CN114176811A

CN114176811A - 一种纳米针界面的peek基台及其制备方法

Info

Publication number: CN114176811A
Application number: CN202111347060.7A
Authority: CN
Inventors: 姚李韬; 盛列平; 李立; 楼维维; 周亮
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2021-11-15
Filing date: 2021-11-15
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2041-11-15
Also published as: CN114176811B

Abstract

本发明针对现有的种植体基台表面改性方式难以兼顾促进软组织封闭和抗菌问题，提供了一种纳米针界面的PEEK基台，包括基台、顺次覆盖在所述基台上的金属涂层和FHA涂层；其中，所述基台为PEEK基台，所述金属涂层为镁合金涂层中的至少一种；所述FHA涂层的表面为纳米针状结构。同时提供了一种纳米针界面的PEEK基台的制备方法，使用磁控溅射技术制备了具有均匀、粘附力强、成膜率高的金属涂层，同时配合水热合成技术制备得到具有纳米针状结构的FHA涂层，在PEEK基台表面建立了同时具有抗菌及促进软组织封闭的仿生界面，可极大提高种植基台的抗菌效果及软组织封闭能力。

Description

一种纳米针界面的PEEK基台及其制备方法

技术领域

本发明涉及新材料领域，具体是涉及一种纳米针界面的PEEK基台及其制备方法。

背景技术

口腔是菌群复杂的的有菌环境，软组织封闭效果不足导致细菌极易进入牙龈袖口内及软组织封闭区，尤其是在种植体基台及光滑颈圈表面形成菌斑生物膜，危害牙龈健康，严重时会导致种植体周围炎的发生。基台是一个连接植入物和假牙之间的元件用于支撑牙龈软组织附着，尤其是上皮组织附着。天然牙齿的牙周膜通过结膜上皮(JE)的牢固密封而受到细菌侵袭的保护，该上皮通过基底膜(BM)附着在牙齿表面。放置基台后，口腔上皮会迅速迁移过血纤蛋白凝块并接触基台表面。当它平行于基台表面向下迁移时，取决于基台表面的特性是否适合上会在上面附着，它在表型上变为结合上皮(也称为植入体周围上皮)。因此，形成良好的软组织封闭对于提高种植体留存率非常重要。

然而，现有的种植体，如经表面喷砂酸蚀等粗化的种植基台虽然有利于牙龈成纤维细胞附着及封闭，由于表面缺乏抗菌能力，细菌微生物更容易在粗糙表面粘附形成菌斑生物膜，增加了种植体周围炎发生的概率。为了降低上述种植体周围炎的发生，市面上又出现了设计为光滑表面的种植基台，然而光滑表面不利于牙龈封闭以有效抵抗细菌进入穿龈轮廓及骨组织。进一步地，为了提高植入材料的抗菌性能，现有技术中，有研究通过DC等离子溅射银于钛基台表面，虽然具有明显抗菌作用，其也抑制了牙龈成纤维细胞的活性，也有学者通过将地塞米松和米诺环素负载的脂质体(Dex/Mino脂质体)来改性基台界面，虽然证实了良好的抗菌和抗炎效果，然而其缺乏对牙龈成纤维细胞等的促进作用。

可见，现有的种植体基台表面改性方式难以兼顾促进软组织封闭和抗菌这两者，导致种植体周围炎发生概率较高。因此，研制一种既可以促进牙龈软组织封闭、又具有良好的生物相容性和抗菌性能的新型基台，在口腔种植基台领域具有重要的意义。

PEEK，中文名称为聚醚醚酮，是一种应用较广的高分子材料，因具有良好的生物相容性、尺寸稳定性和介于皮质骨及松质骨之间的弹性模量，在医用非金属植入方面具有广泛的应用。具体的，PEEK材料在包括口腔医学中具有代替现有的钛及钛合金作为新的植入材料的潜力。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种纳米针界面的PEEK基台，在具有良好的生物相容性的同时，也呈现出了良好的抗菌效果。

