本發(fā)明涉及一種聚醚醚酮材料及基于等離子體浸沒注入的改性方法與應(yīng)用，屬于生物醫(yī)用材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

骨科材料植入是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中用于目前臨床治療骨缺損病患的常見方法，其最大優(yōu)點(diǎn)在于避免了自體骨移植對(duì)病人造成的二次傷害及異體骨移植所帶來的病毒感染風(fēng)險(xiǎn)和嚴(yán)重免疫排斥反應(yīng)。在已應(yīng)用于臨床的諸多骨科植入材料中，醫(yī)用鈦合金因其優(yōu)異的耐腐蝕性及對(duì)成骨細(xì)胞和組織的相容性而最為廣泛使用(Niinomi M.Mechanical biocompatibilities of titanium alloys for biomedical applications.Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 2008；1:30-42)。然而醫(yī)用鈦合金的彈性模量(55～120GPa)比人體皮質(zhì)骨(17GPa)高出了2～6倍，這也導(dǎo)致了它在植入骨缺損部位后會(huì)由于對(duì)毗鄰骨組織的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)(stress shielding effect)而不利于植入物與骨組織界面附近的新骨生長。為了解決金屬植入物的應(yīng)力屏蔽問題，彈性模量與人體骨組織接近的聚醚醚酮(polyetheretherketone，簡(jiǎn)稱PEEK)醫(yī)用高分子材料脫穎而出(彈性模量5～8GPa)，其高分子鏈中同時(shí)具有剛性的芳香酮結(jié)構(gòu)和柔性的醚鍵，使得該聚合物剛性與韌性兼?zhèn)洳⑷〉闷胶?。PEEK作為骨科植入材料，如果通過與活性物質(zhì)(羥基磷灰石等)共混來改性(Yu S,Hariram KP,Kumar R,Cheang P,Aik KK.In vitro apatite formation and its growth kinetics on hydroxyapatite polyetheretherketone biocomposites.Biomaterials 2005；26:2343-2352；Wong KL,Wong CT,Liu WC,Pan HB,Fong MK,Lam WM,Cheung WL,Tang WM,Chiu KY,Luk KD,Lu WW.Mechanical properties and in vitro response of strontium-containing hydroxyapatite/polyetheretherketone composites.Biomaterials 2009；30:3810-3817)，其力學(xué)性能發(fā)生改變后往往導(dǎo)致其與相鄰骨組織不匹配，而對(duì)PEEK進(jìn)行表面改性修飾則能有效地避免此類問題。

所謂表面改性，是指只改變?cè)嚇颖砻嫘再|(zhì)而不影響基底材料的特殊樣品處理方法。PEEK在生理環(huán)境中非常穩(wěn)定，其在植入人體后與周圍組織接觸作用的僅是表面很小的厚度范圍，對(duì)PEEK試樣進(jìn)行表面改性修飾不僅有效可行，其本身令人滿意的力學(xué)性能也將在很大程度上得以保留。在材料表面改性的諸多方法中，等離子體浸沒離子注入沉積(plasma immersion ion implantation，簡(jiǎn)稱PIII)是一種將等離子體浸沒和離子注入結(jié)合使用的表面改性技術(shù)(Chu PK.Recent developments and applications of plasma immersion ion implantation(PIII).Journal of Vacuum Science&Technology B 2004；22:289-296)，具有自己的特色之處：PIII處理試樣過程中，樣品首先浸沒在等離子體的氛圍中，然后通過脈沖負(fù)偏壓對(duì)樣品表面進(jìn)行間歇式的離子注入改性。通過選擇特定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，PIII在離子注入的過程中還可以同時(shí)具有沉積的作用(PIII&D)。

目前國內(nèi)外對(duì)于骨科植入材料的表面改性研究，大體可以分為化學(xué)改性和形貌改性兩個(gè)方面，這兩方面的作用各有側(cè)重，卻又能夠協(xié)同作用、相輔相成。針對(duì)如何以表面改性方式提高PEEK的成骨相容性，學(xué)者們進(jìn)行了多方面的嘗試性研究：Zhao等通過濃硫酸浸泡處理在PEEK試樣表面制得磺基化的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)證明經(jīng)丙酮徹底清洗后的表面磺基化PEEK試樣的生物活性、成骨細(xì)胞相容性及動(dòng)物體內(nèi)的骨結(jié)合情況都得到了明顯改善(Zhao Y,Wong HM,Wang W,Li P,Xu Z,Chong EY,Yan CH,Yeung KW,Chu PK.Cytocompatibility,osseointegration,and bioactivity of three-dimensional porous and nanostructured network on polyetheretherketone.Biomaterials 2013；34:9264-9277)；Kyomoto等通過光誘導(dǎo)方法在PEEK表面接枝poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine)(簡(jiǎn)稱PMPC)，各種測(cè)試結(jié)果顯示PMPC修飾的PEEK作為骨科軸承的界面耐磨性獲得了顯著增強(qiáng)(Kyomoto M,Moro T,Yamane S,Hashimoto M,Takatori Y,Ishihara K.Poly(ether-ether-ketone)orthopedic bearing surface modified by self-initiated surface grafting of poly(2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholine).Biomaterials 2013；34:7829-7839)；也有研究者們通過不同的技術(shù)方法在PEEK表面涂覆鈦金屬(Han CM,Lee EJ,Kim HE,Koh YH,Kim KN,Ha Y,Kuh SU.The electron beam deposition of titanium on polyetheretherketone(PEEK)and the resulting enhanced biological properties.Biomaterials 2010；31:3465-3470；Devine DM,Hahn J,Richards RG,Gruner H,Wieling R,Pearce SG.Coating of carbon fiber-reinforced polyetheretherketone implants with titanium to improve bone apposition.Journal of Biomedical Materials Research Part B:Applied Biomaterials 2013；101B:591-598)及活性羥基磷灰石涂層(Hahn BD,Park DS,Choi JJ,Ryu J,Yoon WH,Choi JH,Kim JW,Ahn CW,Kim HE,Yoon BH,Jung IK.Osteoconductive hydroxyapatite coated PEEK for spinal fusion surgery.Applied Surface Science 2013；283:6-11；Lee JH,Jang HL,Lee KM,Baek HR,Jin K,Hong KS,Noh JH,Lee HK.In vitro and in vivo evaluation of the bioactivity of hydroxyapatite-coated polyetheretherketone biocomposites created by cold spray technology.Acta Biomaterialia 2013；9:6177-6187)，不同涂層對(duì)PEEK試樣的成骨性能也都有所提高。

