Vol．34高等学校化学学报No．72013年7月CHEMICALJOUＲNALOFCHINESEUNIVEＲSITIES1782～1787

doi：10．7503/cjcu20130048

聚醚醚酮复合材料表面生物活性

涂层的制备与性能

闫鹏涛，李文科，王永鹏，朱晔，张海博，姜振华

（吉林大学化学学院，长春130012）

摘要以聚醚醚酮/钡玻璃粉（PEEK-BGF）复合材料为基体，通过硅烷偶联剂，在复合材料表面构建具有生

物活性的纳米羟基磷灰石（nHA）和甲基丙烯酸酯基的光固化树脂复合涂层．采用扫描电子显微镜（SEM）和

X射线光电子能谱（XPS）分析了材料表面形貌和元素分布，测试了涂层与复合材料之间的粘接强度．通过检

测大鼠成骨细胞总蛋白含量和碱性磷酸酶表达水平，评价新型光固化纳米羟基磷灰石/聚甲基丙烯酸酯

（nHA/PMMA）复合涂层的生物活性．研究结果表明，nHA填充的光固化复合材料形成粗糙的表面，随着

nHA的填充量提高，涂层表面生物学活性得到提高．

关键词聚醚醚酮；复合材料；生物活性；光固化涂层；纳米羟基磷灰石

中图分类号O631文献标志码A

收稿日期：2013-01-14．

基金项目：吉林省科技发展规划项目（批准号：20106020）资助．

联系人简介：张海博，男，博士，副教授，主要从事燃料电池质子交换膜材料的制备研究．E-mail：zhanghaib@jlu．edu．cn聚醚醚酮（PEEK）具有良好的力学性能、化学稳定性和生物相容性，可耐受蒸气和辐照消毒，因此

PEEK制成的椎间融合器材料获得广泛的临床应用［1～4］．经过无机填料如玻璃粉、玻璃纤维和碳纤维

等的充填后PEEK的力学性能显著提高，可以和人体骨骼相匹配．PEEK作为生物惰性材料，难以和人

体骨骼形成骨融合，限制了其作为骨修复材料的应用．羟基磷灰石（HA）具有骨传导作用，在植入人体

后短时间内与软组织形成紧密结合，广泛用于修复骨缺损和填充整形等方面．人的骨骼由胶原蛋白和

纳米羟基磷灰石（nHA）等组成，使用nHA制备骨骼修复材料相比于微米级HA更有助于成骨细胞的黏

附、增殖及功能发挥，因此利用nHA制备骨骼修复材料受到关注［5～7］．高含量的nHA在PEEK中容易

发生团聚，导致材料的力学性能迅速下降．使用等离子体表面处理和等离子喷涂技术在聚醚醚酮表面

实现了羟基磷灰石涂层的制备［8，9］．但这些涂层的制备仪器复杂，制备工艺繁琐，而且所制备的生物涂

层成分与人体骨骼有较大差距，另外，所制备的涂层无法与PEEK形成较强的结合［10～16］．

UV光照、可见光光照和电子束照射等聚合技术已经被广泛应用于生物涂层的制备［17，18］．Kyomoto

等［19］和Sun等［20］利用UV光照，在纯PEEK表面分别接枝了2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱和丙烯酰

胺．可见光固化技术不需要大型仪器，便于临床操作，是一种在口腔及骨修复等领域获得广泛应用的

技术．甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）具有优良的生物相容性和柔软性，在临床上作为角膜接触镜、软组

织替代物和药物控释体系的医用材料，但是其力学强度较差，固化速度较慢．双酚A甲基丙烯酸缩水

甘油酯（Bis-GMA）是一种具有良好力学性能且能够迅速光照固化的甲基丙烯酸酯单体，广泛应用于口

腔和骨科修复材料中，可以弥补HEMA的缺点［21～30］．本文以这2种单体为主要材料制备了光固化树

脂，然后与生物活性的nHA复合，通过硅烷偶联剂，将复合nHA的光固化树脂固化在PEEK-BGF复合

材料表面，考察了该涂层与基体之间的粘接强度及材料表面的生物活性．

1实验部分

1．1试剂与仪器

聚醚醚酮，长春吉大特塑工程研究有限公司，熔融指数26g/10min；钡玻璃粉（BGF），韩国Sukgyung公司，粒径1μm；纳米羟基磷灰石（nHA），南京埃普瑞纳米材料有限公司，平均粒径20nm；

