聚醚醚酮生物材料粘結性能的研究進展

劉秀菊，牛德利，甘 抗，宋效慶，周 莉，2，劉 紅

(1.吉林大學口腔醫院綜合治療科，吉林 長春 130021；2.天津醫科大學口腔醫院，天津 300070)

聚醚醚酮生物材料粘結性能的研究進展

劉秀菊1，牛德利1，甘 抗1，宋效慶1，周 莉1，2，劉 紅1

(1.吉林大學口腔醫院綜合治療科，吉林 長春 130021；2.天津醫科大學口腔醫院，天津 300070)

聚醚醚酮(Poly-ether-ether-ketone，PEEK)是一種具有優良機械性能和生物相容性的特種熱塑性工程塑料，在航空航天、電子電器、醫療等領域具有廣泛的應用。采用不同的手段改性PEEK，改善其粘結性能，有利于擴展其在口腔領域的應用范圍。本文就目前改善PEEK粘結性能的表面處理方法和粘結系統的選擇兩大方面進行綜述。

聚醚醚酮；粘結強度；表面；粘結系統

聚醚醚酮(PEEK)具有良好的生物相容性、尺寸穩定性及優異的機械性能，在口腔固定義齒修復和種植義齒修復領域具有廣闊的應用前景。由于PEEK與牙科樹脂類材料結合力低，難以獲得牢固的粘結效果，所以增強PEEK與粘結劑之間的粘結強度成為關鍵問題。表面處理方式以及粘結系統的選擇是增加粘結強度的主要因素。本文從目前應用于PEEK的表面處理方法以及所選擇的粘結系統進行綜述。

1 聚醚醚酮的性能及應用

聚醚醚酮(PEEK)是聚芳醚酮(PAEK)中最重要的品種，具有耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕、耐疲勞等良好的理化性能及生物相容性[1]，已經成為當今較為熱門的高性能工程塑料之一，其主要應用于航空航天、汽車工業以及醫療器械等領域[2]。PEEK的射線透射性良好，臨床上進行X射線、MRI和CT檢查時不需要拆除，又由于其彈性模量介于皮質骨和松質骨之間并具有良好的尺寸穩定性，因此該材料在非金屬植入領域得到廣泛應用，比如脊柱植入物、人造骨以及創傷修復等方面[3]。

在口腔醫學領域，PEEK主要應用于牙種植過程中的愈合帽、臨時基臺以及正畸治療中的咬合棒[4]。Stawarczyk等[5]研究表明，后牙區所承受的咀嚼力最大為600 N，而當PEEK三單位固定橋上加載力達到1 200 N時才能看到形變。所以，PEEK是一種較為理想的固定義齒修復材料。然而，由于PEEK本身顏色灰暗以及透明度低，限制了其在臨床的應用。因此，應用復合樹脂和貼面與PEEK進行粘結，從而克服這一缺陷是必要的。

2 PEEK的表面處理

目前PEEK的表面處理方法可以分為兩大類：表面粗化和表面改性。表面粗化主要包括酸蝕、噴砂等，而表面改性主要包括硅烷耦聯化、涂層以及等離子處理等。PEEK經表面處理后，表面粗糙度增加，微孔形成，因而粘結劑可以滲透到微孔中形成粘附側枝，具有顯微機械固位的作用。

2.1 酸蝕法 酸蝕是增加修復材料與粘結劑之間粘結強度的表面處理方法之一[6]。氫氟酸通常被用于處理陶瓷，它能選擇性地和SiO2基質中的硅相發生反應(6H2F2+2SiO2→2H2SiF6+4H2O)，生成四面體的氟硅酸鹽，粗化陶瓷表面，于其界面形成微機械固位，增加了粘結強度，提高了粘結性能[7]。Yan等[8]用氫氟酸處理了鋇玻璃粉(BGF)含量為40 wt%的PEEK-BGF復合材料，之后再與登泰克雙固化樹脂粘結劑進行粘結并測試其剪切強度值。研究結果表明經氫氟酸處理的PEEK-BGF復合材料的剪切強度值比未經氫氟酸處理組降低了67.54%，并且經SEM和XPS檢測發現：經過氫氟酸處理后，PEEK-BGF復合材料表面的BGF被刻蝕，但粗糙程度變化卻不明顯。Schmidlin等[9]研究發現，用98%的濃H2SO4處理PEEK的表面能產生一個高度多孔、可滲透的表面，粘結劑可以更容易的滲透其中，從而增加了粘結強度。但是，無論選擇怎樣濃度的鹽酸和硝酸，都沒能使其表面發生改變。有學者研究發現經過酸蝕處理后，PEEK表面粗糙度降低，接觸角升高，但剪切強度卻明顯提高[5]，然而這一現象卻并沒有得到明確的解釋。

