石墨烯對碳纖維增強聚醚醚酮生物活性的影響

劉潔

摘 要：為促進(jìn)碳纖維增強聚醚醚酮（CFR-PEEK）的生物活性，提高其臨床應(yīng)用效果，使用石墨烯對CFR-PEEK進(jìn)行表面修飾。制備石墨烯表面修飾碳纖維增強聚醚醚酮，對其穩(wěn)定性和親水性進(jìn)行分析;將其應(yīng)用到白鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞中分析其對增值和骨分化的影響。實驗結(jié)果表明，制備的石墨烯表面修飾碳纖維增強聚醚醚酮具有比較好的穩(wěn)定性;相比于CFR-PEEK，石墨烯表面修飾CFR-PEEK具有更好的親水性;石墨烯表面修飾CFR-PEEK材料能夠促進(jìn)白鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞增值，能夠促進(jìn)白鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化。所以石墨烯表面修飾能夠顯著促進(jìn)CFR-PEEK材料的生物化。

關(guān)鍵詞：石墨烯;表面修飾;碳纖維增強聚醚醚酮

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）11-0049-04

Effect of Graphene on Bioactivity of Polyetheretherketone Reinforced by Carbon Fiber

Liu Jie

（Xi an Medical University， Xi an 710021， China）

Abstract：In order to enhance the bioactivity of carbon fiber （CFR-PEEK） and improve its clinical application effect， graphene is used for surface modifying CFR-PEEK. Preparing graphene surface modified carbon fiber enhanced polyether， analyzing its stability and hydrophilic properties， applied to white rat bone marrow MSCs to analyze its effect on value appreciation and bone differentiation. Experimental results show that the prepared graphene surface modified carbon fiber enhanced polyether ether one has good stability. Comparing to CFR-PEEK， graphene surface modified CFR-PEEK is better hydrophilic than it. Graphene surface modified CFR-PEEK material promotes the appreciation of white rat bone marrow MSCs and the osteogenic differentiation of white rat BMSCs. Therefore， graphene surface modification can significantly promote the biochemistry of CFR-PEEK materials.

Key words：graphene; surface modification; carbon fiber-enhanced polyether ether ketone

0 引言

聚醚醚酮和碳纖維結(jié)合之后能夠彌補聚醚醚酮軟化溫度較低和彈性模量較小的缺陷，因為碳纖維具有很高的強度，并且其模量高，結(jié)合之后的材料為碳纖維增強聚醚醚酮。這種材料具有很好的生物相容性，而且彈性模量和人體骨組織相似，將其應(yīng)用到骨科治療手術(shù)中，能夠有效解決骨溶解、骨吸收等問題[1-2]。

聚醚醚酮在骨科領(lǐng)域中的使用范圍越來越廣，但在使用聚醚醚酮的過程中發(fā)現(xiàn)該材料具有生物惰性，導(dǎo)致與周圍骨組織的骨整合存在缺陷[3]。為了解決這個問題，很多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，當(dāng)前提高聚醚醚酮生物活性的方法有兩種，分別為表面修飾和聚醚醚酮復(fù)合材料，其中表面修飾就是對材料進(jìn)行表面修飾或者表面涂層，從而提高材料的生物活性[4]。通過使用化學(xué)或者物理的方式對聚醚醚酮進(jìn)行修飾，其中物理處理就是使用電磁波激發(fā)產(chǎn)生活性粒子，然后作用于生物材料表面，這種方式不會改變材料的力學(xué)性能等其他特性，只會改變生物材料的理化性質(zhì)，常用的物理處理方式有加速中性原子束、等離子體修飾等?；瘜W(xué)處理方法不僅會改變材料的理化性質(zhì)還會改變材料的力學(xué)性能等其他特性，常用的化學(xué)處理方式比較少，主要為磺化處理和濕化學(xué)修飾。本文將采用表面修飾的方式提高聚醚醚酮生物活性。