現(xiàn)有的表面改性技術(shù)也存在諸多缺陷：濕法化學(xué)表面改性和光誘導(dǎo)表面接枝方法都因?yàn)槭褂昧擞袡C(jī)試劑而需要徹底地清洗純化，操作過程相對(duì)復(fù)雜繁瑣；PEEK表面涂覆功能性涂層操作簡(jiǎn)便，然而金屬和無機(jī)涂層都與高分子基的PEEK性質(zhì)差異顯著，涂層與基底材料之間可能存在著結(jié)合不夠緊密的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種聚醚醚酮材料及基于等離子體浸沒注入的改性方法與應(yīng)用。本發(fā)明的改性方法在不降低主體材料優(yōu)異的力學(xué)性能的同時(shí)能夠極大地提高聚醚醚酮材料表面的生物活性，使其具有優(yōu)異的生物相容性。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明首先提供了一種基于等離子體浸沒離子注入技術(shù)的聚醚醚酮材料改性方法，其包括以下步驟：

通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)在聚醚醚酮材料的表面沉積類金剛石薄膜、或者通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)在聚醚醚酮材料的表面沉積類金剛石薄膜并引入含氮活性官能團(tuán)，得到表面改性后的聚醚醚酮材料。

在上述方法中，優(yōu)選地，通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)在聚醚醚酮材料的表面沉積類金剛石薄膜是通過注入含乙炔的氣體實(shí)現(xiàn)的。

在上述方法中，優(yōu)選地，通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)在聚醚醚酮材料的表面沉積類金剛石薄膜并引入含氮活性官能團(tuán)是通過注入含乙炔的氣體、以及注入氨氣實(shí)現(xiàn)的。

在上述方法中，優(yōu)選地，通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)注入含乙炔的氣體時(shí)以及注入氨氣時(shí)，所使用的樣品盤是帶負(fù)高壓的，這樣可以把帶正電的離子加速吸引到樣品表面。

在上述方法中，優(yōu)選地，通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)注入含乙炔的氣體的工藝參數(shù)包括：本底真空度為1×10^-3～5×10^-3Pa，占空比為0.3％～0.7％，含乙炔的氣體中乙炔的引入流量為20～100SCCM(standard cubic centimeter per minute，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)毫升/分)，注入電壓為10～30kV，注入脈寬為20～200微秒，注入脈沖頻率為10～100Hz，射頻功率為50～500W，注入時(shí)間為30～180分鐘。

在上述方法中，優(yōu)選地，通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)注入氨氣的工藝參數(shù)包括：本底真空度為1×10^-3～5×10^-3Pa，占空比為0.1％～0.5％，氨氣的引入流量為20～100SCCM，注入電壓為10～30kV，注入脈寬為20～200微秒，注入脈沖頻率為10～100Hz，射頻功率為50～500W，注入時(shí)間為30～180分鐘。

在上述方法中，更優(yōu)選地，通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)注入氨氣的工藝參數(shù)中的注入脈寬為20～100微秒，注入時(shí)間為60～120分鐘。

在上述方法中，進(jìn)一步優(yōu)選地，通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)注入氨氣的工藝參數(shù)包括：本底真空度為3×10^-3Pa，占空比為0.25％，氨氣的引入流量為50SCCM，注入電壓為12kV，注入脈寬為50微秒，注入脈沖頻率為50Hz，射頻功率為200W，注入時(shí)間為120分鐘。

在上述方法中，優(yōu)選地，通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)在聚醚醚酮材料的表面沉積類金剛石薄膜并引入含氮活性官能團(tuán)是通過先注入含乙炔的氣體、再注入氨氣實(shí)現(xiàn)的。

在上述方法中，優(yōu)選地，所述含乙炔的氣體為乙炔與氬氣的混合氣體。更優(yōu)選地，乙炔與氬氣的引入流量比為100:10～20:10SCCM。

在上述方法中，優(yōu)選地，所采用的聚醚醚酮材料為純聚醚醚酮材料和/或碳纖維加強(qiáng)型聚醚醚酮材料等。

在上述方法中，優(yōu)選地，當(dāng)采用純聚醚醚酮材料進(jìn)行改性時(shí)，得到的表面改性后的聚醚醚酮材料的表面靜態(tài)接觸角下降5～20°。

在上述方法中，優(yōu)選地，所述類金剛石薄膜的厚度為800nm～2000nm。

在上述方法中，優(yōu)選地，所述含氮活性官能團(tuán)包括-NH₂和/或＝NH。更優(yōu)選地，表面改性后的聚醚醚酮材料表面的N原子的含量為20～200pmol/mm²(以聚醚醚酮材料的表面積為基準(zhǔn))，其中，pmol即picomole，皮摩爾。

作為一種經(jīng)FDA測(cè)試認(rèn)可的醫(yī)用植入材料，聚醚醚酮不僅質(zhì)輕、生物穩(wěn)定性好且無生物毒性，更重要的是其彈性模量(5～8GPa)比金屬骨科植入材料更接近人體骨骼，并且在植入體內(nèi)后可被X射線透過、核磁共振成像和計(jì)算機(jī)斷層掃描不會(huì)產(chǎn)生偽影等諸多生物醫(yī)用優(yōu)點(diǎn)。但是，PEEK是一種惰性的生物材料，生物相容性的不足導(dǎo)致其在植入后與相鄰骨組織的結(jié)合(Osseointegration)不夠充分而需要二次手術(shù)進(jìn)行修正。

針對(duì)聚醚醚酮的這個(gè)缺陷，本發(fā)明使用等離子體浸沒離子注入(Plasma immersion ion implantation，簡(jiǎn)稱PIII)技術(shù)在聚醚醚酮的表面進(jìn)行氣體等離子注入，即以氣體作為陰極注入，得到了表面功能化的聚醚醚酮材料。

