注入钽离子对聚醚醚酮表面进行改性的方法及改性的聚醚醚酮材料

摘要

本发明涉及注入钽离子对聚醚醚酮表面进行改性的方法及改性的聚醚醚酮材料，所述方法使用等离子体浸没离子注入技术在聚醚醚酮的表面进行钽离子注入以获得含有钽元素的改性层，提高聚醚醚酮表面弹性模量和硬度以使其接近人体皮质骨，同时改善聚醚醚酮表面生物相容性和骨整合性质。经过本发明改性方法处理得到的聚醚醚酮材料，其生物相容性和力学性能有不同程度的提高。此外，bMSC细胞在经本发明改性方法处理得到的聚醚醚酮材料表面具有明显成骨分化趋势。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对聚醚醚酮表面进行改性的方法以及改性的聚醚醚酮材料，具体 说，是涉及一种使用等离子体浸没离子注入和沉积技术对聚醚醚酮材料表面进行改性的方法 以及注入了钽离子的改性的聚醚醚酮材料，属于医用高分子材料表面改性技术领域。

背景技术

近年来，随着生物材料制备使用理论和技术的不断完善和发展，高性能高分子植入 体材料有望逐渐替代钛及其合金材料，应用前景将更为广阔。聚醚醚酮（PEEK）的弹性模 量与人体骨组织较为匹配，植入人体后可有效减少应力遮挡效应造成的骨吸收和骨萎缩，且 聚醚醚酮材料耐化学腐蚀，抗疲劳性突出，适合用于医疗植入装置长期植入（Biomaterials  2007,28:4845-4869）。然而，PEEK的生物活性较差，植入人体后不易与人体骨组织键合，限 制了其作为植入体材料长期植入。如何提高PEEK材料生物相容性已经成为研究热点之一。

目前针对聚醚醚酮材料生物相容性差这一问题进行改进的通用方法是使用生物活性 材料进行复合(如磷酸三钙和羟基磷灰石等)，这种方法尽管可有效提高聚醚醚酮生物相容 性，但却大幅牺牲了其固有良好的力学性能，不利于其临床医用。

发明内容

本发明为解决现有的医用聚醚醚酮存在生物相容性不佳的问题，提供一种新颖的医 用聚醚醚酮材料的表面改性方法，以满足医用聚醚醚酮材料所需的生物相容性需求。

等离子体浸没离子注入和沉积技术(Plasma immersion ion implantation & Deposition, PIII-D)是一种具有全方位及高反应活性特点的新型表面改性技术，对于处理体积小且异型的 植入体材料具有独特的优势。PIII-D技术通常用于金属和半导体表面改性，近来随着高分子 材料的广泛应用，对绝缘体材料进行PIII-D改性也逐渐成为研究热点(Surface & Coatings  Technology 2010,204:2853-2863)。

钽(Ta)具有良好的化学稳定性、抗腐蚀性和生物相容性，已于1903年即被作为一种 金属植入体用作硬组织植入材料，并被证实具有较好的材料生物相容性，促进骨组织生长 (Biomaterials 2001,22:1253-1262)。然而，钽的密度高达16.6g/cm³，弹性模量更是高达 186～191GPa，远远高于人体皮质骨，易造成骨萎缩和骨吸收等问题，因此不适合直接用于 承重骨替换材料。近来对钽材料的研究多集中于制备多孔钽材料以减轻材料重量或进行钽镀 膜工艺来改善植入体生物相容性。

因此，基于等离子体浸没离子注入和沉积技术和钽的良好的化学稳定性、抗腐蚀性 和生物相容性，本发明提出了通过等离子体浸没离子注入技术对PEEK材料进行Ta离子注 入改性，在材料表面形成原位改性层，在提高材料生物相容的同时，增强材料表面力学性 能。

在此，本发明提供一种注入钽离子对聚醚醚酮表面进行改性的方法，所述方法使用 等离子体浸没离子注入技术在聚醚醚酮的表面进行钽离子注入以获得含有钽元素的改性层， 提高聚醚醚酮表面弹性模量和硬度以使其接近人体皮质骨，同时改善聚醚醚酮表面生物相容 性和骨整合性质。

经过本发明改性处理得到的聚醚醚酮材料，其生物相容性和骨整合性质得到显著提 高。细胞增殖实验证实，经过本发明改性处理得到的聚醚醚酮材料表面MC3T3-E1成骨细胞 和bMSC大鼠骨髓间充质干细胞增殖数倍于未改性聚醚醚酮，促进bMSC成骨分化，可满 足医用聚醚醚酮所需的性能要求。

经过本发明改性处理得到的聚醚醚酮材料，其表面弹性模量和硬度得到显著改善， 弹性恢复能力也较未改性样有所提高。纳米压痕测试实验证实，经过本发明改性处理得到的 聚醚醚酮材料表面弹性模量和硬度均数倍于未改性聚醚醚酮，接近人体皮质骨相关性能。

