一种带有水凝胶涂层的聚芳醚医用材料的制备方法

1.本发明属于生物医用材料领域，涉及一种带有水凝胶涂层的聚芳醚医用材料的制备方法。


背景技术：

2.骨植入材料是指可以用来治疗人体骨骼疾病，代替损伤或者坏死的骨组织、回复骨骼正常生理功能的一类生物材料。主要包括关节替换、接骨板和牙种植等材料。理想的骨植入材料需要满足以下几点：(1)良好的生物相容性，对人体组织和细胞无毒副作用；(2)良好的机械性能，包括与自然骨相匹配的力学性能及良好的生物力学适应性；(3)优异的抗腐蚀和耐磨损性能；(4)良好的生物结合性，能够与骨组织紧密结合，固定良好；(5)良好的骨传导性和骨诱导性，以引导新生骨组织沿材料表面爬行生长，诱导成骨分化矿化。此外，骨替换材料还应该具有易加工、可塑性高、费用经济低和便于医学检查等特点。
3.目前已被用于骨植入的主要材料包括金属材料(如钛、镁及其合金，不锈钢，钴铬合金等)、无机非金属材料(羟基磷灰石，生物陶瓷等)、有机高分子材料(聚芳醚，聚乳酸等)等。其中，聚芳醚是一类高性能热塑性树脂，加工成型性能好，且具有良好的生物相容性，接近骨骼的弹性模型以及射线可透性，已广泛地用于整形外科，骨科和牙科等领域，在医疗器械原材料领域具有很大的应用潜力。然而，受制于光滑、密实的表面形貌与显著的疏水性，聚芳醚(包括聚醚醚酮peek、杂萘联苯聚芳醚如ppek等)植入后无法与周围的头、面部皮瓣融合，继而在反复摩擦的情况下引发皮肤磨损、伤口溃烂的风险，严重影响其使用安全性。为改善聚芳醚与人体软组织的融合，部分学者对其表面结构、化学改性开展了系列研究。与软组织相容性较好的水凝胶涂层具有高保水性和生物相容性等特点，已经被成功应用于医用导丝等器械的表面改性，然而，其作为植入物涂层，抗菌性、与软组织的粘附性以及与植入物的结合力均有待提高。


技术实现要素：

4.本发明拟采用可降解的水凝胶涂层对聚芳醚(包括peek、杂萘联苯聚芳醚)进行表面改性，增强涂层与基体之间的结合力，赋予聚芳醚表面涂层粘附性和抗菌性等多功能性，实现骨植入体与软组织的融合。本发明的目的是提供一种带有水凝胶涂层的聚芳醚医用材料的制备方法，采用可降解水凝胶涂层对医用聚芳醚植入体进行表面改性：首先采用等离子体处理聚芳醚，赋予其表面反应性官能团，使水凝胶涂层与聚芳醚基体通过化学键结合，涂层包括可降解明胶、抗菌性组分及粘附性组分，赋予植入体抗菌性及软组织粘附性。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种表面带有水凝胶涂层的聚芳醚医用材料的制备方法，包括如下步骤：
7.s1采用等离子体处理聚芳醚片：等离子体处理条件为在石英反应釜内激发产生氮气等离子体，处理功率为120～160w，处理时间为180～300s；
8.s2将水凝胶前体溶液旋涂至经等离子体处理的聚芳醚片表面，置于紫外固化箱，
固化5～10分钟得到表面带有水凝胶涂层的聚芳醚医用材料；
9.所述水凝胶前体溶液按质量百分比计包括但不限于如下成份：aac-n-nhs(丙烯酸-n-琥珀酰亚胺酯)1～5％；甲基丙烯酸酐改性壳聚糖1～3％；甲基丙烯酸酐改性明胶4～8％；α-酮戊二酸0.2％；水余量。
10.所述水凝胶涂层具有可降解性，抗菌性和软组织粘附性，且与经等离子体处理后引入氨基的聚芳醚以化学键连接，增强了水凝胶涂层与基体的结合力。
11.所述水凝胶前体溶液按的制备方法包括如下步骤：将aac-n-nhs、甲基丙烯酸酐改性壳聚糖、α-酮戊二酸和甲基丙烯酸酐改性明胶置于去离子水中充分搅拌溶解，得到水凝胶前体溶液。
