改性聚醚醚酮材料制備及在胸腰椎骨折內固定中的應用

摘要：為提高胸腰椎骨折的治療效果，針對骨修復常用的聚醚醚酮材料，采用濃硫酸對其表面進行改性，制備一種人工骨材料，并研究其性能和應用效果。結果表明，濃硫酸改性處理對人工骨材料的接觸角、最大壓縮強度無較大影響，但會顯著提高人工骨材料的表面粗糙度。當經過濃硫酸改性3 min時，人工骨材料的表面粗糙度最大，為5.84μm，此時，材料的接觸角為75.3°，最大壓縮強度在240 MPa左右，并且，濃硫酸改性3 min后的人工骨材料生物相容性和成骨誘導性能更好，在治療應用中的骨痂生長情況較好，胸腰椎功能優良率達到82.22%。

關鍵詞：胸腰椎骨折；骨材料；表面粗糙度；生物相容性；成骨誘導

中圖分類號：TQ314.2；R318.08文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0080-04

Preparation of modified polyetheretherketone materials and their application in internal fixation of thoracolumbar fractures

ZHAO Longdi，CHEN Ya’nan，JI Fuli，WANG Yalin，WEI Zhenyu

（Hospital of Weichang Manchu and Mongolian Autonomous County，Weichang 068450，Hebei China）

Abstract：In order to improve the treatment effect of thoracolumbar fractures，an artificial bone material was pre?pared by modifying the surface of polyetheretherketone material commonly used in bone repair with concentrated sul?furic acid，and its performance and application effect were studied.The results showed that the modified treatment of concentrated sulfuric acid had no great effect on the contact angle and maximum compressive strength of the artifi?cial bone material，but significantly improved the surface roughness of the artificial bone material.When modified with concentrated sulfuric acid for 3 min，the surface roughness of the artificial bone material was the largest，which was 5.84μm，the contact angle of the material was 75.3°，and the maximum compressive strength was about 240 MPa，and the biocompatibility and osteogenic induction performance of the artificial bone material after the mod?ification of concentrated sulfuric acid for 3 min were better，the callus growth in the treatment application was better，and the excellent function rate of thoracolumbar spine reached 82.22%.

Key words：thoracolumbar fracture；bone materials；surface roughness；biocompatibility；osteogenesis induction

受到疾病、人口老齡化等因素的影響，需要進行骨修復治療的患者人數逐漸增多。特別是對于老年人群來說，胸腰椎骨折發病率逐年增加，嚴重威脅到人們的健康。并且，在胸腰椎骨折治療中，由于老年患者通常患有多種病癥、骨質疏松，在臨床上通常采用椎體成形術等保守治療方法。基于此，為提高胸腰椎骨折等疾病的治療效果，研究性能更好的人工骨材料逐漸成為醫學發展的一個重點。對此，王嘉毅等[1]先通過植酸改性羥基磷灰石，制備一種改性羥基磷灰石粉末，再將這種改性羥基磷灰石粉末添加到磷酸鎂骨水泥中，研制出一種改性復合骨水泥。李晶等[2]以自愿捐贈的人骨為主要材料，制備一種脫鈣骨基質顆粒，并以此制備擁有可塑形特性的骨填充材料，并對其應用效果進行研究。趙丙輝等[3]則使用3D打印技術，研制了一種含有氨基團的聚醚醚酮骨科植入材料，并對其性能進行研究。在以上學者的研究成果基礎上，本試驗采用濃硫酸對常用的骨修復材料聚醚醚酮進行改性，并研究改性后這種人工骨材料的性能和應用效果。

1試驗部分

1.1材料與設備

主要材料：聚醚醚酮板材（醫用級，聚匠塑膠）；無水乙醇（AR，豪錦化工）；濃硫酸（AR，雄大化工）；丙酮（AR，昌元化學）；氫氧化鈉（AR，文蘇化工）。

主要設備：DF-101S型磁力攪拌器（赫名儀器）；NanoScan型輪廓測量儀（以色列Ophir）；DHG-9030A型干燥箱（特爾儀器）；CA10000型接觸角測定儀（康迪電子）；HD-SY96型酶標儀（霍爾德儀器）；HZ-1007型萬能試驗機（力顯儀器）。