本發(fā)明的一技術(shù)方案是利用等離子體浸沒離子注入技術(shù)在聚醚醚酮材料的表面沉積類金剛石(Diamond-like carbon，簡(jiǎn)稱DLC)薄膜。本發(fā)明通過含乙炔的氣體的注入，在聚醚醚酮表面沉積一層均勻致密的類金剛石薄膜，類金剛石薄膜具有優(yōu)異的生物相容性，對(duì)血小板的吸附率低，但對(duì)蛋白質(zhì)的吸附率高，進(jìn)而減少血液的凝固，使生物體的組織和植入生物體的人工材料和平相處。同時(shí)，都為碳基材料的DLC層與PEEK的性質(zhì)的差異并不顯著；PEEK表面的DLC層通過注入和沉積的協(xié)同作用而構(gòu)建，其于基底材料表面形成的一定厚度的漸變層(gradual interlayer)得以確保DLC與PEEK之間結(jié)合緊密。

本發(fā)明的另一技術(shù)方案是利用等離子體浸沒離子注入技術(shù)在聚醚醚酮材料的表面沉積類金剛石薄膜并引入含氮活性官能團(tuán)。本發(fā)明通過氨氣的注入，在聚醚醚酮表面形成含氮的官能團(tuán)，主要包括-NH₂和/或＝NH，由于氨基(-NH₂)和亞氨基(＝NH)在生理環(huán)境中會(huì)結(jié)合游離的H+而呈弱堿性，而成骨細(xì)胞培養(yǎng)的最佳pH條件為弱堿性(pH＝8)，而并非pH＝7.4的生理環(huán)境(Shen YH,Liu WC,Wen CY,Pan HB,Wang T,Darvell BW,Lu WW,Huang WH.Bone regeneration:importance of local pH-strontium-doped borosilicate scaffold.Journal of Materials Chemistry 2012；22:8662-8670)，達(dá)到了提高成骨分化的效果。該技術(shù)方案通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)對(duì)聚醚醚酮材料的表面進(jìn)行了形貌和化學(xué)的雙重改性，活化了其表面，進(jìn)而提高了醫(yī)用植入材料聚醚醚酮的生物活性和成骨性能，提高了骨植入材料的治療效果，同時(shí)有利于新骨生成，讓有遠(yuǎn)期生存可能的患者椎體盡可能長期穩(wěn)定，并且在提高生物相容性的同時(shí)仍能保持材料良好的力學(xué)性能。

本發(fā)明采用PIII來對(duì)高分子PEEK材料進(jìn)行表面改性，具備以下優(yōu)點(diǎn)：

①PIII中的離子注入過程是全方位的，即使是形態(tài)復(fù)雜的試樣也可以均勻地進(jìn)行表面處理，等離子體浸沒離子注入消除了傳統(tǒng)束線離子注入的“視線限制”，克服了保持劑量問題；

②PIII可以在不改變材料原始形態(tài)的情況下對(duì)其進(jìn)行表面改性，所注入的離子在材料表層顯示了良好的附著特性，并且可同時(shí)對(duì)樣品進(jìn)行批量處理，使注入變得簡(jiǎn)單和價(jià)廉；

③DLC薄膜引入聚醚醚酮材料的表面，血小板的吸附率低，但對(duì)蛋白質(zhì)的吸附率高，進(jìn)而減少血液的凝固，使生物體的組織和植入生物體的人工材料和平相處；

④在聚醚醚酮材料的表面接枝上含氮活性掛能團(tuán)，獲得了成骨能力更優(yōu)異的醫(yī)用植入材料；

⑤操作簡(jiǎn)便，一步或兩步到位，沒有污染物，后續(xù)清洗程序簡(jiǎn)單，更利于其在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用。

此外，本發(fā)明還提供了一種表面改性后的聚醚醚酮材料，其是通過上述的基于等離子體浸沒離子注入技術(shù)的聚醚醚酮材料改性方法制備得到的，該表面改性后的聚醚醚酮材料的表面沉積有類金剛石薄膜，或者沉積有類金剛石薄膜并具有含氮活性官能團(tuán)。

在上述表面改性后的聚醚醚酮材料中，優(yōu)選地，所述類金剛石薄膜的厚度為800nm～2000nm。

在上述表面改性后的聚醚醚酮材料中，優(yōu)選地，所述含氮活性官能團(tuán)包括-NH₂和/或＝NH。更優(yōu)選地，表面改性后的聚醚醚酮材料表面的N原子的含量為20～200pmol/mm²(以聚醚醚酮材料的表面積為基準(zhǔn))，其中，pmol即picomole，皮摩爾。

本發(fā)明通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)在聚醚醚酮材料的表面沉積類金剛石薄膜，或沉積類金剛石薄膜之后再化學(xué)接枝上活性含氮官能團(tuán)，獲得了表面改性后的聚醚醚酮材料，其可以作為醫(yī)用植入材料，具有優(yōu)異的生物相容性。本發(fā)明達(dá)到了不降低主體材料優(yōu)異的力學(xué)性能的同時(shí)極大提高聚醚醚酮表面的生物活性，使其在修復(fù)骨缺損的同時(shí)也促進(jìn)新骨再生功能的效果。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)，經(jīng)過本發(fā)明改性的方法處理得到的聚醚醚酮材料具有較好的細(xì)胞相容性，人的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在改性表面增殖數(shù)倍于未改性表面，同時(shí)雙重改性的表面(即沉積類金剛石薄膜之后再化學(xué)接枝上活性含氮官能團(tuán)的聚醚醚酮表面，下同)優(yōu)異于單一改性的表面(即僅沉積類金剛石薄膜的聚醚醚酮表面，下同)，另外雙重改性的表面成骨分化明顯優(yōu)異于單一改性的表面和未改性的表面。因此，這種改性后的植入材料能滿足醫(yī)用所需的生物相容性和成骨分化要求，能夠達(dá)到骨植入材料的治療效果，同時(shí)有利于新骨生成，讓有遠(yuǎn)期生存可能的患者椎體能長期穩(wěn)定。本發(fā)明提供的基于等離子體浸沒離子注入技術(shù)的表面改性方法的工藝簡(jiǎn)單，成本低，可批量生產(chǎn)，利于工業(yè)生產(chǎn)。

