聚醚醚酮(PEEK)是一种半结晶型的特种工程塑料，其主链的重复单元由两个醚键和一个酮键构成。PEEK具有优异力学性能、化学性质稳定、耐高温、辐射不透性等优点，也具有良好的生物相容性。然而纯PEEK的生物活性尚不能完全满足要求，通过引入具有生物活性填料可提高PEEK的生物相容性，从而扩大其在骨组织工程方面的应用[1-2]。羟基磷灰石(HA)是人体内硬组织如牙齿和骨骼的主要成分，在密质骨中其含量达到72%，在牙齿中高达97%[3-4]。HA对于人体没有毒性且生物相容性良好，相关研究表明HA在体内能够诱导骨组织再生并促进骨缺损部位的愈合，所以HA被认为是目前应用广泛的骨移植与人工齿修复材料[5-7]。将HA添加到PEEK基体中有助于改善材料的生物活性，得到的HA/PEEK二元复合材料在体外和临床试验中都表现出良好的骨诱导性与骨整合性[8]。然而HA的力学性能差，特别是冲击韧性不足，使HA/PEEK复合材料的强度不理想，传统HA/PEEK复合材料很难作为骨植入体的理想材料在临床上推广应用[9-10]。多壁碳纳米管(MWCNTS)具有优异的力学性能，广泛用于增强聚合物[11-13]。同时MWCNTS被证实在人体内具有良好的生物相容性[14-16]。另外，MWCNTS作为填充材料加入PEEK并不会对塑料的加工性能产生较大影响，可以通过热压、注塑、增材制造等方式进行加工成型。将MWCNTS与PEEK复合材料共混改性可以提高复合材料的力学性能也能进一步提高材料的其他理化性能。本实验采用湿法共混-螺杆挤出的加工方式制备了MWCNTS/HA/PEEK三元复合材料。考察了两种填料在复合材料内部的分散情况并对材料的力学强度、拉伸模量、微观形貌、热学性能、表面亲水性、表面粗糙度、生物活性等理化性质进行研究。1实验部分1.1主要原料聚醚醚酮(PEEK)，VICTREX 450P，英国VICTREX化学有限公司；戊二醛溶液，纯度20%，武汉市帝科化工有限公司；多壁碳纳米管(MWCNTS)，纯度≥98%，中科院成都有机化学有限公司；小鼠胚胎成骨细胞前体细胞(MC3T3-E1)，ATCC CRL-2594，中科院细胞库；碱性磷酸酶测试盒，北京义翘神州科技有限公司；PBS缓冲液：武汉普诺赛生命科技有限公司；MTT测试盒，Beyotime公司。1.2仪器与试剂超声波分散仪，SCIENTZ-3000F，宁波新芝生物科技股份有限公司；电子万能试验机，WDW-2，上海松顿仪器制造有限公司；精密注射机，BOY-22A，德国BOY有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，KYKY-EM8000，北京中科科仪股份有限公司；接触角测试仪，SurfaSpector)，上海轩轶创析工业设备有限公司；表面轮廓仪，VR-5000、差示扫描量热仪(DSC)，MicroCal DSC，中国基恩士有限公司；酶标仪，Aurora-600，美国Molecular Devices有限公司；恒温细胞培养箱，LRHBPC，立德泰勀（上海）科学仪器有限公司。1.3样品制备在500 mL无水乙醇中加入一定质量的PEEK粉末，磁力搅拌1 h使PEEK微粒表面充分润湿并均匀分散形成悬浊液。在200 mL去离子水中加入纳米级HA微粒（质量分数10%~50%）充分超声分散得到HA分散液，将HA分散液缓慢加入PEEK悬浊液中。将十二烷基硫酸钠表面处理后的MWCNTS分散液逐滴加入混合液（加入含量为4%），滴加完毕后继续超声1 h并持续搅拌5 h。将混合液抽滤并在真空120 ℃条件下放入干燥箱24 h至恒重，得到混合均匀的MWCNTS、HA和PEEK共存的三元混合粉末。HA和PEEK二元混合粉末实验步骤与三元混合粉末相同。利用注射机对两种混合物进行共混加工。加工时熔融温度为350~380 ℃，注射压力为13~18 MPa。试样尺寸按GB/T 16419—1996、GB/T 16421—1996进行制备。样品在室温条件下以20 ℃/h的速率升温至220 ℃保持1 h，以20 ℃/h的速率冷却至室温进行退火处理。