聚醚醚酮植入材料接枝改性的研究進展*

白澗飛 陳 良 王德飛 劉 紅

聚醚醚酮[Poly(ether-ether-ketone),PEEK]是一類半結晶高分子材料，具有一系列的優點，如較好的生物相容性，優良的機械性能，穩定的化學性能[1,2]，與牙體顏色相近[3,4]，高壓滅菌后不發生老化，具有透射性，不會影響手術部位的X線評估[5]。近年來，PEEK在口腔種植領域得到廣泛關注，許多種植品牌將其用于愈合基臺的修復材料[6]。相對于鈦或氧化鋯基臺，PEEK基臺的修整更簡便;由于其透射性，牙冠粘接后的殘余粘接劑更容易及時發現和清理[7]。但PEEK本身的生物惰性不利于細胞黏附和增殖[8]，改善其生物活性成為拓展其在醫療領域應用的關鍵。

改善PEEK生物活性的常用方法主要包括共混處理和表面處理[4]。共混處理是將其他材料加入到PEEK基質內，如加入羥基磷灰石(HA)粒子使PEEK生物活性得以增加，但由于HA粒子和PEEK基質的嚴重剝離，減弱了PEEK優良的機械性能[9-11]。表面處理則是通過單純處理表面或與涂層相結合，如在PEEK表面添加HA涂層，促進了骨結合力，但是易分層，導致混合物的韌性和粗糙度下降[5]。接枝改性由于只在材料表面發生反應，保留了PEEK優良的機械性能。

接枝改性是指通過化學處理，光輻射等方法將各種官能團加入到聚合物表面[12]，即利用引發劑產生的自由基或輻照在聚合物骨架上產生活性點，然后在活性點上引入接枝單體，形成含官能團的側鏈，進而實現材料的改性。單純的濕化學處理，光輻照和等離子體處理雖然也可以在表面引入極性基團，但從長期來看，由于極性基團的旋轉或遷移，親水性表面會在幾小時或幾天后恢復到原來的狀態。接枝改性則通過接枝單體的活性基團與材料表面引入的極性基團形成共價結合來抑制極性基團的旋轉或遷移，將親水表面的保持時間最多延長至90 天[10]。

本文主要介紹接枝改性的三種方法，即紫外光輻照表面接枝法、濕化學接枝法和等離子體接枝法，并討論各種方法的優勢與不足。

1.紫外光輻照表面接枝

紫外光引發的接枝聚合反應是簡單快速廉價的改性技術，具有如下突出的優點：接枝鏈與基體分子鏈以化學鍵相連，可以穩定持續地保持接枝改性所獲得的表面性能；紫外光與高能輻射相比，對材料的穿透力較差，故接枝聚合可以嚴格地限定在材料的表面或是亞表面進行，不會損壞材料的基體性能；紫外輻射的光源及設備成本低，易于連續化操作。二苯甲酮是光接枝反應中常用的光引發劑[13]，由于PEEK具有類二苯甲酮結構[14]，紫外光照射下，二苯甲酮單元發生磷酸酯化反應[7]，生成半二苯甲酮自由基引發接枝聚合，使單體在沒有光引發劑存在的情況下自聚合制備出具有微米級的高親水表面[13]。

1.1 丙烯酰胺接枝 在沒有苯甲酮存在的情況下，丙烯酰胺作為接枝單體可將酰胺基引入到PEEK表面。在紫外光照射下，Chen[15]將PEEK薄片浸泡在0.5mol/L的丙烯酰胺水溶液中，一定時間后將樣品取出，清洗晾干，獲得改性樣本。掃描電鏡顯示未改性的PEEK表面光滑，經過接枝改性的PEEK表面則十分粗糙，具有一些條狀和不規則的結構。當照射時間少于25分鐘時，材料的接觸角隨處理時間的增加而降低，意味著親水性不斷提高；當照射超過25分鐘，接觸角變化不大，可能由于丙烯酰胺達到飽和，使得進一步的反應更為艱難。與照射時間相似，在一定范圍內，PEEK表面的親水性隨丙烯酰胺單體濃度增加而提高。

