聚醚醚酮表面殼聚糖的固定

劉煥萍，孫 輝，高藝菡

（北京工商大學材料與機械工程學院，北京100048）

0 前言

PEEK作為一種新型的半晶態芳香族熱塑性工程材料[1]，具有優異的耐磨擦性、高強度和抗蠕變等優勢，是一種極具潛力的生物假體植入材料。另外，PEEK無毒、質輕、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易產生不利的宿主反應。故需對PEEK材料表面進行改性以改善其生物相容性。

本課題組成員陳睿超等[3-5]通過紫外光誘導在PEEK薄膜表面自引發接枝上丙烯酸單體以在其表面引入親水性基團羧基，其薄膜表面的水接觸角從104.7°降至15.8°，大大提高了表面潤濕性。并在此基礎上，又通過紫外輻照和濕化學發連用在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濕性、組織相容性和血液相容性，而且不改變其本身的強度和穩定性，可在PEEK表面培養細胞或者用于抗凝血材料等，擴大了PEEK材料在生物醫用領域的應用。

在材料植入人體時，假體易引發細菌感染，大大減低了手術的成功率，故需改善生物材料表面的抗菌性能。生物材料表面性能（表面潤濕性和表面電荷等）對細菌黏附影響較大。已有研究證明通過在生物材料表面產生極端的浸潤性可以有效地抑制細菌黏附[6-8]；此外，在一般情況下，細菌表面存在負電荷，可以在材料表面引入正電荷，通過靜電吸附在細菌細胞膜表面形成外層膜，改變其選擇透過性，阻止營養物質進入細胞內，以達到抑菌和殺菌作用。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，可促進創面愈合[9]。而且，殼聚糖通過帶正電的NH＋2結合負電子可抑制細菌活性和殺菌，使其在醫藥領域具有廣泛的應用[10]。

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

1 實驗部分

1.1 主要原料

丙酮，分析純，北京化工廠；

二苯丙酮，化學純，天津市遠航化學品有限公司；

丙烯酸，化學純，國藥集團化學試劑有限公司；

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展有限公司；

乙酸，36%，北京化工廠；

殼聚糖，DA≥90%，上海特佰化學科技有限公司；

PEEK薄膜，Vitrex-PEEK，英國ICI公司。

1.2 主要設備及儀器

掃描電子顯微鏡（SEM），Quanta 250，美國FEI公司；

視頻光學接觸角測量儀，OCA35，德國Data physicsinstruments Gmb H公司；

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

1.3 樣品制備

PEEK 膜接枝丙烯酸（PEEK-g-AAc）：對 PEEK薄膜片（尺寸為20 mm×30 mm）進行清洗，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（乙酸溶液調節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 性能測試與結構表征

水接觸角：將改性后的PEEK的水接觸角在Dataphysics OCA35接觸角測量系統上測試，用SCA20軟件調整合適的水滴形狀并測量水接觸角，測試儀器每次低落的水滴為2μL，去離子水滴在PEEK膜表面5 s后進行測量；在改性的PEEK膜和未改性PEEK膜表面分別均勻的5個點進行測試，每組數據取平均值進行對比；

SEM分析：在5kV的加速電壓的環境下通過SEM對未改性樣品和接枝后的樣品表面形態和微觀結構樣品進行表征，在觀測之前進行濺射噴金；

XPS分析：殼聚糖修飾的PEEK表面元素由XPS進行分析，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，對殼聚糖修飾的PEEK試樣進行5次掃描；

接枝率計算：對未改性的PEEK薄膜和殼聚糖修飾的PEEK薄膜進行稱量，用質量法計算經過殼聚糖修飾的PEEK膜的接枝率（Dg）：

式中 m0:接枝前膜的質量，g m:接枝后膜的質量，g

2 結果與討論

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，改善材料表面的潤濕性，并為下一步的表面功能化提供反應位點；然后通過質子化的EDC與PEEK材料表面的羧酸根離子反應生成高活性的O-酰基異脲，這一活化中間體易與氨基基團反應形成酰胺結構[11]；最后以共價鍵結合的方式在PEEK表面固定上殼聚糖（CTS），其反應流程示意圖如圖1所示。

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

2.2 表面潤濕性

使用光學視頻接觸角測量儀對PEEK膜、PEEK-g-AAc膜及PEEK-g-CTS膜表面親水性進行測試，如表1所示。

由表1可以看出未經改性的PEEK膜表面的平均水接觸角為85.04°，親水性較差。經過紫外光接枝丙烯酸后，由于材料表面引入親水性基團羧基使表面平均水接觸角大幅降低至14.92°，減小了70.12°，潤濕性明顯提高，同時也證明了在PEEK表面成功接枝上丙烯酸。在PEEK-g-AAc的基礎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量值及示意圖Tab.1 Water contact angle of blank and grafted PEEK film

對于不同濃度（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

通過對表2數據進行曲線擬合作圖，如圖3所示，殼聚糖濃度對PEEK膜表面的接枝率成線性關系。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的接枝率Fig.3 The degree of PEEK surface grafted different concentrations of chitosan

2.4 表面形貌

對改性前后的PEEK膜進行濺射噴金，在5 k V的加速電壓的環境下通過SEM對其表面形態和微觀結構進行表征。

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，并出現不規則的帶狀結構，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基礎上進行殼聚糖修飾后，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。由此可知殼聚糖成功地固定在聚醚醚酮薄膜表面。

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域增大，即在PEEK薄膜表面固定的殼聚糖含量增加。其結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對接枝前后的PEEK膜進行分析，觀察表面改性前后PEEK膜的元素組成和電子結合能變化。

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生酰胺反應形成酰胺鍵而在PEEK-g-CTS膜表面引入新的N元素，即圖7中N1s峰的出現。

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 結論

（1）通過紫外光接枝和濕化學法連用在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可觀察到接枝區域擴大；由質量法計算其接枝率可知當殼聚糖濃度為0.025 g/m L時，其表面接枝率達到最大為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，但相應的材料表面的親水性卻有所下降。

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