一方面，本发明提供了一种纳米针界面的PEEK基台：

包括基台、顺次覆盖在所述基台上的金属涂层和FHA涂层；

其中，所述基台为PEEK基台，所述金属涂层为镁或镁合金涂层；所述FHA涂层的表面为纳米针状结构。

在另一优化的方案中，所述金属涂层为镁铜合金涂层，且在镁铜合金中，镁原子的原子数占比不低于镁铜两种原子总数的50％。

另一方面，本发明基于上述方案中所述的纳米针界面的PEEK基台，提供了一种纳米针界面的PEEK基台的制备方法，包括以下步骤：

S1：预处理；对PEEK基台的表面去污，并抛光打磨至不低于2000目，随后清洗、干燥、保存备用；

S2：构建金属涂层；以镁合金作为靶源，利用磁控溅射技术在所述PEEK基台表面构建所述金属涂层，得到PEEK/MgCu；

S3：构建FHA涂层；将所述PEEK/MgCu置于FHA溶液中，随后按照以下升温程序对所述FHA溶液加热：从室温开始，以30～50℃/min的速率加热所述FHA溶液至目标温度，所述目标温度不低于100℃；保持所述目标温度进行水热反应，所述水热反应时间为3～5min，随后取出产品、清洗、干燥后得到如权利要求1或2任一项中所述的纳米针界面的PEEK基台，记作PEEK/MgCu/FHA。

在另一优化的方案中，所述S2步骤具体包括以下过程：

S2.1：预溅射；采用氩离子对所述PEEK基台预溅射3～5min，预溅射的气压为1～5Pa，功率为30～60W，氩气流量为10～30sccm；

S2.2：镀膜溅射；将功率提高至60～90W，以镁铜合金作为靶源对所述PEEK基台镀膜溅射时间至少为60min；

S2.3：后处理；清洗、干燥、保存备用。

在另一优化的方案中，所述S3步骤中的所述水热反应时间为5min。

在另一优化的方案中，所所述S3步骤中，所述升温程序为：以40℃/min的速率加热所述FHA溶液至140℃。

在另一优化的方案中，所述S2步骤中，磁控溅射时的真空度设置为(5～10)×10^- ⁴Pa。

在另一优化的方案中，所述FHA溶液的制备步骤包括：

S3.1：配制HA溶液；将硝酸钙溶液加至磷酸氢二钠溶液中，调节pH至6.2～6.5配制得到所述HA溶液；其中，所述磷酸氢二钠溶液的pH为6.6～7.0；

S3.2：配制FHA溶液；将氟化钠溶液加入所述HA溶液中，调节pH至6.2～6.5配制得到所述FHA溶液。

在另一优化的方案中，在所述S3.1步骤中，所述硝酸钙溶液的质量浓度为2～3％，所述磷酸氢二钠溶液的质量浓度为0.035～0.045％。

在另一优化的方案中，在所述S3.2步骤中，所述氟化钠溶液的质量浓度为0.006～0.007％。

本发明的有益效果是：

本发明提供的纳米针界面的PEEK基台，以PEEK(即聚醚醚酮)为基材，并在该基台上顺次涂覆具有抗菌性能的镁及其合金涂层以及纳米针状结构的FHA(即氟化羟基磷灰石)涂层，其中，PEEK生物相容性好，可3D打印，并具有类似天然牙的弹性模量，与抗菌镁及其合金涂层和FHA涂层相配合，得到的纳米针界面的PEEK基台，在促进软组织封闭的同时，兼具良好的抗菌能力以及生物相容性。

另一方面，本发明提供的纳米针界面的PEEK基台的制备方法，使用磁控溅射技术制备金属涂层，得到的金属涂层具有均匀、粘附力强、成膜率高的优点。本发明首次提出无需额外施加微波，使用水热合成技术制备得到了纳米针状结构的FHA涂层，在PEEK基台表面建立了同时具有抗菌及促进软组织封闭的仿生界面，可极大提高种植基台的抗菌效果及软组织封闭能力。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为实施例1中制备PEEK/MgCu/FHA多功能纳米针仿生界面的模式示意图；

图2为对比例1～2与实施例1～2中，分别制备得到的PEEK/MgCu、PEEK/MgCu/FHA1、PEEK/MgCu/FHA3与PEEK/MgCu/FHA5的SEM表征图；

图3为对比例3中，制备得到的PEEK/Cu/FHA的SEM表征图；

图4为实施例1～2中制备得到的PEEK/MgCu/FHA多功能纳米针仿生界面及其潜在作用机制示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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的一部分实施例，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作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。

需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的限定，“去污”、“抛光打磨”、“清洗”、“干燥”、“保存”、“加热”等操作，均应作广义理解，能够实现本发明目的的操作均在本发明的保护范围之内。本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定状态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定状态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，“覆盖”、“构建”、“制备”等均应做广义理解。

