聚醚醚酮復合材料的生物相容性

劉秀菊，牛德利，甘抗，宋效慶，劉紅

(吉林大學口腔醫院綜合治療科，吉林長春130021)

聚醚醚酮復合材料的生物相容性

劉秀菊，牛德利，甘抗，宋效慶，劉紅

(吉林大學口腔醫院綜合治療科，吉林長春130021)

聚醚醚酮生物復合材料具有良好的機械性能和生物活性，其在骨缺損修復、創傷修復和口腔固定修復及種植等領域的應用得到研究者的廣泛關注，越來越多的聚醚醚酮生物復合材料得以開發和研制。本文就目前常見的醫用聚醚醚酮復合材料的生物相容性研究做一綜述。

聚醚醚酮；復合材料；種植體；生物活性

作為聚芳醚酮家族的一員，聚醚醚酮(PEEK)是一種特種熱塑性聚合物，具有高強度、高剛度、耐腐蝕、抗水解等良好的機械性能及生物相容性[1]，在航空航天、石油化工、汽車及機械制造等領域成功的應用[2]。與鈦相比，聚醚醚酮的彈性模量更接近于人體皮質骨，具有良好的塑性能力和射線半透射性，在臨床檢查(如X線、CT、MRI)和診斷時不需要拆除。20世紀90年代，作為金屬植入物的替代品，聚醚醚酮復合材料越來越多的應用于骨科和創傷等領域[3]。1992年，聚醚醚酮首次在牙科中應用，主要用于制造正畸用咬合棒及種植體的臨時基臺和愈合帽[4]。

1 PEEK生物復合材料的種類

隨著材料科學、現代生命科學和尺度化學等學科的交互滲透，納米改性技術的飛躍進步，復合材料合成、制備以及生物改性等關鍵技術的不斷突破，PEEK生物復合材料的研究得到了迅猛發展，各類新型的PEEK基生物復合材料相繼出現，提高了PEEK的力學性能，改善了其生物活性。下面，就目前常見的醫用PEEK復合材料進行闡述。

1.1 納米活性粒子充填PEEK復合材料不同種類的納米無機活性粒子充填PEEK可明顯改善PEEK的表面活性。目前，常用的PEEK無機填料主要包括羥基磷灰石(HA)、氟磷灰石(FA)、納米TiO2等。

1.1.1 納米羥基磷灰石PEEK復合材料(HA/ PEEK)人體骨組織主要是由納米級的羥基磷灰石晶體和膠原構成。將HA與PEEK共混制備HA/PEEK復合材料，能顯著提高PEEK的生物活性。Yu等[5]將HA/ PEEK復合材料浸泡在模擬體液(SBF)中4周。研究發現，各組復合材料表面均出現一層類骨磷灰石膜，成骨效能良好，生物活性隨著HA體積分數的增加而增加。Gabriel等[6]對制備的體積分數為0～50%HA晶須增強HA/PEEK復合材料進行紋理分析和拉伸測試后得出，HA晶須和PEEK基體間有較強的界面連接，10%和20%的HA晶須增強PEEK復合材料分別具有90 MPa和75 MPa的抗拉強度，與人皮質骨的縱向拉伸強度相近，是具有優良的力學性能和生物活性的骨科植入材料。

1.1.2 納米氟磷灰石PEEK復合材料(FA/ PEEK)氟離子具有抑菌作用，能夠減少細菌對復合材料的黏附，較少炎癥的發生。納米氟磷灰石中的氟離子基團較HA中的羥基小，取代羥基后其晶體結構比HA更緊密，提高了材料的穩定性。因此，將納米級的氟磷灰石晶體與PEEK進行共混改性也是制備新型醫用PEEK復合材料的一個不錯選擇。

周聰穎等[7]將柱狀納米FA/PEEK和PEEK種植體各10顆分別植入6只犬的下頜前磨牙區，術后第8周和12周各隨機處死3只實驗犬。測試結果顯示：與PEEK相比，納米FA/PEEK種植體8周末和12周末的MAR和BIC值較高(P＜0.05)，周圍新生骨的形成和成熟較快。研究表明，納米FA/PEEK與骨床結合較佳，成骨效能較好，有利于新骨生長。Li等[8]通過將噴砂和未噴砂納米FA/PEEK種植體植入Beagle犬的前磨牙區的實驗表明，噴砂組的納米FA/PEEK種植體周圍骨體積和骨小梁數量明顯高于未噴砂組，生物相容性和成骨性能更優良。可能是由于納米晶體尺寸減小，增加了材料表面的粗糙度，從而使成骨細胞的成骨功能和代謝活動增強。