1.2 透明質酸(MeHA)接枝 二氧化鈦靜電紡絲密度低，具有生物相容性，很容易混雜在其他材料中來增加表面粗糙度，從而促進成骨分化，是醫療材料表面功能化的理想選擇。透明質酸是一種存在于結締組織的酸性粘多糖，其主鏈可以通過受體連接到間充質干細胞表面。單純接枝透明質酸會降低表面粗糙度，對于成骨細胞分化不利；引入二氧化鈦靜電紡絲后，表面粗糙度大有提升，顯著改善細胞的附著和分化。綜合這些方面，Liu[16]提出利用二氧化鈦靜電紡絲模仿皮質骨的拓撲結構，在此基礎上，利用紫外光照射下甲基丙烯酸透明質酸與PEEK形成穩定的化學結合來增強PEEK的生物活性。結果顯示，在未處理的PEEK表面，細胞為圓形且未與表面接觸，而PEEK-MeHA-TiO2表面的細胞偽足擁有更加鋒利的邊緣和更高的長寬比，證明有更高程度的細胞極性和細胞分化潛能，細胞活性更強，利于細胞擴增和組織修復。

2.濕化學接枝法

“濕化學”，即在常規條件下用化學反應將有機分子嫁接到固體物質表面的一種方法[17]。濕化學接枝法是一種簡單實用的表面處理方式，相對于其他方法，價格較低廉[18]。常用的濕化學接枝法有硫酸磺化接枝、多巴胺聚合接枝等。

2.1 硫酸磺化接枝 濃硫酸磺化后材料表面形成了3D多孔結構。通過骨組織向孔隙內長入，多孔結構可以增加種植體與骨的結合力[19]。此外，由于多孔結構與細胞外基質提供的微環境相近，有利于細胞附著和增殖[20]。硫酸基團帶負電荷，可以吸引帶正電荷的鈣離子，促進成骨轉化。除此之外，帶負電荷的表面對于細胞黏附蛋白更具有吸引力，阻礙非特異性蛋白的附著[21]。含硫化合物具有消毒性能，可以預防感染，提高種植手術成功率，但是多余的硫酸會對人體細胞產生消極影響，比如含有較低硫原子價的含硫化合物有可能產生氧自由基，損傷細胞，二氧化硫及其衍生物可以造成DNA損傷[22]。

Sun[23]利用濃硫酸在PEEK表面形成三維多孔結構，利用凍干技術成功地將骨形態發生蛋白-2(Bone morphogenetic protein-2， BMP-2)引 入S-PEEK表面。BMP-2可以促進骨缺損的愈合和修復，誘導間充質干細胞向成骨細胞分化，從而促進成骨。磺酸基通過靜電相互作用調節BMP-2的釋放，在S-PEEK表面形成微酸性環境，維持了蛋白質的生物活性。結果顯示，S-PEEK表面細胞呈球形，絲狀偽足不明顯，而BMP-2固定后的表面細胞粘附與分布很好，并且具有很多絲狀偽足；固定BMP-2的樣品表面的細胞具有很高的堿性磷酸酶活性，即具有較好的成骨能力。

2.2 多巴胺聚合接枝 在pH=8.5的弱堿性水相環境中[24]，多巴胺分子之間發生氧化聚合反應，在材料表面形成富含鄰苯二酚官能團的聚多巴胺涂層[20]，涂層可以與胺和硫醇基團發生共價結合[25]，從而引發進一步接枝反應。Kwon[24]利用聚多巴胺和膠原蛋白的共價結合將膠原蛋白固定在表面。多巴胺可以保證膠原蛋白更均勻的分布和適當的厚度，從而使表面細胞附著、增殖和分化能力增強。聚多巴胺的羥基和膠原蛋白的氨基結合從而獲得強大連接。膠原蛋白是骨細胞外基質的主要組成部分，在表面產生了一個類似細胞外基質的表面，可以幫助改善細胞附著、增殖和分化。掃描電鏡顯示未經處理的PEEK表面光滑缺乏多孔結構，相反，多巴胺聚合后，PEEK表面富含由多巴胺聚合產生的皺褶結構，表面變得粗糙，并且提供了幫助細胞附著的化學官能團，因此細胞附著率大大增加。

