聚醚醚酮表面殼聚糖的固定

劉煥萍，孫 輝，高藝菡

（北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京100048）

0 前言

PEEK作為一種新型的半晶態(tài)芳香族熱塑性工程材料[1]，具有優(yōu)異的耐磨擦性、高強(qiáng)度和抗蠕變等優(yōu)勢(shì)，是一種極具潛力的生物假體植入材料。另外，PEEK無毒、質(zhì)輕、耐腐蝕、耐水解，是與人體骨骼最接近的材料，因此，PEEK可代替金屬制造人體骨骼和椎間融合器等[2]。但由于PEEK材料本身的生物惰性和低表面能致使其在植入時(shí)易產(chǎn)生不利的宿主反應(yīng)。故需對(duì)PEEK材料表面進(jìn)行改性以改善其生物相容性。

本課題組成員陳睿超等[3-5]通過紫外光誘導(dǎo)在PEEK薄膜表面自引發(fā)接枝上丙烯酸單體以在其表面引入親水性基團(tuán)羧基，其薄膜表面的水接觸角從104.7°降至15.8°，大大提高了表面潤(rùn)濕性。并在此基礎(chǔ)上，又通過紫外輻照和濕化學(xué)發(fā)連用在PEEK材料表面成功的固定上了牛血清蛋白和肝素分子，以改善材料表面的潤(rùn)濕性、組織相容性和血液相容性，而且不改變其本身的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可在PEEK表面培養(yǎng)細(xì)胞或者用于抗凝血材料等，擴(kuò)大了PEEK材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用。

在材料植入人體時(shí)，假體易引發(fā)細(xì)菌感染，大大減低了手術(shù)的成功率，故需改善生物材料表面的抗菌性能。生物材料表面性能（表面潤(rùn)濕性和表面電荷等）對(duì)細(xì)菌黏附影響較大。已有研究證明通過在生物材料表面產(chǎn)生極端的浸潤(rùn)性可以有效地抑制細(xì)菌黏附[6-8]；此外，在一般情況下，細(xì)菌表面存在負(fù)電荷，可以在材料表面引入正電荷，通過靜電吸附在細(xì)菌細(xì)胞膜表面形成外層膜，改變其選擇透過性，阻止?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，以達(dá)到抑菌和殺菌作用。殼聚糖作為一種生物衍生的以β-1，4-鍵連接的帶正電多糖，具有良好的生物相容性和生物活性，可促進(jìn)創(chuàng)面愈合[9]。而且，殼聚糖通過帶正電的NH＋2結(jié)合負(fù)電子可抑制細(xì)菌活性和殺菌，使其在醫(yī)藥領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[10]。

本文通過采用紫外光接枝和濕化學(xué)法在PEEK薄膜表面固定上殼聚糖，期望在PEEK材料產(chǎn)生抗菌表面，抑制細(xì)菌感染，改善其組織相容性，使PEEK在生物醫(yī)藥領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

丙酮，分析純，北京化工廠；

二苯丙酮，化學(xué)純，天津市遠(yuǎn)航化學(xué)品有限公司；

丙烯酸，化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

硫酸亞鐵銨，分析純，北京化工廠；

碳二亞胺（EDC），純度99%，北京東華力拓科技發(fā)展有限公司；

乙酸，36%，北京化工廠；

殼聚糖，DA≥90%，上海特佰化學(xué)科技有限公司；

PEEK薄膜，Vitrex-PEEK，英國(guó)ICI公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

掃描電子顯微鏡（SEM），Quanta 250，美國(guó)FEI公司；

視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x，OCA35，德國(guó)Data physicsinstruments Gmb H公司；

X射線光電子能譜儀（XPS），ESCALAB 250，美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 樣品制備

PEEK 膜接枝丙烯酸（PEEK-g-AAc）：對(duì) PEEK薄膜片（尺寸為20 mm×30 mm）進(jìn)行清洗，后浸泡在10 mg/m L的二苯丙酮（BP，光敏劑）溶液中10 min，黑暗環(huán)境下晾干；將處理后的薄膜浸入0.75 mol/L的丙烯酸溶液（含溶液質(zhì)量的0.5%的莫爾鹽，阻聚劑）中，在紫外燈下輻照6 min[1000 W，光波長(zhǎng)為（365±5）nm，光照距離為20 cm]，清洗后得PEEKCOOH薄膜；

