CN115645607A

CN115645607A - 一种具有抗菌作用的聚醚醚酮材料及其制备方法和应用

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Publication number: CN115645607A
Application number: CN202211700960.XA
Authority: CN
Inventors: 郭翠; 胡春晓; 袁冬
Original assignee: Beijing Stomatological Hospital
Current assignee: Beijing Stomatological Hospital
Priority date: 2022-12-29
Filing date: 2022-12-29
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2042-12-29
Also published as: CN115645607B

Abstract

本发明属于生物医用材料技术领域，公开了一种具有抗菌作用的聚醚醚酮材料及其制备方法和应用。所述聚醚醚酮材料的表面含有Ti等离子注入形成的多孔沟壑状结构，所述聚醚醚酮材料表面包覆有多巴胺并接枝氧化石墨烯。本发明工艺简单、效率高、重复性好，可以改善目前聚醚醚酮材料口腔种植体植入物的安全性和抗菌性能，适用于临床。

Description

一种具有抗菌作用的聚醚醚酮材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于生物医用材料技术领域，具体为一种具有抗菌作用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热塑性塑料，具有优良的力学性能、耐腐蚀性、耐磨性、自然射线可透性、生物相容性等优异性能。因此，近年来已经广泛应用于生物医学领域，可以作为人工骨骼脊柱、关节和下颌骨等的替代品。然而，PEEK具有固有的生物惰性，缺乏自主抗菌性能，细菌粘附和材料表面的增殖会引起炎症，导致骨整合和种植体相关感染，这被认为是种植体失败的主要因素。所以，需要进一步的表面改性以赋予 PEEK材料具有更多生物学特性。

专利CN108310457A公开了一种聚醚醚酮骨缺损修复材料及制备方法，聚醚醚酮骨缺损修复材料的表面具有微米孔-纳米孔多级孔洞结构，还负载有辛伐他汀、聚乳酸多孔微膜和妥布霉素微球。抗菌药物的加入不仅可有效提高PEEK材料的抗菌性能，而且在一定程度上提升其生物活性和骨整合性。专利 CN111729132A公开了一种具有抗菌性能的聚醚醚酮骨修复材料及其制备方法，通过将聚醚醚酮置于浓硫酸中进行磺化，获得表面粗糙、多孔且带有磺酸基团的磺化聚醚醚酮，增加了Ti₃C₂-CoNWs复合材料与SPEEK的接触面积，提高了Ti₃C₂-CoNWs复合材料与SPEEK之间的结合力。专利CN113769165A公开了一种磺化聚醚醚酮基骨修复复合材料，也是以磺化聚醚醚酮为载体，表面负载有纳米蛋白，使得产品具有良好的生物相容性，还具有抗氧化应激、抗菌等优异的性能。然而，通过浓硫酸浸泡技术使聚醚醚酮表面呈现出孔隙状结构，此种技术缺陷在于浓硫酸处理材料后会在材料表面残存强酸物质、含硫化合物等，可能对人体组织有毒害作用，经碱性物质中和或超声荡洗等处理难以将聚醚醚酮孔洞中物质彻底去除干净，对于人体组织应用存在安全隐患。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服聚醚醚酮材料的生物惰性，获得具有抗菌性能的聚醚醚酮改性表面，该改性材料应用于与牙龈部位接触的种植体系统的穿龈结构可以一定程度抑制种植体周围炎的发生与发展，安全性更高。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种具有抗菌作用的聚醚醚酮材料，所述聚醚醚酮材料的表面含有Ti等离子注入形成的多孔沟壑状结构，所述聚醚醚酮材料表面包覆有多巴胺并接枝氧化石墨烯。

本发明还提供了上述聚醚醚酮材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将聚醚醚酮材料表面进行Ti等离子注入，获得具有活性的且多孔隙的聚醚醚酮表面PEEK-Ti；

（2）将获得的PEEK-Ti材料浸入多巴胺溶液中，使其表面及孔隙内部表面被多巴胺覆盖，获得多巴胺包覆的聚醚醚酮表面PEEK-T-D；

（3）将上述PEEK-T-D材料浸入氧化石墨烯溶液中，获得表面枝接有氧化石墨烯的复合涂层，即获得多巴胺和氧化石墨烯组成的复合涂层聚醚醚酮材料PEEK-TDG。

作为一种实施方式，所述Ti等离子注入利用等离子注入机将聚醚醚酮材料标准试件置于5KV-10KV电压条件下，Ti离子以2×10¹⁷-4×10¹⁷离子/cm²注入100-150分钟。

