本发明涉及一种高生物活性peek复合材料人工关节假体及其制备方法。本发明属于新材料领域。
背景技术：
聚醚醚酮(peek)是应用广泛的工程塑料，同时它也是一种惰性的生物材料，这也限制了它在骨修复材料领域中的应用。为了提高peek的生物活性，常常在peek中混入一些具有生物活性的无机填料，如羟基磷灰石(ha)、生物活性玻璃(bg)、磷酸三钙(β-tcp)等。ha具有良好的人体组织相容性、生物活性、骨传导活性及骨诱导性，目前已广泛应用于骨科临床。ha在体液模拟条件下，可在表面生成富含磷酸钙的无机物层，从而通过细胞活性和硬组织或者软组织之间形成有效的键合。但是ha有脆性大、机械强度差等缺陷，其高分子复合物的力学性能往往会出现明显的降低，单一的ha与基体的结合强度不高，植入人体后，在体液的作用下容易脱落。这又限制了其在生物材料领域的应用。
继续对peek、ha进行改性以满足人类生活日益迫切的需求。目前常用的方法是将ha涂覆与peek的表面，利用peek结构的优异的力学性能以及ha的生物活性来使用，但ha与peek的界面相容性差导致该方法的使用受限。因此，研究一种ha与peek可高度相容且分散性好的介质尤为重要，加工注塑成型是一种增加peek与ha相容性强且分散性好的peek复合材料的有效手段。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术中peek与ha界面相容性差、且peek复合材料生物活性低的不足，提供了一种高生物活性peek复合材料及其制备方法，其使用苯胺封端的醚酮结构物a、4-溴苯甲酸乙酯作为原料，经过buchwald–hartwig偶联反应、水解反应得到了一种双羧基封端的醚酮结构物，与羟基磷灰石、peek共混挤出后得到高生物活性peek复合材料，经注塑成型得到高生物活性peek复合材料人工关节假体，在提高peek的生物活性并提供peek与羟基磷灰石间的牢度，同时保证该材料足够的强度和良好的生物相容性，具有较高的临床使用价值和广阔的市场前景。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高生物活性peek复合材料的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：
(1)buchwald–hartwig偶联反应，得到苯甲酸脂类封端的醚酮结构物，记为b；
(2)水解反应，得到羧基封端的醚酮结构物，记为c
(3)c改性羟基磷灰石；
(4)共混、挤出得到peek复合材料粒料。
进一步，所述步骤(1)具体为：
将1mol苯胺封端的醚酮结构物a，与1-1.2mol4-溴苯甲酸乙酯溶于30mol有机溶剂中，加入0.001-0.1％mol的钯催化剂，1％mol的叔丁醇钠80-100℃下搅拌36-48h，得到苯甲酸脂类封端的醚酮结构物，记为b。
进一步，所述步骤(2)具体为：
将1molb溶解在30mol有机溶剂中，加入1-5％mol的氢氧化钠水溶液，搅拌10-20h后，过滤减压蒸馏，加入1-5％mol的乙酸，搅拌1-4h后，减压蒸馏干燥，得到羧基封端的醚酮结构物，记为c。
进一步，所述步骤(3)具体为：
将100重量份粒径为0.1-5μm的羟基磷灰石原料分散在有机溶剂中，超声分散0.5-2h，加入50-150重量份c，于110-120℃下加热搅拌进行反应，反应完全后，经过过滤、洗涤和干燥得到c改性羟基磷灰石；
所述羟基磷灰石与有机溶剂的用量比为：10-20g/100ml。
进一步，所述步骤(4)具体为：
将50-70重量份医用级peek树脂、30-50重量份c改性羟基磷灰石分别置于150-160℃烘箱，干燥0.5-2h后混合，搅拌速率为1000-1500r/min下搅拌10-20min后，加入到双螺杆挤出机进行挤压，设定各区温度为：一区温度为370-380℃，二区温度为385-395℃，三区温度为400-410℃，螺杆转速100-500r/min，牵引，拉丝，造粒，得到peek复合材料粒料。
进一步，所述钯催化剂为pd(oac)2、pd2(dba)3、(cypftbu)pbcl2、xphos中的一种或几种。
进一步，所述有机溶剂为dmf、thf、二氧六环或dme。
一种高生物活性peek复合材料人工关节假体，由以下重量份的原料制成：医用级peek树脂55-80份，peek复合材料粒料20-45份。
