PEEK/HA生物复合材料的热稳定性

倪 卓，王 应，华文语，田生礼，刘士德，王 淼

1)深圳大学化学与化工学院，深圳518060;2)深圳大学生命科学学院，深圳518060

聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)是一种半结晶性的热塑性材料，具备抗氧化、耐疲劳、耐热、强度高和易成型等优良特性，在机械制造、航空航天和医疗等领域得到广泛应用［1-2］.聚醚醚酮弹性模量等力学性能与人体骨骼接近，但生物相容性和生物活性有限，无法直接作为人体骨骼组织的替代或修复的替代材料.羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2，HA)是一种无机材料，是人体骨组织中无机质的主要成分，具有良好的生物相容性，在人体硬组织缺损的修复与重建中起重要作用［3-5］.由于羟基磷灰石脆性大，力学性能差，不能承受较大的负荷［6］，限制了其应用范围.复合材料通常具有复合体系中各个材料的优良性能［7］，通过熔融共混的方法将HA加入到PEEK中，可以制备具有一定生物活性的复合材料，HA加入量与复合材料力学性能存在重要关系，该材料作为骨移植材料具有较大的应用潜力［8-10］.本研究以对苯二酚与4，4'－二氟二苯甲酮为原料，二苯砜为溶剂，在碳酸钠和碳酸钾催化下合成PEEK，在反应后期，将不同浓度的HA添加到 PEEK中，高温条件下混合，制备PEEK/HA复合材料，采用热重分析法(thermogravimetric analysis，TG)研究其热稳定性，以及不同升温速率对热重曲线的影响，分析了热分解动力学参数，为该材料的理论研究和实际应用提供实验依据.

1 实验材料与方法

1.1 实验试剂

对苯二酚:纯度98%，上海晶纯试剂有限公司;4，4'－二氟二苯甲酮:纯度99.5%，北京大田丰拓有限公司;二苯砜:上海晶纯试剂有限公司;无水碳酸钠:分析纯，汕头市西陇化工厂有限公司;无水碳酸钾:分析纯，汕头市西陇化工厂有限公司;纳米羟基磷灰石:纯度97%，南京埃普瑞纳米材料有限公司;环丁砜:纯度大于99.9%，辽宁光华化工有限公司;Hela细胞系:深圳大学生化与分子生物学实验室保存;DEME高糖培养基:赛默飞世尔生物化学制品有限公司;胎牛血清:赛默飞世尔生物化学制品有限公司;胰蛋白酶:上海雅心生物科技有限公司;WST-1试剂盒:苏州碧云天生物科技有限公司.

1.2 PEEK/HA复合材料的制备

准确称量对苯二酚、4，4'－二氟二苯甲酮，以二苯砜为溶剂，以碳酸钠和碳酸钾为催化剂，缩聚反应后，得灰色黏稠液体.将预热至250℃的环丁砜稀释剂缓慢加入反应器中，维持在300℃左右，搅拌均匀，加入纳米羟基磷灰石，半小时后，趁热迅速倾倒至常温蒸馏水中凝结分散，得灰白色块状固体.产物经粉碎机捣碎后呈粉末状，用丙酮和蒸馏水多次反复抽提、过滤，除去未反应的单体、溶剂和盐类杂质.在电热恒温鼓风干燥箱中100℃烘干12 h以上，最终得灰白色粉末样品［11-12］.在PEEK/HA中羟基磷灰石的质量分数分别为10%、20%和30%.

1.3 测试方法

使用日本日立公司的Sectrum One Version B型傅立叶变换红外光谱分析仪进行红外光谱测试，扫描4 000 ～500 cm－1，扫描10次.使用德国的NETZSCH STA409PC型同步热分析仪进行热重分析，以Al2O3为参比物，试验在氮气气氛中 (氮气流速30 mL/min)进行，测量范围为300～700℃，将样品分别以5、10、20和40℃/min升温速率进行扫描，记录测量结果.