经过本发明改性处理得到的聚醚醚酮材料，注入的Ta元素释放量极少，表明其具有 较强的稳定性和生物安全性，可满足医用需求。

较佳地，使用等离子体浸没离子注入技术在聚醚醚酮的表面进行钽离子注入时，使 用纯金属钽作为阴极。采用纯金属钽作为阴极注入钽离子，提高聚醚醚酮的生物相容性的同 时仍能保持材料的良好的力学性能。

较佳地，所述钽离子注入的工艺参数包括本底真空度为3×10^-3～5×10^-3Pa，注入电压 为15～40kV，注入脉宽为50～600μs，注入脉冲频率为5～10Hz，阴极源触发脉宽为 500～2000μs，注入时间为30～180分钟。

进一步优选地，所述注入脉宽为200～600μs，所述注入时间为30～120分钟。

在一个优选的示例中，所述注入电压为15～30kV，注入时间为30～120分钟。

在一个优选的示例中，所述注入电压为30kV，所述注入脉冲频率为7Hz，所述注入 脉宽为450μs，所述注入时间为30～120分钟。

本发明中，所述的聚醚醚酮可以为纯聚醚醚酮材料或碳纤维增强聚醚醚酮材料。

另一方面，本发明还提供根据上述方法制备的改性的聚醚醚酮材料，所述改性的聚 醚醚酮材料的改性层中钽元素的含量为5%～15%。

经过本发明表面改性处理得到的聚醚醚酮材料浅表面分布有钽元素，钽元素含量比 例可调。钽元素的引入显著地改善了聚醚醚酮材料的生物相容性和骨整合性质。

本发明中，所述改性的聚醚醚酮材料的表面弹性模量比未改性的聚醚醚酮表面大0～ 6GPa。

本发明中，所述改性的聚醚醚酮材料的表面纳米硬度比未改性的聚醚醚酮表面大0～ 2GPa。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

经过本发明改性方法处理得到的聚醚醚酮材料，其生物相容性和力学性能有不同程度的提 高。细胞增殖实验结果证实，经过本发明改性方法处理得到的聚醚醚酮材料具有较好的细胞 相容性，MC3T3-E1细胞和bMSC细胞在改性表面增殖数倍于未改性表面。此外，bMSC细 胞在经本发明改性方法处理得到的聚醚醚酮材料表面具有明显成骨分化趋势。同时，纳米压 痕实验结果证实，经过本发明改性方法处理得到的聚醚醚酮材料表面弹性模量和纳米硬度均 有大幅度提高，接近人体皮质骨相关性能，能满足医用聚醚醚酮材料所需的生物相容性要 求。而且，注入的Ta元素释放量极少，表明其具有较强的稳定性和生物安全性，可满足医 用需求。

附图说明

图1是经本发明改性处理前后的聚醚醚酮表面的扫描电镜形貌图，图中：PEEK表示 改性处理前的聚醚醚酮，Ta-1表示使用30kV高压注钽30分钟后的聚醚醚酮，Ta-2表示使 用15kV高压注钽120分钟后的聚醚醚酮，Ta-3表示使用30kV高压注钽120分钟后的聚醚 醚酮；

图2是经本发明改性处理前后的聚醚醚酮材料表面XPS全谱谱图，图中：PEEK表示改性处 理前的聚醚醚酮，Ta-1表示使用30kV高压注钽30分钟后的聚醚醚酮，Ta-2表示使用15kV 高压注钽120分钟后的聚醚醚酮，Ta-3表示使用30kV高压注钽120分钟后的聚醚醚酮；

图3是经本发明改性处理前后聚醚醚酮材料表面Ta元素的XPS深度分布图，图中：PEEK 表示改性处理前的聚醚醚酮，Ta-1表示使用30kV高压注钽30分钟后的聚醚醚酮，Ta-2表 示使用15kV高压注钽120分钟后的聚醚醚酮，Ta-3表示使用30kV高压注钽120分钟后的 聚醚醚酮；

图4是经本发明改性处理前后的聚醚醚酮材料表面弹性模量测试结果，图中：纵坐标表示弹 性模量，横坐标表示深度，PEEK表示改性处理前的聚醚醚酮，Ta-1表示使用30kV高压注 钽30分钟后的聚醚醚酮，Ta-2表示使用15kV高压注钽120分钟后的聚醚醚酮，Ta-3表示 使用30kV高压注钽120分钟后的聚醚醚酮；

图5是经本发明改性处理前后的聚醚醚酮材料表面纳米硬度测试结果，图中：纵坐标表示纳 米硬度，横坐标表示深度，PEEK表示改性处理前的聚醚醚酮，Ta-1表示使用30kV高压注 钽30分钟后的聚醚醚酮，Ta-2表示使用15kV高压注钽120分钟后的聚醚醚酮，Ta-3表示 使用30kV高压注钽120分钟后的聚醚醚酮；

