关于改善聚醚醚酮(PEEK)抗菌性、亲水性及细胞粘附性的表面改性研究

来源 :西南交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tanya1005
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聚醚醚酮(PEEK)的无毒性、无致敏性、耐磨性、易于加工成型以及具有与骨骼相似的机械性能等特性使得PEEK成为生物医学领域中极具吸引力的植入材料,故于20世纪90年代末,被美国食品和药物管理局正式批准为植入式生物材料。然而,原始PEEK亲水性较差且属于生物惰性材料,不利于细胞黏附,故骨整合性能不理想。且对于植入材料而言,良好的抗菌性也是不可或缺的。因此,如何通过简单高效的方法改善PEEK的抗菌性、亲水性及细胞粘附性以作为植入材料一直是改性PEEK领域的研究热点。采用湿化学法对PEEK进行改性可以有效改善其亲水性及细胞相容性,本研究将采用湿化学法对粉末及片材PEEK进行表面改性并探索其生物相容性的变化。本研究主要内容及结果如下:(1)针对PEEK粉末,首先采用浓硫酸磺化处理,在此基础上与氯化亚砜反应得到芳香磺酰氯,进而与带有氨基的乙二胺、精胺及GRGD反应,分别获得氨基化PEEK(SPEEK36-EDA、SPEEK36-Sp、SPEEK36-GRGD),采用傅里叶红外光谱(FTIR)、XPS、WCA进行了表征,结果表明,SPEEK36-EDA、SPEEK36-Sp以及SPEEK36-GRGD均已被成功氨基化且润湿性良好。(2)在粉末PEEK改性前后的体外生物相容性研究中,采用MTT法、荧光显微镜及SEM考察了人脐静脉血管内皮细胞(HUVEC)在空白组、原始PEEK及实验组SPEEK36-EDA、SPEEK36-Sp上培养1天、3天后的细胞增殖及黏附情况。结果表明,改性后的SPEEK36-EDA具有良好的细胞相容性,无细胞毒性、有利于细胞的增殖、黏附。相比之下,SPEEK36-Sp细胞相容性较差。(3)系列、定量地考察了不同体积比的硝酸与浓硫酸所形成的混合酸对PEEK片材表面形貌的影响。基于体积比1:1时表面所形成的类似于蜂窝正六边形的微米级坑状-纳米级孔的多级特殊结构,选取该比例下所获得的孔隙化PEEK(SNPEEK(1/1))与乙二胺之间的化学接枝实现氨基化,制备了表面结构与化学状态双重改性的PEEK(SNPEEK(1/1)-NH2)。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)及水接触角(WCA)对PEEK改性前后进行了结构表征及性能研究。结果表明,SNPEEK(1/1)具有微米级坑状-纳米级孔的多级结构,含有硝基及少量S,润湿性未发生较大改善;SNPEEK(1/1)-NH2同样具有微米级坑状-纳米级孔的多级结构、具有硝基且已被成功氨基化,润湿性良好且几乎不含S。(4)对改性前后的片材PEEK进行了抗菌性及体外、体内生物相容性研究。抗菌实验结果表明,与原始PEEK相比,SNPEEK(1/1)-NH2具有良好的抗菌性,这归属于硝基的贡献;体外生物相容性研究中,采用MTT法及SEM考察了细胞增殖及黏附性。结果表明,改性后的SNPEEK(1/1)及SNPEEK(1/1)-NH2均无细胞毒性且有利于细胞黏附,具有良好的细胞相容性;在体内生物相容性研究中,构建了新西兰大白兔动物模型,将原始PEEK、SNPEEK(1/1)及SNPEEK(1/1)-NH2植入右后肢股骨,为期1个月。通过术后大体观察、推出试验以及硬组织切片分析考察了各组种植体的骨整合性能。研究结果表明,原始PEEK种植体植入部位伤口愈合较差,然而改性后的SNPEEK(1/1)及SNPEEK(1/1)-NH2种植体与周围骨组织结合良好,伤口无红肿发炎、种植体稳固无松动。推出试验中,以未植入种植体的新西兰大白兔右后肢股骨为自然骨,采用两种方式测量其骨结合力以评估改性PEEK与周围骨组织的结合效果,自然骨得到数据分别为51.15N、246.69N,而SNPEEK(1:1)最大推出力达到177.17N,SNPEEK(1:1)-NH2最大推出力达到了322.45N。硬组织切片结果分析表明,各组种植体植入部位均无炎症反应,与原始PEEK相比,SNPEEK(1/1)有利于促进骨缺损的修复,而SNPEEK(1/1)-NH2组缺损区已被新生组织填满,且新生骨组织与周围宿主骨紧密结合且无明显差异,表明孔隙化的基础上所进行的氨基化改性极大地促进了骨缺损的修复。
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