一种具有抗菌性能的聚醚醚酮骨修复材料及其制备方法与流程

本发明涉及生物材料领域，具体涉及一种具有抗菌性能的聚醚醚酮骨修复材料及其制备方法。

背景技术：

由于各种肿瘤、创伤、先天畸形及其他疾病导致的骨缺损愈合比较艰难，因此，如何提高骨缺愈合仍然是今天科研工作者及临床医生面临的一个棘手问题。

特种工程塑料聚醚醚酮(peek)以其优良的热稳定性、机械性能、射线可透性及生物相容性成为最有发展前途的、可代替传统金属植入体的硬组织修复材料。但peek植入手术难免会在手术过程和术后康复过程中遇到细菌感染，为了避免细菌感染，通常使用抗生素来预防细菌感染，降低炎症发生的几率。一直以来，青霉素、链霉素、甲氧苄啶和四环素等抗生素大大降低了病原性细菌感染疾病的发病率和死亡率，在临床上具有广泛应用。但是，长期滥用抗生素将使许多致病菌容易对各种抗生素产生耐药性，轻则导致病原体感染疾病久治不愈，降低治疗效果，重则导致患者病情的恶化甚至死亡。

近年来，光学技术发展迅速，光敏材料由于其可以协同光动力疗法和光热疗法在生物医学领域得到了广发的应用。特别是二维结构的半导体ti3c2材料可以涂覆于peek表面，经激光激发所产生的热和单线态氧(¹o2)可使细菌破裂而死，在细菌感染治疗中有着巨大的潜力，可替换抗生素治疗，以此解决致病菌耐药性问题。ti3c2涂层抗菌性能和对细菌的伤害能力主要取决于其短时间产生热的高低和单线态氧的多少。但是，ti3c2涂层产生单线态氧虽然会破坏细菌膜完整性，但是由于ti3c2涂层自身电子转移以产生单线态氧太少，所以抗菌效果受限。因此，如何提高ti3c2的自身电子转移产生的单线态氧，解决ti3c2抗菌效果受限，从而防止peek种植体染菌，抑制耐药菌产生，保证骨修复正常进行，成为peek骨缺损修复材料的主要研究方向。

技术实现要素：

为了克服聚醚醚酮骨缺损修复材料无抗菌性且依赖于抗生素抑菌易产生耐药菌的缺陷等问题，本发明的目的之一是提供一种具有抗菌性能的聚醚醚酮骨修复材料。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有抗菌性能的聚醚醚酮骨修复材料，所述修复材料包括表面粗糙、多孔且带有磺酸基团的磺化聚醚醚酮，以及涂覆在所述磺化聚醚酮表面上的ti3c2-conws复合材料。

优选地，所述ti3c2-conws复合材料的制备包括以下步骤：

步骤s1：首先将ti3c2和conws分别分散在去离子水中，得到ti3c2悬浮液和conws悬浮液，然后将ti3c2悬浮液和conws悬浮液等体积混合得到混合悬浮液，其中，ti3c2悬浮液和conws悬浮液的摩尔浓度比为1:(0.5-1)；

步骤s2：将步骤s1获得的混合液进行20-30min超声，得到ti3c2-conws复合材料。

优选地，所述ti3c2为单层状的ti3c2。

优选地，所述磺化聚醚醚酮的制备方法如下：

首先将聚醚醚酮基材置于浓硫酸中并超声5-15min，然后将超声处理后的聚醚醚酮用丙酮和无水乙醇洗涤后获得磺化聚醚醚酮。

优选地，所述单层的ti3c2的制备方法如下：

首先将lif加入到摩尔浓度为9-10mol/l的盐酸溶液中并搅拌均匀，然后再往加入lif/hcl的溶液中加入ti3alc2得到混合物，将所述混合物依次在冰浴中搅拌反应30min、35℃的条件下搅拌反应24-48h，然后用去离子水将搅拌反应后的混合物洗涤获得ti3c2tx悬浮液，将获得的ti3c2tx悬浮液离心并将其洗涤至ph为5-6获得多层状的ti3c2tx；将获得的多层状的ti3c2tx重新分散到去离子水中得到ti3c2tx的分散液，将所述分散液置于冰浴中超声1h时，然后将超声处理后的分散液离心并去掉上清液获得单层的ti3c2纳米薄片分散在水中的ti3c2悬浮液，将ti3c2悬浮液进行干燥后获得单层的ti3c2。