图6是是经本发明改性处理前后的聚醚醚酮材料表面弹性恢复测试结果，图中：纵坐标表示 荷载力，横坐标表示深度，PEEK表示改性处理前的聚醚醚酮，Ta-1表示使用30kV高压注 钽30分钟后的聚醚醚酮，Ta-2表示使用15kV高压注钽120分钟后的聚醚醚酮，Ta-3表示 使用30kV高压注钽120分钟后的聚醚醚酮；

图7是经本发明改性处理前后的聚醚醚酮材料细胞增殖实验结果，图中：纵坐标表示被还原 的AlamarBlue^TM百分比，横坐标表示细胞培养时间，PEEK表示改性处理前的聚醚醚酮， Ta-1表示使用30kV高压注钽30分钟后的聚醚醚酮，Ta-2表示使用15kV高压注钽120分钟 后的聚醚醚酮，Ta-3表示使用30kV高压注钽120分钟后的聚醚醚酮；

图8是经本发明改性处理前后的聚醚醚酮材料bMSC细胞增殖实验结果，图中：纵坐标表示 被还原的AlamarBlue^TM百分比，横坐标表示细胞培养时间，PEEK表示改性处理前的聚醚醚 酮，Ta-1表示使用30kV高压注钽30分钟后的聚醚醚酮，Ta-2表示使用15kV高压注钽120 分钟后的聚醚醚酮，Ta-3表示使用30kV高压注钽120分钟后的聚醚醚酮；

图9是经本发明改性处理前后的聚醚醚酮材料bMSC细胞碱性磷酸酶表达实验结果，图中： 纵坐标表示碱性磷酸酶的相对含量，横坐标表示细胞培养时间，PEEK表示改性处理前的聚 醚醚酮，Ta-1表示使用30kV高压注钽30分钟后的聚醚醚酮，Ta-2表示使用15kV高压注钽 120分钟后的聚醚醚酮，Ta-3表示使用30kV高压注钽120分钟后的聚醚醚酮；

图10是经本发明改性处理前后的聚醚醚酮材料bMSC细胞胶原表达实验结果，图中：纵坐 标表示492nm波长下胶原洗脱液的吸光度值，横坐标表示细胞培养时间，PEEK表示改性处 理前的聚醚醚酮，Ta-1表示使用30kV高压注钽30分钟后的聚醚醚酮，Ta-2表示使用15kV 高压注钽120分钟后的聚醚醚酮，Ta-3表示使用30kV高压注钽120分钟后的聚醚醚酮；

图11是经本发明改性处理前后的聚醚醚酮材料bMSC细胞细胞外基质表达实验结果，图 中：纵坐标表示600nm波长下细胞外基质洗脱液的吸光度值，横坐标表示细胞培养时间， PEEK表示改性处理前的聚醚醚酮，Ta-1表示使用30kV高压注钽30分钟后的聚醚醚酮， Ta-2表示使用15kV高压注钽120分钟后的聚醚醚酮，Ta-3表示使用30kV高压注钽120分 钟后的聚醚醚酮。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅 用于说明本发明，而非限制本发明。

为了解决现有医用聚醚醚酮材料存在的生物相容性以及力学性能不佳问题，本发明 公开了一种医用聚醚醚酮材料的表面改性方法，所述方法包括将钽离子注入医用聚醚醚酮材 料表面进而改善聚醚醚酮表面的弹性模量和硬度以使其接近人体皮质骨，同时改善聚醚醚酮 表面生物相容性和骨整合性质。

作为优选方案，采用等离子体浸没离子注入（PIII）技术在医用聚醚醚酮材料表面注 入钽离子。

优选地，采用等离子体浸没离子注入技术在医用聚醚醚酮材料表面注入钽离子时， 优选纯钽作为阴极。

采用等离子体浸没离子注入技术在医用聚醚醚酮材料表面注入钽离子的工艺参数推 荐为：本底真空度为3×10^-3～5×10^-3Pa，注入电压为15～40kV，注入脉宽为50～600μs（优 选200～600μs），注入脉冲频率为5～10Hz，阴极源触发脉宽为500～2000μs（优选500～800 μs），注入时间为30～180分钟（优选30～120分钟）。

在一个优选的示例中，注入电压为15～30kV，注入时间为30～120分钟。在一个尤 其优选的示例中，采用等离子体浸没离子注入技术在医用聚醚醚酮材料表面注入钽离子的工 艺参数优选为：本底真空度为5×10^-3Pa，注入电压为30kV，注入脉宽为450μs，注入脉冲频 率为7Hz，阴极源触发脉宽为500μs，注入时间为30～120分钟。