12.所述聚芳醚包括聚醚醚酮peek和杂萘联苯聚芳醚；所述杂萘联苯聚芳醚的分子链含二氮杂萘酮联苯结构，peek的结构表达式为式(i)，分子链含二氮杂萘酮联苯结构的结构表达式为式(ii)：
[0013][0014][0015]
其中，ar1为双卤单体的主体结构，是下列结构中的一种或几种：
[0016][0017]
ar2为双酚单体的主体结构，是下列结构中的一种或几种：
[0018][0019]
其中，r1、r2、r3、r4是氢、卤素取代基、苯基、苯氧基、含有至少1个碳原子的直链烷基、含有至少1个碳原子的带支链的烷基或含有至少1个碳原子的带支链的烷氧基，r1、r2、r3和r4的结构相同或不同。
[0020]
m是正整数；
[0021]
n是0或正整数。
[0022]
s1中等离子体处理聚芳醚片的具体过程为将聚芳醚片浸入丙酮中超声清洗10～20min，浸入乙醇中超声清洗10～20min，浸入超纯水中超声清洗10～20min，烘干后再置于等离子体反应釜中；以300ml/min的流速往系统中通入5～15min的高纯n2(99.999％)以排除系统中的空气；随后，调节流量计，将流速恒定至20～40ml/min，打开等离子体装置的射频电源，调节电压、电流，石英反应釜内激发产生氮气等离子体，在120～160w功率范围内处理180～300s，得到等离子体处理的聚芳醚片。
[0023]
所述甲基丙烯酸酐改性明胶的制备方法包括：将type a明胶(300g bloom)固体投入到pbs缓冲溶液的圆底烧瓶中，将圆底烧瓶放在水浴锅中于55～65℃下磁力搅拌水浴加热，直至明胶完全溶解，得到淡黄色透明溶液，明胶的质量体积百分数为8-12％。逐滴加入甲基丙烯酸酐，在55～65℃水浴加热下反应1～1.5h后，用滴管吸至1.4万截留分子量的透析袋中，40℃下去离子水浴透析7天。离出白色沉淀，吸取上层清液，在冻干机冷冻干燥，在-20℃冻存，备用。
[0024]
所述甲基丙烯酸酐改性壳聚糖的制备方法包括：将壳聚糖(cs)粉末倒入0.1mol/l的醋酸溶液中，搅拌溶解10～12h，使其完全溶解，壳聚糖的质量体积百分数为1-1.5％。完全溶解后的cs溶液置于35～45℃油浴锅中，然后向cs溶液中逐滴滴加55～65ml甲基丙烯酸酐，在40℃下避光反应12h，用滴管吸至1.4万截留分子量的透析袋中，在40℃下去离子水浴透析3天，离出白色沉淀，吸取上层清液，在冻干机冷冻干燥，在-20℃冻存，备用。
[0025]
本发明的有益效果如下：
[0026]
1.表面带有水凝胶涂层的聚芳醚制备方法简单，无需大型设备，并可对复杂形状的制件进行表面改性。
[0027]
2.本发明制备的水凝胶具有较好的生物相容性，且具有多功能性。在不影响聚芳
醚力学性能的情况下，增强水凝胶涂层与基体之间的结合力，能够改善聚芳醚材料的生物相容性，且赋予其抗菌、粘附性能，在骨植入材料方面有着广阔的应用前景。
附图说明
[0028]
图1为等离子体处理前后ppek的x射线光电子能谱(xps)谱图。
[0029]
图2(a)为ppek的表面水接触角、(b)为等离子体处理后ppek的表面水接触角。
[0030]
图3为水凝胶涂层90
°
剥离测试。
[0031]
图4(a)为水凝胶涂层与猪皮搭接的位移-粘附强度曲线、(b)为粘附强度定量分析。
[0032]
图5为ppek、ppek-p-coating(g4c0n3)和ppek-p-coating(g4c3n3)的抗菌实验对比。