另外，本發(fā)明還提供了上述的表面改性后的聚醚醚酮材料在制備醫(yī)用再生材料、功能性材料、生物活性材料等領(lǐng)域中的應(yīng)用。

本發(fā)明通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)在聚醚醚酮材料的表面沉積類金剛石薄膜，或沉積類金剛石薄膜之后再化學(xué)接枝上活性含氮官能團(tuán)，獲得了表面改性后的聚醚醚酮材料。本發(fā)明達(dá)到了不降低主體材料優(yōu)異的力學(xué)性能的同時(shí)極大提高聚醚醚酮表面的生物活性，使其在修復(fù)骨缺損的同時(shí)也促進(jìn)新骨再生功能的效果。因此，這種改性后的聚醚醚酮材料具有廣闊的應(yīng)用前景，可以作為醫(yī)用植入材料，具有優(yōu)異的生物相容性。本發(fā)明提供的基于等離子體浸沒離子注入技術(shù)的表面改性方法工藝簡(jiǎn)單，成本低，可批量生產(chǎn)，利于工業(yè)生產(chǎn)。本發(fā)明提供的改性方法不僅適用于純聚醚醚酮材料，還適用于碳纖維加強(qiáng)型聚醚醚酮材料或者其他同類型材料。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1-11中的樣品制備及測(cè)試路線圖。

圖2是實(shí)施例1中的經(jīng)等離子體浸沒離子注入技術(shù)處理得到的單一改性的聚醚醚酮材料表面的拉曼光譜圖。

圖3是實(shí)施例1和2中的改性處理前后的聚醚醚酮材料表面的XPS全譜譜圖。

圖4是實(shí)施例1和2中的改性處理前后的聚醚醚酮材料表面在加載力為10N下的摩擦系數(shù)曲線。

圖5a是實(shí)施例1中的單一改性的聚醚醚酮材料表面在加載壓強(qiáng)1Gpa下的掃描電鏡圖。

圖5b是實(shí)施例2中的雙重改性的聚醚醚酮材料表面在加載壓強(qiáng)1Gpa下的掃描電鏡圖。

圖6是實(shí)施例1和2中的改性處理前后的聚醚醚酮材料表面靜態(tài)接觸角實(shí)驗(yàn)圖。

圖7是實(shí)施例1和2中的改性處理前后的聚醚醚酮材料表面體外細(xì)胞培養(yǎng)增殖活性測(cè)定結(jié)果圖。

圖8a是未改性的聚醚醚酮材料表面體外細(xì)胞培養(yǎng)粘附掃描圖。

圖8b是實(shí)施例1中的單一改性的聚醚醚酮材料表面體外細(xì)胞培養(yǎng)粘附掃描圖。

圖8c是實(shí)施例2中的雙重改性的聚醚醚酮材料表面體外細(xì)胞培養(yǎng)粘附掃描圖。

圖9是實(shí)施例1和2中的改性處理前后的聚醚醚酮材料表面體外細(xì)胞培養(yǎng)的堿性磷酸酶活性測(cè)定圖。

圖10是實(shí)施例1和2中的改性處理前后的聚醚醚酮材料表面體外細(xì)胞培養(yǎng)的21天礦化的鈣鹽沉積量測(cè)定結(jié)果圖。

圖11a是實(shí)施例1和2中的改性處理前后的聚醚醚酮材料表面體外細(xì)胞培養(yǎng)的細(xì)胞外礦化基質(zhì)成骨蛋白OCN分泌測(cè)試結(jié)果圖。

圖11b是實(shí)施例1和2中的改性處理前后的聚醚醚酮材料表面體外細(xì)胞培養(yǎng)的細(xì)胞外礦化基質(zhì)成骨蛋白OPN分泌測(cè)試結(jié)果圖。

圖12a是實(shí)施例1和2中的改性處理前后的聚醚醚酮材料表面體外細(xì)胞培養(yǎng)的成骨基因ALP的相對(duì)表達(dá)量測(cè)定結(jié)果圖。

圖12b是實(shí)施例1和2中的改性處理前后的聚醚醚酮材料表面體外細(xì)胞培養(yǎng)的成骨基因OPN的相對(duì)表達(dá)量測(cè)定結(jié)果圖。

圖12c是實(shí)施例1和2中的改性處理前后的聚醚醚酮材料表面體外細(xì)胞培養(yǎng)的成骨基因OCN的相對(duì)表達(dá)量測(cè)定結(jié)果圖。

圖12d是實(shí)施例1和2中的改性處理前后的聚醚醚酮材料表面體外細(xì)胞培養(yǎng)的成骨基因BSP的相對(duì)表達(dá)量測(cè)定結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

通過以下具體實(shí)施方式并參照附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解為，以下實(shí)施方式僅為對(duì)本發(fā)明的說明，不是對(duì)本發(fā)明內(nèi)容的限制，任何對(duì)本發(fā)明內(nèi)容未作實(shí)質(zhì)性變更的技術(shù)方案仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有醫(yī)用聚醚醚酮材料存在的生物相容性不佳和骨結(jié)合能力差等問題，提供了一種聚醚醚酮材料的表面改性方法，創(chuàng)新性地提出了在聚醚醚酮表面進(jìn)行一步或兩步等離子體浸沒離子注入技術(shù)處理，經(jīng)過本發(fā)明改性處理得到的聚醚醚酮材料，其表面生物相容性、成骨分化能力得到顯著提高。體外細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)證實(shí)，經(jīng)過本發(fā)明改性處理得到的聚醚醚酮材料表面骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞增殖明顯好于未改性的聚醚醚酮材料。

本發(fā)明提供了一種基于等離子體浸沒離子注入技術(shù)的聚醚醚酮材料改性方法，其包括以下步驟：

通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)在聚醚醚酮材料的表面沉積類金剛石薄膜、或者通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)在聚醚醚酮材料的表面沉積類金剛石薄膜并引入含氮活性官能團(tuán)，得到表面改性后的聚醚醚酮材料。