作为一种实施方式，所述多巴胺溶液的浓度为2-3mg/ml，所述聚醚醚酮在多巴胺溶液中避光下浸泡24-48小时。

作为一种实施方式，所述PEEK-T-D材料从多巴胺溶液中取出后，使用超纯水超声振荡清洗，干燥后消毒。

作为一种实施方式，所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.5-1mg/ml，所述PEEK-T-D材料浸入氧化石墨烯溶液中24-48小时。

作为一种实施方式，所述氧化石墨烯溶液在使用前预先进行超声震荡。

作为一种实施方式，所述多巴胺溶液的配制方法为将盐酸多巴胺溶解在 pH=8.5的Tris/HCl缓冲溶液中。

本发明还包括上述制备方法制备得到的聚醚醚酮材料在制备口腔种植修复体穿龈结构中的应用。进一步的，本发明所述聚醚醚酮材料具有抵抗具核梭杆菌的能力。

相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：

1.本发明通过钛离子注入技术，在聚醚醚酮材料的表面得到了三维立体沟壑状结构，但是并未带来化学物质残存的隐患；另一方面，钛离子会在材料表面形成纳米钛粒子，能够显著增强材料表面的亲水性能，可以为后续的涂层复合提供基础。

2.聚醚醚酮是一种生物惰性材料，直接在其表面引入生物活性分子进行改性处理显得尤为困难，将生物活性分子通过共价偶联到生物材料表面是一种可行且简便的方法。本发明引入了多巴胺这种仿生生物物质，可以和不同材质的物质表面发生强大的粘附作用，从而可以实现改性修饰或粘附在不同材料表面，并且由于其表面大量的官能团可以为其他生物材料或者有机物的枝接提供良好的平台。因此本发明将多巴胺作为粘接层用于将氧化石墨烯这种抗菌材料枝接于聚醚醚酮的表面，涂层牢固且稳定。

3. 氧化石墨烯的抗菌性能并没有因为其存在状态由悬浮转为固定状态而发生明显的变化，并且由于材料表面亲水性能的提高，表面粘附的细菌数量也出现了一定数量的减少。

4.本发明工艺简单、效率高、重复性好，可以改善目前聚醚醚酮材料口腔种植体植入物应用于临床的缺点。

附图说明

图1为本发明聚醚醚酮材料制备的流程示意图。

图2为聚醚醚酮材料的宏观图，其中左图为PEEK，中图为PEEK-Ti，右图为PEEK-TDG。

图3为聚醚醚酮材料的电镜微观图，其中左图为PEEK，中图为PEEK-Ti，右图为PEEK-TDG。

图4为具核梭杆菌铺板实验结果，其中左图为PEEK的具核梭杆菌的细菌铺板，右图为PEEK-TDG的具核梭杆菌的细菌铺板。

图5为抗菌电镜图，其中左图为PEEK的具核梭杆菌电镜图，右图为PEEK-TDG的具核梭杆菌电镜图。

具体实施方式

作为一种实施方式，将聚醚醚酮（PEEK）医用材料片（10mm×10mm×1mm）清洁后吹干，密封在高温高压条件下消毒，置于室温下干燥保存，得到PEEK标准试件。利用PⅢ等离子注入机将PEEK标准试件置于5KV-10KV电压条件下，Ti离子以2×10¹⁷-4×10¹⁷离子/cm²注入100-150分钟；优选的为将PEEK标准试件置于7KV-9KV电压条件下，Ti离子以2.5×10¹⁷-3.5×10¹⁷离子/cm²注入110-140分钟。经钛离子注入后，表面性呈现多孔的沟壑状结构，为下一步的枝接与活化提供了较高的比表面积，使得表面更多的参与了后续的活化。