1.2試驗方法

1.2.1人工骨材料的制備

（1）取適量的聚醚醚酮板材，制成直徑10 mm、厚度1 mm的圓形片材，用砂石進行打磨。再使用無水乙醇、丙酮進行超聲清洗處理，超聲處理時間為10 min。之后，通過去離子水多次清洗，干燥，備用；

（2）準備好98%濃硫酸，將聚醚醚酮圓形片材浸沒其中。然后，使用磁力攪拌器連續攪拌一定時間；

（3）取出聚醚醚酮圓形片材，使用無水乙醇、丙酮進行超聲清洗處理，超聲處理時間為10 min。再將聚醚醚酮圓形片材浸沒到6%氫氧化鈉溶液中30 s；

（4）取出聚醚醚酮圓形片材，用去離子水清洗數次。直到沖洗前后的溶液pH值穩定時即可停止清洗，干燥后，即可獲得經過濃硫酸改性的聚醚醚酮人工骨材料。

1.2.2細胞培養

本試驗使用小鼠骨髓間充質干細胞對人工骨材料的生活相容性等進行研究。基于此，需要先培養一定的小鼠骨髓間充質干細胞。將這些鼠骨髓間充質干細胞放入含有10%胎牛血清的培養基中。培養環境為細胞培養箱，環境設定為恒溫37℃、5%CO2。選擇培養好的小鼠骨髓間充質干細胞，進行細胞懸液制作，將細胞數目控制在2×104/mL。之后，在24孔板各孔中分別添加1 mL的細胞懸液樣品，并每3 d進行更換一次培養基。

1.3性能測試

1.3.1接觸角

為研究人工骨材料的表面特性，使用接觸角測定儀對人工骨材料進行測試。

1.3.2表面粗糙度

使用去離子水，再次對制備好的人工骨材料進行超聲清洗處理10 min。然后干燥。再使用輪廓儀對材料進行測試。

1.3.3力學性能

使用萬能試驗機對材料進行壓縮試驗，探究人工骨材料的壓縮應力應變情況。

1.3.4生物相容性

使用高壓滅菌器對人工骨材料進行滅菌處理30 min。將培養好的小鼠骨髓間充質干細胞與人工骨材料直接接觸，并結合CCK8試劑培養一定時間。之后，通過酶標儀，對材料在450 nm波長處的吸光度OD值進行測試[4-5]。

1.3.5成骨誘導性能

通過茜素紅染色法，將小鼠骨髓間充質干細胞在人工骨材料表面培養一定時間后，用酶標儀測試562 nm波長處的吸光度情況，探究人工骨材料的成骨誘導性能[6-7]。

2結果與分析

2.1基本性能

2.1.1接觸角分析

對于聚醚醚酮材料，其本身雖含有較多的極性親水基團，但依然是一種疏水性材料[8-9]。而當以聚醚醚酮材料作為生物材料時，材料的親疏水性會影響到骨細胞的增殖、材料本身的磨損等。對此，針對不同濃硫酸改性時間的聚醚醚酮人工骨材料進行接觸角測試，結果如圖1所示。

由圖1可知，與未經過濃硫酸改性處理相比，經過不同時間濃硫酸改性處理的人工骨材料接觸角均有所增大，且各濃硫酸改性處理的人工骨材料接觸角差別較小。總之，濃硫酸改性處理會在一定程度上增大人工骨材料接觸角，降低其親水性，但整體的影響效果均較小。

2.1.2表面粗糙度分析

圖2為各人工骨材料表面粗糙度。

由圖2可知，當使用濃硫酸對人工骨材料進行改性處理3 min時，材料表面粗糙度最大，為5.84μm。分析原因，當使用濃硫酸對聚醚醚酮進行表面改性處理時，材料表面會因為濃硫酸的腐蝕作用，產生較多的刻蝕、孔洞等，會逐漸形成一種三維篩網結構[10-11]。這就導致在經過濃硫酸改性處理后，人工骨材料表面粗糙度出現迅速增大的現象。而當對濃硫酸改性處理時間超過一定限度時，由于過度腐蝕，反而會使人工骨材料表面原本形成的三維篩網結構可能出現塌崩的現象，使材料表面粗糙度降低。并且，過度且長時間的濃硫酸改性處理，會使這種三維篩網結構塌崩面積不斷增大，從而是使材料表面粗糙度出現升高的現象[12-13]。