本發(fā)明采用等離子體浸沒離子注入技術(shù)在聚醚醚酮材料表面沉積類金剛石薄膜，進(jìn)行形貌改性，以提高聚醚醚酮材料的機(jī)械性能。作為優(yōu)選的實(shí)施方式，本發(fā)明進(jìn)一步采用等離子體浸沒離子注入技術(shù)在聚醚醚酮材料表面引入含氮活性官能團(tuán)，進(jìn)行化學(xué)改性，賦予材料一定的生物活性。

在本發(fā)明的優(yōu)選具體實(shí)施方式中，沉積類金剛石薄膜的工藝參數(shù)包括：通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)注入含乙炔的氣體，本底真空度為1×10^-3～5×10^-3Pa，占空比為0.3％～0.7％，含乙炔的氣體中乙炔的引入流量為20～100SCCM(含乙炔的氣體優(yōu)選為乙炔(C₂H₂)和氬氣(Ar)的混合氣體，并且乙炔與氬氣的引入流量比為100:10～20:10SCCM)，注入電壓為10～30kV，注入脈寬為20～200微秒，注入脈沖頻率為10～100Hz，射頻功率為50～500W，注入時(shí)間為30～180分鐘。

在本發(fā)明的優(yōu)選具體實(shí)施方式中，引入含氮活性官能團(tuán)的工藝參數(shù)包括：通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)注入氨氣，本底真空度為1×10^-3～5×10^-3Pa，占空比為0.1％～0.5％，氨氣的引入流量為20～100SCCM，注入電壓為10～30kV，注入脈寬為20～200微秒，注入脈沖頻率為10～100Hz，射頻功率為50～500W，注入時(shí)間為30～180分鐘。更優(yōu)選地，通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)注入氨氣的注入脈寬為20～100微秒，注入時(shí)間為60～120分鐘。進(jìn)一步優(yōu)選地，通過等離子體浸沒離子注入技術(shù)注入氨氣的工藝參數(shù)為：本底真空度為3×10^-3Pa，占空比為0.25％，氨氣的引入流量為50SCCM，注入電壓為12kV，注入脈寬為50微秒，注入脈沖頻率為50Hz，射頻功率為200W，注入時(shí)間為120分鐘。

本發(fā)明提供的改性方法不僅適用于純聚醚醚酮材料，還可對(duì)不同的植入材料進(jìn)行表面等離子體浸沒注入功能活化處理，比如碳纖維加強(qiáng)型聚醚醚酮材料或者其他同類型材料。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：與現(xiàn)有技術(shù)相比，經(jīng)過本發(fā)明改性方法處理得到的聚醚醚酮材料，生物活性和成骨性能有較大程度的提高。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，經(jīng)過本發(fā)明改性方法處理得到的聚醚醚酮材料具有較好的生物活性和促進(jìn)干細(xì)胞成骨分化的能力。經(jīng)過本發(fā)明的雙重改性處理得到的聚醚醚酮材料表面人骨髓基質(zhì)干細(xì)胞(hBMSCs)增殖、堿性磷酸酶(ALP)活性、成骨基因表達(dá)量、細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)蛋白分泌、礦化鈣鹽沉積量明顯高于單一改性樣品和未改性樣品，可滿足醫(yī)用聚醚醚酮所需的性能要求。

下面進(jìn)一步例舉實(shí)施例以詳細(xì)說明本發(fā)明。同樣應(yīng)理解，以下實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。下述示例具體的工藝參數(shù)等也僅是合適范圍中的一些示例，即本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過本文的說明在合適的范圍內(nèi)做選擇，而并非要限定于下文示例的具體數(shù)值。

根據(jù)圖1所示的樣品制備及測(cè)試路線圖進(jìn)行以下實(shí)施例1-11中的樣品制備及測(cè)試。

實(shí)施例1

將直徑15mm，高2mm的聚醚醚酮圓片經(jīng)打磨拋光處理后，依次用丙酮、酒精、去離子水超聲清洗干凈，每次20min，清洗后置于40℃烘箱中烘干并妥善保存。該預(yù)處理后的樣品稱為PEEK control。

采用等離子體浸沒離子注入技術(shù)，在保存好的聚醚醚酮表面沉積類金剛石薄膜，其具體的工藝參數(shù)見表1所示，所獲得的樣品稱為DLC/PEEK。

表1類金剛石薄膜沉積的工藝參數(shù)

注釋：sccm＝standard cubic centimeter per minute

對(duì)DLC/PEEK表面進(jìn)行的拉曼光譜分析，利用激光拉曼光譜儀測(cè)定DLC膜的拉曼光譜曲線，激光波長514.5nm，光譜測(cè)量范圍設(shè)定為1000～1800cm^-1，步長2cm^-1，得到圖2所示的拉曼光譜圖，橫坐標(biāo)表示吸收波長，縱坐標(biāo)表示吸收強(qiáng)度。

由圖2可知，DLC膜的Raman光譜波數(shù)呈不對(duì)稱分布，各曲線在低波數(shù)端均有一個(gè)突起程度不同的肩部，表明光譜曲線由D峰(～1343.1cm^-1)和G峰(～1556.7cm^-1)組合構(gòu)成，計(jì)算得ID/IG為0.67，證明在DLC膜內(nèi)部確實(shí)存在碳原子構(gòu)成的類似石墨的環(huán)狀鍵鏈。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，沉積在樣品表面的DLC薄膜均勻致密，拉曼光譜表征的確是DLC薄膜。

實(shí)施例2

將直徑15mm，高2mm的DLC/PEEK樣品置于不銹鋼的圓形托盤上，然后放入真空室內(nèi)抽真空，引入氬氣清洗5分鐘，保證去除樣品表面的污染物和氧化物。

采用等離子體浸沒離子注入技術(shù)，將氨氣注入到DLC/PEEK表面，其具體的工藝參數(shù)見表2所示，所獲得的樣品稱為NH₂-DLC/PEEK。

表2 DLC/PEEK表面NH₃-PIII工藝參數(shù)

