研究背景聚醚醚酮(PEEK)作为一种半结晶热塑性工程塑料,由于其优异的机械性能、热学性能、良好的化学稳定性以及优良的生物相容性,受到研究者的广泛关注。作为目前炙手可热的生物医用高分子材料,PEEK被认为能替代传统钛合金成为新兴的医用植入体材料。但是,在力学强度方面,PEEK仍不能很好地满足人体骨骼的需求,因此,本研究中使用碳纤维(CF)作为纤维填料对其进行增强,以得到满足人体植入体材料力学强度的新型复合材料。另外,作为植入体材料,其弹性模量与人体骨骼弹性模量是否匹配直接关系到植入手术的成功与否。因此,本课题通过改变碳纤维的含量和长度,探究了这两个因素对PEEK复合材料的力学强度和弹性模量的影响规律。本课题通过对所制备的复合材料进行表面磺化处理和利用氧化石墨烯(GO)对复合材料进行处理,以改变碳纤维/聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料的表面形貌,同时,为碳纤维/聚醚醚酮复合材料引入新的生物活性官能团,从而提高碳纤维/聚醚醚酮复合材料的表面生物活性,为接下来的进一步研究提供理论依据。研究目的1、制备CF/PEEK复合材料,通过力学实验和断口形貌表征碳纤维含量和尺寸对复合材料力学性能的影响,并通过体外细胞毒性,细胞黏附和增殖实验探究不同碳纤维含量和长度对复合材料生物相容性和生物安全性的影响。2、复合材料表面进行磺化处理后通过扫描电子显微镜(SEM)观察其表面形貌变化,并通过体外细胞毒性,细胞黏附和增殖实验探究表面磺化处理对CF/PEEK复合材料生物活性的影响。3、将氧化石墨烯覆盖在复合材料表面,通过扫描电子显微镜表征其表面形貌,并通过细胞毒性,细胞黏附,增殖实验和体内植入实验探究GO表面修饰对复合材料生物活性的影响。研究方法1、通过将不同含量及尺寸的CF和PEEK在380℃下按国家标准注塑成型制备CF/PEEK复合材料的标准试件,按照力学实验标准采用万能力学实验机测试复合材料的拉伸和弯曲强度及模量,压缩强度;采用JJ-20自由支撑梁式冲击试验机测试冲击强度;采用微小显微硬度计FM-700e测试硬度值;采用扫描电子显微镜(SEM)观察弯曲样品断口形貌。2、通过浸泡浓硫酸5min对复合材料表面进行磺化处理得到磺化碳纤维/聚醚醚酮(S-CF/PEEK)样品;再通过浸渍法将磺化后的样品泡在氧化石墨烯溶液中在其表面覆盖上层片状石墨烯,得到氧化石墨烯-磺化碳纤维/聚醚醚酮(GO-S-CF/PEEK)样品,通过扫描电子显微镜(SEM)观察磺化样品S-CF/PEEK和GO-S-CF/PEEK样品的表面形貌。3、体外细胞实验:采用CCK-8法对各组材料进行体外细胞毒性测试,使用不同材料浸提液培养小鼠成纤维细胞L-929,于第1、4、7天观察细胞形态变化,通过用酶标仪在450nm下测量OD值,计算相对增长率(RGR),评价各组材料是否有毒性;将SD大鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)接种于材料表面进行细胞黏附实验,48h后固定、透化,用TRITC Phalloidin罗丹明标记鬼笔环肽工作液和DAPI染液进行免疫荧光染色,于激光共聚焦显微镜下观察;将SD大鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)接种于材料表面,1、4、7天后使用酶标仪在450nm下测量吸光度值,评价细胞增殖能力。4、体内植入实验:选用SD大鼠,建立大鼠颅骨缺损模型,将复合材料植入小鼠颅骨,于术后4周处死,处死后拍摄Micro-CT,观察不同时间点观察各组骨缺损区的骨结合情况;标本行脱钙处理,HE染色后光学显微镜下观察成骨情况。研究结果1、通过注塑成型制备了不同含量碳纤维(质量分数为0%、25%、30%、35%、40%)的碳纤维/聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料,且碳纤维的加入能有效提高材料的拉伸强度、弯曲强度、压缩强度和硬度,但是会在一定程度上降低冲击强度。碳纤维的加入使得PEEK的弹性模量提高到适合人体皮质骨的范围内。同时,碳纤维的加入不会导致细胞毒性的明显增大,其中含有25%碳纤维的聚醚醚酮复合材料(缩写为:25CF)具有最低的细胞毒性。2、长碳纤维/聚醚醚酮复合材料(缩写为:L-25CF)比短碳纤维/聚醚醚酮复合材料(缩写为:25CF)具有更高的拉伸强度、弯曲强度和压缩强度,能有效增强材料的力学强度的同时,也提高了材料的弹性模量。且25CF和L-25CF都无明显溶血现象,无明显急性全身毒性,有较好的生物相容性。3、磺化处理后的PEEK和CF/PEEK均呈现多孔结构,且碳纤维的加入会增大磺化后PEEK表面的孔径。这种孔状结构有利于细胞的黏附和增殖。细胞毒性测试显示磺化处理的复合材料经充分清洗后细胞毒性等级为1级,无明显细胞毒性。4、GO处理后的材料在多孔的磺化层外覆盖了GO层状结构,磺化层不再裸露在外。同时,GO层表面携带的大量亲水基团也随GO层成功引入到CF/PEEK中,这有利于细胞的黏附,BMSCs细胞在GO-S-25CF表面的铺展面积大,细胞骨架明显,细胞铺展形态舒展,细胞核清晰可见。且GO处理后的材料细胞毒性等级为1级,无明显细胞毒性,可用做医用植入体材料。研究结论1、成功制备了不同含量碳纤维的CF/PEEK复合材料,碳纤维的加入在有效提高材料的力学强度的同时不会导致细胞毒性的明显增大。2、长碳纤维能有效增强材料的力学强度,同时也提高了材料的弹性模量。长短碳纤维/聚醚醚酮复合材料均有较好的生物相容性。3、硫酸对CF/PEEK复合材料进行磺化处理后会在材料表面形成多孔结构,且碳纤维的加入会增大磺化后PEEK表面的孔径。这种孔状结构有利于细胞的黏附和增殖,无明显细胞毒性。4、GO处理会在复合材料的多孔磺化层外覆盖了GO层状结构。同时,GO层有利于细胞的黏附,无明显细胞毒性,可用做医用植入体材料。5、体内植入实验结果说明,磺化处理和GO处理均有利于提高材料的骨结合力。磺化处理后使用GO修饰的复合材料与周围骨组织有较好的界面结合,能有效促进成骨细胞的生长。