上述的聚醚醚酮材料可为纯聚醚醚酮材料或碳纤维增强聚醚醚酮材料。

经过本发明表面改性处理得到的聚醚醚酮材料表面具有不同的微观结构，参见图1， 其示出经本发明改性处理前后的聚醚醚酮表面的扫描电镜形貌图，图中：PEEK表示改性处 理前的聚醚醚酮，Ta-1表示使用30kV高压注钽30分钟后的聚醚醚酮，Ta-2表示使用15kV 高压注钽120分钟后的聚醚醚酮，Ta-3表示使用30kV高压注钽120分钟后的聚醚醚酮品， 表明改性后材料表面将出现纳米颗粒，纳米颗粒的尺寸和数量随着注入时间增加和注入电压 加大而增加。同时，经过本发明改性处理得到的聚醚醚酮材料浅表面分布有钽元素，钽元素 含量比例可调（5～15%），如图2示出经本发明改性处理得到的聚醚醚酮材料表面XPS全 谱谱图，从中可以计算到经该本发明改性处理得到的聚醚醚酮材料表面钽元素含量分别为 6.6%(Ta-1)、12.1%(Ta-2)和10.4%(Ta-3)，表明钽元素含量随着注入时间增加而增加。

注入时间和注入电压还影响Ta的注入深度。参见图3，其示出经本发明改性处理前 后聚醚醚酮材料表面Ta元素的XPS深度分布图，图中：PEEK表示改性处理前的聚醚醚 酮，Ta-1表示使用30kV高压注钽30分钟后的聚醚醚酮，Ta-2表示使用15kV高压注钽120 分钟后的聚醚醚酮，Ta-3表示使用30kV高压注钽120分钟后的聚醚醚酮，由图可见，经本 发明改性方法处理得到的聚醚醚酮材料表面Ta具有一个连续的分布；高电压长时间注入改 性下Ta的注入深度更深，改性层更厚；相同深度下，高电压长时间注入改性得到的改性样 中Ta的含量更高。

经过本发明改性处理得到的聚醚醚酮材料表面力学性质得到不同程度的提升，其弹 性模量比未改性的聚醚醚酮表面大0～6GPa，纳米硬度比未改性的聚醚醚酮表面大0～ 2GPa。如图4示出经本发明改性处理得到的聚醚醚酮材料表面弹性模量测试结果，表明改 性后材料表面弹性模量得到显著提升。例如，如其中的曲线Ta-3所示，改性后的材料表面 弹性模量从改性前的约7Gpa提升至12GPa以上，接近皮质骨相关性能。又如图5所示，经 本发明改性处理得到的材料表面纳米硬度也有显著提升，例如，如其中的曲线Ta-3所示， 改性后的材料表面纳米硬度从改性前的约1.4GPa提升至约3GPa，显示改性后的材料表面硬 度更高。又如图6所示，经本发明的改性方法处理得到的聚醚醚酮材料相对于未改性聚醚醚 酮而言，弹性恢复能力均有所提高，其中，长时间注入改性的样品提高幅度较大，尤其是采 用30kV高压注钽120分钟（Ta-3）处理得到的样品，压入深度和恢复深度均得到显著改 善，显示改性后的样品表面在力的作用下具有较强的恢复能力。

钽元素的引入可有效改善聚醚醚酮材料的生物相容性和骨整合性质。通过选择不同 的工艺参数改性，其生物相容性和骨整合性质有不同程度的提高，能满足医用聚醚醚酮材料 所需的生物相容性要求。细胞增殖实验结果证实，经过本发明改性方法处理得到的聚醚醚酮 材料具有较好的细胞相容性，MC3T3-E1细胞和bMSC细胞在改性表面增殖数倍于未改性表 面。例如参见图7，其示出本发明改性处理前后的聚醚醚酮材料细胞增殖实验结果，图中： PEEK表示处理前的聚醚醚酮材料，Ta-1表示使用30kV高压注入30分钟所得的样品，Ta-2 表示使用15kV高压注入120分钟所得的样品，Ta-3表示使用30kV高压注入120分钟所得 的样品，由图可知，MC3T3-E1细胞在经上述示例实施例改性处理得到的聚醚醚酮材料表面 增殖情况均明显好于未改性样，其中，MC3T3-E1细胞在经15kV高压注入120分钟和30kV 高压注入120分钟所改性处理得到的聚醚醚酮材料表面增殖情况明显好于30kV高压注入30 分钟的情况，表明钽注入时间长的聚醚醚酮表面更有利于细胞增殖。例如参见图8，其示出 经本发明改性处理前后的聚醚醚酮材料bMSC细胞增殖实验结果，可知bMSC细胞在经本 发明改性处理得到的聚醚醚酮材料表面增殖情况明显好于未改性样。又，经过本发明改性方 法处理得到的聚醚醚酮材料能够促进bMSC成骨分化。例如参见图9～11，可知bMSC细胞 在经本发明改性方法处理得到的聚醚醚酮材料表面具有明显成骨分化趋势。