注釋：sccm＝standard cubic centimeter per minute

對(duì)實(shí)施例1和2得到的單一改性及雙重改性的聚醚醚酮樣品表面進(jìn)行X射線光電子能譜(XPS)寬場(chǎng)掃描，儀器條件如下：Al Kα激發(fā)源，靶電壓和靶電流分別為15kV和10mA，真空室氣壓小于2×10^-6Pa，分析器傳輸能量為50eV，測(cè)量步長為0.1eV，濺射速度為0.2nm/s，濺射面積為2mm×2mm，得到圖3所示的XPS全譜譜圖，橫坐標(biāo)表示結(jié)合能，縱坐標(biāo)表示峰強(qiáng)；圖中：(a)為未改性聚醚醚酮，即PEEK control，(b)為單一改性處理得到的聚醚醚酮，即DLC/PEEK，(c)為雙重改性處理得到的聚醚醚酮，即NH₂-DLC/PEEK(下同)。

觀察圖3中C1s峰、O1s峰和N1s峰可知，氨基(和/或亞氨基)被成功接枝到樣品表面。C1s峰位于285eV，這可能是單質(zhì)碳，也可能是以C-H鍵存在的。O1s峰位于535eV，標(biāo)志著此處的O是以C＝O鍵或C-O鍵形式存在的。N1s峰位于400eV，標(biāo)志N-C鍵和N-H鍵以及N＝C鍵的存在。

實(shí)施例3

采用納米劃痕技術(shù)評(píng)估經(jīng)上述實(shí)施例1和2處理所得的聚醚醚酮材料表面力學(xué)性能，加載力為10N，考慮到球形摩球壓頭與樣品表面接觸面積，換算后得到加載壓強(qiáng)約為0.9～1GPa；樣品表面摩擦形成一個(gè)直徑為10mm的圓，轉(zhuǎn)速為573r/min，一共磨損了600s，換算成總的行程長度為180m。

圖4表示表面摩擦系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系，橫坐標(biāo)表示加載時(shí)間，縱坐標(biāo)表示對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)。由圖4可以看出，隨著時(shí)間的延長摩擦系數(shù)在緩慢增加。同時(shí)得到清楚直觀的劃痕表面掃描電鏡圖，即圖5a和圖5b。圖5a是實(shí)施例1中的單一改性處理后的聚醚醚酮DLC/PEEK表面在加載壓強(qiáng)1Gpa下的掃描電鏡圖，圖5b是實(shí)施例2中的雙重改性處理后的聚醚醚酮NH₂-DLC/PEEK表面在加載壓強(qiáng)1Gpa下的掃描電鏡圖。

實(shí)施例5

采用靜態(tài)水接觸角測(cè)試儀(OCA20)測(cè)試材料表面潤濕性，通過注射器將3μL超純水垂直慢速懸滴到樣品表面，使用機(jī)器自帶成像系統(tǒng)拍攝液滴照片并分析接觸角大小。每組材料3片，在每個(gè)樣品上取5個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)求平均值。

圖6是實(shí)施例1和2中的改性處理前后聚醚醚酮表面的靜態(tài)接觸角實(shí)驗(yàn)圖，橫坐標(biāo)為樣品名稱，縱坐標(biāo)為接觸角的度數(shù)。圖6顯示，經(jīng)過形貌和化學(xué)雙重改性后聚醚醚酮樣品的表面親水性得到顯著性改善，接觸角比對(duì)照組樣品和只沉積DLC薄膜的聚醚醚酮樣品都要小，由疏水結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水結(jié)構(gòu)，預(yù)示更加有利于后面細(xì)胞實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展。

實(shí)施例6

采用hBMSCs干細(xì)胞體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)評(píng)估經(jīng)上述實(shí)施例1和2改性處理所得的聚醚醚酮材料表面的細(xì)胞活性。利用CCK-8試劑盒檢測(cè)細(xì)胞在材料表面的增殖情況。方法如下：(1)將使用75vol.％乙醇滅菌的樣品放入24孔培養(yǎng)板中，每孔滴加1mL密度為1×10⁴cell/mL的hBMSCS細(xì)胞懸液；(2)將細(xì)胞培養(yǎng)板放入5vol.％CO₂飽和濕度的細(xì)胞培養(yǎng)箱中37℃培養(yǎng)；(3)細(xì)胞培養(yǎng)1、3和7天后，吸去原培養(yǎng)液，加入含有10vol.％CCK-8的新培養(yǎng)液，將培養(yǎng)板置于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4h后，從每孔取出100μL培養(yǎng)液放入96孔板中；(4)利用酶標(biāo)儀測(cè)量各孔在450nm波長下的吸光度值，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)每組試樣分別測(cè)三次，取平均值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，圖中：橫坐標(biāo)為細(xì)胞在材料表面孵育時(shí)間，縱坐標(biāo)為450nm下的吸光度；PEEK control指未改性的聚醚醚酮材料，DLC/PEEK指單一改性后的只有類金剛石薄膜沉積的聚醚醚酮材料，NH₂-DLC/PEEK指雙重改性后的聚醚醚酮材料，culture plate指沒有放入材料的陰性對(duì)照組(下同)。