石墨烯具有比表面積大、強度高、彈性模量大、穩(wěn)定性好、熱傳導(dǎo)系數(shù)高、生物相容性好等特點，而且屬于已知的最薄材料[5]。石墨烯作為一種新型納米材料，有學(xué)者將其應(yīng)用到骨領(lǐng)域中，發(fā)現(xiàn)該材料能夠促進(jìn)骨分化，并且具有骨再生的能力[6-7]。隨著石墨烯材料的廣泛應(yīng)用，使用傳統(tǒng)的制備方式不能滿足需求，于是后來發(fā)現(xiàn)使用化學(xué)氣相沉積法能夠制備更加優(yōu)異的石墨烯，并且制備面積大，能夠滿足當(dāng)前需求[8]。石墨烯作為一種理想材料，石墨烯表面修飾能夠顯著提高材料的生物活性，能夠促進(jìn)細(xì)胞黏附、成骨分化和增殖;而碳纖維增強聚醚醚酮的生物惰性和疏水性限制了其發(fā)展，將石墨烯應(yīng)用到碳纖維增強聚醚醚酮中能夠解決其存在缺陷，使其在骨科治療中具有更好的臨床效果。本文將通過實驗研究的方式，使用石墨烯表面修飾提高碳纖維增強聚醚醚酮生物化性能。

1 材料和方法

1.1 實驗材料和設(shè)備

實驗需要的主要材料：醫(yī)學(xué)植入級別的碳纖維增強聚醚醚酮、石墨烯（化學(xué)氣相沉積法制得）、丙酮、聚甲基丙烯酸甲酯（質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%）、無水乙醇、CCK-8檢測試劑盒、白鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞、培養(yǎng)基等。

實驗需要的主要設(shè)備：拉曼光譜儀、電子掃描顯微鏡、烘干箱、離心機等。

1.2 試樣制備

石墨烯表面修飾碳纖維增強聚醚醚酮的制備方式采用化學(xué)侵蝕物理吸附方法。其具體制備方式如下：

（1）裁剪出一定尺寸的石墨烯，然后使用聚甲基丙烯酸甲酯涂抹在石墨烯表面，再將其放入烘干機中15 min，達(dá)到規(guī)定時間之后取出冷卻備用。由于固膠過程中石墨烯存在銅物質(zhì)，需要使用氯化鐵溶液將其取出，然后將得到的薄膜物質(zhì)放到去離子水中反復(fù)清洗，目的在于洗掉氯化鐵溶液，得到的薄膜物質(zhì)作為接下來的備用材料。

（2）將上述備用材料使用物理吸附原理轉(zhuǎn)移到碳纖維增強聚醚醚酮材料的表面，24 h之后將其放到烘干箱中5 h。

（3）取出材料放到丙酮溶液中直至其完全溶解，就得到了石墨烯表面修飾的碳纖維增強聚醚醚酮材料。然后還需要對其進(jìn)行3次超聲清洗，每次5 min，最后放入烘干機中烤干即可用做實驗。

1.3 白鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞的培養(yǎng)

在無菌環(huán)境下首先收集到的白鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞為第0代細(xì)胞，然后將其放到細(xì)菌培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，一整天之后將培養(yǎng)基吸出，并且將瓶壁上的細(xì)胞和雜質(zhì)去除，然后再加入培養(yǎng)基。之后，需要每隔3 d換一次培養(yǎng)基，直至細(xì)胞生長超過培養(yǎng)基瓶底80%時。

實驗中需要將第4代的細(xì)胞用做實驗，于是需要對0代細(xì)胞進(jìn)行傳代培養(yǎng)。首先清洗干凈瓶中的培養(yǎng)基，然后將貼壁生長的干細(xì)胞使用胰蛋白酶消化，在該消化過程中需要使用顯微鏡對其形態(tài)進(jìn)行觀察，如果細(xì)胞變?yōu)閼腋顟B(tài)之后，需要將培養(yǎng)基放入其中從而終止消化。之后將瓶中的細(xì)胞懸液放到離心機中離心處理5 min，將液體中上清液去掉，保留剩余部分，然后再在該剩余液體中加入培養(yǎng)基，使用滴管反復(fù)吹打以重懸細(xì)胞，最后使用1∶3對細(xì)胞進(jìn)行傳代培養(yǎng)。細(xì)胞培養(yǎng)到第4代之后，取其中狀態(tài)良好的白鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞作為體外細(xì)胞實驗。