再者，为避免歧义，这里对具体实施例及附图中涉及的英文及英文缩写进行解释说明，整个申请文本其他部分涉及到的相同的英文及英文缩写也按照下述说明进行解释：

PEEK：聚醚醚酮；

M：代表金属涂层，例如，该金属涂层为镁铜合金涂层时，记为MgCu；

HA：羟基磷灰石；

FHA：氟化羟基磷灰石；

sccm：气体流量单位，含义为“每分钟标准毫升”。

实施例1：

一种纳米针界面的PEEK基台，包括基台、顺次覆盖在该基台上的金属涂层和FHA涂层；

其中，上述基台的材质选用PEEK材料，金属涂层具体为镁铜合金涂层，最表面形成的FHA涂层的表面形貌为针状结构，且该针状结构为纳米级别的结构。

本实施例还提供了一种在上述PEEK基台上涂覆涂层，最终制备PEEK/MgCu/FHA多功能纳米针仿生界面的方法。参见附图1，为该制备方法的模式示意图。制备时，主要采用了磁控溅射技术和水热合成技术。首先，以MgCu合金作为靶源，对PEEK基台进行磁控溅射处理，从而在PEEK基台上成功建构镁铜涂层，得到PEEK/MgCu，随后，再将PEEK/MgCu置于水热合成体系中，构建FHA纳米针状涂层，最终得到上述具有纳米针界面的PEEK基台，记作PEEK/MgCu/FHA。

其中，在进行磁控溅射时，镁铜合金靶源中，镁原子的原子数占比应不低于镁铜两种原子总数的50％，此时才能得到能实现本发明目的的稳定涂层结构。在本实施例中，镁铜两种金属的原子比为4:1，如此制备得到了均匀稳定且成膜率高的金属涂层。

具体的制备步骤如下：

S1：预处理；

通过砂纸打磨PEEK基台的表面以去除表面的玷污层，再抛光打磨至不低于2000目，直至表面无任何划痕光滑透彻，然后用丙酮、乙醇、去离子水依次超声清洗15分钟，干燥后保存。

其中，去污、抛光、清洗、干燥等操作可以替换为其他能够本领域内常用的手段，只要能够实现该S1步骤中对PEEK基台预处理的目的，都属于本发明的保护范围。需要注意的是，本实施例中的预处理步骤要求对PEEK基台抛光打磨至不低于2000目，这是因为，发明人在反复试验过程中发现，只有当PEEK基台的表面光滑程度达到该程度时，才最有利于本实施例中的镁铜涂层实现均匀分布。

S2：构建金属涂层；

将上述预处理好的PEEK基台置于磁控溅射反应仓台面中，采用超高真空磁控溅射镀膜设备(ACS-4000-C 4，ULVAC Co.)。试件在真空度为7×10^-4Pa条件下采用氩离子(Ar+)预溅射3min，预溅射时气压为3.0Pa，功率50w，氩气流量20sccm。随后将功率提高至100W，保持气压与氩气流量不变，以镁铜合金为靶源，对上述PEEK基台镀膜溅射60min。镀膜完成后用去离子水清洗后，干燥保存，标记为PEEK/MgCu。

本实施例中采用的磁控溅射技术，其工作原理是电子在电场E的作用下，其在向基底运动的过程中会碰撞氩原子，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新产生的电子向基底运动，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子可以沉积在基片上形成均匀、粘附力强的薄膜，该方式具有高速、低温、低损伤的特点。磁控溅射具有设备简单、易于控制、基体温度低、成膜速率高、膜附着力强等优点。具体的，在制备本实施例的纳米针界面的PEEK基台时，使用磁控溅射技术，可以构建得到厚度均匀、性能优异的镁铜合金涂层。

在其他实施例中，上述预溅射的时间可视情况在3～5min之间调整。特别的，在S2步骤中，当镀膜溅射时间保持在至少60min时，才能够得到稳定厚度的镁铜涂层，溅射时间过短，则容易导致镁铜涂层在反应过程中溶解的问题发生，在本实施例中，镀膜溅射时间为60min，此时得到的镁铜涂层厚度适宜，金属离子的释放速率也符合临床预期，构建得到的镁铜涂层生物相容性好且具有良好抗菌效果。

S3：构建FHA涂层；

首先制备FHA溶液：将0.153g四水硝酸钙溶解于5mL去离子水中；将0.05g十二水磷酸氢二钠溶解于50mL去离子水中，通过搅拌加速溶解，加硝酸调PH至6.8,；将硝酸钙溶液加入至磷酸氢二钠溶液中，加硝酸调PH至6.3配制成HA溶液。再将0.01g氟化钠溶解于100mL去离子水中，然后加取10mL氟化钠溶液加入20mL去离子水。然后将30mL NaF溶液加入HA溶液中，加硝酸溶液调PH至6.30，配制得到FHA溶液备用。