下面进一步举例实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发 明进行进一步说明，而不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明 的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺 参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围 内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

将10mm×10mm×1mm的纯聚醚醚酮经过抛光处理后，依次用丙酮和去离子水超声清洗干 净，每次30min，清洗后置于80℃烘箱中烘干并妥善保存。采用等离子体浸没离子注入技 术，将钽离子注入聚醚醚酮基体(Ta-1)，注入改性后的聚醚醚酮材料妥善保存，其具体的工 艺参数见表1所示：

表1 钽离子注入参数：

注入电压(kV) 30 注入脉宽(μs) 450 注入时间(min) 30 本底真空(Pa) 5×10^-3阴极触发脉宽(μs) 700 频率(Hz) 7

图1中的Ta-1为经本实施例改性处理得到的医用聚醚醚酮材料表面形貌图，图中显示改性 后的材料表面有极小的纳米颗粒，尺寸约为数纳米；图2中的Ta-1是经本实施例改性处理 得到的医用聚醚醚酮材料表面XPS全谱谱图，表明：使用等离子浸没离子注入技术可以将 钽元素引入至聚醚醚酮材料表面，经本实施例改性处理得到的聚醚醚酮材料表面钽元素含量 为6.6%。

实施例2

将10mm×10mm×1mm的纯聚醚醚酮经过抛光处理后，依次用丙酮和去离子水超声清洗干 净，每次30min，清洗后置于80℃烘箱中烘干并妥善保存。采用等离子体浸没离子注入技 术，将钽离子注入聚醚醚酮基体(Ta-2)，注入改性后的聚醚醚酮材料妥善保存，其具体的工 艺参数见表2所示：

表2 钽离子注入参数：

注入电压(kV) 15 注入脉宽(μs) 450 注入时间(min) 120 本底真空(Pa) 5×10^-3阴极触发脉宽(μs) 700 频率(Hz) 7

图1中的Ta-2为经本实施例改性处理得到的医用聚醚醚酮材料表面形貌图，图中显示改性 后的材料表面有纳米颗粒，尺寸较Ta-1大，约为10纳米；图2中的Ta-2是经本实施例改性 处理得到的医用聚醚醚酮材料表面XPS全谱谱图，表明：使用等离子浸没离子注入技术可 以将钽元素引入至聚醚醚酮材料表面，经本实施例改性处理得到的聚醚醚酮材料表面钽元素 含量为12.1%。

实施例3

将10mm×10mm×1mm的纯聚醚醚酮经过抛光处理后，依次用丙酮和去离子水超声清洗干 净，每次30min，清洗后置于80℃烘箱中烘干并妥善保存。采用等离子体浸没离子注入技 术，将钽离子注入聚醚醚酮基体(Ta-3)，注入改性后的聚醚醚酮材料妥善保存，其具体的工 艺参数见表3所示：

表3 钽离子注入参数：

注入电压(kV) 30 注入脉宽(μs) 450 注入时间(min) 120 本底真空(Pa) 5×10^-3阴极触发脉宽(μs) 700 频率(Hz) 7

图1中的Ta-3为经本实施例改性处理得到的医用聚醚醚酮材料表面形貌图，图中显示改性 后的材料表面有纳米颗粒，尺寸较Ta-1和Ta-2大，约为10～20纳米；图2中的Ta-3是经本 实施例改性处理得到的医用聚醚醚酮材料表面XPS全谱谱图，表明：使用等离子浸没离子 注入技术可以将钽元素引入至聚醚醚酮材料表面，经本实施例改性处理得到的聚醚醚酮材料 表面钽元素含量为10.4%。

实施例4

将10mm×10mm×1mm的碳纤维增强聚醚醚酮经过抛光处理后，依次用丙酮和去离子水超声 清洗干净，每次30min，清洗后置于80℃烘箱中烘干并妥善保存。采用等离子体浸没离子注 入技术，将钽离子注入碳纤维增强聚醚醚酮基体，注入改性后的碳纤维增强聚醚醚酮材料妥 善保存，其具体的工艺参数见表4所示：

表4 钽离子注入参数：

注入电压(kV) 30 注入脉宽(μs) 450 注入时间(min) 120 本底真空(Pa) 5×10^-3阴极触发脉宽(μs) 700 频率(Hz) 7

实施例5

将10mm×10mm×1mm的碳纤维增强聚醚醚酮经过抛光处理后，依次用丙酮和去离子水超声 清洗干净，每次30min，清洗后置于80℃烘箱中烘干并妥善保存。采用等离子体浸没离子注 入技术，将钽离子注入碳纤维增强聚醚醚酮基体，注入改性后的碳纤维增强聚醚醚酮材料妥 善保存，其具体的工艺参数见表5所示：

