聚醚醚酮表面的親水改性和膠原蛋白固定化

孫　輝, 于慶松, 楊　彪, 許國志

(1. 北京工商大學材料與機械工程學院, 2. 國家塑料制品質量監督檢驗中心(北京), 北京 100048)

?

聚醚醚酮表面的親水改性和膠原蛋白固定化

孫輝1,2, 于慶松1, 楊彪1, 許國志1,2

(1. 北京工商大學材料與機械工程學院, 2. 國家塑料制品質量監督檢驗中心(北京), 北京 100048)

摘要采用紫外光接枝法對聚醚醚酮(PEEK)表面進行化學修飾和生物分子固定化. 首先向PEEK表面引入親水性的丙烯酰胺, 并以此為反應位點通過戊二醛將膠原和膠原蛋白固定在PEEK表面. 用接觸角測定儀、 掃描電鏡、 熒光標記和X射線光電子能譜等對改性薄膜進行了表征. 結果表明, PEEK上丙烯酰胺的接枝密度高達50.9 μg/cm2; 改性薄膜表面浸潤性顯著提高, 水接觸角最低降至(22±3)°. 熒光標記膠原固定的PEEK薄膜熒光發射光譜強度最高, 并在X射線光電子能譜中檢測到N元素, 表明膠原已固定化, 固定膠原蛋白的濃度為10.2 μg/cm2.

關鍵詞聚醚醚酮; 膠原; 表面修飾; 熒光標記

特種工程塑料聚醚醚酮(PEEK)的彈性模量與皮質骨的彈性模量接近, 并且具有優異的力學性能及密度適中、 射線可透過、 化學穩定性好、 可反復消毒和磁共振掃描不產生偽影等優良性能, 已廣泛用于外傷、 整形手術、 脊椎及關節外科內植物等醫用領域[1,2]. 20世紀80年代末PEEK首先被應用于骨科創傷內固定器械及股骨柄假體, 隨后美國AcroMed公司將PEEK應用于椎間融合器[3]. 雖然PEEK在醫療領域有廣闊的應用空間, 但其本身的生物惰性和低表面能使其不利于細胞的黏附和生長, 使應用受到限制[2]. 高分子表面修飾和生物分子固定化能夠有效改善材料的生物相容性. 我們曾研究了PEEK的表面修飾和生物分子固定化, 通過接枝聚合反應向PEEK表面引入活性官能團[4], 繼而實現了肝素[5]、 牛血清白蛋白[6]和殼聚糖的固定化[7]. Ⅰ型膠原是動物體中細胞外基質的主要成分之一, 能夠有效促進細胞黏附和增殖[8～10]. 馬祖偉等[10]在聚-L-乳酸(PLLA)膜表面接枝聚甲基丙烯酸(PMAA), 并以水溶性的碳二亞胺作為縮合劑, 通過PLLA-g-PMAA表面的羧基和膠原分子中的氨基發生縮合反應, 將Ⅰ型膠原接枝在PLLA表面. 改性后的材料表面更接近組織細胞生長的微環境, 細胞培養結果表明, 改性后的PLLA膜表面軟骨細胞的鋪展充分, 分布均勻, 且細胞增長速度明顯提高.

紫外輻照能有效提高PEEK表面的親水性, 有助于改善其表面的細胞親和性[11]. 本文采用紫外光接枝聚丙烯酰胺, 并用戊二醛固定Ⅰ型膠原或膠原蛋白, 用X射線光電子能譜和熒光光譜等表征改性表面. 有望通過簡便的光接枝手段, 拓展PPEK的應用領域.

1實驗部分

1.1試劑與儀器

PEEK薄膜, 英國ICI Vitrex公司產品, 結構式見Scheme 1 . 丙烯酰胺(AAm)、 戊二醛(質量分數50%水溶液)、 磷酸二氫鉀和十二水合磷酸氫二鈉, 分析純, 國藥集團化學試劑有限公司; 硫酸亞鐵銨、 無水碳酸鈉、 碳酸氫鈉和丙酮, 分析純, 北京化工廠; 膠原Ⅰ型(Col), Sigma公司; 膠原蛋白Ⅰ型(HC), 分子量為2000～6000, 上海源葉生物科技有限公司; 十二烷基硫酸鈉, 化學純, 北京益利精細化學品有限公司; 異硫氰酸熒光素FITC, Sigma公司.

