一种对聚醚醚酮材料进行表面改性的方法

文档序号:9258344阅读:1261来源:国知局
一种对聚醚醚酮材料进行表面改性的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种对聚醚醚酮材料进行表面改性的方法,具体涉及一种通过等离子 体浸没离子注入技术对聚醚醚酮材料进行表面改性的方法。
【背景技术】
[0002] 近年来,随着生物材料制备使用理论和技术的不断完善和发展,高分子植入体材 料的应用前景将更为广阔。医用聚醚醚酮材料(PEEK)的弹性模量与人体骨组织最为匹配, 可有效减少应力遮挡效应造成的骨吸收和骨萎缩,且抗疲劳性突出,适合用于医疗植入装 置长期植入(Biomaterials2007, 28:4845-4869.)。然而,PEEK生物活性较差,植入人体后 不易与人体骨组织键合,同时PEEK无明显抗菌性,植入后易滋生细菌,限制了其作为植入 体材料长期植入。如何提高PEEK骨整合性和抗菌性已经成为研究热点。目前对聚醚醚酮 材料进行表面改性的主要方法是化学接枝法,这种方法改性深度浅,效果较差,且反应时间 长,效率低,不利于大规模生产。
[0003] 因此,如何通过简便易行的方式,对聚醚醚酮材料进行表面改性,提高聚醚醚酮材 料的生物相容性和抗菌性,已经成为研究热点之一。