PEEK-g-AAc固定殼聚糖（PEEK-g-CTS）：將PEEK-g-AAc浸在0.1%的EDC溶液（乙酸溶液調(diào)節(jié)p H＝4.7）中，室溫下靜置2 h；然后，將薄膜置于不同濃度殼聚糖的0.1%乙酸溶液中，4℃下冷藏靜置24 h，清洗。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

水接觸角：將改性后的PEEK的水接觸角在Dataphysics OCA35接觸角測(cè)量系統(tǒng)上測(cè)試，用SCA20軟件調(diào)整合適的水滴形狀并測(cè)量水接觸角，測(cè)試儀器每次低落的水滴為2μL，去離子水滴在PEEK膜表面5 s后進(jìn)行測(cè)量；在改性的PEEK膜和未改性PEEK膜表面分別均勻的5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，每組數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行對(duì)比；

SEM分析：在5kV的加速電壓的環(huán)境下通過SEM對(duì)未改性樣品和接枝后的樣品表面形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行表征，在觀測(cè)之前進(jìn)行濺射噴金；

XPS分析：殼聚糖修飾的PEEK表面元素由XPS進(jìn)行分析，所使用的XPS光譜儀所配備的輻射源為Monochromated Al Kalph 200 W，光斑尺寸為650μm，對(duì)殼聚糖修飾的PEEK試樣進(jìn)行5次掃描；

接枝率計(jì)算：對(duì)未改性的PEEK薄膜和殼聚糖修飾的PEEK薄膜進(jìn)行稱量，用質(zhì)量法計(jì)算經(jīng)過殼聚糖修飾的PEEK膜的接枝率（Dg）：

式中 m0:接枝前膜的質(zhì)量，g m:接枝后膜的質(zhì)量，g

2 結(jié)果與討論

2.1 殼聚糖的固定

本文采用紫外光接枝和濕化學(xué)法連用在PEEK薄膜表面固定殼聚糖。首先在光敏劑BP的作用下，通過紫外光引發(fā)在PEEK表面接枝上親水性丙烯酸單體，引入羧基，改善材料表面的潤(rùn)濕性，并為下一步的表面功能化提供反應(yīng)位點(diǎn)；然后通過質(zhì)子化的EDC與PEEK材料表面的羧酸根離子反應(yīng)生成高活性的O-酰基異脲，這一活化中間體易與氨基基團(tuán)反應(yīng)形成酰胺結(jié)構(gòu)[11]；最后以共價(jià)鍵結(jié)合的方式在PEEK表面固定上殼聚糖（CTS），其反應(yīng)流程示意圖如圖1所示。

圖1 PEEK表面接枝殼聚糖的反應(yīng)流程示意圖Fig.1reaction process diagram of grafting chitosan on the surface of PEEK film

2.2 表面潤(rùn)濕性

使用光學(xué)視頻接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)PEEK膜、PEEK-g-AAc膜及PEEK-g-CTS膜表面親水性進(jìn)行測(cè)試，如表1所示。

由表1可以看出未經(jīng)改性的PEEK膜表面的平均水接觸角為85.04°，親水性較差。經(jīng)過紫外光接枝丙烯酸后，由于材料表面引入親水性基團(tuán)羧基使表面平均水接觸角大幅降低至14.92°，減小了70.12°，潤(rùn)濕性明顯提高，同時(shí)也證明了在PEEK表面成功接枝上丙烯酸。在PEEK-g-AAc的基礎(chǔ)上的固定殼聚糖后平均水接觸角較PEEK-g-AAc相比有明顯升高，PEEK-g-CTS表面的平均水接觸角低于未改性的PEEK膜的平均水接觸角。由上可知，PEEK-g-CTS相比PEEK-g-AAc水接觸角增加，但與未經(jīng)改性的PEEK膜相比親水性得到了改善，即PEEK的殼聚糖修飾使其親水性得到了提高。

表1 PEEK膜改性前后的水接觸角測(cè)量值及示意圖Tab.1 Water contact angle of blank and grafted PEEK film

對(duì)于不同濃度（0.005、0.01、0.015、0.02、0.025 g/mL）殼聚糖的0.1%乙酸溶液處理過的薄膜，水接觸角平均 值 依 次 為：59.01°、61.43°、62.69°、63.24°、66.91°，如表1所示。由圖2可知，隨著殼聚糖乙酸溶液濃度的增大，改性的PEEK薄膜表面的水接觸角值增加，但總體變化不大。

圖2 PEEK表面固定上不同濃度殼聚糖的水接觸角Fig.2 Water contact angle of chitosanimmobilization with surface different concentrations