濕化學接枝改性也具有一些缺點：濕化學接枝反應在表面生成一系列的含氧基團，增加了后續實驗的不確定性，不利于定向固定蛋白質材料，反應不夠精確；反應重復性差，實驗結果隨機性大；反應過程中會釋放有毒的化學污染物；反應導致材料表面的不規則刻蝕，對材料基體性能影響較大。因此，該種改性方法只適用于實驗室的操作而不適用于工業級的應用[13]。

3.等離子體接枝改性

等離子體俗稱物質存在的第四態，是指在一定強度的電場作用下，氣體中的原子受到激發，內部帶電粒子發生加速運動相互碰撞后進行能量傳遞，最后電離放電而形成的一種物質[26]。等離子體處理改變了材料的粗糙度、可濕性和表面成分。從微觀角度講，等離子體撞擊樣本表面，打破共價鍵，替換原子，將聚合鏈拆分并打亂順序；未配對的電子通過結構擴散與自由基發生反應，產生鏈內或鏈間的交聯產物。通過新形成的基團與多種生物分子形成共價鍵結合，防止結合蛋白被其他與表面有更大親和力的蛋白取代，使表面具有更好的生物活性[27]。

3.1 空氣等離子體接枝 Fukuda[11]對PEEK進行空氣等離子體處理以生成羥基，然后用磷酰氯對得到的羥基進行改性。等離子體處理和磷酸基修飾使PEEK的疏水表面變成親水表面，同時保持了與原始表面相近的形貌和粗糙度；磷酸基修飾提高了細胞的生物活性。骨修復過程受骨細胞和免疫細胞的調控。成骨的增加以及巨噬細胞表型的適當調節是種植成功的先決條件。細胞因子檢測顯示，與未經處理和單純等離子體處理的PEEK相比，磷酸基修飾的PEEK表面的巨噬細胞產生較低水平的致炎因子和較高水平的抗炎因子，表明磷酸基修飾減弱了巨噬細胞向炎性表型的表型極化，減少了過度的炎癥反應。在動物實驗中，磷酸基修飾的PEEK與未經任何處理的PEEK相比，顯示出雙倍的股骨骨髓腔拔出力，表明成骨細胞活性較高。因此，磷酸基修飾可以通過提高成骨細胞活性和減少過度的炎癥反應來提高PEEK種植體與骨的結合強度。

3.2 氬氣等離子體接枝 Wang[28]采用簡單磺化與氬氣等離子體處理相結合的方法，制備了具有特定官能團(-NH2和-COOH/-COOR)的PEEK。其使用的等離子體處理系統基于大氣壓下介質阻擋放電的原理，可以通過引入含氧官能團(-COOH/-COOR)來改變表面化學狀態。氧官能團的增加明顯高于氮官能團，可能由于氮分子較低的反應活性和較強的離解能。抗菌試驗表明，等離子體處理得到的微/納米形貌賦予PEEK良好的抑菌性能。體外研究顯示，在等離子體處理的PEEK表面上，成骨細胞的附著和增殖、細胞活力、堿性磷酸酶活性、鈣結節形成以及成骨相關基因的表達得到改善。這些結果表明，氬等離子體處理PEEK具有優異的生物相容性和抑菌性能，在植入性應用中顯示出巨大的潛力。

3.3丙烯酸等離子體接枝 鄭延延[29]利用丙烯酸等離子體處理PEEK表面引入羧基，并利用羧基將RGD肽(精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸肽)化學鍵合在PEEK表面。結果顯示成功引入羧基并鍵合RGD肽，改性后PEEK優良的機械性能無明顯改變，明顯改善了成骨細胞附著與增殖。

4.展望

接枝改性由于只在表面發生變化，不涉及整體的改變，有利于保存PEEK優良的機械性能，但反應過程復雜，應對其機理做進一步的研究，改進接枝方法以便更精確地改造PEEK，使其在口腔種植領域得到長遠的發展。如利用各向異性細胞黏附微結構誘導細胞遷移，通過表面圖案化將各向異性結構的不對稱性特點轉達到與其黏附的細胞上，從而使細胞發生定向遷移[30]。