1.1.3 納米二氧化鈦PEEK復合材料(TiO2/ PEEK)二氧化鈦具有良好的生物相容性、生物活性和親水性，將納米TiO2和PEEK共混制備納米TiO2/ PEEK復合材料能顯著提高PEEK的生物活性。Tsou等[9]進行了納米TiO2/PEEK和PEEK的細胞實驗，結果表明，納米TiO2/PEEK比純PEEK具有更好的成骨細胞相容性。Wu等[10]通過將合成的納米TiO2/PEEK復合材料進行體內外研究發現：納米TiO2能促進細胞附著和新骨的再生，改善了PEEK的生物學性能；納米TiO2/PEEK植入物的周圍新生骨體積大約是PEEK的兩倍。可見，納米TiO2提高了植入物周圍的骨再生能力，顯著地提高了PEEK的生物活性。

1.2 纖維增強PEEK復合材料纖維是指一些直徑僅為幾微米至幾十微米的具有特殊尺寸效應的線性材料。很多纖維均與PEEK有較好的親和性，將其與PEEK制備成高性能復合材料，可以提高PEEK的彈性模量、機械強度和尺寸穩定性等。目前常用碳纖維(CF)、玻璃纖維(GF)與PEEK制備復合材料。

1.2.1 碳纖維增強PEEK復合材料(CFR-PEEK) 30%碳纖維增強聚醚醚酮復合材料，其彈性模量與骨組織相似，在骨科領域得到了廣泛的臨床應用。適量CF的加入可以降低材料的摩擦系數和磨損量。劉瑞[11]將CFR-PEEK植入物植入大耳白兔的下頜骨缺損處，于術后8周、12周和16周處死，獲取骨組織標本。CFR-PEEK植入物與宿主骨組織交界處骨痂形成量均明顯多于對照組，且CFR-PEEK與骨組織結合牢固，具有良好的成骨效能和生物相容性。石志才等[12]將CFR-PEEK植入物植入犬的L6～7椎間，研究發現，復合材料的小孔內有新的骨組織長入，具有良好的成骨效能。此外，有學者在此基礎上對CFR-PEEK進行了表面改性，制備出鈦/羥基磷灰石雙涂層CFR-PEEK復合材料(Ti/HA/CFR-PEEK)和銅鎳鍍層碳纖維增強聚醚醚酮復合材料，并對其性能進行了研究分析。Stübinger等[13]通過將制備的CFR-PEEK、Ti/CFR-PEEK和Ti/HA/ CFR-PEEK種植體植入羊骨盆的研究發現，與未涂層CFR-PEEK相比，Ti/CFR-PEEK或Ti/HA/CFR-PEEK具有較好的生物力學性能和更高的種植體-骨結合率，成骨效能較好。Di等[14]用Cr2O3/H2SO4溶液化學蝕刻CFR-PEEK，然后化學鍍銅電鍍鎳在其表面制備CU/ Ni鍍層CFR-PEEK復合材料。研究發現，化學蝕刻后CFR-PEEK復合材料的C=O鍵增多，表面的親水性能增加，在CFR-PEEK復合材料的表面出現裂隙和部分碳纖維，黏結強度增加。當Cu作為填料時，材料的表面形成薄的、均勻的轉移膜，能大大降低材料的磨損率，提高其耐磨性[15]。

1.2.2 玻璃纖維增強聚醚醚酮復合材料(GFR-PEEK)玻璃纖維具有彈性模量高、強度高、熱穩定性好及膨脹系數穩定等特點。顧有偉等[16]將玻璃纖維經上膠劑處理后與PEEK復合制備成GFR-PEEK復合材料，并對其力學性能進行測試。結果顯示復合材料的力學性能和抗沖擊韌性得到提高。經上膠劑處理后，玻璃纖維表面與PEEK的黏結強度提高，而且對材料因外力而產生的裂紋有阻止作用。

1.3 多元共混PEEK復合材料雖然PEEK與納米HA或FA共混制備的復合材料均能使其成骨活性明顯提高，但其脆性較大，力學性能降低。采用多元共混的方法在HA/PEEK復合材料中添加氟離子、碳纖維或微量元素鍶，不僅能彌補上述缺點，同時也改善了PEEK的生物活性。