圖7顯示出改性樣品無明顯細(xì)胞毒性，且可以促進(jìn)干細(xì)胞增殖，三種材料相比較，雙重改性的聚醚醚酮材料表現(xiàn)出最佳的活性。

實(shí)施例7

選用hBMSCs干細(xì)胞，采用體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)評(píng)估經(jīng)上述實(shí)施例1和2改性處理所得的聚醚醚酮材料表面的細(xì)胞相容性。利用SEM觀察材料表面細(xì)胞形貌，實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)將使用75vol.％乙醇滅菌的樣品放入24孔培養(yǎng)板中，每孔滴加1mL密度為1×10⁴cell/mL的細(xì)胞懸液；(2)將細(xì)胞培養(yǎng)板放入5vol.％CO₂飽和濕度的細(xì)胞培養(yǎng)箱中37℃孵化48h；(3)吸去細(xì)胞培養(yǎng)液，用PBS清洗樣品表面后，取出樣品，用2vol.％戊二醛在室溫下避光固定4小時(shí)，用PBS清洗三遍；(4)用梯度酒精(30vol.％、50vol.％、75vol.％、90vol.％、95vol.％和100vol.％)對(duì)已固定的細(xì)胞進(jìn)行梯度脫水處理；(5)將試樣依次置于不同配比的酒精和六甲基二硅胺烷(HMDS)的混合溶液(酒精：HMDS＝2:1、1:1、1:2(v/v)和100％HMDS)中進(jìn)行干燥，處理時(shí)間各15min。試樣噴金后用SEM觀察樣品表面的細(xì)胞形態(tài)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8a、圖8b和圖8c所示，其中，圖8a是未改性聚醚醚酮材料PEEK control表面的體外細(xì)胞培養(yǎng)粘附掃描圖，圖8b是單一改性處理得到的聚醚醚酮材料DLC/PEEK表面的體外細(xì)胞培養(yǎng)粘附掃描圖，圖8c是雙重改性處理得到的聚醚醚酮材料NH₂-DLC/PEEK表面的體外細(xì)胞培養(yǎng)粘附掃描圖。

由圖8a-8c可以看出，改性樣品細(xì)胞偽足伸展更多，明顯雙重改性的聚醚醚酮材料表面的細(xì)胞形態(tài)更為鋪展，顯示出改性樣品具有更好的細(xì)胞相容性。

實(shí)施例8

將常規(guī)培養(yǎng)的對(duì)數(shù)期人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞接種在滅菌好的材料試樣表面，24孔板中接種密度約為10000cell/cm²，置于含5vol.％CO₂，37℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。待細(xì)胞生長達(dá)到80-90％匯合時(shí)，改用成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)基(含有地塞米松、抗壞血酸、β甘油磷酸鈉的混合培養(yǎng)基)。約2-3d進(jìn)行一次細(xì)胞換液，分別于7d、14d、21d后對(duì)各組進(jìn)行堿性磷酸酶(ALP)活性測(cè)定。方法如下：(1)細(xì)胞培養(yǎng)7d、14d、21d后，將樣品移至新的24孔板內(nèi)并用PBS清洗樣品表面，向每孔中加入細(xì)胞裂解液，置于4℃裂解40min；(2)將裂解的細(xì)胞從樣品表面洗脫，離心后取上清液，向上清液中加入磷酸對(duì)硝基苯酯(p-NPP)，置于37℃恒溫箱中30min后加入1M的NaOH溶液終止反應(yīng)；(3)通過在酶標(biāo)儀上測(cè)量其在405nm波長處的吸光度來計(jì)算反應(yīng)生成的對(duì)硝基苯酚的量。最終用經(jīng)過細(xì)胞內(nèi)蛋白總量標(biāo)準(zhǔn)化的對(duì)硝基苯酚的量來衡量ALP活性，而細(xì)胞內(nèi)蛋白總量是通過BCA蛋白法進(jìn)行測(cè)量的。

堿性磷酸酶(ALP)活性測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，圖中：橫坐標(biāo)為成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)時(shí)間，縱坐標(biāo)為405nm下的吸光度。

由圖9可以看出，經(jīng)上述實(shí)施例1和2改性處理得到的聚醚醚酮材料表面的hBMSCs細(xì)胞堿性磷酸酶活性隨著誘導(dǎo)時(shí)間的增長，堿性磷酸酶的活性逐漸增強(qiáng)，在前7天區(qū)別不是很大，在21天的時(shí)候，很明顯經(jīng)雙重改性的氨基化(即接枝氨基和/或亞氨基的，下同)表面比只有類金剛石薄膜的表面具有更高的活性，有助于骨組織礦化。

實(shí)施例9

將常規(guī)培養(yǎng)的對(duì)數(shù)期人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞接種在滅菌好的材料試樣表面，24孔板中接種密度約為10000cell/cm²，置于含5vol.％CO₂，37℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。待細(xì)胞生長達(dá)到80-90％匯合時(shí)，改用成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)基(含有地塞米松、抗壞血酸、β甘油磷酸鈉的混合培養(yǎng)基)。約2-3d進(jìn)行一次細(xì)胞換液，培養(yǎng)21d后對(duì)各組進(jìn)行礦化鈣鹽沉積檢測(cè)。方法如下：(1)細(xì)胞培養(yǎng)21天后，將樣品移至新的24孔板內(nèi)并用PBS清洗樣品表面，然后向每孔中加入0.5mL95vol.％的酒精，在室溫下固定細(xì)胞1h；(2)向每孔加入40mM的茜素紅溶液，在室溫下對(duì)細(xì)胞進(jìn)行染色10min；(3)用去離子水清洗樣品表面三次；(4)向每孔加入0.5mL含10vol.％氯化十六烷吡啶的磷酸鈉溶液溶解樣品表面的染料；(5)從每孔取出100μL洗脫液放入96孔板中，利用酶標(biāo)儀測(cè)量各孔在570nm波長下的吸光度值。

圖10是實(shí)施例1和2中的改性處理得到的聚醚醚酮材料與未改性聚醚醚酮材料表面的hBMSCS干細(xì)胞21天成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)礦化測(cè)試實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果；圖中：橫坐標(biāo)為樣品名稱，縱坐標(biāo)為570n下的吸光度。

由圖10可見，經(jīng)雙重改性的氨基化表面吸光度值最大，表明改性樣品能促進(jìn)干細(xì)胞后期成骨分化。

實(shí)施例10

將常規(guī)培養(yǎng)的對(duì)數(shù)期人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞接種在滅菌好的材料試樣表面，24孔板中接種密度約為10000cell/cm²，置于含5vol.％CO₂，37℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。待細(xì)胞生長達(dá)到80-90％匯合時(shí)，改用成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)基(含有地塞米松、抗壞血酸、β甘油磷酸鈉的混合培養(yǎng)基)。約2-3d進(jìn)行一次細(xì)胞換液，培養(yǎng)7d、14d、21d后對(duì)各組進(jìn)行干細(xì)胞的成骨蛋白分泌檢測(cè)。按照試劑盒(Quantikine,R&D Systems,USA)說明書進(jìn)行檢測(cè)。

