰石在表面的形成和生长，并且在抗菌试验中表现出良好的抗菌作用。但是该技术方案中，成骨方面主要是促进羟基磷灰石矿化沉积有利于骨形成，抗菌主要是抗革兰氏阳性细菌(如金黄色葡萄球菌)，而对革兰氏阴性细菌(如大肠杆菌)的抗菌效果有限(具体参见中国专利CN 104497344B的图4)。这是因为，磺化处理聚醚醚酮表面呈负电性，对革兰氏阳性细菌(如金黄色葡萄球菌)和革兰氏阴性细菌(如大肠杆菌)会产生排斥作用，而革兰氏阳性细菌(金黄色葡萄球菌)表面膜电位低于革兰氏阴性细菌(大肠杆菌)，因此磺化处理聚醚醚酮表面对革兰氏阳性细菌(金黄色葡萄球菌)的排斥更强，抗菌效果更明显。
本发明解决的问题是通过智能调控(根据不同能量的外场刺激)免疫反应来进行削弱或消除异物反应和广谱快速杀菌。本发明利用表面改性的聚醚醚酮材料广谱快速杀菌不仅对革兰氏阳性细菌有效，对革兰氏阴性细菌同样有良好的抗菌性能，这和本发明改性层具有的快速光热转换效果、可迅速升温进行杀灭上述两种细菌有关。以上赋予表面改性的聚醚醚酮材料表面智能调控免疫效应，能够解决异物反应(植入体)引发的免疫效应致使体内植入效果差的问题，对于临床应用至关重要。
接触角的测试方法为：采用Solon厂家的SL200B型号的静态水接触角测试仪。室温下将超纯水滴在样品表面，然后稳定后的水滴由相机拍摄，使用自动接触角仪读取接触角值。
负载量的测试方法为：随机多次取6-10个负载聚吡咯前后的磺化聚醚醚酮样品，称重并记录。随后，对多次称取的负载前磺化聚醚醚酮样品取平均值，计算单个样品的重量。通过用每次随机称取的负载聚吡咯样品(取单个样品重量)与该平均值做差值，并归一化到单位面积，计算负载量。
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
表面改性的聚醚醚酮材料的制备：
步骤a)将聚醚醚酮抛光后依次使用丙酮、酒精、去离子水进行清洗；自然晾干后，使用质量分数95-98％的浓硫酸磺化处理聚醚醚酮6-8min，得到具有三维多孔结构的磺化聚醚醚酮样品。以水为介质，水热处理磺化样品，反应温度120℃，反应时间4h，随后清洗晾干。该水热处理后的磺化聚醚醚酮样品标记为SP。
步骤b)将预处理后的样品置于100ml酒精溶液中，开始搅拌。样品浸没溶液后缓慢加入20ml浓度为0.16g/ml的过硫酸铵水溶液，搅拌均匀后，加入1ml吡咯单体，聚合反应3min，以在聚醚醚酮上负载聚吡咯。该样品标记为SPPM。
步骤c)对负载聚吡咯的聚醚醚酮样品进行在沸水中煮10min以完成后处理。
与上述步骤基本相同，区别仅在于：加入吡咯单体后聚合反应5min。得到的样品标记为SPPH。
与上述步骤基本相同，区别仅在于：将SP置于上述聚合反应5min后的溶液中，补加引发剂，继续缓慢反应30min。此时剩余溶液中吡咯单体再次加入引发剂聚合可以发生更为缓慢(相比于直接加入)的聚合反应，有利于控制较低含量聚吡咯在表面的均匀负载。得到的样品标记为SPPL。
图1中的(a)-(d)为本实施例中改性聚醚醚酮样品对应的扫描电镜图片，可以看出，负载的聚吡咯为纳米颗粒形态，分布均匀；纳米颗粒首先沿着孔骨架生长，并且随着聚合反应时间的延长，聚吡咯的负载量增加，聚吡咯颗粒充分包裹三维多孔骨架，并逐渐填充孔洞，聚吡咯表层的颗粒薄膜也逐渐变得致密。
图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)为本实施例中改性聚醚醚酮样品对应的EDS图谱。结果显示，表面元素N的存在证明了聚吡咯成功到负载到聚醚醚酮表面，并且随着聚吡咯负载量的增加，表面N含量提高。
图3为本实施例中改性聚醚醚酮样品对应的接触角。SP的接触角为(106.61±4.2°)；SPPL的接触角为(42.88±6.41°)；SPPM的接触角为(17.87±0.95°)；SPPH的接触角为(7.4±6.47°)。结果表明，负载聚吡咯的聚醚醚酮样品表面由疏水变为亲水。随着聚吡咯负载量的增加，材料的接触角变小，亲水性提高。
图4中的(a)和(b)为本实施例中改性聚醚醚酮样品分别在空气与水介质中经过0.5w近红外光照射后的光热曲线。可以看出，样品表面在空气介质中升温速率较快且最高温度能够达到90℃以上，待聚吡咯颗粒致密地包被骨架后(SPPM、SPPH)，升温速率趋于一致，表明空气介质中改性层的光热转换效率与纳米颗粒和孔骨架结合的致密性有关。具体而言，在空气中热主要通过高分子骨架和空气共同传导，高分子导热速度慢。因此颗粒越致密，表面热不易快速损失，表面温度可以保持。而在水中水介质参与快速导热，表面负载非致密聚吡咯的样品大部分产生的热会被水快速分散，表面温度较低；负载致密聚吡咯的样品可以通过表面高分子聚合物的保护，减少散热维持表面温度。且聚吡咯量越多，产热越多。