随后，将S2步骤中制备得到的PEEK/MgCu置于上述FHA溶液中，随后按照以下升温程序对所述FHA溶液加热：以40℃/min的速率加热该FHA溶液至140℃使其沸腾，然后保持在140℃的温度条件约3min(即水热反应时间为3min)，然后从溶液中取出构建好FHA涂层的样品，用蒸馏水冲洗并风干，得到所述纳米针界面的PEEK基台，记作PEEK/MgCu/FHA3。

在该S3步骤中，要制备得到纳米针状结构的FHA涂层，升温程序的控制很关键，需要在对反应液加热之前，将PEEK/MgCu置于反应液中，随后再启动预设的升温程序，将PEEK/MgCu从室温起浸没于反应液中进行加热直至达到目标温度，随后再在目标温度条件下保持反应约3～5min，就可以制备得到纳米针状结构的FHA涂层。在其他对比例中，在对FHA反应溶液加热至目标温度之后，才将PEEK/Cu投入反应液中，如此制备得到的FHA涂层的形貌为树枝状结构，即FHA涂层表面的单针结构较粗，且粗针上还会分出细针，而非预期的纳米针状结构。另外，在其他实施例中，上述升温程序中的升温速率也可以在30～50℃/min之间调节。

此外，最终升温至多少摄氏度和对升温结束后保持时间的控制是影响纳米针结构的关键，在本实施例中，使反应液以40℃/min的速率升温至140摄氏度使其沸腾后，然后投入基片保持了3min方才制备出了理想的纳米针涂层。

实施例2：

本实施例提供另一种在PEEK基台上制备PEEK/MgCu/FHA多功能纳米针仿生界面的方法，其水热反应时间为5min，其他的同实施例1，最终获得的纳米针界面的PEEK基台，记作PEEK/MgCu/FHA5。

对比例1：

本对比例提供另一种在PEEK基台上制备涂层的方法，包括步骤S1～S2，且这两步的实验条件同实施例1，在溅射完镁铜合金涂层之后，不再制备FHA涂层。最终获得的具有涂层界面的PEEK基台，记作PEEK/MgCu。

对比例2：

本对比例提供另一种在PEEK基台上制备PEEK/MgCu/FHA多功能纳米针仿生界面的方法，其水热反应时间为1min，其他的同实施例1，最终获得的纳米针界面的PEEK基台，记作PEEK/MgCu/FHA1。

对比例3：

本对比例提供另一种在PEEK基台上制备涂层的方法，在本次制备的磁控溅射步骤，使用金属铜作为靶源，其他制备条件同实施例1，最终获得的具有涂层界面的PEEK基台，记作PEEK/Cu/FHA。

参见附图2，使用SEM对上述对比例1～2与实施例1～2中制备得到的PEEK/MgCu、PEEK/MgCu/FHA1、PEEK/MgCu/FHA3、PEEK/MgCu/FHA5进行表征，PEEK/MgCu表面涂覆针状FHA涂层；水热反应时间为1min时，制备的FHA涂层为立方柱状，而非预期的针状。事实上，若水热反应时间小于30s，则制备的FHA涂层为海绵样线状结构；若时间大于30s，小于1min，则制备的氟化FHA涂层为立方柱状。可见，反应时间过短或无法形成纳米针结构，或形成的纳米针结构不均匀。另外由于MgCu涂层在反应液中加热易溶解，因此，水热反应时间也不宜过长，发明人经过反复实验得出结论：水热反应时间控制在3～5min内可以实现本发明的发明目的，在实施例1的条件下，水热反应时间设计为5min为最佳。参见附图2的后两张图，可以看到，按照实施例1～2的方法，均已经成功制备出了FHA纳米针状结构，且纳米针的分布较为均匀。

另外，相较于现有技术，本实施例在FHA纳米针涂层的制备中，采用不需要微波介入的方法直接水热合成，并且制备出理想效果的纳米针涂层。节省了实验过程中对微波的使用，大大提高了制备效率。但涂层必须是镁及其合金涂层方能成功制备针状氟化羟基磷灰石纳米结构，其他涂层，比如对比例3中的金属单质铜涂层，则无法获得预期的针状氟化羟基磷灰石纳米结构。附图3是为对比例3中，制备得到的PEEK/Cu/FHA的SEM表征图，从图3中可以看出，制备所得的FHA涂层为方块样结构，无法得到纳米针涂层。