1.4 穩(wěn)定性分析

首先將實驗組和對照組中材料分別放到燒杯中，然后加入磷酸鹽PBS溶液（磷酸鹽緩沖液），將其放到超聲清洗機中進(jìn)行超聲處理，清洗時間為60 min。之后使用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，看兩種材料表面是否有明顯變化。

1.5 親水性測定

實驗中需要檢查材料的親水性，于是使用接觸角測量儀對材料進(jìn)行檢測。首先在材料表面選擇3個不同區(qū)域，然后將3 ?m的水滴到材料表面，水滴滴落過程中與材料表面接觸的瞬間使用照相機拍攝出來，然后使用機載軟件計算接觸角大小，最終利用該接觸角的大小來反映材料的親水性性能。

1.6 統(tǒng)計分析

使用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計方法使用t檢驗，然后實驗數(shù)據(jù)以“均值±標(biāo)準(zhǔn)差”進(jìn)行表示，當(dāng)“P<0.05”時表示具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 實驗結(jié)果

2.1 石墨烯表面修飾碳纖維增強聚醚醚酮的穩(wěn)定性

對材料進(jìn)行超聲振蕩處理，然后使用掃描電子顯微鏡對處理之后的材料進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，經(jīng)過超聲處理之后的材料和沒有處理的材料并沒有什么明顯變化，也沒有出現(xiàn)脫落或者破損情況。結(jié)果表明，石墨烯表面修飾碳纖維增強聚醚醚酮具有比較好的穩(wěn)定性。

2.2 石墨烯表面修飾碳纖維增強聚醚醚酮的親水性

通過使用靜態(tài)水滴法對材料進(jìn)行接觸角測量，結(jié)果如圖2所示。接觸角越大，表明材料的親水性越差;反之，親水性越好。從圖2中可看出，石墨烯表面修飾碳纖維增強聚醚醚酮材料的實驗組接觸角明顯小于碳纖維增強聚醚醚酮材料的對照組，并且兩組之間差異顯著（P<0.05）。這說明碳纖維增強聚醚醚酮經(jīng)過石墨烯表面修飾之后能夠提高材料的親水性。

2.3 材料對白鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞增殖的影響

選擇生長狀態(tài)良好的第4代白鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞作為實驗對象，讓其接種到實驗組和對照組的材料上，然后將其放到細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)1、3、5和7 d，再將相應(yīng)的試樣放到CCK-8檢測試劑盒中，用吸光度的值來表明白鼠骨髓干細(xì)胞增殖情況，實驗結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，在每個細(xì)胞培養(yǎng)時間上，石墨烯表面修飾碳纖維增強聚醚醚酮的吸光度明顯高于對照組，并進(jìn)行組間統(tǒng)計學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)具有顯著性差異（P<0.05）;當(dāng)細(xì)胞培養(yǎng)時間不斷增加時，實驗組和對照組的吸光度都處于不斷上升狀態(tài)?？梢钥闯鍪┍砻嫘揎椞祭w維增強聚醚醚酮材料能夠促進(jìn)白鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞增殖。

2.4 材料對白鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的影響

將白鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞接種到實驗組和對照組的材料上，將兩種材料成骨分別誘導(dǎo)7、14 d;然后再使用蛋白質(zhì)印跡法（Western Blot）檢測骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2、Runt轉(zhuǎn)錄相關(guān)因子2、Ⅰ型膠原蛋白和Osterix蛋白的表達(dá)水平。為了便于觀察，還需要使用Alpha軟件對圖形進(jìn)行處理，然后得到不同的光密度值，結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，當(dāng)成骨誘導(dǎo)時間為7 d時，實驗組的Runt轉(zhuǎn)錄相關(guān)因子2、Ⅰ型膠原蛋白和Osterix蛋白的表達(dá)水平明顯高于對照組，并且每組之間差異顯著（P<0.05）;而骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2，實驗組和對照組間相差不大，差異不顯著（P>0.05）。當(dāng)成骨誘導(dǎo)時間增加為14 d時，實驗組的Runt轉(zhuǎn)錄相關(guān)因子2和Ⅰ型膠原蛋白明顯高于對照組，并且兩組間差異顯著（P<0.05）;而實驗組骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2Osterix蛋白和對照組的蛋白條光密度值的差別比較小;另外，實驗組的骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2還低于對照組，但這兩種蛋白實驗組和對照組之間差異不顯著（P>0.05）。還可以看出，成骨誘導(dǎo)14 d后實驗組和對照組的骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2和Osterix蛋白分別低于誘導(dǎo)時間為7 d的兩組。由此，石墨烯表面修飾碳纖維增強聚醚醚酮能夠促進(jìn)白鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化。