紫外燈(高壓汞燈), 功率1000 W ; SK2510HP型超聲波清洗器, 上?？茖С晝x器有限公司; 透析袋, 截留分子量1000; OCA35型視頻光學水接觸角測量儀, 德國Data physics instruments GmbH; 掃描電子顯微鏡(SEM), 捷克TESCAN VEGAII公司; UV-2450型紫外可見分光光度計, 日本Shimadzu公司; FluroMax-4NIR型熒光分光光度計, 美國HORIBA Jobin Yvon Inc; ESCALAB 250型X射線光電子能譜儀(XPS), 美國Thermo Fisher Scientific公司.

1.2實驗過程

1.2.1膠原蛋白的熒光標記用0.1 mol/L乙酸溶液配制濃度為0.5 mg/mL的膠原分散液, 在室溫下磁力攪拌6 h后, 于4 ℃保存備用.

用0.5 mol/L, pH=9.0的碳酸鹽緩沖液配制濃度為0.5%的膠原蛋白溶液, 于4 ℃保存備用. 在避光條件下向0.5%的膠原蛋白溶液中加入10 mg異硫氰酸熒光素(FITC), 攪拌后, 于4 ℃反應48 h. 然后用截留分子量為1000的透析袋進行透析, 透析液為0.01 mol/L, pH=7.2的磷酸鹽緩沖液(PBS緩沖液). 在4 ℃下, 透析72 h, 每8 h換1次透析液.

1.2.2膠原及膠原蛋白的固定將PEEK薄膜剪成大小為20 mm×30 mm的薄膜, 并依次用丙酮、 乙醇和去離子水經超聲波清洗干凈, 在室溫下晾干. 將預處理后的膜浸泡在10 mg/mL二苯甲酮(BP)的丙酮溶液中10 min, 避光條件下晾干, 得到表面涂敷有二苯甲酮的PEEK 薄膜.

將預處理后的PEEK薄膜或BP處理的薄膜分別浸入0.25, 0.50, 0.75, 1.00 和1.25 mol/L 的丙烯酰胺水溶液[含有阻聚劑硫酸亞鐵銨FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O, 與丙烯酰胺質量比為1∶60]中, 在紫外燈下輻照一定時間, 得到PEEK-PAAm膜. 將PEEK-PAAm膜依次用去離子水和乙醇洗滌, 并在陰暗處室溫晾干.

用0.1 mol/L, pH=7.4的PBS緩沖液配制質量分數為10%的戊二醛溶液. 在避光條件下, 將PEEK-PAAm膜浸入其中2 h, 得到PEEK-GA膜, 再用大量去離子水沖洗掉表面吸附的戊二醛.

將PEEK-GA膜浸入上述制備好的膠原分散液、 膠原蛋白溶液或膠原蛋白FITC標記液中, 在4 ℃下反應24 h, 形成PEEK-Col, PEEK-HC或PEEK-HC-FITC膜. PEEK-Col膜分別用0.01 mol/L的十二烷基硫酸鈉(SDS)溶液及去離子水清洗30 min后晾干; PEEK-HC膜用去離子水清洗30 min后晾干; PEEK-HC-PEEK膜用去離子水在避光條件下洗滌30 min后晾干.

1.2.3丙烯酰胺的接枝密度測定參照文獻[12]方法, 將接枝薄膜浸入鹽酸中, 使PEEK-g-PAAm中—CONH2水解成—COOH和NH2, 水解液用NaOH中和后加入0.12 mol/L的茚三酮, 測定溶液在570 nm處的透光率, 由此得到NH3含量, 再通過與純PAAm的校準曲線對比, 得到接枝PAAm的含量.