光固化树脂液，吉林省登泰克牙科材料有限公司，主要成分为甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）和双酚A甲

基丙烯酸缩水甘油酯（Bis-GMA）等；偶联剂KH570，日本信越有机硅国际贸易（上海）有限公司；磷酸

盐缓冲溶液（PBS），自制（0.1mol/L，pH=7.4）；其它化学试剂均为分析纯，北京化学试剂公司；

DMEM培养基、IMDM培养基和胎牛血清（FBS），美国GIB-CO公司；大鼠成骨细胞，天津卫凯生物工

程有限公司；BCA蛋白质检测试剂盒，美国HyClone-PIEＲCE公司；碱性磷酸酶（ALP）检测试剂盒，南

京建成生物工程研究所；TritonX-100，美国Genview公司；24孔细胞培养板，美国Costar公司；ML-Ⅲ

发光二极管（LED）固化灯，河南Mident工业有限公司；SSX-550型扫描电子显微镜，日本Shimadzu公

司；ESCALABMKⅡ型射线光电子能谱，英国VG公司；MK3酶联免疫检测仪，美国Thermo公司；

HZQ2X100恒温培养箱，哈尔滨东联电子技术开发有限公司；3K30冷冻离心机，德国Sigma公司．

1．2nHA/PMMA光固化复合树脂的制备

在遮蔽蓝紫光的条件下，将制备好的光固化树脂液与nHA在研钵中充分混合，制成nHA质量分

数分别为10%，30%和50%的复合树脂，分别记为nHA-10%，nHA-30%和nHA-50%，无nHA填充的

光固化树脂液记为nHA-0%．

1．3nHA/PMMA复合材料涂层的制备

PEEK/钡玻璃粉（PEEK-BGF40）复合材料由PEEK和钡玻璃粉按质量比60∶40的比例，通过双螺

杆挤出和模压制得，将样品裁剪成直径15mm的圆形，经600#SiC防水砂纸打磨后，用蒸馏水超声清

洗10min，作为对照样品（Control）．使用硅烷偶联剂、水和醋酸配置成硅烷偶联液，涂覆在PEEK-

BGF40复合物材料表面，于80℃真空干燥12h．然后将4组nHA光固化材料分别涂覆在经过硅烷处

理后的材料表面，使用发光二级管（LED）光固化灯光照30s，固化．分别以乙醇和水为抽提剂将材料

于索氏抽提器中抽提24h，除掉未反应的单体，高温高压灭菌（120℃，30min），备用．

1．4材料表征

将复合材料和各种表面处理后的样品用导电胶粘于金属载物台上并喷金处理，用扫描电子显微镜

（SEM）观察材料表面形貌．使用ESCALAB250X型表面光电子能谱测试样品的表面元素含量，射线源

为MgKα（hν=1486.6eV），内腔压力为8×10－8Pa．

1．5光固化涂层的粘接强度测试

将内径3.7mm，长度4mm的树脂管置于硅烷处理过的PEEK/BGF复合材料表面，并添加光固化

材料，然后在树脂管的左右两侧分别使用LED光固化灯光照固化20s，于（37±2）℃，水浴24h，然

后使用万能试验机进行剪切测试，剪切速度0.7mm/min．

1．6光固化涂层的生物性能测试

将材料分别放置于24孔培养板中，每组材料24个样品．将传代至第3代的成骨细胞接种到材料

表面（接种密度1.5×104/mL），静置3min，缓慢从材料边缘加入含质量分数10%胎牛血清的DMEM

培养液1mL，密闭后置于37℃，5%CO2及饱和湿度孵箱中，隔日换液1次，分别培养7～28d．

1．6．1细胞裂解液的制备将接种后7，14，21，28d样品的孔内上清液吸出，使用PBS清洗3次，

使用2.5g/L胰酶消化细胞后吸出，用转速1000r/min离心5min，弃去上层清液，加入200μL的