[0033]
图6为等离子体处理前后peek的x射线光电子能谱(xps)谱图。
[0034]
图7(a)为peek的表面水接触角、(b)为等离子体处理后peek的表面水接触角。
[0035]
图8为水凝胶涂层的力学稳定性测试结果。
[0036]
图9为ppek、peek、ppek-p-coating(g4c3n3)、peek-p-coating(g4c3n3)样品mtt毒性测试。
[0037]
图10为peek、peek-p-coating(g4c0n3)和peek-p-coating(g4c3n3)的抗菌实验对比。
具体实施方式
[0038]
下面通过具体实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅只局限于下面的实施例，可以根据实际情况进行调整。
[0039]
采用x射线光电子能谱仪(xps)分析经等离子体处理前后，ppek/peek表面主要元素含量的变化情况。通过水接触角测量仪表征样品表面的亲疏水性，采用平板菌落数法对材料进行抗菌活性评价，利用万能力学试验机来测试水凝胶的搭接剪切粘附强度。
[0040]
粘附性测试过程如下：将新鲜的猪皮裁剪成30
×
10
×
3mm3，并且为了保持猪皮湿润，将裁剪好的猪皮浸泡在含pbs(ph＝7.4)的烧杯中，存放在4℃冰箱，实验前用滤纸吸干表面多余水分。将水凝胶与猪皮组织面粘接后紫外固化，面积约10
×
10mm2。用万能力学试验机instron model 5567来测试复合水凝胶的搭接剪切粘附强度，拉伸速度5mm/min，100n传感器，室温。
[0041]
抗菌测试过程如下：取1ml 108cfu/ml细菌菌液，离心5min，倒掉上层清液，加入1ml pbs溶液并吹散细菌，再次离心，反复清洗三次，以完全去掉培养基，并最终将细菌分散到1ml pbs溶液中，然后将菌液稀释至106cfu/ml。将水凝胶涂层改性的ppek材料置于24孔板中，加入1ml(106cfu/ml)细菌菌液，振荡3h后，取出样品，将剩余液体经过连续稀释，涂到琼脂培养平板上，37℃培养24h，用计数器计算菌落数。
[0042]
细胞毒性测试如下：首先配制5mg/ml的mtt溶液，4℃避光保存。将ppek、ppek-p-coating(g4c3n3)、peek、peek-p-coating(g4c3n3)分别浸入3ml a-mem培养基中，37℃静置24h，得到材料的浸提液。使用二倍稀释法，对浸提液进行稀释。mc3t3-e1细胞以每孔5
×
103个的密度接种到96孔板中，每孔100μl,并设置三个复孔。待细胞贴壁后，吸出培养基，每孔加入100μl梯度浓度的浸提液，37℃培养1天和3天后，每孔加入10μl mtt溶液，37℃孵育4h
后，吸出浸提液，每孔加入100μl dmso溶液混匀，在酶标仪上以490nm波长测定各孔的od值并计算各孔细胞的相对增殖率。
[0043]
实施例1
[0044]
第一步，通过等离子体处理在ppek表面引入活性官能团，ppek结构式为式(ⅲ)。将ppek片浸入丙酮中超声清洗15分钟，浸入乙醇中超声清洗15分钟，浸入超纯水中超声清洗15分钟。将1cm2的ppek片置于等离子体反应釜中，实验开始前，以300ml/min的流速往系统中通入5min的高纯n2(99.999％)以排除系统中的空气。随后，调节流量计，将流速恒定至30ml/min，打开等离子体装置的射频电源，调节电压、电流，石英反应釜内激发产生氮气等离子体，在160w功率范围内处理300s，得到等离子体处理的聚芳醚片。得到表面带有活性官能团的ppek。