表5 钽离子注入参数：

注入电压(kV) 15 注入脉宽(μs) 450 注入时间(min) 120 本底真空(Pa) 5×10^-3阴极触发脉宽(μs) 500 频率(Hz) 7

实施例6

采用XPS分析技术表征经上述实施例1、2和3改性处理所得聚醚醚酮材料表面Ta元素分 布情况。测试条件为3.96nm/min刻蚀速度，测试深度为100nm，与力学测试深度相对应；

图3是经上述实施例改性处理得到的聚醚醚酮材料表面Ta元素深度分布图，其中：Ta-1表 示经实施例1改性处理得到的样品，Ta-2表示经实施例2改性处理得到的样品，Ta-3表示经 实施例3改性处理得到的样品。由图3可见：经本发明改性方法处理得到的聚醚醚酮材料表 面Ta具有一个连续的分布；高电压长时间注入改性下Ta的注入深度更深，改性层更厚；相 同深度下，高电压长时间注入改性得到的改性样中Ta的含量更高。

实施例7

采用纳米压痕技术评估经上述实施例1、2和3改性处理所得聚醚醚酮材料表面力学性能， 主要测试其表面弹性模量和纳米硬度的指标。对经上述实施例改性处理得到的聚醚醚酮材料 进行纳米硬度测试：利用纳米压痕仪（美国美特斯工艺系统有限公司），用连续硬度测试法 对材料进行纳米硬度测试，三角金刚锥压头在荷载力的推动下在材料表面压入深度为 100nm，电脑软件同时记录相应的数据。样品的弹性模量和硬度值通过测量样品五个不同区 域获得；

图4和图5分别是经上述实施例改性处理得到的聚醚醚酮材料表面弹性模量与深度关系图和 表面纳米硬度与深度关系图，其中：PEEK表示未改性样品，Ta-1表示经实施例1改性处理 得到的样品，Ta-2表示经实施例2改性处理得到的样品，Ta-3表示经实施例3改性处理得到 的样品。由图4和图5可见：经本发明的改性方法处理得到的聚醚醚酮材料相对于未改性聚 醚醚酮而言，弹性模量和纳米硬度均有所提高，其中，高电压注入改性的样品提高幅度较 大，尤其是采用实施例3处理得到的样品，表面弹性模量提升至约12GPa，接近人体皮质骨 相关性能。

实施例8

采用纳米压痕技术评估经上述实施例1、2和3改性处理所得聚醚醚酮材料表面弹性恢复能 力。具体方法如下：利用纳米压痕仪（美国美特斯工艺系统有限公司），用固定荷载法对材 料进行弹性恢复性能测试，三角金刚锥压头在荷载力1.3mN的推动下压入材料表面，荷载 力增加速度为200μN/s，保压时间为10s。电脑软件同时记录相应的数据。样品的弹性恢复 通过测量样品五个不同区域获得；

图6是经上述实施例改性处理得到的聚醚醚酮材料表面弹性恢复图，其中：PEEK表示未改 性样品，Ta-1表示经实施例1改性处理得到的样品，Ta-2表示经实施例2改性处理得到的样 品，Ta-3表示经实施例3改性处理得到的样品。由图7可见：经本发明的改性方法处理得到 的聚醚醚酮材料相对于未改性聚醚醚酮而言，弹性恢复能力均有所提高，其中，长时间注入 改性的样品提高幅度较大，尤其是采用实施例3处理得到的样品，压入深度和恢复深度均得 到显著改善，显示改性后的样品表面在力的作用下具有较强的恢复能力。

实施例9

采用三羟甲基氨基甲烷(Tris)和盐酸(HCl)溶液配制Tris-HCl缓冲溶液，在36.5℃下调节pH 值为7.4。将经本发明改性处理前后的样品浸泡于5mL上述缓冲溶液中，每隔7天取出溶液 并更换新的缓冲溶液，浸泡7、14、21和28天后，采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP- OES，Vista AX，Varian，USA)测试溶液中的钽离子浓度。钽元素的释放量如表6所示，其 中：Ta-1表示经实施例1改性处理得到的样品，Ta-2表示经实施例2改性处理得到的样品， Ta-3表示经实施例3改性处理得到的样品；

表6 钽元素释放量

表注：未能检出表示含量低于0.002ppm

由表6可见，Ta元素注入至聚醚醚酮材料中后，释放量极少，表明Ta离子注入改性聚醚醚 酮具有较强的稳定性和生物安全性。

实施例10

采用MC3T3-E1细胞体外培养实验评估经上述实施例1、2和3改性处理所得聚醚醚酮材料 的细胞相容性。利用AlamarBlue^TM(AbD serotec Ltd，UK)试剂盒检测细胞在材料表面的增殖 情况。方法如下：