（2）将获得的PEEK-Ti材料浸入多巴胺溶液中，使其表面及孔隙内部表面被多巴胺覆盖，获得多巴胺包覆的聚醚醚酮表面PEEK-T-D。

作为一种实施方式，将PEEK-Ti材料置于2-3mg/ml的多巴胺溶液中避光下浸泡24-48小时。取出后使用超纯水超声振荡清洗，优选清洗次数为2-3次。产品放在真空干燥箱中干燥，优选干燥温度为55-65℃。密封后在高温高压条件下消毒，置于室温下干燥保存，得到多巴胺包覆的聚醚醚酮表面PEEK-T-D。多巴胺溶液的配制方法优选的为盐酸多巴胺溶解在10mM pH=8.5的Tris/HCl缓冲溶液中。

多巴胺（Dopamine，DA）在碱性环境下能够自聚合形成聚多巴胺（Polydopamine，PDA）这种物质。聚多巴胺表面含有大量的邻苯二酚和含氨基团，使其获得极强的粘附性，能够沉积在各种有机或者无机材料的表面形成牢固的PDA涂层，同时由于其含有大量的含氨基团和邻苯二酚等，所以可以和很多化学物质通过离子键或者化学键形成牢固的结合。本发明中粘接层PDA直接与PEEK等离子注入后的材料进行结合，同时由于其表面大量的官能团可以为氧化石墨烯（GO）的枝接提供良好的平台。利用聚多巴胺将表面含有大量官能团的氧化石墨烯枝接于聚多巴胺膜表面可能存在不同的结合形式，包括聚多巴胺膜中的带正电的氨基官能团和氧化石墨烯中带负电荷的羧基官能团产生静电吸引作用，另外有共价键和非共价键的结合，如GO中的-COOH与PDA中氨基基团可以形成共价键结合，以及π-π键的堆积等多种机制共同作用的结果。π-π键的堆积是芳香化合物的一种特殊空间排布，指发生在芳香环之间的相互作用，常常存在于相对富电子和缺电子的两个分子之间，是一种与氢键同样重要的非共价键。

作为一种实施方式，将上述PEEK-T-D试件浸泡在0.5-1mg/ml的GO分散液中24-48小时。取出样品，在真空烤箱中烘干，优选烘干温度为55-65℃，得到表面枝接多巴胺与氧化石墨烯复合涂层的PEEK-TDG试件。密封后在高温高压条件下消毒，置于室温下干燥保存。作为一种实施方式，氧化石墨烯溶液在使用前预先进行超声震荡，得到氧化石墨烯分散液。

以往研究显示，氧化石墨烯悬浊液中的氧化石墨烯纳米片对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌显示出完美的抗菌性能，甚至对真菌也表现出一定的抗菌效能。GO的破坏形式为使F.n细菌的细胞壁出现了破坏与缺损，细菌出现了明显的瓦解现象，此现象可以用边缘切割和机械损伤机制进行解释，此种现象符合GO片层作为纳米刀插入细胞的模型进行破坏细菌细胞膜的理论。认为GO的锋利边缘对于细菌来说会造成胞膜的破坏及损伤，破坏细胞及细菌结构的完整性。氧化石墨烯接枝于聚醚醚酮材料的表面，其抗菌性能并没有因为其存在状态由悬浮转为固定状态而发生明显的变化，并且由于材料表面亲水性能的提高，表面粘附的细菌数量也出现了一定数量的减少，从而表现出一定的抗菌性能。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的介绍，本发明的技术方案包括但不限于以下实施例。

实施例1

将聚醚醚酮PEEK熔体通过利用3D打印机打印成口腔种植体穿龈结构部分所需形态，可以根据患者的种植体及牙龈形态设计针对于患者的个性化种植体基台穿龈部分，打印完成后置于等离子体处理仪中，调整参数，利用PⅢ等离子注入机将标准试件置于6KV电压条件下，Ti离子以2.5×10¹⁷离子/cm²浓度注入120分钟，得到PEEK-Ti。

与此同时进行多巴胺溶液的配制：将0.2422g Tris溶解于200ml 超纯水中，利用稀盐酸调节此溶液的pH至8.5，得到了10mM pH=8.5的Tris/HCl的缓冲液。之后将20mg盐酸多巴胺溶解在10ml Tris/HCl溶液中，制备成浓度为2mg/ml的多巴胺溶液。将PEEK-Ti标准件置于2mg/ml的多巴胺溶液中避光下浸泡24小时。此期间，多巴胺开始进行缓慢的自聚合反应而形成聚多巴胺，聚多巴胺沉积在聚醚醚酮表面形成聚多巴胺涂层。取出后使用超纯水超声振荡清洗3次。产品放在60℃真空干燥箱中干燥。密封后在高温高压条件下消毒，置于室温下干燥保存，得到多巴胺包覆的聚醚醚酮表面PEEK-T-D。