1.4 细胞毒性检测

从液氮中取出细胞，置37℃水浴中快速融化，低速离心 (1 000 r/min，5 min)，去掉冻存管中培养液后加入新鲜的细胞培养液，在体积分数为5%的CO2中培养，复苏细胞.取质量分数为0.25%的胰蛋白酶消化贴壁细胞［13-14］，质量分数为0.4%的台盼蓝染液染色，计数板计数，将细胞浓度稀释成5×106/mL.用96孔板分为A、B、C、D、E和F共6组，A、B和C组为含实验材料组，分别放入PEEK、PEEK+质量分数为10%的HA和PEEK+质量分数为20%的HA 3种材料 (直径为0.6 cm，高为0.2 cm的片状样品)，每组3个复孔培养.D、E和F组为空白对照组，2个复孔培养，接种200 μL Hela细胞悬液于96孔培养板中，置于7℃，在体积分数为5%的CO2培养箱中培养48 h后，用荧光相差倒置显微镜 (X71，OLYMPUS公司)观察细胞形态和生长状况.将配好的WST-1溶液以每孔20 μL的量加入，继续孵育3 h，用酶标仪于480 nm检测.

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

图1为PEEK和PEEK/HA复合材料的红外光谱图.PEEK红外光谱的特征吸收峰位置和形状与文献［14］一致，PEEK/HA复合材料红外光谱图中，包含PEEK和HA的主要特征吸收峰，其中1 850～1 660 cm－1处是C═O基的伸缩振动，1 597 cm－1和1 501 cm－1为R—O—R苯环的平面内振动谱带，1 308 cm－1为R—CO—R苯环的平面内振动谱带，1 226 cm－1为 R—O—R的不对称伸缩振动谱带.1 095.27和962.67 cm－1处的吸收是HA中PO3－4的P—O键的伸缩振动吸收，而564.19 cm－1处的吸收则与P—O键的弯曲振动有关.没有明显的偏移或新峰出现，表明原HA与PEEK基体是物理结合，这样有利于HA与PEEK保持原有的生物特性，但不利于复合材料机械性能的改善.HA是在PEEK合成过程中加入的，该溶液状态下HA与PEEK混合分散性混合好，团聚较少.

图1 PEEK/HA复合材料红外谱图Fig.1 FTIR spectra of PEEK/HA composites

2.2 PEEK复合材料热稳定性研究

PEEK/HA生物复合材料作为骨组织替代材料要求具备良好的热稳定性，在长期的机体环境及成型过程中能够耐热和耐高温.在10℃/min升温速率条件下，PEEK复合材料的热重曲线如图2.根据热失重曲线，得到PEEK/HA复合材料热失重性能数值，见表1.该材料的起始分解温度在520℃左右，热稳定性能优异.PEEK及3个复合材料的外推起始分解温度随HA增加渐减，最大分解温度亦如此.由于HA质量分数增加，导致在复合材料中PEEK的质量分数减少，所需分解焓减少，进而呈现温度降低现象.随着HA含量的增大，样品最大分解速率渐减，热分解速率有减慢的趋势，说明该复合材料热稳定性优于PEEK样品.这些TG曲线均呈现台阶式走向，具有起始分解拐点和分解结束拐点，经分解结束拐点后趋于平缓.这些曲线显示在650℃左右材料仍不完全分解，其中PEEK的剩余率低，HA质量分数高的复合材料剩余率高.

图2 PEEK/HA复合材料以10℃/min升温速率的热失重曲线Fig.2 TG curves of PEEK/HA composites material at 10℃/min heating rate