2.1.3力學性能分析

在以上試驗的基礎上，本試驗使用濃硫酸對聚醚醚酮人工骨材料分別進行改性處理3 min、7 min，然后測試該材料的應力應變情況。并與未經過濃硫酸改性處理的人工骨材料進行對比。各材料的應力應變情況，如圖3所示。

由圖3可知，在人工骨材料進行壓縮試驗過程中，人工骨材料先經過彈性形變。然后隨著試驗壓力的增大，逐漸出現塑性變形。直到試驗壓力達到人工骨材料的最大抗壓能力時，材料斷裂[14-15]。

2.1.4生物相容性分析

對經過濃硫酸改性處理3 min以及未經過濃硫酸改性處理的人工骨材料進行生物相容性分析。圖4為在不同培養時間下，各人工骨材料表面小鼠骨髓間充質干細胞增殖情況。

由圖4可知，隨著培養時間的增加，各人工骨材料在450 nm波長處的吸光度OD值不斷增大。這說明，吸光度OD值與細胞在人工骨材料表面的培養時間呈正相關關系。與未經過濃硫酸改性處理的人工骨材料相比，經過濃硫酸改性處理后，人工骨材料可以擁有更高的細胞增殖水平。這是因為，當使用濃硫酸對聚醚醚酮人工骨材料進行改性處理之后，磺酸基團可能會使人工骨材料表面磺化，親水性會有一定程度的調整，從而促進細胞在人工骨材料表面的增殖[16-17]。綜上，經過濃硫酸改性處理后，聚醚醚酮人工骨材料可以獲得更好的生物相容性。

2.1.5成骨誘導性能分析

采用茜素紅染色法，對經過濃硫酸改性處理3 min以及未經過濃硫酸改性處理的人工骨材料進行成骨誘導性能分析。

圖5為在培養21 d時，各人工骨材料在562 nm波長處的吸光度OD值。由圖5可知，與未經過濃硫酸改性處理的人工骨材料相比，經過濃硫酸改性處理3 min的人工骨材料有著更多的鈣結節存在。由此可見，經過濃硫酸對聚醚醚酮人工骨材料進行表面改性處理后，材料促進細胞分化的能力提高，材料表面可以有更多的鈣沉積，骨誘導性能更好。

2.2應用方法及效果觀察

2.2.1應用對象

選取在2021年6月～2023年6月，于本院進行胸腰椎骨折治療的患者90例作為研究對象，將被試驗制備的聚醚聚醚人工骨材料應用到胸腰椎骨折內固定中。其中，90例對象中，男性35名，女性55名，年齡19～77歲之間。全部患者在基本資料指標上無統計學意義。

2.2.2應用方法

采用隨機盲選法，將90例進行胸腰椎骨折治療的患者分為觀察組、對照組，且每組患者例數均為45例。同時，在年齡、性別等方面，每組患者均無差異。對對照組使用未經過濃硫酸改性的普通聚醚醚酮人工骨材料進行胸腰椎骨折內固定，對觀察組使用經過濃硫酸改性3 min的聚醚醚酮人工骨材料進行胸腰椎骨折內固定。各患者在胸腰椎骨折治療過程中的CT掃描、X射線片拍攝、麻醉方式、臨床用藥、術后康復鍛煉等均一致。

2.2.3觀察指標

骨痂生長：在各患者進行胸腰椎骨折治療手術4周后，對骨痂生長情況進行評定，按照骨愈合程度分別定級為0～Ⅳ級。其中，骨痂生長級別的高低分別對應骨愈合程度的好壞。

胸腰椎功能：采用日本骨科協會相關評定方法進行評分[18]。

2.2.4應用效果分析

由表1和表2可知，在骨痂生長方面，使用經過濃硫酸改性3 min的聚醚醚酮人工骨修復材料有著更好地骨痂生長性能，優于對照組。同時，在胸腰椎功能方面，使用經過濃硫酸改性3 min的聚醚醚酮人工骨修復材料優良率達到82.22%，而對照組優良率僅為46.67%。由此可見，經過濃硫酸改性3 min的聚醚醚酮人工骨修復材料對胸腰椎骨折治療的治療效果更好。