进一步，所述的一种高生物活性peek复合材料人工关节假体，其制备方法为：将医用级peek树脂、peek复合材料粒料混合，在速率为1000-1500r/min下时间为10-20min后，投料于与上述双螺杆挤出机联动注塑，注塑的注射模具温度为180-200℃，注射背压为2-4mpa，注射压力为175-180mpa，注塑成型得到人工关节假体。
本发明的提供的羧基封端的醚酮结构物(c)，其制备流程如下：
本发明的有益效果：
(1)本发明提供了一种高生物活性peek复合材料其制备方法。采用“先改性，再高速分散，后共混造粒”的工艺。通过化学反应改性羟基磷灰石，均匀分散改性羟基磷灰石和peek得到共混物，烘干后再通过高速搅拌机混合均匀，即可进行挤出加工，得到新型peek复合材料粒料。
(2)本发明提供的一种高生物活性peek复合材料人工关节假体，原料之一的改性羟基磷灰石，采用buchwald–hartwig偶联反应以及水解反应合成出羧基封端醚酮结构物(c)，一方面结合buchwald–hartwig偶联反应产率高效的优点；另一方面，仲氨基的存在增加材料的亲水性，利于细胞的黏附和增殖，提高生物相容性。
(3)本发明提供的一种高生物活性peek复合材料人工关节假体，减少了金属对偶的离子释放和金属磨屑的产生，同时具有优良的力学性能(复合材料peek与ha相容性佳)和生物学性能，可应用于生物工程材料相关的领域。
(4)本发明提供的一种高生物活性peek复合材料人工关节假体具有良好的生物相容性和生物活性，具有骨修复体的强度、模量等性能与人骨相匹配，且耐腐蚀性能好，使用寿命长，完全能够满足临床对于骨修复的需要。
具体实施方式：
以下结合实施例对本发明进行详细说明。但应理解，以下实施例仅是对本发明实施方式的举例说明，而非是对本发明的范围限定。
实施例1
步骤(1)将1mol苯胺封端的醚酮结构物a，与1.2mol4-溴苯甲酸乙酯溶于30moldmf中，加入0.001％mol的钯催化剂pd(oac)2和0.001％molcypftbu)pbcl2，1％mol的叔丁醇钠100℃下搅拌36h，得到苯甲酸脂类封端的醚酮结构物(ir：1587cm-1：苯环中-c＝c-存在；1245cm-1、1166cm-1：-c-o-c-存在；1701cm-1：-c＝o存在；3372cm-1：-c-n-生成；593cm-1、515cm-1：ar-br消失)，记为b。
步骤(2)将1molb溶解在30moldmf中，加入5％mol的氢氧化钠水溶液，搅拌10h后，过滤减压蒸馏，加入5％mol的乙酸，搅拌1h后，减压蒸馏干燥，得到羧基封端的醚酮结构物(ir：1588cm-1：苯环中-c＝c-存在；1245cm-1、1167cm-1：-c-o-c-存在；1700cm-1：-c＝o存在；3370cm-1：-c-n-存在；3567cm-1：-oh生成)，记为c。
步骤(3)将100重量份粒径为5μm的羟基磷灰石原料分散在1000mldmf中，超声分散0.5h，加入150重量份c，于120℃下加热搅拌进行反应，反应完全后，经过过滤、洗涤和干燥得到c改性羟基磷灰石(ir：1590cm-1：苯环中-c＝c-存在；1246cm-1、1168cm-1：-c-o-c-存在；1701cm-1：-c＝o存在；3370cm-1：-c-n-存在；3567cm-1：-oh存在；1102cm-1、1031cm-1：-o-p-o-存在)。
步骤(4)将50重量份医用级peek树脂、50重量份c改性羟基磷灰石分别置于160℃烘箱，干燥0.5h后混合，搅拌速率为1500r/min下搅拌10min后，加入到双螺杆挤出机进行挤压，设定各区温度为：一区温度为380℃，二区温度为390℃，三区温度为400℃，螺杆转速500r/min，牵引，拉丝，造粒，得到peek复合材料粒料。
具体实施例2-6，其他同具体实施例1，不同之处在于下表：
以具体实施例1获得的peek复合材料粒料作为应用实施例的基础材料，将其制成高生物活性peek复合材料人工关节假体。
应用实施例1
一种高生物活性peek复合材料人工关节假体的制备方法包括如下配方及步骤：
由以下重量份的原料制成：医用级peek树脂55份，peek复合材料粒料45份。
将医用级peek树脂、peek复合材料粒料混合，在速率为1500r/min下，搅拌10min，后投料于与上述双螺杆挤出机联动注塑，注塑的注射模具温度为200℃，注射背压为2mpa，注射压力为175mpa，注塑成型得到人工关节假体。
应用实施例2-3，其他同应用实施例1，不同之处在于下表
应用实施对比例1
一种peek复合材料人工关节假体的制备方法包括如下配方及步骤：
由以下重量份的原料制成：医用级peek树脂100份。