实施例2
将SP样品放在50Hz、300W的超声机中超声30min，得到的样品标记为SP-U。将SPPM样品放在50Hz、300W的超声机中超声30min，得到的样品标记为SPPM-U。
由图5中的(a)和(b)可以看出，超声处理会破坏SP的多孔结构，但是SPPM的表面孔结构保留完整。这表明，磺化后的聚醚醚酮虽然产生孔结构，但是表面疏松，力学性能大大下降。因此当其遭受超声反复受力时，孔骨架产生断裂，孔道坍塌。但是负载聚吡咯后的聚醚醚酮样品中，在骨架表面原位生长的聚吡咯与骨架紧密结合。另外，聚吡咯颗粒之间发生融合，从而致密地包被在骨架表面，一方面能够增大骨架直径起到物理增强作用，另一方面聚吡咯通过静电作用、氢键以及π-π共轭方式增强表面力学性能，使得孔结构避免超声破坏。
实施例3
在SP样品、SPPL样品、SPPM样品和SPPH样品表面以1×105/孔密度接种巨噬细胞，分别培养4小时、1天和4天。
图6为本实施例中改性聚醚醚酮样品表面培养巨噬细胞的增殖活性。改性后样品均对巨噬细胞具有良好的生物相容性。
图7中的(a)-(d)为本实施例中改性聚醚醚酮样品表面培养巨噬细胞4天时的形貌图。相比于SP，负载聚吡咯的样品表面细胞形态发生明显的伸展，表明改性后的功能表面对巨噬细胞表型具有一定的诱导作用。
图8中的(a)-(b)为本实施例中改性聚醚醚酮样品表面培养巨噬细胞4天时炎症相关基因的表达。无近红外光照射下，SPPM组促炎相关基因TNF-α、IL-6表达略低于SP组，抗炎相关基因IL-10、IL-4的表达则高于SP组；SPPL组和SPPH组的促炎和抗炎基因均高于SP组。不同聚吡咯的负载量介导巨噬细胞产生不同的炎症效果。其中，SPPM样品对于抗炎相关基因IL-10和IL-4均具有良好的抗炎效果，SPPL样品和SPPH样品的炎症相关基因表达相较于SP样品均有所增强。
选择SPPH组，进行不同功率的近红外刺激，研究不同功率近红外光照射SPPH时巨噬细胞炎症相关基因的表达。结果发现：0.3w刺激下，可下调TNF-α以及IL-10的表达，减弱免疫反应；0.5w刺激下，可上调IL-6、IL-4基因，免疫反应增强。不同功率照射会对表面的免疫诱导作用产生影响，并可调地减弱/增强免疫炎症反应。
实施例4
将大肠杆菌以107CFU/ml的密度滴种在SPPH样品表面，培养24h后进行近红外光照射。
图9中的(a)-(b)为本实施例中改性聚醚醚酮样品在生理盐水介质中通过1W近红外光照射5min后重新移植至琼脂板培养后的大肠杆菌菌落图。可以看出，改性后的聚醚醚酮材料具有很好的光热抗菌性，近红外照射5min即可实现抑菌率大于90％。
图10中的(a)-(b)为本实施例中改性聚醚醚酮样品在24孔板中直接经过1W近红外光照射30s后重新移植至琼脂板培养后的大肠杆菌菌落图。可以看出，样品经过1W近红外光照射，30s即可实现抑菌率100％。该样品具有快速杀菌作用的原因是：聚吡咯可吸收近红外光，具有高光热转换效率，表面温度升高可破坏细菌内的蛋白质、核酸、活性物质等，进而影响其生命活动，杀伤细菌。另外，聚醚醚酮基体材料具有低热传导率，可在表面聚集热量，减少损失，从而高效利用产热杀伤细菌。

Claims (10)

1.一种表面改性的聚醚醚酮材料，其特征在于，所述聚醚醚酮材料包括水热处理后的磺化聚醚醚酮骨架和通过原位合成负载于所述骨架表面的聚吡咯纳米层，其中聚吡咯的负载量为1×10-3mg/cm2- 10mg/cm2。
2.根据权利要求1所述的表面改性的聚醚醚酮材料，其特征在于，所述聚吡咯纳米层的厚度50-2000 nm。
3.根据权利要求1或2所述的表面改性的聚醚醚酮材料，其特征在于，所述聚吡咯纳米层由聚吡咯纳米颗粒沿着含有磺基的骨架生长并包裹该骨架而成；聚吡咯颗粒的直径为100-500nm。
4.根据权利要求3所述的表面改性的聚醚醚酮材料，其特征在于，所述骨架为孔骨架；所述孔骨架的孔径为4μm以下。
5.根据权利要求4所述的表面改性的聚醚醚酮材料，其特征在于，所述表面改性的聚醚醚酮材料的表面接触角为50°以下，表面响应近红外光的抑菌率为70-100%；当光照时间在30s-5min时，表面响应近红外光的抑菌率在90%以上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的表面改性聚醚醚酮材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）使用浓硫酸对聚醚醚酮进行磺化处理以使聚醚醚酮表面被活化形成磺化官能团修饰的骨架结构；
（2）磺化处理完毕后，对聚醚醚酮进行水热处理以去除残留的硫元素；
（3）水热处理完毕后，引发吡咯单体在水热处理后的磺化聚醚醚酮表面原位聚合并形成聚吡咯纳米层。