3 結語

（1）經過濃硫酸改性處理后，人工骨材料的接觸角略有增大，最大壓縮強度略有減小，但影響程度均不大。且不同濃硫酸改性處理時間對人工骨材料接觸角、最大壓縮強度的影響較小；

（2）當使用濃硫酸改性3 min時，人工骨材料表面粗糙度顯著增大，為5.84μm；

（3）經過濃硫酸改性處理后的人工骨材料可以獲得更好的生物相容性和成骨誘導能力；

（4）在胸腰椎骨折內固定治療應用中，經過濃硫酸改性3 min的聚醚醚酮人工骨修復材料對胸腰椎骨折內固定治療的胸腰椎功能優良率達到82.22%，骨痂生長較好，治療效果良好。

【參考文獻】

[1]王嘉毅，汪濤，聶云鵬，等.IP6-HA改性磷酸鎂基復合骨水泥的制備與性能研究[J].硅酸鹽通報，2023，42（8）：2888-2894.

[2]李晶，任曉琦，喬瑋，等.一種新型可塑形骨填充材料的制備及骨修復能力研究[J].中國修復重建外科雜志，2023，37（3）：302-307.

[3]趙丙輝，李沅，李文嬌.3D打印技術制備骨科植入材料聚醚醚酮的力學性能研究及氨基改性對材料成骨性能的影響[J].中國醫療器械信息，2021，27（13）：10-12.

[4]潘榮珠，章巧珍，施如意.一種新型止血粘合水凝膠材料性能分析及護理應用效果[J].粘接，2023，50（7）：93-96.

[5]姚婉瑜，汪梟睿，楊雨，等.靶向結直腸癌的小白菊內酯脂質體納米顆粒誘導程序性壞死并改善T細胞耗竭[J].南方醫科大學學報，2023，43（10）：1674-1681.

[6]葛雨欣，曾小玲，黃鈺，等.脂肪干細胞在糖尿病大鼠急性放射性皮膚損傷治療中的作用[J].華中科技大學學報（醫學版），2023，52（4）：445-452.

[7]張好，王翠竹，皇甫慧敏，等.20（S）-原人參二醇對大鼠骨髓間充質干細胞成骨分化的影響及其機制[J].吉林大學學報（醫學版），2023，49（4）：867-874.

[8]焦艷，李曉紅，賴舟語，等.改善聚醚醚酮表面潤濕性的研究[J].科技創新與生產力，2022，（11）：88-91.

[9]劉潔.石墨烯對碳纖維增強聚醚醚酮生物活性的影響[J].粘接，2021，48（11）：49-52，81.

[10]時運.基于FDM的聚醚醚酮人工指骨的表面改性及其成骨性能研究[D].成都：成都大學，2023.

[11]霍歡，張海兵，周慧，等.不同表面處理方法對聚醚醚酮冠橋材料粘接性能的影響[J].臨床口腔醫學雜志，2022，38（9）：519-523.

[12]吳九平，樸穎鑫，于海馳，等.聚醚醚酮表面多孔羥基化改性對MC3T3-E1細胞黏附、增殖的影響[J].生物骨科材料與臨床研究，2019，16（4）：51-54.

[13]何光霽，張文云.兩種表面處理方法對改良型聚醚醚酮彎曲強度的影響[J].華西口腔醫學雜志，2019，37（4）：384-388.

[14]龐戀蘇，李萌崛，曹劍飛，等.碳納米管增強的羥基磷灰石/聚醚醚酮牙種植體材料的理化性質研究[J].塑料科技，2023，51（5）：42-46.

[15]郭芳，黃碩，劉寧，等.3種不同髁突頭部形態全顳下頜關節假體的生物力學研究[J].醫用生物力學，2022，37（6）：1095-1100，.

[16]趙奕輝，張婭蘭，郭思慧，等.磺化聚醚醚酮負載銀納米顆粒抑菌膜制備及性能[J].工程塑料應用，2022，50（2）：45-49.

[17]呂丹，孫瑩霄，歐陽麗萍，等.磺化聚醚醚酮-他汀緩釋系統促進骨修復的作用研究[J].第三軍醫大學學報，2020，42（19）：1907-1912.

[18]傅志輝.夾脊穴溫針灸對腰椎間盤突出癥患者腰椎功能的效果[J].吉林醫學，2023，44（9）：2465-2467.

（責任編輯：張玉平）