[0045][0046]
第二步，制备水凝胶前体溶液。3％甲基丙烯酸酐改性壳聚糖，4％的甲基丙烯酸酐改性明胶、0.2％的α-酮戊二酸，在此基础上加入0％、1％、2％或3％的aac-n-nhs，将其于去离子水中充分搅拌溶解，得到水凝胶前体溶液，备用，记为g4c3n0溶液、g4c3n1溶液、g4c3n2溶液和g4c3n3溶液，其中，g代表甲基丙烯酸酐改性明胶，c代表甲基丙烯酸酐改性壳聚糖，n代表aac-n-nhs；同上，将3％甲基丙烯酸酐改性壳聚糖替换为0％，加入3％的aac-n-nhs，记为g4c0n3溶液。
[0047]
所述甲基丙烯酸酐改性明胶的制备方法包括：将10g type a明胶(300g bloom)固体投入到装有100ml pbs缓冲溶液的圆底烧瓶中，将圆底烧瓶放在水浴锅中于60℃下磁力搅拌水浴加热，直至明胶完全溶解，得到10％(w/v)的淡黄色透明溶液。逐滴加入甲基丙烯酸酐，在60℃水浴加热下反应1h后，用滴管吸至1.4万截留分子量的透析袋中，40℃下去离子水浴透析7天。在4000rpm，离心20min，离出白色沉淀，吸取上层清液得到甲基丙烯酸酐改性明胶，在冻干机冷冻干燥48h后，在-20℃冻存，备用。
[0048]
所述甲基丙烯酸酐改性壳聚糖的制备方法包括：将1.5g的壳聚糖(cs)粉末倒入100ml的0.1mol/l的醋酸溶液中，搅拌溶解12h，使其完全溶解完全溶解后的cs溶液置于40℃油浴锅中，然后向cs溶液中逐滴滴加60ml的甲基丙烯酸酐，在40℃下避光反应12h，用滴管吸至1.4万截留分子量的透析袋中，在40℃下去离子水浴透析3天，在4000rpm，离心20min，离出白色沉淀，吸取上层清液甲基丙烯酸酐改性壳聚糖，在冻干机冷冻干燥48h后，在-20℃冻存，备用。
[0049]
第三步，制备聚芳醚水凝胶涂层。将第二步制备的水凝胶前体溶液旋涂至经等离子体处理的ppek表面，置于紫外固化箱，固化5～10分钟，分别得到p pek-p-coating(g4c3n0)、ppek-p-coating(g4c3n1)、ppek-p-coating(g4c3n2)、ppek-p-coating(g4c3n3)和ppek-p-coating(g4c0n3)。将g4c3n3溶液旋涂至ppek(末经等离子体处理)表面，置于紫外固化箱，固化5～10分钟，得到ppek-coating(g4c3n3)。
coating(g4c3n3)与peek-p-coating(g4c3n3)上后，用软毛刷前后刷50次。结果表明，peek-coating(g4c3n3)切口边缘粗糙，且有涂层脱落，而peek-p-coating(g4c3n3)切口边缘完全光滑，格子边缘没有任何剥落，达到iso 0级，说明经等离子体处理后，水凝胶涂层牢固附着在peek表面，进一步证明了水凝胶涂层与基体间结合强度高。
[0066]
为证明材料的细胞相容性，进行mtt毒性测试，测试结果如图9所示。peek、peek-p-coating(g4c3n3)、ppek、ppek-p-coating(g4c3n3)的细胞活力均在80％以上，表明以上四种材料均无细胞毒性。
[0067]
与纯peek和peek-p-coating(g4c0n3)相比，经水凝胶涂层改性的peek片peek-p-coating(g4c3n3)抗菌性明显增强，抗菌率达90％(如图10所示)。