优选地，所述lif与ti3alc2的质量比为1：(0.5-1)。

优选地，所述conws的制备方法如下：

首先将cocl2·6h2o和edta-2na按摩尔比为1:1加入到去离子水中并搅拌均匀获得原料液，将原料液的ph调节为13-14获得反应液，然后将反应液置于磁场笼罩的80℃环境中反应，并往反应液中先加入600-650μl的n2h4·h2o并搅拌均匀、然后在不搅拌的情况下往反应液中再加入240-300μl的h2ptcl·6h2o，生成conws后将生成conws收集并依次用去离子水、无水乙醇进行洗涤，最后将其进行真空冷冻干燥获得conws。

优选地，所述原料液用naoh对其进行ph值调整。

本发明的另一目的是提供一种具有抗菌性能的聚醚醚酮骨修复材料制备方法，具体包括以下步骤：

步骤c1:首先将ti3c2-conws复合材料浸滴在磺化聚醚醚酮表面，然后将浸滴后的磺化聚醚醚酮在温度为50-60℃的条件下进行烘干；

步骤c2:将所述步骤c1重复3-5次，最终获得具有抗菌性能的聚醚醚酮骨修复材料ti3c2-conws/speek。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

(1)本发明选用具有较大比表面积的单层ti3c2与conws复合形成的ti3c2-conws复合材料，复合材料中的conws金属材料是具有优良电子迁移率的一维几何结构，为ti3c2光电子转移提供了相当直的、快速的传输通道，以此增强了电子-空穴的电荷转移和分离能力，从而延缓ti3c2能带中电子和空穴的结合，增加电子转移从而增加单线态氧的形成，解决ti3c2抗菌效果受限，从而防止speek种植体染菌，抑制耐药菌产生，保证骨修复正常进行。并且，ti3c2-conws复合材料产生的光热也不受影响。

(2)本发明通过将聚醚醚酮置于浓硫酸中进行磺化，获得表面粗糙、多孔并带有磺酸基团的磺化聚醚醚酮(speek)。当悬浮状的ti3c2-conws复合材料浸滴在speek上时，由于speek表面粗糙、多孔的特征，增加了ti3c2-conws复合材料与speek的接触面积，提高了ti3c2-conws复合材料与speek之间的结合力，避免ti3c2-conws复合材料从speek上脱落。此外，由于speek上的磺酸基团能与ti3c2-conws复合材料中ti3c2表面的羟基反应生成磺酸酯，使speek与ti3c2-conws复合材料之间还存在化学键连接，从而进一步增加ti3c2-conws复合材料与speek之间的结合力，避免ti3c2-conws复合材料在使用过程中从speek上脱落的问题。

(3)本发明制备的ti3c2-conws复合材料是通过延缓ti3c2能带中电子和空穴的结合，增加ti3c2光电子转移促使电子转移，从而增加单线态氧的形成，使ti3c2-conws/speek具有抗菌性能，解决了使用抗生素导致病菌耐药性问题。此外，由于本发明中所有材料具有优良的生物相容性、较低的细胞毒性和持久的抗菌性能，可用于医用种植体表面的涂层，骨修复植入材料和抗菌辅料的体外使用等。

(4)本发明制备的ti3c2-conws复合材料在近红外光照射下不仅能够产生单线态氧，还能产生光热作用；复合材料产生的光热作用将会使细菌膜的通透性增加，此时，在光热和光动力协同的作用下，单线态氧利用细菌膜的通透性的变化穿过细菌膜进入到细菌中，引起抑菌氧化的爆发和细菌蛋白的严重渗透，从而将细菌杀死，实现本发明所述ti3c2-conws复合材料的抗菌作用。