表1 PEEK/HA复合材料热失重数据Table 1 TG data of PEEK/HA composites

升温速率对PEEK/HA复合材料热分解有重要影响.分别以5、10、20和40℃/min升温速率，测量PEEK/HA复合材料的热失重数据，见表2.升温速度加快，起始分解温度和最大热分解速率温度都提高，反应临近结束的拐点温度也提高，反应后的最低剩余率基本保持不变.随着升温速率加快，热失重曲线向高温区平移，曲线形状基本相似.热分解过程不仅需要临界起始分解温度，而且需要一定的预分解时间.加热速度过快，不能提供足够的预分解时间，热分解呈滞后状态，在TG曲线上表现为热分解在较高温度区域进行.加热速率较慢，体现真实的热分解起始温度.这种时间上的滞后性要求升温速率越快的热分解反应，越要在短时间内结束，这表现在热分解速率加快.热分解速率函数是热失重函数对时间的微分dX/dT，它与升温速率β及一定温度间隔的热解量dX/dT成正比.这些样品在不同升温速率下，单位时间的分解量在对应的温度区域内基本相同，见表3.随着HA质量分数的增大，样品最大分解速率在逐渐降低，表明热分解速率减慢，即复合材料稳定性优于PEEK.

表2 PEEK/HA复合材料在不同升温速率下的热失重数据Table 2 PEEK/HA composites TG data at different heating rates

表3 PEEK/HA复合材料最大分解速率下的dX/dT值Table 3 dX/dT values of PEEK/HA composites under the maximum decomposition rate

2.3 热分解动力学参数

反应的动力学方程是由反应机理决定的，根据热分解动力学方程

其中，dα/dt为反应速率;k为速率常数;n为反应级数，α为热分解率.根据Arrhenius公式，有

该材料热分解动力学参数测定采用Kissinger法［13-14］，由式 (2)有

根据表2和式(3)～(4)，可得复合材料的热分解动力学参数，见表4.反应级数不变，频率因子随HA质量分数增加而降低，这些数据表明PEEK/HA复合材料有效碰撞减少，活化能增加，热稳定性增强.

表4 PEEK/HA复合材料的热分解动力学参数Table 4 Thermal decomposition kinetic parameters of PEEK/HA composites

2.4 细胞毒性检测

Hela细胞与材料共培养48 h后，观察细胞存活情况，见图3.细胞呈正常梭状形态，生长状况良好.加入WST－1试剂后培养3 h，取出材料，在酶标仪上检测各孔的光密度值，计算平均值和光密度比值，见表5.根据细胞毒性试验标准［18-19］，若比值大于1，材料对细胞生长无抑制作用，反而促进了细胞数量增长，比值越大，促进细胞生长的作用越大;若比值小于1，材料对细胞生长有抑制作用，对细胞有毒性，比值越小，对细胞的毒性越大.该比值顺序为:w(HA)=20%(1.35)，w(HA)=10%(1.30)，w(HA)=0(1.26)，说明3种材料对Hela细胞均无毒性，w(HA)=20%时促进细胞数量增长能力最为明显.材料组光密度值明显高于空白组，这种差异(P＜0.01)具有统计学意义［20］.随着羟基磷灰石加入量增加，复合材料对细胞数量增长作用更加明显.羟基磷灰石有着优良生物相容性，促进了细胞数量的增长，提高了复合材料的生物相容性.

图3 Hela细胞在PEEK/HA复合材料培养基中生长状况Fig.3 Cell growth condition of Hela cells in PEEK/HA composites medium

表5 材料组和空白组平均光密度比值 (P＜0.01)Table 5 Absorbance data of Hela cells of PEEK/HA composites(P＜0.01)

结 语

本文研究了PEEK/HA复合材料的热稳定性，热分解温度在500℃以上，热分解峰值温度550℃，热稳定性良好.随着HA质量分数的增加，材料的最大分解速率逐渐降低，PEEK/HA复合材料稳定性优于PEEK.随着升温速率加快，起始分解温度和最大热分解速率温度提高，反应临近结束的拐点温度也提高，TG曲线向高温区平移，最低剩余率变化不明显.PEEK/HA复合材料热分解动力学研究表明，反应级数不变，频率因子随HA质量分数增加而降低，有效碰撞减少，复合材料的活化能增加，稳定性增强.PEEK/HA复合材料对Hela细胞无明显毒性，对细胞生长有促进作用，生物相容性良好.

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