技术特征：
1.一种表面带有水凝胶涂层的聚芳醚医用材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：s1采用等离子体处理聚芳醚片：等离子体处理条件为在石英反应釜内激发产生氮气等离子体，处理功率为120～160w，处理时间为180～300s；s2将水凝胶前体溶液旋涂至经等离子体处理的聚芳醚片表面，置于紫外固化箱，固化5～10分钟得到表面带有水凝胶涂层的聚芳醚医用材料；所述水凝胶前体溶液按质量百分比计包括如下成份：aac-n-nhs1～5％；甲基丙烯酸酐改性壳聚糖1～3％；甲基丙烯酸酐改性明胶4～8％；α-酮戊二酸0.2～1％；水余量。2.如权利要求1所述的一种表面带有水凝胶涂层的聚芳醚医用材料的制备方法，其特征在于：所述水凝胶前体溶液的制备方法包括如下步骤：将aac-n-nhs、甲基丙烯酸酐改性壳聚糖、α-酮戊二酸和甲基丙烯酸酐改性明胶置于去离子水中充分搅拌溶解，得到水凝胶前体溶液。3.如权利要求1所述的一种表面带有水凝胶涂层的聚芳醚医用材料，聚芳醚材料的特征在于：所述聚芳醚包括聚醚醚酮peek和杂萘联苯聚芳醚；所述杂萘联苯聚芳醚的分子链含二氮杂萘酮联苯结构，peek的结构表达式为式(i)，分子链含二氮杂萘酮联苯结构的结构表达式为式(ii)：表达式为式(ii)：其中，ar1为双卤单体的主体结构，是下列结构中的一种或几种：ar2为双酚单体的主体结构，是下列结构中的一种或几种：
其中，r1、r2、r3、r4是氢、卤素取代基、苯基、苯氧基、含有至少1个碳原子的直链烷基、含有至少1个碳原子的带支链的烷基或含有至少1个碳原子的带支链的烷氧基，r1、r2、r3和r4的结构相同或不同。m是正整数；n是0或正整数。4.如权利要求1所述的一种表面带有水凝胶涂层的聚芳醚医用材料的制备方法，其特征在于：s1中等离子体处理聚芳醚片的具体过程为将聚芳醚片浸入丙酮中超声清洗10～20min，浸入乙醇中超声清洗10～20min，浸入超纯水中超声清洗10～20min，烘干后再置于等离子体反应釜中；以300ml/min的流速往系统中通入5～15min的高纯n2(99.999％)以排除系统中的空气；随后，调节流量计，将流速恒定至20～40ml/min，打开等离子体装置的射频电源，调节电压和电流，石英反应釜内激发产生氮气等离子体，在120～160w功率范围内处理180～300s，得到等离子体处理的聚芳醚片。

技术总结
本发明提供一种表面带有水凝胶涂层的聚芳醚医用材料的制备方法，首先采用等离子体处理聚芳醚片，赋予其表面反应性官能团；将水凝胶前体溶液旋涂至经等离子体处理的聚芳醚片表面，置于紫外固化箱固化得到表面带有水凝胶涂层的聚芳醚医用材料；所述水凝胶前体溶液按质量百分比计包括如下成份：丙烯酸-N-琥珀酰亚胺酯(AAc-N-NHS)1～5％；甲基丙烯酸酐改性壳聚糖(CSMA)1～3％；甲基丙烯酸酐改性明胶(GelMA)4～8％；α-酮戊二酸0.2％；水余量。本发明水凝胶涂层与聚芳醚基体通过化学键结合，增强水凝胶涂层与基体之间的结合力，同时能够改善聚芳醚材料的生物相容性，且赋予其抗菌、粘附性能，在骨植入材料方面有着广阔的应用前景。景。景。


技术研发人员：蹇锡高 柳承德 刘程 张守海 马子涵
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/9/12