将HA/PEEK和MWCNTS/HA/PEEK复合材料放于保干器。1.4性能测试与表征力学性能测试：拉伸性能按ASTMD638—2014进行测试，弯曲强度按HG/T 3840—2006进行测试，测试温度为(25±2) ℃。SEM分析：将复合材料用力学试验机拉断，在复合材料的断面处镀金层以避免充电效应，使用电子显微镜观察材料的微观形貌。表面亲水性分析：采用静态水接触角测量仪测定各组样品表面的水接触角。用注射器将1 μL的蒸馏水垂直悬滴到样品表面，静置等待10 s后使用接触角测量仪自带成像系统拍摄液滴照片并分析接触角。粗糙度测试：材料表面的粗糙度使用表面轮廓仪进行测试，每一个样品选取三个不同区域进行测定，实验结果为3次测定数值的平均值。DSC测试：N2气氛，恒温干燥箱内温度由室温升高到380 ℃并保持20 min，以去除样品的热历史。以10 ℃/min的速率降温至温，获得样品的温曲线。从室温以10 ℃/min的升温速率加热至380 ℃，得到二次升温曲线。成骨细胞相容性评价：将复合材料样品用环氧乙烷灭菌，所用试剂瓶也均用75%的乙醇溶液消毒处理。通过检测小鼠MC-3T3E1成骨细胞在材料表面的增殖与黏附情况对材料的细胞相容性进行评价。2结果与讨论2.1MWCNTS/HA/PEEK三元复合材料的SEM分析图1为30%HA/PEEK二元复合材料与4%MWCNTS/30%HA/PEEK三元复合材料断裂面的SEM照片。从图1可以看出，HA微粒在两种复合材料中都被聚合物包覆，分散比较均匀，但是在HA/PEEK复合材料中一些HA出现团聚（图1a中白色箭头）。由于复合材料中无机粒子HA的含量较高，容易出现团聚现象。在4%MWCNTS/30%HA/PEEK复合材料中，HA分布比较均匀（图1b中白色箭头），重要的是MWCNTS也均匀穿插在聚合物基体中（图1b中黑色箭头）能够起增强作用[17]。在断裂面没有发现MWCNTS受力拔出所形成的空洞，说明MWCNTS与PEEK间相互作用良好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.009.F001图 130%HA/PEEK二元复合材料与4%MWCNTS/30%HA/PEEK三元复合材料断裂面的SEM照片Fig.1SEM images of fracture surfaces of 30%HA/PEEK binary composites and 4% MWCNTS/30%HA/PEEK ternary composites2.2HA/PEEK与MWCNTS/HA/PEEK复合材料的力学性能图2为HA/PEEK与4%MWCNTS/HA/PEEK复合材料的拉伸模量。从图2可以看出，当加入一定量的HA后，两种复合材料的拉伸模量均逐渐提高。由于MWCNTS具有增强作用，相同HA含量的情况下，4%MWCNTS/HA/PEEK复合材料的拉伸模量比二元的HA/PEEK材料更高。由于MWCNTS的拉伸模量可以高达到1.8 GPa，远高于HA陶瓷和PEEK的模量[18-19]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.009.F002图2HA/PEEK与4%MWCNTS/HA/PEEK复合材料的拉伸模量Fig.2Tensile modulus of HA/PEEK and 4%MWCNTS/HA/PEEK composites图3为HA/PEEK与4%MWCNTS/HA/PEEK复合材料拉伸强度与弯曲强度。作为生物陶瓷，HA由于其脆性在聚合物中降低材料的力学强度。从图3可以看出，当HA含量逐渐增加(10%~50%)，HA/PEEK复合材料的拉伸强度急剧下降。但是在相同HA含量下，4%MWCNTS/HA/PEEK复合材料的拉伸强度明显高于HA/PEEK复合材料。在HA含量分别为10%、20%、30%、40%和50%时，4%MWCNTS/HA/PEEK的拉伸强度相比HA/PEEK复合材料分别提高了22%、24%、34%、37%和21%。