将GO分散液制备成0.5mg/ml浓度，使用前预先进行超声震荡2小时。之后，将上述表面被多巴胺包覆的聚醚醚酮试件PEEK-T-D浸泡在此GO分散液中24小时。取出样品，在真空烤箱中60℃烘干，得到表面枝接多巴胺与氧化石墨烯复合涂层的聚醚醚酮试件PEEK-TDG。密封后在高温高压条件下消毒，置于室温下干燥保存。

实施例2

将聚醚醚酮PEEK熔体通过利用3D打印机打印成口腔种植体穿龈结构部分所需形态，可以根据患者的种植体及牙龈形态设计针对于患者的个性化种植体基台穿龈部分，打印完成后置于等离子体处理仪中，调整参数，利用PⅢ等离子注入机将标准试件置于7KV电压条件下，Ti离子以3×10¹⁷离子/cm²浓度注入140分钟，得到PEEK-Ti。

与此同时进行多巴胺溶液的配制：将0.2422g Tris溶解于200ml 超纯水中，利用稀盐酸调节此溶液的pH至8.5，得到了10mM pH=8.5的Tris/HCl的缓冲液。之后将25mg盐酸多巴胺溶解在10ml Tris/HCl溶液中，制备成浓度为2.5mg/ml的多巴胺溶液。将PEEK-Ti标准件置于2.5mg/ml的多巴胺溶液中避光下浸泡36小时。此期间，多巴胺开始进行缓慢的自聚合反应而形成聚多巴胺，聚多巴胺沉积在聚醚醚酮表面形成聚多巴胺涂层。取出后使用超纯水超声振荡清洗3次。产品放在60℃真空干燥箱中干燥。密封后在高温高压条件下消毒，置于室温下干燥保存，得到多巴胺包覆的聚醚醚酮表面PEEK-T-D。

将GO分散液制备成0.8mg/ml浓度，使用前预先进行超声震荡2小时。之后，将上述表面被多巴胺包覆的聚醚醚酮试件PEEK-T-D浸泡在此GO分散液中36小时。取出样品，在真空烤箱中60℃烘干，得到表面枝接多巴胺与氧化石墨烯复合涂层的聚醚醚酮试件PEEK-TDG。密封后在高温高压条件下消毒，置于室温下干燥保存。

实施例3

将聚醚醚酮PEEK熔体通过利用3D打印机打印成口腔种植体穿龈结构部分所需形态，可以根据患者的种植体及牙龈形态设计针对于患者的个性化种植体基台穿龈部分，打印完成后置于等离子体处理仪中，调整参数，利用PⅢ等离子注入机将标准试件置于10KV电压条件下，Ti离子以4×10¹⁷离子/cm²浓度注入100分钟，得到PEEK-Ti。

与此同时进行多巴胺溶液的配制：将0.2422g Tris溶解于200ml 超纯水中，利用稀盐酸调节此溶液的pH至8.5，得到了10mM pH=8.5的Tris/HCl的缓冲液。之后将30mg盐酸多巴胺溶解在10ml Tris/HCl溶液中，制备成浓度为3mg/ml的多巴胺溶液。将PEEK-Ti标准件置于3mg/ml的多巴胺溶液中避光下浸泡48小时。此期间，多巴胺开始进行缓慢的自聚合反应而形成聚多巴胺，聚多巴胺沉积在聚醚醚酮表面形成聚多巴胺涂层。取出后使用超纯水超声振荡清洗3次。产品放在60℃真空干燥箱中干燥。密封后在高温高压条件下消毒，置于室温下干燥保存，得到多巴胺包覆的聚醚醚酮表面PEEK-T-D。

将GO分散液制备成1mg/ml浓度，使用前预先进行超声震荡2小时。之后，将上述表面被多巴胺包覆的聚醚醚酮试件PEEK-T-D浸泡在此GO分散液中48小时。取出样品，在真空烤箱中60℃烘干，得到表面枝接多巴胺与氧化石墨烯复合涂层的聚醚醚酮试件PEEK-TDG。密封后在高温高压条件下消毒，置于室温下干燥保存。

