[发明专利]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

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。