将医用级peek树脂投料于与上述双螺杆挤出机联动注塑，注塑的注射模具温度为200℃，注射背压为2mpa，注射压力为175mpa，注塑成型得到人工关节假体。
应用实施对比例2
一种peek复合材料人工关节假体的制备方法包括如下配方及步骤：
由以下重量份的原料制成：医用级peek树脂55份，peek/常规羟基磷灰石(质量比1:1)复合材料粒料45份。
将peek树脂、peek复合材料粒料混合，在速率为1500r/min下，搅拌10min，后投料于与上述双螺杆挤出机联动注塑，注塑的注射模具温度为200℃，注射背压为2mpa，注射压力为175mpa，注塑成型得到人工关节假体。
应用实施对比例3
一种peek复合材料人工关节假体的制备方法包括如下配方及步骤：
由以下重量份的原料制成：医用级peek树脂77.5份，常规羟基磷灰石22.5份。
将医用级peek树脂、常规羟基磷灰石混合，在速率为1500r/min下，搅拌10min，后投料于与上述双螺杆挤出机联动注塑，注塑的注射模具温度为200℃，注射背压为2mpa，注射压力为175mpa，注塑成型得到人工关节假体。
应用实施对比例4
一种peek复合材料人工关节假体的制备方法包括如下配方及步骤：
由以下重量份的原料制成：医用级peek树脂77.5份，改性羟基磷灰石22.5份。
将医用级peek树脂、改性羟基磷灰石混合，在速率为1500r/min下，搅拌10min，后投料于与上述双螺杆挤出机联动注塑，注塑的注射模具温度为200℃，注射背压为2mpa，注射压力为175mpa，注塑成型得到人工关节假体。
分别测定本发明应用实施例1-3、应用实施对比例1-4制备的高生物活性peek复合材料人工关节假体的物理性能，包括拉伸强度、储能模量、玻璃化温度、摩擦系数结果如表1所示。
表1各实施例物理测试性能
从表1中可以看出，本发明的一种高生物活性peek复合材料人工关节假体与常规peek材料人工关节假体相比，除拉伸强度外，包括在储能模量、玻璃化温度和细胞活性的优势明显。本发明人工关节假体完全适用生物骨的拉伸强度(60-140mpa)。
第二，表1结果显示本发明的人工关节假体在与其他peek复合材料人工关节假体相比，由于本发明提供了一种可对羟基磷灰石处理的醚酮结构物，与peek有很好的相容性且经过二次搅拌，分散性更好。故本发明的人工关节假体的各项性能指标均由于同类peek复合材料人工关节假体。
第三，对比应用实施例3和4，可知经过改性的羟基磷灰石不仅在分散性、相容性上有较大优势，其生物活性利于细胞黏附和增殖。
第四，由于关节假体对耐磨性要求更高，本发明的人工假体在耐磨性上与纯peek相同，具有较大的应用前景。
综合而言，本发明的一种高生物活性peek复合材料人工关节假体，拥有足够的强度和良好的生物相容性，具有较高的临床使用价值和广阔的市场前景。
其中测试方法如下：
1)拉伸强度：采用美国英斯特朗公司的instronmode15544型万能电子拉伸试验机，根据标准astmd638对复合材料进行拉伸性能测试，室温下，拉伸速度和标距分别为2mm/min和20mm。
2)储能模量、玻璃化温度：采用德国netzsch-242e型动态力学分析仪对材料的动态热力学性能进行测试，测试频率为1hz，三点弯模式，测试温度范围为-120-250℃，升温速率为2℃/min，样品长、宽和厚分别为20mm、6.5mm和2.5mm。
3)摩擦系数：采用pod球－盘摩擦试验机对复合材料的摩擦性能进行研究，载力为3n，时间为4800s，速率为70r/min。
4)细胞数量：采用人成骨样细胞系mg-63成骨细胞模型对各应用实施例的试样进行细胞学生物活性实验。mg-63成骨细胞用含10％胎牛血清的高糖细胞培养基复苏，置于37℃、湿度95％、co2浓度5％的细胞培养箱中培养，隔日换液，光学显微镜下观察细胞的形态，将处于对数生长期的mg-63成骨细胞制备成细胞悬液。
将实验组和对照组的标准试样经γ射线辐照灭菌2h，置于24孔板内。将制备好的mg-63细胞悬液接种于各组试样表面，24h后终止细胞培养。利用吖啶橙荧光染色法检测细胞粘附和增殖的数量。用pbs(磷酸盐缓冲液，1lpbs配方:8g氯化钠、0.2g氯化钾、1.44g磷酸氢二钠、0.24g磷酸二氢钾)冲洗3次，浓度为95％乙醇固定5min，0.05％吖啶橙染色5min，pbs冲洗3次；荧光显微镜下观察，计数，材料表面粘附和增殖的细胞数量如表1。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。