2結果與討論

2.1PEEK表面的丙烯酰胺接枝聚合和膠原及膠原蛋白固定化

通過紫外光接枝向PEEK表面引入親水性丙烯酰胺(AAm), 并以此為反應位點進一步鍵合戊二醛(GA). 膠原或膠原蛋白反應通過與固定劑戊二醛反應實現其在PEEK表面的固定化. 反應過程見Scheme 2.

根據紫外光引發的光接枝反應原理, 芳香酮及其衍生物在紫外輻照下激發到單線態, 由于單線態壽命很短, 迅速竄躍到三線態, 隨后三線態奪取基材表面氫原子, 生成羰基游離自由基, 同時在基材表面生成烷基自由基, 引發丙烯基單體丙烯酰胺聚合[13]. 由于PEEK具有類二苯甲酮結構, 在無二苯甲酮光引發劑存在下, UV輻照可以生成半二苯甲酮自由基引發接枝聚合[14～16].

戊二醛是蛋白質在丙烯酰胺接枝材料表面固定的有效偶聯劑. 戊二醛與丙烯酰胺接枝聚醚醚酮膜的酰胺基反應生成席夫堿, 將戊二醛連接在PEEK表面; 然后膠原蛋白的氨基繼續與戊二醛上醛基反應實現膠原蛋白在PEEK表面的固定[17].

2.2PEEK-PAAm的表面潤濕性

采用自引發方式, 在無BP存在下進行紫外光引發表面接枝反應, 阻聚劑硫酸亞鐵銨與丙烯酰胺單體質量比為1∶60. 不同丙烯酰胺單體濃度下, PEEK-PAAm膜的水接觸角在一定時間范圍內均隨紫外輻照時間的延長而降低[圖1(A)], 達到最低點后, 水接觸角幾乎不再隨紫外輻照時間而變化; 丙烯酰胺單體濃度分別為0.25, 0.50, 0.75, 1.00和1.25 mol/L時, 對應PEEK-PAAm膜的水接觸角達到最低值時的輻照時間分別為9, 6, 6, 6和3 min, 且水接觸角的最低值均為(22±3)°.

水接觸角達到最低值時所需輻照時間隨丙烯酰胺單體濃度的提高而縮短; 提高丙烯酰胺單體濃度與延長紫外輻照時間對接觸角的影響具有等效性. 中等丙烯酰胺單體濃度(0.50, 0.75和1.00 mol/L)下, 水接觸角均在6 min達到最低值. 可見, 在中等濃度時, PEEK-AAm膜的水接觸角主要受紫外輻照時間的影響, 而受丙烯酰胺單體濃度的影響較小.

Okada等[11]的研究顯示, 簡單的紫外輻照引起的PEEK表面官能團的變化等同于等離子體改性: 1和6 h輻照后, PEEK的水接觸角分別下降到60.9°和61.4°. 成骨細胞的培養結果表明, 輻照后的PEEK細胞相容性顯著改善.

2.3二苯甲酮的影響

選擇丙烯酰胺單體濃度為0.5 mol/L, 改變紫外輻照時間, 研究光引發劑二苯甲酮(BP)對丙烯酰胺聚合的影響[圖1(B)]. 在無BP存在下, 在輻照時間為6 min時, PEEK-PAAm膜的水接觸角達到最低值, 此后, 接觸角的角度隨輻照時間的延長變化很小; 在BP的存在下, 輻照時間為3 min時, PEEK-PAAm膜的水接觸角即達到最低值, 此后, 接觸角隨輻照時間的進一步延長略有升高, 12 min時達到30°左右. 由于光引發劑BP加快了丙烯酰胺在PEEK上的接枝反應速度, 使其在較短的時間內即可達到接觸角的最低值. 同時, BP也使PEEK分子鏈的穩定性降低, 在紫外輻照條件下加快了PEEK的降解, 使分子鏈中疏水性基團暴露出來, 所以PEEK-PAAm膜的水接觸角在達到最低值后又隨紫外輻照時間的延長而有所升高. 在不加BP的情況下, PEEK-PAAm膜水接觸角隨輻照時間的變化示于圖2.