0.1%TritonX-100重悬，用吸管反复吹打1min，再轻轻吹打混匀，在4℃冰箱内放置过夜，直到显微

镜观察细胞结构完全消失，得到不同组分的细胞裂解液．

1．6．2细胞内总蛋白含量的测定在每个样品管中加入100μL上述细胞裂解液，与BCA蛋白质检测

试剂盒中反应液按比例混合，在37℃恒温下反应30min．用酶联免疫检测仪在570nm波长处测定溶

液的光吸收值．以蒸馏水为空白对照，以牛血清白蛋白为标准品绘制标准曲线，依据标准曲线计算各

组的细胞内总蛋白含量（μg/mL）．

1．6．3碱性磷酸酶活性的测定在每个样品管中加入50μL上述细胞裂解液，与ALP检测试剂盒中

的100μL反应液混合后，于37℃恒温下反应30min，加入0.25mol/LNaOH终止反应．使用免疫酶

联仪检测碱性磷酸酶活性，波长为410nm．以反应产物的光吸收值（OD）表示．空白对照为底物加细3871No．7闫鹏涛等:聚醚醚酮复合材料表面生物活性涂层的制备与性能胞裂解产物．

1．7数据分析

所有测试数据以平均值±标准差（x±s）表示，采用单因素方差分析，应用SPSS16.0软件进行统计

学分析，以P＜0.05表示有统计学差异．

2结果与讨论

2．1材料和光固化涂层的表面元素分析

根据XPS测试中的发射峰面积可以计算出材料表面的化学组成（表1），PEEK-BGF40表面有C，

O，Si和Ba4种元素；经过硅烷处理后，Ba元素消失，Si元素含量大幅度提高，说明材料表面已被硅

烷覆盖；经过光固化涂层的涂覆和光照固化，材料表面的Si元素消失，说明光固化涂层已经将表面材

料表面完全覆盖，同时随着nHA的含量提高，材料表面的O，P和Ca含量随之提高，说明nHA暴露在

材料表面的含量提高．

Table1SurfacechemicalcompositionofthePEEK-BGF40andmodalitiesafterdifferentsurfacecoating

SampleElementalcontent（%）OCSiBaPCaPEEK-BGF4017.8578.763.290.10SilicacoatedPEEK-BGF4030.2457.6012.16nHA-0%28.9871.02nHA-10%29.6869.420.370.53nHA-30%33.5859.672.853.90nHA-50%41.9333.6310.0614.38

2．2光固化涂层的表面形貌

Fig．1SEMimagesofPEEK-BGF40andmodalitiesafterdifferentsurfacecoating

（A）PEEK-BGF40；（B）silicacoated；（C）nHA-0%coated；（D）nHA-10%coated；（E）nHA-30%coated；（F）nHA-50%coated．图1是PEEK-BGF40和不同涂层修饰后表面扫描电镜照片．经过600#砂纸打磨后，PEEK-BGF40

形成了粗糙表面，钡玻璃粉颗粒暴露在材料表面［图1（A）］；经过偶联剂涂覆后，复合材料表面变得

模糊［图1（B）］；经过nHA-0%光固化涂层涂覆后，材料表面出现平整的涂层［图1（C）］；经过nHA-

10%，nHA-30%和nHA-50%光固化涂层涂覆后，可以观察到粗糙的表面［图1（D）～（F）］．nHA的加

入导致聚醚醚酮表面复合光固化树脂液的流平性能变差，因此在聚醚醚酮表面形成了具有很多树脂突

起的粗糙表面．而纯树脂（nHA-0%）的流平性很好，因此在聚醚醚酮表面形成了较为平整的光固化涂

层［图1（C）］．4871高等学校化学学报Vol．34