1）将使用75%乙醇灭菌的样品放入24孔培养板中，每孔滴加1mL密度为5×10⁴cell/mL  MC3T3-E1细胞悬液；

2）将细胞培养板放入5%CO₂饱和湿度的细胞培养箱中36.5℃孵化18h；

3）吸去细胞培养液，用PBS清洗样品表面后，将样品移至新的24孔板内，放入培养箱中 继续培养；

4）细胞培养1、4和7天后，吸去原培养液，加入含有10%AlamarBlue^TM染液的新培养液， 将培养板置于培养箱中培养4h后，从每孔取出100μL培养液放入96孔板中；

5）利用酶标仪(BIO-TEK，ELX800)测量各孔在570nm和600nm波长下的吸光度值。按照 以下公式计算AlamarBlue^TM被细胞还原的百分率：

公式：

$\frac{{117216\times A}^{\lambda 1}-{80586\times A}^{\lambda 2}}{{155677\times A}^{\prime \lambda 2}-{14652\times A}^{\prime \lambda 1}}\times 100\%$

其中：A为吸光度值，A′为阴性对照孔的吸光度值，λ₁=570nm，λ₂=600nm；

图7是经上述实施例1、2和3改性处理得到的聚醚醚酮与未改性聚醚醚酮细胞增殖实验统 计结果，图中：PEEK表示未改性聚醚醚酮，Ta-1表示Ta-1样品，Ta-2表示Ta-2样品，Ta- 3表示Ta-3样品。由图7可见：MC3T3-E1细胞在经上述实施例1、2和3改性处理得到的 聚醚醚酮材料表面增殖情况明显好于未改性样，同时，长时间高电压注入钽有利于细胞在聚 醚醚酮表面增殖。

实施例11

采用大鼠骨髓间充质干细胞(bMSC)体外培养实验评估经上述实施例1、2和3改性处理所得 聚醚醚酮材料的干细胞细胞相容性。利用AlamarBlue^TM(AbD serotec Ltd，UK)试剂盒检测细 胞在材料表面的增殖情况。方法如下：

1）将使用75%乙醇灭菌的样品放入24孔培养板中，每孔滴加1mL密度为2.5×10⁴cell/mL  bMSC细胞悬液；

2）将细胞培养板放入5%CO₂饱和湿度的细胞培养箱中36.5℃孵化18h；

3）吸去细胞培养液，用PBS清洗样品表面后，将样品移至新的24孔板内，放入培养箱中 继续培养；

4）细胞培养1、4和7天后，吸去原培养液，加入含有5%AlamarBlue^TM染液的新培养液， 将培养板置于培养箱中培养4h后，从每孔取出100μL培养液放入96孔板中；

5）利用酶标仪(BIO-TEK，ELX800)测量各孔在570nm和600nm波长下的吸光度值。按照 以下公式计算AlamarBlue^TM被细胞还原的百分率：

公式：

$\frac{{117216\times A}^{\lambda 1}-{80586\times A}^{\lambda 2}}{{155677\times A}^{\prime \lambda 2}-{14652\times A}^{\prime \lambda 1}}\times 100\%$

其中：A为吸光度值，A′为阴性对照孔的吸光度值，λ₁=570nm，λ₂=600nm；

图8是经上述实施例1、2和3改性处理得到的聚醚醚酮与未改性聚醚醚酮细胞增殖实验统 计结果，图中：PEEK表示未改性聚醚醚酮，Ta-1表示Ta-1样品，Ta-2表示Ta-2样品，Ta- 3表示Ta-3样品。由图8可见：bMSC细胞在经上述实施例1、2和3改性处理得到的聚醚 醚酮材料表面增殖情况明显好于未改性样，同时，高电压注入钽有利于bMSC细胞在聚醚醚 酮表面增殖。

实施例12

采用大鼠骨髓间充质干细胞(bMSC)体外实验评估经上述实施例1、2和3改性处理所得聚醚 醚酮材料的干细胞碱性磷酸酶(ALP)蛋白表达情况，方法如下：

1）将使用75%乙醇灭菌的样品放入24孔培养板中，7天样品每孔滴加1mL密度为 1×10⁴cell/mL bMSC细胞悬液，14天样品每孔滴加1mL密度为0.5×10⁴cell/mL bMSC细胞悬 液；

2）将细胞培养板放入5%CO₂饱和湿度的细胞培养箱中36.5℃培养；每隔3天换液；

3）细胞培养7天和14天后，吸去原培养液，PBS清洗两遍后，使用裂解液裂解细胞，过程 持续40min。ALP定量分析采用含有磷酸对硝基苯酯(p-nitrophenyl phosphate，pNPP， Sigma,USA)的培养基，将裂解液、pNPP和缓冲液混合液在36.5℃和5%CO₂气氛培养箱中 培养30min，在405nm吸收波长下测量溶液OD值，用于分析样品表面细胞的ALP活性。 使用蛋白测定装置(Bio-Rad,USA)计算总蛋白含量，在570nm波长下进行标准化；