1.3.1 納米氟化羥基磷灰石PEEK復合材料(FHA/PEEK)由于表面粗糙的結構和納米FHA晶體的協同效應，粗糙表面的納米FHA/PEEK種植體的生物活性得到提高。Wang等[17]將通過多元共混制備的納米FHA/PEEK復合材料進行體內外實驗。體外實驗結果顯示，納米FHA/PEEK復合材料的初始細胞黏附和增殖能力均得到提高且抗菌性能較佳。與光滑組相比，粗糙組的堿性磷酸酶活性和細胞礦化較高，成骨效能較好。體內試驗發現，納米FHA/PEEK組的新生骨體積顯著高于純PEEK組。研究表明，納米FHA/PEEK復合材料的體外生物相容性和抗菌活性均得到提高，并促進其在體內的骨整合，具有應用于牙組織工程的潛力。

1.3.2 碳纖維增強聚醚醚酮納米羥基磷灰石生物復合材料(PEEK/n-HA/CF)劉學勇等[18]制備了不同HA體積分數的PEEK/n-HA/CF復合材料，并將其浸提液與大鼠成骨細胞進行體外培養。研究表明，各組復合材料均無細胞毒性作用，具有良好的細胞相容性和成骨效能，當HA質量分數為20%時，生物活性最強，有望成為一種新型的骨科植入物。Xu等[15]將未處理、噴砂、等離子體處理的PEEK/n-HA/CF種植體分別植入6只比格犬的下頜雙側第三、第四前磨牙牙槽窩內。研究顯示，噴砂和等離子體處理的PEEK/n-HA/ CF三元復合材料具有促進MG-63細胞增殖分化以及骨整合作用，新生骨體積顯著高于PEEK/n-HA/CF組。有學者指出，適度的表面粗糙度能顯著增加細胞附著和增殖，促進堿性磷酸酶(ALP)的生產活性和鈣結節的形成，增強PEEK/n-HA/CF種植體的生物活性[19]。

1.3.3 含鍶羥基磷灰石增強聚醚醚酮復合材料(Sr/HA/PEEK)鍶是一種生物活性元素，能促進成骨細胞的附著和礦化，誘導骨生成，降低骨折風險。Wong等[20]首先制備了含鍶羥基磷灰石，然后將其與PEEK進行共混，制備Sr/HA/PEEK復合材料。力學性能測試顯示Sr/HA體積分數為25%和30%的復合材料的彎曲模量分別為9.6 GPa和10.6 GPa，彎曲強度分別為93.8 MPa和89.1 MPa，顯著高于PEEK，力學性能優異。模擬體液中進行的MG-63細胞實驗顯示，Sr/HA/PEEK復合材料表面磷灰石的形成和細胞礦化均較HA/PEEK和PEEK高。可見，Sr/HA/PEEK復合材料具有良好的力學性能和成骨效能。

2 展望

盡管目前的研究已經制備了許多性能優異的PEEK生物復合材料，但距其在臨床的廣泛應用還存在一定的距離。隨著CAD/CAM數字加工和3D打印技術的飛速發展以及生物關鍵技術的相繼突破，在不久的將來有望通過綜合運用多種改性技術制備生物相容性更加優異的PEEK生物復合材料，并將其在醫用植入領域廣泛應用，造福廣大患者。

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Biological compatibility of PEEK composites.

LIU Xiu-ju,NIU De-li,GAN Kang,SONG Xiao-qing,LIU Hong. Department of Comprehensive Treatment,Stomatology Hospital of Jilin University,Changchun 130021,Jilin,CHINA

PEEK biological composite has good mechanical property and bioactivity.Its application in the fields of bone defect repair,trauma repair,and oral fixed prosthesis and implanting has draw extensive attention of researchers,as more and more PEEK biological composite materials have been developed.This article makes a summary on the research progress of the biological compatibility of PEEK composites.

PEEK;Composite materials;Implant;Biological activity

R318.08

A

1003—6350（2016）02—0279—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2016.02.035

2015-06-11)

吉林省自然科學基金(編號：201215051)；吉林省產業技術研究與開發項目(編號：JF2012C009-2)；吉林大學研究創新基金(編號：2015003)；吉林省產業技術研究所與開發項目(編號：2015Y038-3)

劉紅。E-mail：jdliuhong@163.com