2.2 噴砂 目前，噴砂處理被認為是表面處理修復體最簡便的方法[10]。噴砂處理能清潔可能阻止化學結合的污染，形成一個具有鎖結作用的粗糙表面，增大粘結面積，產生微觀固位形，增加機械嵌合力，從而形成制鎖連接[11]。對于不同硬度的待處理表面而言，若砂粒粒度過小則會造成處理表面粗糙度不夠，粘結強度較弱；若砂粒粒度過大則造成處理表面剝脫，由于粗糙度過大造成界面應力集中或者粗糙度下降，因而導致粘結強度降低[12]。Schmidlin等[9]在0.2 MPa壓力下分別使用50 μm和110 μm的氧化鋁微粒處理PEEK表面10 s，之后再與Heliobond/Tetric和RelyX Unicem兩種粘結系統進行粘結，最后對粘結試件的剪切強度進行測試。測試結果表明：當使用Heliobond/Tetric粘結系統時，110 μm Al2O3微粒噴砂處理后，測得的剪切強度值為(11.9±3.7)MPa；50 μm的Al2O3微粒噴砂處理后測得的剪切強度值為(13.5±2.4)MPa。但是當采用RelyX Unicem粘結系統時，粘結強度卻為0。這可能是因為應用RelyX Unicem粘結劑后，其性能由親水性變為疏水性致使界面的潤濕性和晶相發生了變化[13]。然而，Stawarczyk等[5]研究表明：與使用50 μm的Al2O3噴砂相比，使用110 μm的Al2O3噴砂處理PEEK后其表面粗糙度明顯較高，接觸角相對較低，再分別與Gradia和Sinfony進行粘結后測得較高的剪切強度值。此外，這兩種黏度較高的樹脂材料對剪切強度也有一定的影響。有研究發現，對PEEK表面采用50 μm的Al2O3進行噴砂處理后，形成了凹凸不平的粗糙表面，直接與三種復合樹脂進行貼合，測得拉伸強度為0，仍未建立任何粘結界面[14]。可見，粘結劑的選擇對PEEK噴砂后的粘結效果有顯著的影響。

2.3 二氧化硅涂層和硅烷化處理技術 二氧化硅涂層技術又稱為摩擦化學涂層術，是傳統噴砂技術的改良。該技術是在氧化鋁顆粒的表面覆蓋一層二氧化硅，高溫下噴砂處理后在其表面形成硅酸鹽涂層[15]。這種方法不僅可以增加PEEK與樹脂粘結劑之間的粘結強度，而且由于PEEK表面硅元素的引入，使得硅烷耦聯劑可以獲得較為理想的效果。Schmidlin等[9]采用二氧化硅涂層技術處理PEEK表面，然后分別與Heliobond/Tetric和RelyX Unicem兩種粘結劑進行粘結，測試剪切強度。結果顯示：采用Heliobond/Tetric粘結劑時試件的剪切強度有所增加；而采用RelyX Unicem粘結劑時試件的剪切強度卻并未增加，這或許和粘結劑的性能有關。Yan等[8]通過研究表明，硅涂層耦聯劑與粘結劑中的成分形成C=C化學鍵，增強了粘結強度。