圖11a和圖11b是實(shí)施例1和2中的改性處理得到的聚醚醚酮材料與未改性聚醚醚酮材料表面的hBMSCS干細(xì)胞細(xì)胞外基質(zhì)成骨蛋白分泌測(cè)試的統(tǒng)計(jì)結(jié)果；測(cè)定了兩種成骨蛋白：骨橋蛋白(OPN)和骨鈣蛋白(OCN)；圖中：橫坐標(biāo)為成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)時(shí)間，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)的濃度。OCN與OPN(作為成熟成骨細(xì)胞的標(biāo)志)是兩種非膠原基質(zhì)蛋白，在骨重塑和礦化中起至關(guān)重要的作用，促進(jìn)植入體與骨組織間整合，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)中都是氨基化表面分泌最多，其中21天的誘導(dǎo)培養(yǎng)中測(cè)出骨鈣蛋白表達(dá)量接近30ng/mL，表示其成骨分化能力更加顯著，促進(jìn)了hBMSCs的后期分化。

實(shí)施例11

將常規(guī)培養(yǎng)的對(duì)數(shù)期人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞接種在滅菌好的材料試樣表面，24孔板中接種密度約為10000cell/cm²，置于含5vol.％CO₂，37℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。待細(xì)胞生長達(dá)到80-90％匯合時(shí)，改用成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)基(含有地塞米松、抗壞血酸、β甘油磷酸鈉的混合培養(yǎng)基)。約2-3d進(jìn)行一次細(xì)胞換液，培養(yǎng)后3d、7d、14d后對(duì)各組進(jìn)行成骨分化基因表達(dá)檢測(cè)。方法如下：(1)細(xì)胞培養(yǎng)3d、7d、14d后，收集細(xì)胞后提取RNA；(2)按照試劑盒(Thermo Scientific Fermentas，USA)說明進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄；(3)按照試劑盒(北京全式金生物技術(shù)有限公司)說明操作配制系統(tǒng)混合液，進(jìn)行PCR反應(yīng)，引物序列見表3；(4)分析PCR實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表3上述實(shí)驗(yàn)的引物序列(由英濰捷基(上海)貿(mào)易有限公司合成)

為進(jìn)一步闡述納米結(jié)構(gòu)化鈦材對(duì)細(xì)胞響應(yīng)的分子機(jī)理，通過反轉(zhuǎn)錄PCR(reverse transcription polymerase chain reaction)技術(shù)對(duì)MSCs的成骨相關(guān)蛋白如骨鈣蛋白(OCN)、骨橋蛋白(OPN)、堿性磷酸酶(ALP)和骨唾液酸蛋白(BSP)在m RNA水平上的表達(dá)情況進(jìn)行檢測(cè)。β-actin作為RT-PCR的內(nèi)參基因。

圖12a、圖12b、圖12c和圖12d為實(shí)施例1和2中的改性處理前后的聚醚醚酮材料表面體外細(xì)胞培養(yǎng)的成骨基因的相對(duì)表達(dá)量測(cè)定結(jié)果，檢測(cè)了四種成骨基因：堿性磷酸酶(ALP)，骨橋蛋白(OPN)，骨鈣蛋白(OCN)，骨唾液酸蛋白(BSP)；圖中：橫坐標(biāo)表示成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)時(shí)間，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)基因的相對(duì)表達(dá)量。

由圖12a-12d可知，干細(xì)胞四種成骨基因表達(dá)量測(cè)定結(jié)果中都是雙重改性的聚醚醚酮樣品相對(duì)表達(dá)量最好，佐證了經(jīng)雙重改性的氨基化聚醚醚酮樣品更加有利于誘導(dǎo)成骨分化。

由上述實(shí)施例可知，本發(fā)明已經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，沉積在聚醚醚酮材料表面的DLC薄膜均勻致密，拉曼光譜表征的確是DLC薄膜(見圖2)，XPS佐證了所構(gòu)建的DLC薄膜層上的碳元素(～285eV)、氧元素(～534eV)、氮元素(～400eV)(見圖3)。記錄了在10N的加載力下，改性前后的材料表面的摩擦系數(shù)隨時(shí)間(前600s)的變化(見圖4)。納米劃痕測(cè)試結(jié)果(見圖5a-5b)還表明DLC/PEEK、NH₂-DLC/PEEK的力學(xué)性能優(yōu)異：DLC層不僅彈性模量比未改性的PEEK更接近于人體骨骼(17GPa)，其納米硬度亦比未改性的PEEK高出了近一個(gè)數(shù)量級(jí)；不同液體的接觸角實(shí)驗(yàn)表明改性前后的材料表面的親水性明顯得到改善(見圖6)。還通過體外成骨細(xì)胞培養(yǎng)來比較未改性的PEEK和DLC/PEEK、NH₂-DLC/PEEK的成骨細(xì)胞相容性。研究結(jié)果表明，干細(xì)胞在改性后的材料表面的增殖(圖7)、粘附(圖8a-8b)、堿性磷酸酶(ALP)活性(圖9)、礦化半定量鈣鹽沉積測(cè)定結(jié)果(圖10)和成骨分化能力(圖11、12a-12d)與未改性的PEEK相比均有明顯提高。改性后的PEEK材料的這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表明本發(fā)明利用等離子體浸沒離子注入技術(shù)在PEEK材料的表面沉積DLC薄膜、或沉積DLC薄膜并接枝含氮活性官能團(tuán)的表面改性效果優(yōu)異。

產(chǎn)業(yè)應(yīng)用性：經(jīng)過本發(fā)明的改性方法處理得到的聚醚醚酮材料表面物理化學(xué)性能得到顯著改善，由疏水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性，表面粗糙度也得到改變，劃痕實(shí)驗(yàn)表明機(jī)械性能更優(yōu)異。并且經(jīng)過本發(fā)明的改性方法處理得到的形貌/化學(xué)雙重改性的聚醚醚酮材料表面具有更優(yōu)異的生物活性和促進(jìn)干細(xì)胞成骨分化的能力，hBMSCs細(xì)胞在氨基化表面增殖和成骨分化明顯高于單一改性表面和未改性表面，能夠滿足醫(yī)用聚醚醚酮材料所需的生物活性和成骨性能要求。