因此, 采用PEEK自引發光接枝, 選擇丙烯酰胺單體濃度為0.5 mol/L, 輻照時間為6 min, 硫酸亞鐵銨與丙烯酰胺單體質量比為1∶60, 作為最佳實驗條件.

在有、 無BP存在下, PEEK上PAAm的接枝密度均隨紫外輻照時間的增加而增加(圖3). 反應3 min內, 接枝密度增加很快, 并在6 min時達到最大, 分別為50.9和50.2 μg/cm2. 這一變化與接觸角的變化規律一致.

2.4表面形貌

PEEK及其改性膜的SEM形貌如圖4所示. 未改性PEEK膜表面平整均勻[圖4(A)], 而PEEK-PAAm膜表面粗糙, 且有很多紋理[圖4(B)], 推測其為丙烯酰胺接枝層.不規則條紋可能由2個因素共同作用: (1)PEEK表面聚丙烯酰胺聚合度不同導致接枝層的厚度不同, 從而形成了不規則條紋; (2)丙烯酰胺在PEEK膜表面不同區域分別形成了不同的接枝層, 各接枝層之間按發生反應的先后順序會在交界處產生一定程度的重疊, 導致條紋產生; 相比而言, PEEK-GA膜表面比較光滑平整, 條紋表面也變得圓潤, 并觀測到絮狀接枝物[圖4(C)]. 膜表面變得光滑平整, 可能是因為小分子戊二醛單層鍵合到PEEK-AAm膜表面, 覆蓋了原來粗糙的表面. 絮狀接枝物可能是由于戊二醛與表面聚合度較高的PAAm共價接枝產生, 間接證明了戊二醛的引入; PEEK-Col膜表面觀測到大量大小相近的點狀接枝物; PEEK-HC膜表面極度粗糙, 并在薄膜表面形成了大量的點狀、 條狀、 片狀薄層, 這些形貌的變化預示著膠原蛋白和膠原的固定化.

2.5改性膜的浸潤性

PEEK, PEEK-AAm, PEEK-GA, PEEK-Col和PEEK-HC的接觸角分別為83°, 22°, 42°, 33°和20°. 可見, 未改性PEEK親水性差, 水接觸角最高. 可以推斷, 酰胺基的親水性要強于醛基; 膠原蛋白中含有親水性的氨基、 羧基或羥基等基團, 因而PEEK-Col膜具有較強的親水性, 且其水接觸角低于PEEK及PEEK-GA膜; PEEK-PAAm膜與PEEK-Col膜之間親水性的差異是由于作為生物大分子的膠原蛋白中的各種氨基酸之間通過氨基與羧基的脫水縮合形成了大量肽腱, 使親水性基團含量降低, 因而PEEK-PAAm膜表面親水性基團(氨基)的密度會大于PEEK-Col膜表面親水性基團(氨基、 羧基或羥基), 所以PEEK-PAAm膜的親水性強于PEEK-Col膜. 根據水解膠原蛋白分子量的不同, 親水性的氨基和羧基的含量也有所不同, 分子量越小, 氨基與羧基間脫水縮合的數量則越少, 親水性基團含量越高, 親水性越好. 本文采用的水解膠原蛋白分子量為2000～6000, 分子量較小, 親水性的氨基與羧基含量較高, 因此PEEK-HC膜表面存在大量親水性的氨基、 羧基或羥基, 而且羧基的親水性優于氨基, 因此PEEK-HC比其它接枝膜的水接觸角都低.

表面浸潤性是材料生物相容性的影響因素之一[18,19]. 等離子體表面改性方法已用于提高PEEK表面親水性[11,20,21]. 研究表明, 紫外輻照后PEEK親水性的提高有效改善了PEEK表面與鼠成骨細胞的親和性[11]. 本文結果表明, 光引發丙烯酰胺接枝PEEK的接觸角低至22°, 遠低于文獻報道的簡單UV輻照改性PEEK的接觸角(～61°), 有效實現了PEEK的親水改性, 也為生物分子進一步固定化提供了反應位點.