附图说明

图1为本发明中材料的sem图，其中，图a为材料ti3c2/speek的sem图，图b为材料ti3c2-conws/speek的sem图；

图2为本发明中材料的光热性能图，其中，图a为speek、ti3c2/speek、ti3c2-conws/speek三种材料的光转化热图，图b为speek、ti3c2/speek、ti3c2-conws/speek三种材料的光热稳定性图；

图3为本发明中材料的单线态氧释放图，其中，图a为采用电子自旋共振仪器探测speek、ti3c2/speek、ti3c2-conws/speek三种材料的单线态氧产量图，图b为采用1,3-二苯基异并呋喃作为单线态氧(¹o2)的标记物探测speek、ti3c2/speek、ti3c2-conws/speek三种材料的单线态氧产生情况图；

图4为本发明中材料的抑菌效果图，其中，图a为speek、ti3c2/speek、ti3c2-conws/speek三种材料分别对金葡萄球菌抑菌效果图，图b为speek、ti3c2/speek、ti3c2-conws/speek三种材料分别对大肠杆菌抑菌效果图；

图5为本发明中speek、ti3c2/speek、ti3c2-conws/speek三种材料上的金葡萄球菌、大肠杆菌的细菌图。

其中，图2、图3中的1为材料speek、2为材料ti3c2/speek、3为材料ti3c2-conws/speek。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步进行清楚、完整地描述，其中，本发明中的实施例所用原材料均为市售。

实施例1

具有抗菌性能的聚醚醚酮骨修复材料的制备方法具体包括以下步骤：

步骤1：ti3c2的制备

首先将1g的lif(氟化锂)加入到20ml的摩尔浓度为9mol/l的盐酸溶液中并搅拌均匀，然后再往lif/hcl的溶液中加入1g的ti3alc2得到混合物，将所述混合物依次在冰浴中搅拌反应30min、温度为35℃的条件下搅拌反应24h，然后再用去离子水洗涤搅拌反应后的混合物获得ti3c2tx悬浮液，将获得的ti3c2tx悬浮液离心并将其洗涤至值ph为6获得多层状的ti3c2tx。将获得的ti3c2tx重新分散到去离子水中得到ti3c2tx的分散液，然后将分散液置于冰浴的条件下超声1h，再将超声处理后的分散液进行离心并去掉上清液，获得单层的ti3c2纳米薄片分散在水中的ti3c2悬浮液，最后将ti3c2悬浮液在真空冷冻干燥得到单层的ti3c2。

步骤2：钴纳米线的制备

将cocl2·6h2o和edta-2na按摩尔比为1:1加入到120ml的去离子水中并搅拌均匀获得原料液，往原料液中加入naoh将原料料液的ph值调节为14获得反应液，再将反应液置于磁场笼罩的80℃水浴锅中反应，并往反应液中先加入600μl的n2h4·h2o并搅拌均匀、然后在不搅拌的情况下往反应液中再加入240μl的h2ptcl·6h2o，生成conws后将生成conws收集并依次用去离子水、无水乙醇进行洗涤，最后将其进行真空冷冻干燥获得本发明所述的conws。

步骤3：ti3c2-conws复合材料的制备

首先将步骤1获得的ti3c2和步骤2获得的conws分别分散在去离子水中，得到ti3c2悬浮液和conws悬浮液，然后将ti3c2悬浮液和conws悬浮液等体积混合的得到混合悬浮液，再将混合悬浮液进行超声反应20-30min，获得悬浮状的ti3c2-conws复合材料；其中，ti3c2悬浮液和conws悬浮液的摩尔浓度比例为1:0.5。