图9是经上述实施例1、2和3改性处理得到的聚醚醚酮与未改性聚醚醚酮ALP表达实验统 计结果，图中：PEEK表示未改性聚醚醚酮，Ta-1表示Ta-1样品，Ta-2表示Ta-2样品，Ta- 3表示Ta-3样品。由图9可见：7天时bMSC细胞在经上述实施例1、2和3改性处理得到 的聚醚醚酮材料表面ALP表达情况明显好于未改性样，同时Ta-2好于Ta-1和Ta-3；14天 时bMSC细胞在经上述实施例1和3改性处理得到的聚醚醚酮材料表面ALP表达情况明显 好于未改性样，bMSC细胞在经实施例2改性处理得到的聚醚醚酮材料表面ALP表达与未 改性样基本相同。

实施例13

采用大鼠骨髓间充质干细胞(bMSC)体外实验评估经上述实施例1、2和3改性处理所得聚醚 醚酮材料的干细胞胶原(COI)蛋白表达情况，方法如下：

1）将使用75%乙醇灭菌的样品放入24孔培养板中，7天样品每孔滴加1mL密度为 1×10⁴cell/mL bMSC细胞悬液，14天样品每孔滴加1mL密度为0.5×10⁴cell/mL bMSC细胞悬 液；

2）将细胞培养板放入5%CO₂饱和湿度的细胞培养箱中36.5℃培养；每隔3天换液；

3）细胞培养7天和14天后，吸去原培养液，PBS清洗3遍；

4）用4%多聚甲醛固定样品20min；

5）PBS清洗3遍后，用溶解在饱和苦味酸中的0.1%天狼星红对细胞分泌的胶原进行染色， 染色过程持续18h；

6）染色后用0.1M的乙酸反复漂洗试样直至无红颜色析出为止，使用显微镜照相获取染色结 果；

7）为进行定量比较，每孔加入0.5mL洗脱液(0.2M氢氧化钠和甲醇以1：1比例配置)，振 荡15min将试样表面染料洗脱，在492nm测试其吸光度值；

图10是经上述实施例1、2和3改性处理得到的聚醚醚酮与未改性聚醚醚酮COI表达实验 统计结果，图中：PEEK表示未改性聚醚醚酮，Ta-1表示Ta-1样品，Ta-2表示Ta-2样品， Ta-3表示Ta-3样品。由图10可见：7天时bMSC细胞在经上述实施例1、2和3改性处理 得到的聚醚醚酮材料表面COI表达情况明显好于未改性样；14天时bMSC细胞在经上述实 施例1、2和3改性处理得到的聚醚醚酮材料表面COI表达情况明显好于未改性样，其中 Ta-1好于Ta-2和Ta-3。

实施例14

采用大鼠骨髓间充质干细胞(bMSC)体外实验评估经上述实施例1、2和3改性处理所得聚醚 醚酮材料的干细胞细胞外基质(ECM)蛋白表达情况，方法如下：

1）将使用75%乙醇灭菌的样品放入24孔培养板中，7天样品每孔滴加1mL密度为 1×10⁴cell/mL bMSC细胞悬液，14天样品每孔滴加1mL密度为0.5×10⁴cell/mL bMSC细胞悬 液；

2）将细胞培养板放入5%CO₂饱和湿度的细胞培养箱中36.5℃培养；每隔3天换液；

3）细胞培养7天和14天后，吸去原培养液，PBS清洗3遍；

4）用75%酒精固定样品60min；

5）用40mM的茜素红(pH=4.2)对细胞进行染色，染色过程持续10min；

6）染色后用蒸馏水反复漂洗试样直至无红颜色析出为止，使用显微镜照相获取染色结果；

7）为进行定量比较，每孔加入0.5mL洗脱液(10%氯化十六烷基吡啶，溶剂为pH=7的磷酸 钠)，振荡15min将试样表面染料洗脱，在600nm测试其吸光度值；

图11是经上述实施例1、2和3改性处理得到的聚醚醚酮与未改性聚醚醚酮ECM表达实验 统计结果，图中：PEEK表示未改性聚醚醚酮，Ta-1表示Ta-1样品，Ta-2表示Ta-2样品， Ta-3表示Ta-3样品。由图11可见：7天时bMSC细胞在经上述实施例1、2和3改性处理 得到的聚醚醚酮材料表面ECM表达情况明显好于未改性样，同时Ta-2好于Ta-1和Ta-3； 14天时bMSC细胞在经上述实施例1、2和3改性处理得到的聚醚醚酮材料表面ECM表达 情况明显好于未改性样，其中，Ta-1好于Ta-2和Ta-3。

产业应用性：本发明的方法简单易控，经过本发明改性处理得到的聚醚醚酮材料， 其生物相容性、骨整合性质和表面力学性能得到显著提高，可满足医用聚醚醚酮所需的性能 要求。