2.4 低溫等離子體處理技術 材料表面經低溫等離子體處理后發生了多重物理化學變化：表面雜質被清除；極性基團引入，由非極性表面轉變為極性表面；表面自由能增加，潤濕角降低；或產生刻蝕而粗糙，或形成致密的交聯層，從而增加了粘結界面的相互作用，使粘結性能得到了較大改善[16]。高分子材料表面的低溫等離子體處理常采用氬氣、氮氣、氫氣和氧氣等作為低溫等離子體[17]。Zhang等[18]分別用氬氣、氮氣和氧氣對半結晶PEEK進行低溫等離子體處理，測試粘結強度，結果表明經氬氣低溫等離子體處理組的粘結強度最高，氮氣處理組的最低。Jha等[19]在常壓和低壓下，分別對PEEK進行等離子處理，試驗結果表明常壓下處理后的粘結力較低壓下的大。經等離子體處理后的PEEK表面粗糙度增加，極性基團的引入使其表面能增加，粘結性能增強。并且若等離子處理的時間不同，其粘結強度也有所差異，這或許是因為等離子處理時間過長，試件表面已經形成的活性基團會遭到破壞，導致活性基團的數量減少，從而影響了其粘結性。Stawarczyk等[20]研究發現：當氣壓為200 kPa時，經氦氣低溫等離子處理10 s后的PEEK，與Clearfil SA和RelyX Unicem Automix 2兩種樹脂粘結劑并未建立粘結。

3 粘結劑的選擇

隨著口腔修復材料的發展，口腔材料研究者對粘結劑的重視度越來越高。粘結材料在口腔臨床修復中發揮著重要的作用：(1)促進修復體的固位作用；(2)提高修復體及基牙的抗折強度；(3)增強邊緣封閉作用，減少邊緣微滲漏的發生，避免對修復體產生不良影響[21]。Hallmann等[22]將PEEK經噴砂和piranha溶液酸蝕處理后分別與Clearfil Ceramic Primer/RelyX Unicem和Heliobond/RelyX Unicem兩種粘結劑進行粘結，測試粘結強度。研究結果表明，采用Heliobond/RelyX Unicem粘結劑時獲得的拉伸強度高于Clearfil Ceramic Primer/RelyX Unicem。因此，Heliobond/RelyX Unicem粘結劑對增強PEEK的粘結性能有較大的作用。Schmidlin等[9]發現當使用相同的方法處理PEEK時，Heliobond粘結劑的粘結強度高于RelyX Unicem。但有學者研究發現，含有磷酸鹽單體的粘結劑不能改善PEEK的粘結性能[14]。

4 總結

PEEK的表面經過處理后表面性能得到了改善，其粘結力也有所提高，不僅使PEEK的應用范圍更加廣泛，而且也推動了PEEK在口腔醫學領域的發展。隨著研究的進一步深入，將會有更多的依據來指導其在臨床上的應用。可以預見，隨著PEEK材料的使用和不斷改進以及粘結技術的發展，PEEK材料將會更加廣泛地應用于口腔臨床。

[1]Apeldorn T,Keilholz C,Wolff-Fabris F,et al.Dielectric properties of highly filled thermoplastics for printed circuit boards[J].J Appl Polym Sci,2013,128(6):3758-3770.

[2]Xie GY,Sui GX,Yang R.Effects of potassium titanate whiskers and carbon fibers on the wear behavior of polyetheretherketone composite under water lubricated condition[J].Composites Science and Technology,2011,71(6):828-835.

[3]Feerick EM,Kennedy J,Mullett H,et al.Investigation of metallic and carbon fibre PEEK fracture fixation devices for three-part proximal humeral fracture[J].Med Eng Phys,2013,35(6):712-722.

[4]Santing HJ,Meijer HJA,Raghoebar GM,et al.Fracture strength and failure mode of maxillary implant-supported provisional single crowns:A comparison of composite resin crowns fabricated directly over PEEK abutments and solid titanium abutments[J].Clin Implant Dent Relat Res,2012,14(6):882-889.

[5]Stawarczyk B,Beuer F,Wimmer T,et al.Polyetheretherketone—A suitable material for fixed dental prostheses?[J].J Biomed Mater Res BAppl Biomater,2013,101(7):1209-1216.

[6]ChaiyabutrY,McGowan S,Phillips KM,et al.The effect of hydrofluoric acid surface treatment and bond strength of a zirconia veneering ceramic[J].J Prosthet Dent,2008,100(3):194-202.

[7]Janda R,Roulet JF,Wulf M,Tiller HJ.A new adhesive technology for all-ceramics[J].Dent Mater,2003,19(6):567-573.

[8]Yan P,Xu D,Wang B,et al.Effect of barium-containing glass filler reinforcement on shear bond strength of poly(ether ether ketone)to resin cement[J].High Perform Polym,2013,25(4):475-481.