步骤4：磺化聚醚醚酮的制备

将聚醚醚酮基材(peek)放入浓硫酸中并超声10min，将超声处理后的peek取出并用丙酮和无水乙醇洗涤进行洗涤，获得表面粗糙、多孔并带有磺酸基团的磺化聚醚醚酮(speek)。

步骤5：聚醚醚酮骨修复材料(ti3c2-conws/speek)的制备

首先将步骤3获得的悬浮状的ti3c2-conws复合材料浸滴在步骤4获得的speek的表面，然后将浸滴后的speek置于温度为60℃的条件下烘干；将浸滴、烘干的操作循环重复5次，最后获得一种具有抗菌性能的聚醚醚酮骨修复材料ti3c2-conws/speek。

实施例2

具有抗菌性能的聚醚醚酮骨修复材料按实施例1所述的制备方法进行制备，不同的是：

所述步骤1中，盐酸的浓度为10mol/l，混合物在35℃的条件下搅拌反应时间为48h，ti3c2tx悬浮液离心并将其洗涤至值ph为5-6。

所述步骤2中，往反应液中加入n2h4·h2o、h2ptcl·6h2o的量分别是650μl、300μl。

所述步骤3中，ti3c2悬浮液和conws悬浮液的摩尔浓度比例为1：0.75，混合液超声时间为30min。

所述步骤4中，聚醚醚酮基材(peek)在浓硫酸中的超声时间为15min。

所述步骤5中，浸滴后的speek的烘干温度为55℃，浸滴、烘干操作循环重复的次数为4。

实施例3

具有抗菌性能的聚醚醚酮骨修复材料按实施例1所述的制备方法进行制备，不同的是：

所述步骤1中，盐酸的浓度为9.5mol/l，混合物在35℃的条件下搅拌反应时间为36h，ti3c2tx悬浮液离心并将其洗涤至值ph为5.5。

所述步骤2中，naoh将原料料液的ph值调节为13，往反应液中加入n2h4·h2o、h2ptcl·6h2o的量分别是620μl、240μl。

所述步骤3中，ti3c2悬浮液和conws悬浮液的摩尔浓度比例为1：1。

所述步骤4中，聚醚醚酮基材(peek)在浓硫酸中的超声时间为15min。

所述步骤5中，浸滴后的speek的烘干温度为50℃，浸滴、烘干操作循环重复的次数为3。

对比例1

一种具有抗菌性能的聚醚醚酮骨修复材料制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：ti3c2的制备

首先将1g的lif(氟化锂)加入到20ml的摩尔浓度为9mol/l的盐酸溶液中并搅拌均匀，然后再往lif/hcl溶液中加入1g的ti3alc2得到混合物，将所述混合物依次在冰浴中搅拌反应30min、温度为35℃的条件下搅拌反应24h，再用去离子水洗涤反应后的混合物获得ti3c2tx悬浮液，将获得的ti3c2tx悬浮液离心并将其洗涤至值ph为5-6获得多层状的ti3c2tx。将获得的ti3c2tx重新分散到去离子水中得到ti3c2tx的分散液，然后将分散液置于冰浴的条件下超声1h，再将超声处理后的分散液进行离心并去掉上清液，获得单层的ti3c2纳米薄片分散在水中的ti3c2悬浮液，最后将ti3c2悬浮液在真空冷冻干燥得到单层的ti3c2。

步骤2：磺化聚醚醚酮的制备

将聚醚醚酮基材(peek)放入浓硫酸中并超声10min，将超声处理的peek取出并用丙酮和无水乙醇洗涤进行洗涤，获得表面粗糙、多孔并带有磺酸基团的磺化聚醚醚酮(speek)。

步骤3：聚醚醚酮骨修复材料(ti3c2/speek)的制备

首席将步骤1获得的单层状的ti3c2纳米薄片分散在去离子水中，得到ti3c2悬浮液，然后将ti3c2悬浮液浸滴在步骤2获得的speek的表面，然后将浸滴后的speek置于温度为60℃的条件下烘干；将浸滴、烘干的循环重复5次，最后获得一种具有抗菌性能的聚醚醚酮骨修复材料ti3c2/speek。