由此可见复合材料中脆性HA组分在提升材料的生物活性同时也降低材料的力学强度。添加适量的MWCNTS可以很好地弥补HA加入造成的力学强度的损失，最大限度地保持复合材料的力学性能。人体的密质骨的拉伸模量的范围为7~30 GPa，拉伸强度的范围为50~150 MPa[20]。4%MWCNTS/30%HA/PEEK的拉伸模量(8.1 GPa)与拉伸强度(78 MPa)都可以满足人体密质骨的力学性能的要求，表明该复合材料在骨修复材料领域有一定的应用潜力。图3HA/PEEK与4%MWCNTS/HA/PEEK复合材料的拉伸强度和弯曲强度Fig.3The tensile strength and the flexural strength HA/PEEK and 4%MWCNTS/HA/PEEK composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.009.F3a1(a)拉伸强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.009.F3a2(b)弯曲强度2.3HA/PEEK和MWCNTS/HA/PEEK复合材料的亲水性与表面粗糙度表1为PEEK，HA/PEEK和MWCNTS/HA/PEEK复合材料的水接触角和表面粗糙度。从表1可以看出，纯的PEEK的接触角为82.1°，有一定的亲水性。加入亲水性的HA后复合材料表面的接触角明显降低，30%HA/PEEK复合材料的接触角为66.2°，相比于纯PEEK下降约16°，材料的亲水性得到明显增强。此外，4%MWCNTS对材料表面的亲水性影响不大，但仍然可以小幅降低水接触角。良好的亲水性可以促进成骨细胞在生物材料表面的细胞黏附，提升材料的生物活性。PEEK经过共混改性得到的HA/PEEK和4%MWCNTS/HA/PEEK复合材料在亲水性方面得到较大提升，因此两种复合材料的细胞相容性也可能相应提高。表面粗糙度对细胞增殖和功能具有显著影响，粗糙的表面促进成骨细胞在自身培养上的附着和分化。从表1可以看出，10%HA/PEEK复合材料的表面粗糙度提高至(1.15±0.11) μm，比纯PEEK(0.88±0.23) μm聚合物提高30.7%。30%HA/PEEK样品的粗糙度增至(1.52±0.31) μm，是PEEK试样的1.73倍。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.009.T001表 1PEEK、HA/PEEK和MWCNTS/HA/PEEK复合材料的水接触角和表面粗糙度Tab.1Water contact angles and surface roughness of pure PEEK and composites样品水接触角/（°）表面粗糙度/μmPEEK82.1±0.50.88±0.2310%HA/PEEK73.6±0.31.15±0.1130%HA/PEEK66.2±0.31.52±0.314%MWCNTS/HA/PEEK64.3±0.61.53±0.22由于HA填料暴露在PEEK基体表面，改变表面形貌和微观结构，使得PEEK的表面粗糙度增大。但是加入4%MWCNTS后，复合材料的表面粗糙度改变不大，可能是由于MWCNTS含量相对较小或者多数分散在PEEK树脂内部。2.4HA/PEEK和MWCNTS/HA/PEEK复合材料的热力学性能作为一种半结晶型聚合物，PEEK分子链间的相互作用会在填料加入后发生改变，并对材料的结晶、玻璃化转变和熔融等热力学性质产生影响，从而改变复合材料的相关理化性质。图4为PEEK、HA/PEEK和MWCNTS/HA/PEEK复合材料DSC曲线。表2为PEEK、HA/PEEK和MWCNTS/HA/PEEK复合材料的相关热学参数。