实施例4

本实施例采用细菌平板计数实验评估材料的抗菌性能。

具体操作如下：PEEK-TDG试件与PEEK试件置于24孔板中，涂层面朝上，向各孔分别加入500μL使用PBS缓冲液进行稀释的具核梭杆菌（Fusobacterium nucleatum）细菌悬液，F.n细菌稀释的浓度均为1×10⁷CFU/ml。在37℃完全厌氧环境下培养24小时。取出试件，用PBS缓冲液轻柔漂洗试件后，置于装有1ml PBS缓冲液的离心管中旋涡振荡器振荡1分钟，使黏附于试件上的细菌分散于PBS溶液中。分别取100μL该溶液，将 F.n细菌均匀涂布于TSA固体培养基上，在37℃完全厌氧环境下培养7天后，取出培养基，拍照并进行菌落计数。

细菌的抗菌率通过以下公式进行计算：

抗菌率=（对照组CFU-实验组CFU）/对照组CFU×100%。

实验结果如图4所示，未改性的PEEK不具有抗菌能力，PEEK-TDG的抗菌能力达到75%，说明枝接氧化石墨烯后PEEK-TDG材料对于口腔常见导致牙周病的细菌具核梭杆菌具有优秀的抗菌能力。

实施例5

本实施例采用电子显微镜观察评估材料的抗菌性能。

PEEK-TDG试件与PEEK试件置于24孔板中，涂层面朝上，向各孔分别加入500μL使用PBS缓冲液进行稀释的细菌悬液，F.n细菌稀释的浓度均为1×10⁷CFU/ml。在37℃完全厌氧环境下培养24小时。培养24小时取出的试件用PBS缓冲液轻柔漂洗三次，使用2.5%戊二醛于4℃固定12小时，用10%，30%，50%，70%梯度乙醇浓度分别进行15min浸泡，然后在85%，90%，100%乙醇中浸泡2遍，每遍15min进行梯度脱水。接着将样品进行3.5h的临界点干燥处理（Tc=18℃，Pc=1.0 bar），样本喷金30秒，粘贴于样本台，待其干燥后使用场发射扫描电子显微镜（FESEM）观察细菌微观形态特点，拍照并存留照片。

如图5所示，未改性的PEEK不具有抗菌能力，材料表面粘附有很多具核梭杆菌，而PEEK-TDG材料的表面具核梭杆菌的数量大量减少，表现出一定的抗菌性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种具有抗菌作用的聚醚醚酮材料，其特征在于，所述聚醚醚酮材料的表面含有Ti等离子注入形成的多孔沟壑状结构，所述聚醚醚酮材料表面包覆有多巴胺并接枝氧化石墨烯。

2.权利要求1所述聚醚醚酮材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（3）将上述PEEK-T-D材料浸入氧化石墨烯溶液中获得表面枝接有氧化石墨烯的复合涂层，即获得多巴胺和氧化石墨烯组成的复合涂层聚醚醚酮材料PEEK-TDG。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述Ti等离子注入利用等离子注入机将聚醚醚酮材料标准试件置于5KV-10KV电压条件下，Ti离子以2×10¹⁷-4×10¹⁷离子/cm²注入100-150分钟。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述多巴胺溶液的浓度为2-3mg/ml，所述聚醚醚酮在多巴胺溶液中避光下浸泡24-48小时。

5.根据权利要求2或4所述的制备方法，其特征在于，所述PEEK-T-D材料从多巴胺溶液中取出后，使用超纯水超声振荡清洗，干燥后消毒。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯溶液的浓度为0.5-1mg/ml，所述PEEK-T-D材料浸入氧化石墨烯溶液中24-48小时。

7.根据权利要求2或6所述的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯溶液在使用前预先进行超声震荡。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述多巴胺溶液的配制方法为将盐酸多巴胺溶解在 pH=8.5的Tris/HCl缓冲溶液中。

9.权利要求2~8任意一项所述制备方法制备得到的聚醚醚酮材料在制备口腔种植修复体穿龈结构中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述聚醚醚酮材料具有抵抗具核梭杆菌的能力。