图谱表征分析：

1、sem图分析：

将实施例1制备的ti3c2-conws/speek和对比例1制备的ti3c2/speek进行电子显微镜(sem)分析，如图1所示，其中，图a为ti3c2/speek的sem图，图b为材料ti3c2-conws/speek的sem图。从图1中可以得出，由于ti3c2与conw复合，使得复合材料ti3c2-conw浸滴在speek的表面时不像ti3c2浸滴在speek的表面那样柔软，让复合材料ti3c2-conw能够铺满speek的表面。

2、光热性能分析：

首先，将孔板上的48个孔均分为3组，形成3组实验组。然后再将实施例1制备的speek、ti3c2-conws/speek和对比例1制备的ti3c2/speek分别放在各对应的实验组中，其中，以speek所在实验组为对照组。然后向每个孔内加入500μl的pbs缓冲液，再用近红外激光(808nm，1.5w/cm²)照射每孔至温度波动很小，并每隔15秒利用lifr红外探测仪捕捉温度变化，结果见图2a。

首先，将孔板上的48个孔均分为3组，形成3组实验组。然后再将实施例1制备的speek、ti3c2-conws/speek和对比例1制备的ti3c2/speek分别放在各对应的实验组中，其中，以speek所在实验组为对照组。然后向每个孔中加入500μl的pbs缓冲液，再用近红外激光(808nm，1.5w/cm²)照射每个孔5分钟，然后关闭红外激光器待样品冷却5分钟，每隔30秒通过lifr红外探测仪捕捉温度变化，此激光器开/关反复进行5个循环，观察样品的光热稳定性，结果见图2b。

如图2所示，材料ti3c2-conws/speek的光热性得到提高，并且其光热循环稳定性良好，有利于稳定的光热抗菌。

3、单线态氧释放分析：

首先，将孔板上的48个孔均分为3组，形成3组实验组。然后再将实施例1制备的speek、ti3c2-conws/speek和对比例1制备的ti3c2/speek分别放在各对应的实验组中，其中，以speek所在实验组为对照组。用2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧作为单线态氧(¹o2)的标记物，将各实验组用近红外激光(808nm，1.5w/cm²)照射20分钟，每隔5分钟使用电子自旋共振仪器记录单线态氧的产生，结果见图3a。

首先，将孔板上的48个孔均分为3组，形成3组实验组。然后再将实施例1制备的speek、ti3c2-conws/speek和对比例1制备的ti3c2/speek分别放在各对应的实验组中，其中，以speek所在实验组为对照组。用1,3-二苯基异并呋喃作为单线态氧(¹o2)的标记物，然后将各实验组放置在黑暗中，并用近红外激光(808nm，1.5w/cm²)照射20分钟，每隔5分钟取100μl的1,3-二苯基异并呋喃于酶标仪仪器检测其吸光度，其测试结果见图3b。

如图3所示，材料ti3c2-conws/speek相比于材料speek和ti3c2/speek在激光激发条件下更有利于单线态氧的产生，从而达到更好的抑菌效果。

4、抑菌分析：

(1)对金黄色葡萄球菌的抑菌分析

首先，将孔板上的48个孔均分为3组，形成3组实验组。然后再将实施例1制备的speek、ti3c2-conws/speek和对比例1制备的ti3c2/speek分别放在各对应的实验组中，其中，以speek所在实验组为对照组。向每个孔中加入100μl的lb液体培养基和100μl的10⁶cfu/ml金黄色葡萄球菌，然后将每组实验组中的一半放到黑暗中培养20分钟，剩余的一半在近红外激光(808nm，1.5w/cm²)的条件下培养20分钟；然后取出培养后的菌液均匀地涂覆到lb固体培养基上，并在37℃下培养24小时后，观察各种材料的杀菌效果，实验结果见图4a。