7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，步骤（3）中，采用引发剂引发吡咯单体在水热处理后的磺化聚醚醚酮表面原位聚合并形成聚吡咯纳米层的具体操作为：将水热处理后的磺化聚醚醚酮至于含有引发剂、吡咯单体和有机溶剂的溶液中保持聚合3-60min直至在水热处理后的磺化聚醚醚酮表面原位生成聚吡咯纳米层；所述溶液中吡咯单体的浓度大于0.02M，引发剂的浓度为0.2-1M，有机溶剂的体积百分比为10-80%。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中， 磺化的时间为5s-30min；步骤（2）中，水热处理的温度为25-200℃；水热处理的时间为24h以下。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：原位聚合完成后，对聚醚醚酮材料于100℃以下继续水热处理10min以上以去除残留的化学物质。
10.权利要求1至5中任一项所述的表面改性的聚醚醚酮材料在生物医学领域的应用，其特征在于，所述应用包括光响应智能调控免疫以及快速杀菌方面的应用。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7189409B2 (en) * 2004-03-09 2007-03-13 Inion Ltd. Bone grafting material, method and implant
US20110208021A1 (en) * 2008-12-04 2011-08-25 Goodall Eleanor V Systems, devices, and methods including implantable devices with anti-microbial properties
US10675138B2 (en) * 2011-12-07 2020-06-09 The Trustees Of Princeton University Scaffolds for soft tissue and uses thereof
CA2935511C (en) * 2014-01-07 2023-04-04 Babita Agrawal Immunomodulatory compositions comprising heat-killed caulobacter crescentus and methods of use thereof
GB201413954D0 (en) * 2014-08-06 2014-09-17 Imp Innovations Ltd Process for preparing polymers
US10597636B2 (en) * 2014-09-19 2020-03-24 University Of Florida Research Foundation, Inc. Electroactive polymeric scaffolds and method for delivering nerve growth factor to nerve tissue
CN104497344B (zh) * 2014-12-29 2017-09-01 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种对聚醚醚酮表面进行改性的方法
SG10201911693QA (en) * 2015-06-02 2020-02-27 Ionic Materials Inc Alkaline metal-air battery cathode
CN105085939B (zh) * 2015-08-29 2017-10-20 常州大学 三维结构且具有电刺激和pH响应的聚吡咯/海藻酸盐凝胶的制备及双重控制药物释放
CN107789670A (zh) * 2017-09-06 2018-03-13 华南理工大学 具有抗菌性的聚吡咯/磺基水杨酸纳米棒及其制备方法与应用
CN108503877B (zh) * 2018-04-13 2020-12-11 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种对peek表面改性的方法
CN109485888A (zh) * 2018-10-22 2019-03-19 湖南工业大学 一种聚乳酸-聚吡咯复合抗菌薄膜及其制备方法

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