2.6熒光分析

用紫外可見分光光度計檢測水解膠原蛋白FITC標記液(HC-FITC)的吸收光譜, 結果示于圖5. 可見標記液在480 nm左右達到最大吸收值. 用熒光分光光度計檢測PEEK薄膜及其不同接枝膜的熒光發射光譜, 激發波長選擇480 nm, 其熒光發射光譜如圖6所示.

由于PEEK分子中含有熒光基團苯環, 具有一定的熒光效應[22,23], 所以PEEK空白膜會檢測出一定的熒光發射光譜(圖6譜線c). 圖6譜線a和b分別對應于PEEK-AAm膜和PEEK-GA膜的熒光發射譜, 這2種膜表面由于分別接枝了無熒光效應的PAAm和PAAm-GA, 因此熒光效應較弱, 并且相差無幾.

圖6譜線d為PEEK-Col膜的熒光發射譜. 組成蛋白質的基本氨基酸有20多種, 而蛋白質中所含的芳香族氨基酸(苯丙氨酸, 色氨酸和酪氨酸殘基)在無任何外部因素影響的條件下, 本身具有一定的熒光性[24～26]. 其相對熒光強度比為100∶9∶0.5[27]. 構成膠原蛋白分子的18種氨基酸中沒有色氨酸, 而苯丙氨酸在絕大多數條件下不被激發或者吸收強度很低, 很少能觀察到苯丙氨酸的發射, 因此膠原蛋白的內源熒光主要來自酪氨酸的貢獻[28]. 由于芳香族氨基酸(苯丙氨酸和酪氨酸殘基)在膠原蛋白分子上只有較低的吸收和熒光量子產率, 所以相比于膠原蛋白或水解膠原蛋白外接熒光探針, 其固有的熒光效應較弱[29]. 圖6譜線e為PEEK-HC-FITC膜的熒光發射譜, 由于其表層接枝有熒光探針FITC標記的膠原蛋白, 因此PEEK-HC-FITC膜在所有樣品膜中熒光效應最強, 表明了膠原蛋白已固定.

2.7表面元素分析

由未改性的PEEK膜和PEEK-Col膜表面元素的原子百分比[XPS全掃描譜圖(圖7)]可見, PEEK膜只檢測到了O和C元素對應的峰, PEEK-Col圖譜上出現了新元素(N)的譜峰, 這是膠原蛋白中的N元素所顯現的峰.

由PEEK及PEEK-Col膜的N元素高分辨率XPS譜圖(圖8)可見, 與未改性的PEEK膜相比, PEEK-Col膜在399.56 eV處可觀察到明顯的譜峰, 即PEEK-Col薄膜表面N元素的特征峰. PEEK-Col膜上的N元素的原子百分比為9.43%(表1). 由于PEEK本身無N元素, 已固定上膠原蛋白的PEEK-Col膜表面的N元素的含量遠遠高于空白PEEK膜, 并且2種膜表面C元素和N元素的原子百分比也發生了變化, 從而證明了膠原蛋白已接枝到PEEK薄膜表面.

茚三酮法測得表面固定膠原蛋白的濃度為10.2 μg/cm2., 與馬祖偉等[10]用氧化-接枝方法在PLLA固定膠原的濃度相當, 氨基反應密度為8.9%. 由于戊二醛存在不可控自聚, 因此避免戊二醛與氨基的隨機反應, 可控實現1個氨基只與同1個或2個戊二醛分子反應, 對于蛋白的固定具有重要影響[13].

3結論

通過紫外輻照下聚醚醚酮的自引發接枝聚合有效實現了聚醚醚酮表面的親水改性和化學功能化, 接枝密度高達50.9 μg/cm2, 改性聚醚醚酮表面浸潤性顯著提高, 水接觸角降低至23°; 接枝的丙烯酰胺能夠作為反應位點實現膠原和膠原蛋白的固定化. 異硫氰酸熒光素標記膠原蛋白改性的聚醚醚酮薄膜顯示出最強的熒光效應, 表面固定膠原蛋白濃度為10.2 μg/cm2.