2.3 接枝率

通過對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合作圖，如圖3所示，殼聚糖濃度對(duì)PEEK膜表面的接枝率成線性關(guān)系。由圖3可知，隨著殼聚糖濃度的提高，在PEEK膜表面的接枝率增加。

表2 PEEK膜上殼聚糖接枝率Tab.2 Degree of grafting chitosan on PEEK surface

圖3 PEEK膜表面固定不同濃度殼聚糖時(shí)的接枝率Fig.3 The degree of PEEK surface grafted different concentrations of chitosan

2.4 表面形貌

對(duì)改性前后的PEEK膜進(jìn)行濺射噴金，在5 k V的加速電壓的環(huán)境下通過SEM對(duì)其表面形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

由圖4可知，未改性的PEEK膜表面比較光滑平整，在PEEK膜接枝丙烯酸后表面明顯變得粗糙，并出現(xiàn)不規(guī)則的帶狀結(jié)構(gòu)，間接證明了在PEEK薄膜表面成功接枝上了丙烯酸單體。在PEEK-g-AAc基礎(chǔ)上進(jìn)行殼聚糖修飾后，未洗膜表面有許多較厚的白色覆蓋物層，且厚度不均。相比其他薄膜，洗過的PEEK-g-CTS膜表面可清晰的觀察到密集粗糙的紋理，可明顯的觀察到接枝層。由此可知?dú)ぞ厶浅晒Φ毓潭ㄔ诰勖衙淹∧け砻妗?/p>

圖4 接枝前后的PEEK膜SEM圖片（×5000）Fig.4 SEM of blank and grafted PEEK films（×5000）

PEEK薄膜表面固定上不同濃度的殼聚糖的表面形貌如圖5所示，由上可知隨著殼聚糖濃度的提高，PEEK膜表面的粗糙紋理更加密集，而且膜表面的接枝區(qū)域增大，即在PEEK薄膜表面固定的殼聚糖含量增加。其結(jié)果與隨殼聚糖濃度提高，PEEK膜表面固定殼聚糖的接枝率提高相符合。

圖5 未改性PEEK膜和在PEEK膜表面固定不同濃度的殼聚糖的SEM照片（×5000）Fig.5 SEM of blank PEEK and PEEK film with surface different concentrations of chitosanimmobilization（×5000）

2.5 表面組成

采用XPS對(duì)接枝前后的PEEK膜進(jìn)行分析，觀察表面改性前后PEEK膜的元素組成和電子結(jié)合能變化。

由圖6、7和表3可知，未改性的PEEK膜表面元素只存在C、O和H 3種元素。通過殼聚糖分子修飾后，PEEK材料表面的C含量降低，O含量由于PEEK引入親水性基團(tuán)羧基而明顯增加；通過PEEK膜表面的羧基和殼聚糖分子鏈上的氨基發(fā)生酰胺反應(yīng)形成酰胺鍵而在PEEK-g-CTS膜表面引入新的N元素，即圖7中N1s峰的出現(xiàn)。

圖6 接枝前后PEEK膜表面XPS全譜掃描Fig.6 XPS of blank and grafted PEEK film

表3 接枝前后PEEK薄膜的表面各元素的含量Tab.3 The content of each element of blank and grafted PEEK film

圖7 接枝前后PEEK膜表面N元素的高分辨率掃描圖Fig.7 XPS N spectra（N1s）of blank and grafted PEEK film

3 結(jié)論

（1）通過紫外光接枝和濕化學(xué)法連用在PEEK材料表面接枝具有抑菌作用的殼聚糖，其表面水接觸角從原來的85.04°降低至59.01°，說明PEEK材料表面的親水性得到改善；

（2）隨著殼聚糖濃度的提高，在PEEK表面的接枝率增加，通過SEM可觀察到接枝區(qū)域擴(kuò)大；由質(zhì)量法計(jì)算其接枝率可知當(dāng)殼聚糖濃度為0.025 g/m L時(shí)，其表面接枝率達(dá)到最大為2.98‰，表面的殼聚糖接枝層完全覆蓋在PEEK膜表面；由X射線光電子能譜分析可知，在改性后PEEK表面出現(xiàn)了新的N元素峰，證明在其表面成功接枝上了殼聚糖；

（3）隨著殼聚糖濃度的增加，雖然提高了接枝率，但相應(yīng)的材料表面的親水性卻有所下降。

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