3 討論

隨著我國老齡化的不斷增長，骨關(guān)節(jié)疾病的發(fā)生概率越來越大。作為常用的骨科植入材料，聚合物、金屬、復(fù)合材料和陶瓷等都會存在一定的缺陷，比如陶瓷的力學(xué)性能較差，金屬會引起骨溶解等，所以使用一種新材料應(yīng)用到骨科治療中受到學(xué)者的廣泛關(guān)注和重視。碳纖維增強聚醚醚酮彈性模量和人體骨組織相似，能夠經(jīng)受長時間的疲勞，已經(jīng)作為骨科植入材料在臨床中應(yīng)用。臨床結(jié)果表明碳纖維增強聚醚醚酮的應(yīng)用是有效和安全的，并且其耐久性比其他基底材料好[9]。另外，碳纖維聚醚醚酮材料還處于不斷研究之中，因為該材料的生物活性比較低，限制了該材料的應(yīng)用發(fā)展。石墨烯在不斷研究和應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)具有促進(jìn)骨髓基質(zhì)干細(xì)胞成骨分化的能力，本文通過石墨烯表面修飾的方式促進(jìn)該材料的生物活性。首先制備了石墨烯表面修飾碳纖維增強聚醚醚酮材料，對該材料進(jìn)行超聲處理，得出該材料具有比較好的穩(wěn)定性;然后分析材料的親水性。有研究表明，親水性的提高能夠提高初始蛋白和生物材料之間的相互作用，有利于促進(jìn)細(xì)胞分化和增殖[10]。由本實驗可知，石墨烯表面修飾能夠提高材料的親水性。石墨烯的表面積、粗糙程度、形貌等都會影響細(xì)胞骨分化和增殖[11]。

骨髓基質(zhì)干細(xì)胞是一種非常理想的組織工程種子細(xì)胞。本實驗中使用白鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞作為實驗對象，當(dāng)細(xì)胞發(fā)展到第4代之后，細(xì)胞具有比較強的增殖能力，于是使用第4代細(xì)胞進(jìn)行實驗。為了研究石墨烯表面修飾碳纖維增強聚醚醚酮對干細(xì)胞增殖的影響，本實驗進(jìn)行了CCK-8檢測，結(jié)果表明：該材料能夠促進(jìn)白鼠干細(xì)胞增殖，反映出該材料的生物活性和生物相容性變得更好。Western Blot檢測結(jié)果可以看出成骨誘導(dǎo)一段時間之后，實驗組的Runt轉(zhuǎn)錄相關(guān)因子2、Ι型膠原蛋白和Osterix蛋白的表達(dá)水平明顯大于對照組;但是當(dāng)成骨誘導(dǎo)時間為14 d時，實驗組中骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2的表達(dá)水平比對照組的低，出現(xiàn)這種現(xiàn)象，可能是石墨烯和骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2有著相同的誘導(dǎo)成骨分化能力所致。

4 結(jié)語

由于碳纖維增強聚醚醚酮的生物惰性，本實驗使用石墨烯表面修飾促進(jìn)該材料的生物活性。通過化學(xué)侵蝕物理吸附方法制備石墨烯表面修飾碳纖維增強聚醚醚酮力學(xué)性能，這種方式不會對碳纖維增強聚醚醚酮材料的優(yōu)異力學(xué)性能造成影響。對該材料進(jìn)行表征分析，實驗結(jié)果表明：該材料具有比較好的穩(wěn)定性和親水性。最后分析了該材料對白鼠骨髓基質(zhì)干細(xì)胞的骨分化和增殖情況的影響，實驗結(jié)果表明：石墨烯表面修飾碳纖維增強聚醚醚酮能夠促進(jìn)白鼠干細(xì)胞的增殖和骨分化，表面經(jīng)過石墨烯表面修飾之后，碳纖維增強聚醚醚酮的生物活性增強。

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