參考文獻

[1]Kurtz S. M.,PEEKBiomaterialsHandbook, William Andre Publishing, New York, 2011, 145—161, 249—251

[2]Baidya K. P., Ramakrishna S., Rahman M., Ritchie A.,J.Biomater.Appl., 2001 , 15(3), 279—289

[3]Peng H. M., Weng X. S.,ChineseJournalofOrthopaedics, 2011, 31(3), 265—268(彭慧明, 翁習生. 中華骨科雜志, 2011, 31(3), 265—268)

[4]Chen R. C., Sun H., Xu G. Z.,Chem.Res.ChineseUniversities, 2012, 28(1), 162—165

[5]Sun H., Chen R. C., Liu S., Xu G. Z.,Chem.Res.ChineseUniversities, 2012, 28(3), 542—545

[6]Sun H., Chen R. C., Li A., Xu G. Z.,Chem.Res.ChineseUniversities, 2012, 28(2), 353—357

[7]Liu H. P., Sun H., Gao Y. H.,ChinaPlastics, 2014, 28(6), 52—56(劉煥萍, 孫輝, 高藝菡. 中國塑料, 2014, 28(6), 52—56)

[8]Emsley J., Knight C. G., Farndale R. W., Barnes M. J., Liddington R. C.,Cell, 2000, 101(1), 47—56

[9]Grande A., Halberstadt C., Naughton G., Schwartz R., Manj R.,J.Biomed.Mat.Res., 1997, 34(2), 211—220

[10]Ma Z. W., Gao C. Y., Gong Y. H.,Chem.J.ChineseUniversities, 2004, 25(4), 749—752(馬祖偉, 高長有, 龔逸鴻. 高等學校化學學報, 2004, 25(4), 749—752

[11]Okada Y., Furumatsu T., Miyazawa S., Fujii M., Takahashi H., Kimura H., Ozaki T., Abe N.,Bio-medicalMaterialsandEnginee-ring, 2015, 25, 169—175

[12]Suzuki M., Kishida A., Iwata H., Ikada Y.,Macromolecules, 1986, 19, 1804—1806

[13]Li X. J.,SurfaceModificationofPolyethyleenTerephthalateFilmbyUVIrradiation-ionducedGraftCollagen, South China University of Technology, Guangzhou, 2011, 18—20(李小佳. UV光引發PET薄膜表面蛋白質接枝改性, 廣州: 華南理工大學, 2011, 18—19)

[14]Kyomoto M., Moro T., Takatori Y., Kawaguchi H., Nakamura K., Ishihara K.,Biomaterials, 2010, 31(6), 1017—1024

[15]Masayuki K., Toru M., Shihori Y., Kenichi W., Yoshio T., Sakae T., Kazuhiko I.,ReconstructiveReview, 2014, 4(3), 36—45

[16]Masayuki K., Kazuhiko I.,ACSAppliedMaterials&Interfaces, 2009, 1(3), 537—542

[17]Murat Y., Mehmet S.,AppliedBiochemistryandBiotechnology, 1996, 60(1), 19—32

[18]Lampin M., Warocquier-Clérout, Legris C., Degrange M. Sigot-Luizard M. F.,J.Biomed.Mater.Res., 1997, 36(1), 99—108

[19]Anselme L., Noel B., Hardouin P.,J.Mater.Sci.Mater.Med., 1999, 10, 815—819

[20]Kim S., Lee K. J., Seo Y.,Langmuir, 2004, 20, 157—163

[21]Han C. M., Lee E. J., Kim H. E., Koh Y. H., Kim K. N., Ha Y., Kuh S. U.,Biomater., 2010, 3465—3470.