[9]Schmidlin PR,Stawarczyk B,Wieland M,et al.Effect of different surface pre-treatments and luting materials on shear bond strength to PEEK[J].Dent Mater,2010,26(6):553-559.

[10]Noiset O,Schneider YJ,Marchand-Brynaert J.Adhesion and growth of CaCo2cells on surface-modi f i ed PEEK substrata[J].Biomater Sci Polym Ed,2000,11(7):767-786.

[11]Yang B,Wolfart S,Scharnberg M,et al.Influence of contamination on zirconia ceramic bonding[J].J Dent Res,2007,86(8):749-753.

[12]Frankenberger R,Kr?mer N,Sindel J.Repair strength of etched vs silica-coated metal-ceramic and all-ceramic restoration[J].Oper Dent,2000,25(3):209-215.

[13]Radovic I,Monticelli F,Goracci C,et al.Self-adhesive resin cements:a literature review[J].JAdhes Dent,2008,10(4):251-258.

[14]Stawarczyk B,Keul C,Beuer F,et al.Tensile bond strength of veneering resins to PEEK:impact of different adhesives[J].Dent Mater J,2013,32(3):441-448.

[15]孫 蕾,張富強.氧化鋯應用于全瓷修復的研究進展[J].國外醫學:口腔醫學分冊,2005,32(2):145-147.

[16]Ryu GH,Yang WS,Roh HW,et al.Plasma surface modification of poly(D,L-lactic-co-glycolic acid)(65/35)film for tissue engineering[J].Surface and Coatings Technology,2005,193(1):60-64.

[17]Chu PK,Chen JY,Wang LP,et al.Plasma-surface modif i cation of biomaterials[J].Mater Sci Eng,2002,36(5-6):143-206.

[18]Zhang S,Awaja F,James N,et al.Autohesion of plasma treated semi-crystalline PEEK:Comparative study of argon,nitrogen and oxygen treatments[J].Colloids and Surfaces A:Physicochem Eng Aspects,2011,374(1-3):88-95.

[19]Jha S,Bhowmik S,Bhatnagar N,et al.Experimental investigation into the effect of adhesion properties of PEEK modified by atmospheric pressure plasma and low pressure plasma[J].J Appl Polym Sci,2010,118(1):173-179.

[20]Stawarczyk B,B?hr N,Beuer F,et al.Influence of plasma pretreatment on shear bond strength of self-adhesive resin cements to polyetheretherketone[J].Clinical oral investigations,2014,18(1): 163-170.

[21]周 莉.不同表面處理方法對聚醚醚酮生物復合材料粘結強度的影響[D].吉林:吉林大學,2014.

[22]Hallmann L,Mehl A,Sereno N,et al.The improvement of adhesive properties of PEEK through different pre-treatments[J].Appl Surf Sci,2012,258(18):7213-7218.

Research progress on bond properties of PEEK biomaterials.

LIU Xiu-ju1,NIU De-li1,GAN Kang1,SONG Xiao-qing1,ZHOU Li1,2,LIU Hong1.1.Department of Comprehensive Treatment,Hospital of Stomatology,Jilin University,Changchun 130021,Jilin,CHINA;2.Hospital of Stomatology,Tianjin Medical University,Tianjin 300070, CHINA

Poly-ether-ether-ketone(PEEK)is a kind of engineering plastics with special heat compatibility, excellent mechanical properties and good biocompability.PEEK is widely used in aerospace,electronics,medical and other fields.Applying different methods to improve the adhesive performance of PEEK is conducive to the expansion of its application scope in the field of stomatology.This article reviews the methods of surface treatment to improve the bond performance of PEEK and the selection of adhesive system.

Poly-ether-ether-ketone(PEEK);Bond strength;Surface;Adhesive system

R318.08

A

1003—6350（2015）24—3674—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2015.24.1324

2015-03-27)

吉林省自然科學基金資助課題(編號：201215051)；吉林省產業技術研究與開發項目資助課題(編號：JF2012C009-2)；吉林省產業技術研究與開發項目資助課題(2015Y038-3)；吉林大學研究生創新基金資助項目(2015003)

劉 紅。E-mail：jdliuhong@163.com