(2)对大肠杆菌的抑菌分析

所述对大肠杆菌的抑菌分析与对金黄色葡萄球菌的抑菌分析方法相同，不同的是，将孔中加入的金黄色葡萄球菌用大肠杆菌替换，并观察各种材料的杀菌效果，实验结果见图4b。

从图4可知，由于材料ti3c2-conws/speek在激光激发条件下能产生光热和单线态氧，对细菌的生长产生影响，从而抑制细菌的生长；而ti3c2/speek对细菌的生长抑制作用有限，speek无抑菌效果。因此材料ti3c2-conws/speek在激光激发条件下具有良好的抑菌效果。

5、细菌形貌分析：

(1)对金黄色葡萄球菌的形貌分析

首先，将孔板上的48个孔均分为3组，形成3组实验组。然后再将实施例1制备的speek、ti3c2-conws/speek和对比例1制备的ti3c2/speek分别放在各对应的实验组中，其中，以speek所在实验组为对照组。向每个孔中加入100μl的液体培养基和100μl的10⁶cfu/ml金黄色葡萄球菌，然后将每组实验组中的一半放到黑暗中培养20分钟，剩余的一半在近红外激光(808nm，1.5w/cm²)的条件下培养20分钟。将培养后的金黄色葡萄球菌取出置于500μl的2.5％戊二荃中，在4℃条件下保存12小时，然后用梯度乙醇脱水(30％、50％、70％、90％和100％v/v)，每个梯度脱水10分钟，最后金黄色葡萄球菌进行自然风干后用扫描电镜观测细菌形态，结果见图5。

(2)对大肠杆菌的形貌分析

所述对大肠杆菌的抑菌分析与对金黄色葡萄球菌的形貌分析方法相同，不同的是，将孔中加入的金黄色葡萄球菌用大肠杆菌替换，最后对大肠杆菌样品进行自然风干后用扫描电镜观测细菌形态，结果见图5。

从图5可知，材料ti3c2-conws/speek能够有效的通过光热和单线态氧破坏细菌完整性，从而杀死细菌。

6、细胞毒性评价分析：

首先，将孔板上的48个孔均分为3组，形成3组实验组。然后再将实施例1制备的speek、ti3c2-conws/speek和对比例1制备的ti3c2/speek分别放在各对应的实验组中。用含10％胎牛血清培养液的dmem培养mc3t3小鼠胚胎成骨细胞；细胞贴壁生长后，更换新鲜的培养基，当细胞达到80％的聚集程度时，将细胞104/孔的密度接种在48孔中并培养24h。此外，还需设立一个对照组、一个实验组，其中，对照组只加与实验组相同的培养基和细胞，空白组只加与实验组相同的培养基。

细胞毒性使用cck-8试剂盒来检测。在450nm波长下通过酶标仪测出各组吸光度。

相对细胞存活率(％)＝(实验组的吸光度值-空白组的吸光度值)/(对照组的吸光度值-空白组的吸光度值)*100％。

实验结果：材料ti3c2-conws/speek对应的细胞存活率虽然较其它组低，但存活率也有80％左右。

综上所述，本发明解决现有技术中的技术缺陷。本发明用钴纳米线与ti3c2复合，延缓ti3c2能带中电子和空穴的结合，增加ti3c2光电子转移使促使电子转移形成单线态氧增加，解决了ti3c2抗菌效果受限，从而防止speek种植体染菌，抑制耐药菌产生。此外，本发明还通过将聚醚醚酮置于浓硫酸中进行磺化，获得表面粗糙、多孔且带有磺酸基团的磺化聚醚醚酮，增加了ti3c2-conws复合材料与speek的接触面积，提高了ti3c2-conws复合材料与speek之间的结合力；此外，speek表面的磺酸基团与ti3c2表面的羟基反应生成磺酸酯，使得speek与ti3c2-conws复合材料之间还存在化学键连接，从而进一步加强ti3c2-conws复合材料与speek之间的结合力，避免ti3c2-conws复合材料在使用过程中从speek上脱落的问题。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。