图4PEEK、HA/PEEK和MWCNTS/HA/PEEK复合材料DSC曲线Fig.4DSC curves of PEEK, HA/PEEK and MWCNTS/HA/PEEK composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.009.F4a1(a)降温曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.009.F4a2(b)二次升温曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.009.T002表2PEEK、HA/PEEK和MWCNTS/HA/PEEK复合材料的热力学参数Tab.2Thermodynamic parameters of PEEK, HA/PEEK and MWCNTS/HA/PEEK composites样品Tc/℃Hc /（J‧g-1）Tm/℃Hm/（J‧g-1）PEEK307.3947.32346.1340.2210%HA/PEEK312.3639.94352.2936.024%MWCNTS/10%HA/PEEK315.0240.61353.3536.0830%HA/PEEK317.9735.85357.2733.194%MWCNTS/30%HA/PEEK318.8236.52358.3934.92注：Hc为结晶焓；Hm为熔融焓。从图4a和表2可以看出，PEEK的结晶温度(Tc)约为307 ℃，随着HA（10%和30%）的加入，HA/PEEK二元复合材料的Tc移向高温。MWCNTS进一步提高了材料的Tc，但是增加幅度逐渐收窄。可能是均匀分散的MWCNTS和HA在PEEK中可以作为异相成核点，促进早期晶核的形成，有利于PEEK的结晶进程。从图4b和表2可以看出，纯PEEK的熔融温度(Tm)约为346 ℃。MWCNTS和HA均可以提高了PEEK的Tm，这与Tc的变化规律相似。2.5成骨细胞在HA/PEEK和MWCNTS/HA/PEEK复合材料表面的增殖情况图5为成骨细胞在30%HA/PEEK和4%MWCNTS/30%HA/PEEK复合材料表面培养1、4、7 d后的SEM照片。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.009.F005图5成骨细胞在30%HA/PEEK和4%MWCNTS/30%HA/PEEK复合材料表面培养1、4、7 d后的SEM照片Fig.5SEM images of osteoblast cells cultured on 30%HA/PEEK and 4%MWCNTS/HA/PEEK composites after 1, 4 and 7 d从图5可以看出，细胞培养1 d后，30%HA/PEEK表面的细胞多为梭形；而4%MWCNTS/30%HA/PEEK复合材料表面的成骨细胞却是纺锤形或者扁平形。培养4 d后细胞开始增殖铺展，30%HA/PEEK和4%MWCNTS/30%HA/PEEK两种材料上的成骨细胞都伸出更多的突触与伪足，这证明两种材料均具有较好的生物相容性。另外，MWCNTS的引入没有抑制成骨细胞在材料表面的增殖与分化。在细胞培养的第7 d成骨细胞几乎覆盖两种复合材料的整个表面。3结论（1）通过共混-注塑工艺制备HA/PEEK和MWCNTS/HA/PEEK两种复合材料。SEM测试证实了MWCNTS与PEEK基体存在较强的结合力。但是由于纳米级HA的微粒比表面积很大，在复合材料中可以发现HA的团聚体。（2）HA的引入会严重降低材料的力学强度，但是MWCNTS的引入在一定程度上保持了材料的力学强度。4%MWCNTS/30%HA/PEEK复合材料的拉伸模量(8.1 GPa)与拉伸强度(78 MPa)都可以满足人体密质骨的力学强度要求。（3）HA可以大幅降低PEEK的接触角，提高了复合材料的亲水性。HA/PEEK和MWCNTS/HA/PEEK复合材料的表面粗糙度都高于纯PEEK。（4）MWCNTS和HA共同提高了PEEK的结晶温度Tc与熔融温度Tm，一定程度上提升了PEEK的热稳定性。（5）成骨细胞在MWCNTS/HA/PEEK复合材料表面生长与分化情况良好，证明制备的三元复合材料有良好的生物相容性。