[22]Nijegorodov N., Mabbs R., Winkoun D. P.,SpectrochimicaActaPartA:MolecularandBiomolecularSpectroscopy, 2003, 59(3), 595—606

[23]Wuyun Qimu-ge, Wu H. Y., B-Gereltu, Wu H. S.,Chem.J.ChineseUniversities, 1997, 18(3), 492—494(烏云其木格, 吳紅英, 博格日勒圖, 吳哈申. 高等學?；瘜W學報, 1997, 18(3), 492—494)

[24]Joseph R. L.,BiochemicalJournal, 1994, 67, 1788—1791

[25]VanScyoc W. S., Sorensen B. R., Rusinova E., Laws W. R., Ross J. B. A., Shea M. A.,BiophysicalJournal, 2002, 83(5), 2767—2780

[26]Yang X. Z., Wu D. C., Du Z. L., Li R. X., Chen X. L., Li X. H.,J.Agric.FoodChem., 2009, 57, 3431—3435

[27]Tang S. H., Huang J. B.,ActaPhysico-ChimicaSinica, 2001, 17(10), 873—878(唐世華, 黃建濱. 物理化學學報, 2001, 17(10), 873—878)

[28]Wang Y. H., Chen W. Y.,ChinaLeather, 2011, 40(1), 20—23(王應紅, 陳武勇. 中國皮革, 2011, 40(1), 20—23)

[29]Wu K., Liu W. T., Li G. Y.,SpectrochimicaActa,PartA:MolecularandBiomolecularSpectroscopy, 2013, 102, 186—193

(Ed.: D, Z)

? Supported by the International Organization for Standardization(ISO) Standards Projects(Nos.19000551742, 19000551406), the National Natural Science Foundation of China(No.31570575) and the Innovative Research Team of Polymeric Functional Film of Beijing Technology and Business University, China(No.19008001071).

Surface Hydrophilic Modification of Poly(ether ether ketone) and Immobilization of Collagen?

SUN Hui1,2*, YU Qingsong1, YANG Biao1, XU Guozhi1,2

(1.CollegeofMaterialsScienceandMechanicalEngineering, 2.ChinaNationalCenterforQualitySupervisionandTestofPlasticProduct,BeijingTechnologyandBusinessUniversity,Beijing100048,China)

KeywordsPoly(ether ether ketone); Collagen; Surface modification; Fluorescence labeling

AbstractSurface modification of poly(ether ether ketone)(PEEK) was performed to increase the surface wettability. Acrylamide(AAm) was grafted on the surface of PEEK film by ultraviolet grafting to improve the hydrophilicity through the introduction of hydrophilic groups. Then, glutaraldehyde was used to immobilize collagen and hydrolyzed collagen on surface of the material. Fluorescein-labelled collagen was also used to verify the immobilization. The surfaces of PEEK film before and after modification were characterized by contact angle meter, scanning electron microscope, fluorescence spectrophotometer and X-ray photoelectron spectrometer. The results show that the surface morphology and the hydrophilicity are changed significantly after surface modification. Polyacrylamide grated on PEEK has a density of as high as 50.9 μg/cm2. PEEK-g-PAAm becomes hydrophilic with a decreased water contact angle of (22±3)°. Surface immobilized with hydrolyzed collagen labeled with fluorescein isothiocyanate exhibits strong fluorescence effect. Modified films immobilized with collagen showed nitrogen peak, which was not observed for unmodified PEEK film in X-ray photoelectron spectroscopy, indicating the successful immobilization of collagen. The concentration of collagen immobilized on PEEK was determined to be 10.2 μg/cm2.

收稿日期:2016-02-29. 網絡出版日期: 2016-05-18.

基金項目:國際標準化組織(ISO)標準項目基金(批準號: 19000551742, 19000551406)、 國家自然科學基金(批準號: 31570575)和北京工商大學高分子功能薄膜創新團隊項目(批準號: 19008001071)資助.

中圖分類號O631

文獻標志碼A

聯系人簡介: 孫輝, 男, 博士, 副教授, 主要從事高分子表面改性及生物質精細化學品的研究. E-mail: cnhsun@yahoo.com