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氨基修饰聚醚醚酮表面及其成骨细胞相容性

2018-11-15

氨基修饰聚醚醚酮表面及其成骨细胞相容性

本文首先采用硼氢化钠将聚醚醚酮表面的羰基还原为羟基,获得羟基化预处理的PEEK棒,再用3- 氨基丙基三乙氧基硅烷与其进行反应,将氨基(—NH2) 引入至PEEK 表面以改善其细胞相容性。用X 射线光电子能谱和力学性能测试对表面化学处理的PEEK 进行表征,同时,用MC3T3–E1 成骨细胞评价表面氨基修饰的PEEK 的细胞相容性。结果表明,硼氢化钠成功地将PEEK 表面的羰基还原为羟基,—NH2 成功地引入至PEEK 表面;表面化学处理前后PEEK板棒的拉伸及弯曲强度未发生明显变化;和未修饰的PEEK 表面相比,—NH2 修饰的PEEK 表面能显著促进成骨细胞的粘附、铺展及增殖。

1.研究目的

PEEK 是由苯环通过酮键和醚键在对位连接而成,其共振稳定的化学结构使轨道电子离域于整条分子链之中,因而PEEK 具有极强的化学稳定性。有研究表明:在材料表面引入某些化学基团{如羧基(—COOH)、羟基(—OH)、氨基(—NH2)、磺酸基(—SO3H)等} 可促进细胞的粘附、铺展与增殖。在这些基团中,—NH2修饰的表面更能刺激细胞成骨分化,因而,本文利用末端带氨基的硅烷偶联剂与PEEK上被还原后生成的羟基反应,以期在PEEK表面引入—NH2,改善其表面的细胞相容性。

2.研究方法

2.1实验原料

PEEK 板材:Victrex 450G,江苏君华特种工程塑料制品有限公司;

氢化钙:成都市科龙试剂厂;

甲苯、二甲基亚砜(DMSO) :广州市金华大化学试剂有限公司;

硼氢化钠(NaBH4) :国药集团化学试剂有限公司;

3- 氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES) :成都贝斯特试剂有限公司。

2.2PEEK表面羟基化

图1 PEEK 表面羰基被还原和引入—NH2 的反应流程图

2.3氨基修饰PEEK表面

        在干燥的带有回流冷凝装置的圆底烧瓶中加入体积浓度为5% 的APTES 无水甲苯溶液。将P–PEEK–OH24 试样浸入溶液中,60℃氮气保护下反应16 h (反应过程如图1所示),然后依次用甲苯、甲醇、蒸馏水分别超声清洗20 min。110℃真空干燥0.5 h 后保存于干燥器中备用。表面氨基修饰的PEEK,标记为PEEK–NH2。

3.实验结果

3.1PEEK表面羟基化预处理分析

各PEEK 试样表面不同元素的相对含量及O/C 比率

 P–PEEK–OH24 和P–PEEK–OH48 表面的XPS 全谱图(未列出) 类似于P–PEEK。表1 为PEEK 表面各元素相对含量的变化情况。由图2 和表1 可以看出,PEEK 表面羰基被还原后,其表面的元素种类没有变化,但各元素相对含量却不同,说明表面化学环境发生了变化。

P–PEEK 和P–PEEK–OH24 在287.2 eV 处有C=O 峰,且P–PEEK 的C=O 峰面积明显比P–PEEK–OH24 的大,说明后者的C=O相对含量比前者低(表2) ;在P–PEEK–OH48 的C1s 谱图中,287.2 eV 处的峰完全消失,说明在XPS检测的深度范围内(0~10 nm),不存在C=O。这是因为随反应的进行,PEEK 表面的C=O 逐步被还原,当反应时间达到48 h 实,C=O 完全被还原。O1s谱图同样证实了这一结论,O1 s 谱图中位于531.5 eV 处的峰归属于P–PEEK 和P–PEEK–OH24表面的O=C,前者在此处的峰面积比后者的大,同实在532.2 eV 处出现一个新的O—H 峰;当反应时间为48 h 实,P–PEEK–OH48 的O1s 谱图中O=C峰完全消失,这说明O=C 组分随反应进行逐渐被还原,相对含量逐渐降低( 表2),最终XPS 检测深度范围内的O=C 完全被还原为O—H。

 成功地引入至PEEK 表面,图5说明PEEK 表面形成的硅烷化膜的厚度在XPS 的检测深度范围内,也间接说明PEEK 表面的化学状态发生了变化。

3.3体外细胞相容性评价

       P–PEEK 试样的光学密度值比PEEK–NH2 试样低(P<0.05),说明与P–PEEK 相比,PEEK–NH2 具有较好的成骨细胞粘附能力。

   可以看出,未改性的PEEK 表面细胞数目较少,形状为球形,伸出的伪足也较少( 图8a) ;PEEK–NH2 表面细胞数目增多,大多呈扁平形貌,铺展状况较好,伸出的伪足也较多( 图8b)。这说明—NH2 对成骨细胞的粘附与铺展均起到了非常有利的作用,这为后续成骨细胞的增殖提供了良好的条件。

4.结论

        采用NaBH4 成功地将PEEK 表面的羰基还原为羟基;用APTES 与羟基化预处理的PEEK反应,成功的将—NH2 引入至PEEK 表面。

        力学性能测试结果表明表面化学修饰未影响PEEK 的优异力学性能。体外细胞相容性实验结果显示—NH2 显著改善了PEEK 表面成骨细胞MC3T3–E1 的粘附、铺展与增殖。


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