【发明内容】

[0004] 本发明旨在克服现有对聚醚醚酮材料进行表面改性的方法的缺陷,提高聚醚醚酮 材料的生物相容性和抗菌性,本发明提供一种通过等离子体浸没离子注入技术对聚醚醚酮 材料进行表面改性的方法。
[0005] 本发明提供一种对聚醚醚酮材料进行表面改性的方法,所述方法包括:通过等离 子体浸没离子注入技术,在聚醚醚酮材料的表面进行锌离子注入或者锌/氧二元离子注 入,得到改性后的聚醚醚酮材料。
[0006] 表面结构是决定材料表面生物学性质的重要因素。人体中,骨骼、牙齿、DNA和蛋 白等都含有具备特定功能的微米/纳米结构。有研究表明纳米尺度材料对唤起适当细胞反 应,调节细胞在材料表面的粘附和分化,促进骨再生,改善并延长植入体使用效果和寿命具 有重要作用,所以,纳米生物材料及生物材料表面纳米化已成为生物医用材料领域的研究 热点(Materials Science&Engineering R-Reports, 2010, 70:275-302·)。纳米结构可刺激 (促进)成骨相关细胞粘附、增殖和骨向分化,已在硬组织植入体材料领域被广泛报道。此 外,特殊尺寸的纳米结构对细菌迁移、增殖和细菌生物膜形成也具有抑制作用。因此,构建 微米/纳米结构是基于实际应用中对聚醚醚酮材料表面功能化的选择。
[0007] 然而,单纯依靠结构实现骨整合性和抗菌性的兼具较为困难。研究表明,锌元素是 骨骼组成的重要微量元素,适量的锌补给对于骨稳态的调节具有非常积极的作用,不但能 够加速成骨细胞的成熟和分化,促进新骨的形成和重建,还能够同时抑制破骨细胞坑的形 成,降低破骨细胞的骨吸收活性。此外,锌元素具有广谱抗菌性,不易产生耐药性,并且适量 的锌对维持人体正常免疫功能具有重要的作用,有利于减少炎症反应,促进创伤愈合(Acta biomaterialia, 2012, 8:904-915.)。因此,在聚醚醚酮材料表面构建纳米结构,并同时引入 锌元素有利于实现骨整合性和抗菌性的兼具。
[0008] 较佳地,所述通过等离子体浸没离子注入技术进行锌离子注入的工艺参数包括: 本底真空度为3X KT3~5X KT3Pa,锌注入电压为15~40kV,锌注入脉宽为50~600微 秒,锌注入脉冲频率为5~10Hz,阴极源触发脉宽为500~2000微秒,注入时间为30~180 分钟。
[0009] 本发明的一个优选实施例为,所述等离子体浸没离子注入技术进行锌离子注入的 工艺参数为:锌注入脉宽为200~600微秒,注入时间为60~180分钟。
[0010] 本发明的一个尤其优选实施例为,所述等离子体浸没离子注入技术的工艺参数: 本底真空度为3. 5 X KT3Pa,所述锌注入电压为30kV,所述锌注入脉冲频率为8Hz,所述锌注 入脉宽为450微秒,阴极源触发脉宽为500微秒,所述锌注入时间为180分钟。
[0011] 较佳地,所述聚醚醚酮材料可为纯聚醚醚酮材料,所述改性后的纯聚醚醚酮材料 表面具有纳米颗粒结构。
[0012] 较佳地,所述聚醚醚酮材料可为碳纤维增强聚醚醚酮材料,改性后的碳纤维增强 聚醚醚酮表面具有纳米颗粒结构或纳米多孔结构。
[0013] 较佳地,所述通过等离子体浸没离子注入技术进行锌/氧二元离子注入的工艺参 数包括:锌注入本底真空度为3 X 10_3~5 X 10_3Pa,锌注入电压为15~40kV,锌注入脉宽为 50~600微秒,锌注入脉冲频率为5~10Hz,阴极源触发脉宽为500~2000微秒,锌注入时 间为30~180分钟,氧注入本底真空度为3X 10_3~5X 10_3Pa,氧注入电压为15~40kV, 氧注入脉宽为50~600微秒,氧注入脉冲频率为20~200Hz,氧气流量为5~200sccm (标 准状态毫升每分钟),氧注入时间为30~120分钟。
[0014] 本发明的一个优选实施例为,所述等离子体浸没离子注入技术的工艺参数为:锌 注入脉宽为200~600微秒,锌注入时间为60~180分钟,氧注入脉冲频率为50~150Hz, 氧注入时间为30~60分钟。
[0015] 本发明的一个尤其优选实施例为,所述等离子体浸没离子注入技术的工艺参数: 锌注入本底真空度为3. 5 X KT3Pa,所述锌注入电压为30kV,所述锌注入脉冲频率为8Hz,所 述锌注入脉宽为450微秒,阴极源触发脉宽为500微秒,所述锌注入时间为180分钟,氧注 入本底真空度为3. 5 X 10_3Pa,所述氧注入电压为15kV,所述氧注入脉冲频率为50Hz,所述 氧注入脉宽为200微秒,氧气流量为120sccm,所述氧注入时间为60分钟。
[0016] 较佳地,所述注入锌/氧二元离子的顺序可为先锌后氧、先氧后锌或锌氧共注,其 中,优选先锌后氧的注入顺序。
[0017] 较佳地,所述聚醚醚酮材料可为碳纤维增强聚醚醚酮材料,改性后的碳纤维增强 聚醚醚酮表面具有纳米颗粒和纳米锯齿的多级纳米结构。
[0018] 较佳地,所述的聚醚醚酮材料可为纯聚醚醚酮材料或碳纤维增强聚醚醚酮材料。
[0019] 较佳地,可使用纯金属锌作为阴极。
[0020] 本发明的有益效果: 经过本发明改性方法处理得到的聚醚醚酮材料,生物相容性有较大程度的提高,同时 具有一定的抗菌性。MC3T3-E1成骨细胞增殖实验结果证实,经过本发明改性方法处理得到 的聚醚醚酮材料具有较好的细胞相容性,MC3T3-E1细胞在改性表面增殖明显高于未改性表 面。抗菌实验证实,经过本发明改性处理得到的聚醚醚酮材料表面对金黄色葡萄球菌和大 肠杆菌具有不同程度的抗菌(抑菌)性。改性处理后的材料将可以满足临床实际需求。
【附图说明】
[0021] 图1是经实施例1和实施例2改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮与未改性碳纤 维增强聚醚醚酮表面的扫描电镜形貌对照图,图中=CFRPEEk为未改性碳纤维增强聚醚醚 酮,Zn-180为经实施例1改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮,Zn-O为经实施例2改性处 理得到的碳纤维增强聚醚醚酮; 图2是未改性、经实施例1和实施例2改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮表面的XPS 全谱谱图、以及经实施例1和实施例2改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮表面锌元素的 XPS高分辨谱图,图中:(A),(B)和(C)分别为未改性,经实施例1和实施例2改性处理得到 的碳纤维增强聚醚醚酮表面XPS全谱谱图,(D)和(E)分别为经实施例1和实施例2改性 处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮表面锌元素的XPS高分辨谱图;横坐标表示结合能,纵坐 标表示峰强; 图3是未改性、经实施例1和实施例2改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮表面的水 接触角,图中=CFRPEEk为未改性碳纤维增强聚醚醚酮,Zn-180为经实施例1改性处理得到 的碳纤维增强聚醚醚酮,Zn-O为经实施例2改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮; 图4是未改性、经实施例1和实施例2改性处理得到的碳纤维增强聚醚醚酮材料样品 表面的zeta电位随pH变化曲线,图中:CFRPEEK
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