在现有的临床应用中，对基台的表面改性上采用完全光滑的处理方式，该方式虽然提高了抗菌效果降低了种植体周围炎的发生但不利于软组织封闭和牙龈成型。而在本发明的实施例1～2中，通过将FHA沉积在具有镁铜涂层的PEEK基台表面，创新性地在PEEK基台表面上建立具有同时具有纳米针状结构抗菌及促进软组织封闭的仿生界面，其中，FHA纳米针涂层在早期可同时促进牙龈成纤维细胞生长抵抗细菌粘附，而且其在体液中具有可降解性，在体内可缓慢降解，促进铜离子和镁离子的长效释放，进一步起到抗菌和促进成血管作用。这种纳米针界面的PEEK基台整体上可以极大提高种植基台的抗菌效果及软组织封闭能力，而且表面氟化羟基磷灰石纳米针涂层为与牙齿颜色一致的白色具有美观优势。

继续参见附图4，展现了本发明实施例中制备得到的纳米针界面的PEEK基台的仿生界面，包括PEEK基台、金属MgCu涂层和FHA纳米针状涂层，其中，金属MgCu涂层可以释放金属离子，可以促进血管的生成，也具有良好的抗菌性能；FHA纳米针状涂层在早期可同时促进牙龈成纤维细胞生长抵抗细菌粘附，具体的，可以通过干扰细菌的新陈代谢和牙菌斑产酸性包括糖酵解酶的抑制烯醇酶和质子挤压ATP酶以及细菌定植与竞争。另外，FHA纳米针状涂层在体液中具有可降解性，在体内可缓慢降解，促进铜离子的长效释放，进一步起到抗菌和促进成血管作用。将该金属MgCu涂层与FHA纳米针状涂层结合在PEEK基台上，得到的这种纳米针界面的PEEK基台可以很好地解决目前临床上基台难以实现良好的软组织封闭与抗菌性能的兼具性，继续参见附图4，上图为生长在该基台表面的牙龈成纤维细胞，下图为生长在该基台表面的成骨细胞，由图中可以看到，在金属离子和FHA纳米针状涂层的共同作用下，细菌往往难以成活，降低了种植体周围炎的发生概率，有利于牙龈软组织封闭。

除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明权利要求书中所定义的范围。

Claims

1.一种纳米针界面的PEEK基台，其特征在于：

包括基台、顺次覆盖在所述基台上的金属涂层和FHA涂层；

2.如权利要求1所述的一种纳米针界面的PEEK基台，其特征在于：

所述金属涂层为镁铜合金涂层，且在镁铜合金中，镁原子的原子数占比不低于镁铜两种原子总数的50％。

3.一种纳米针界面的PEEK基台的制备方法，其特征在于：

包括以下步骤：

4.如权利要求3所述的一种纳米针界面的PEEK基台的制备方法，其特征在于：

所述S2步骤具体包括以下过程：

S2.2：镀膜溅射；将功率提高至60～90W，以金属铜作为靶源对所述PEEK基台镀膜溅射时间至少为60min；

S2.3：后处理；清洗、干燥、保存备用。

5.如权利要求3所述的一种纳米针界面的PEEK基台的制备方法，其特征在于：

所述S3步骤中的所述水热反应时间为5min。

6.如权利要求5所述的一种纳米针界面的PEEK基台的制备方法，其特征在于：

所述S3步骤中，所述升温程序为：以40℃/min的速率加热所述FHA溶液至140℃。

7.如权利要求3至6任一项所述的一种纳米针界面的PEEK基台的制备方法，其特征在于：

所述S2步骤中，磁控溅射时的真空度设置为(5～10)×10^-4Pa。

8.如权利要求3至6任一项所述的一种纳米针界面的PEEK基台的制备方法，其特征在于：

所述FHA溶液的制备步骤包括：

9.如权利要求8所述的一种纳米针界面的PEEK基台的制备方法，其特征在于：

在所述S3.1步骤中，所述硝酸钙溶液的质量浓度为2～3％，所述磷酸氢二钠溶液的质量浓度为0.035～0.045％。

10.如权利要求9所述的一种纳米针界面的PEEK基台的制备方法，其特征在于：

在所述S3.2步骤中，所述氟化钠溶液的质量浓度为0.006～0.007％。