劉秀菊，牛德利，甘抗，宋效慶，劉紅

(吉林大學(xué)口腔醫(yī)院綜合治療科，吉林長(zhǎng)春130021)

聚醚醚酮復(fù)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(xué)口腔醫(yī)院綜合治療科，吉林長(zhǎng)春130021)

聚醚醚酮生物復(fù)合材料具有良好的機(jī)械性能和生物活性，其在骨缺損修復(fù)、創(chuàng)傷修復(fù)和口腔固定修復(fù)及種植等領(lǐng)域的應(yīng)用得到研究者的廣泛關(guān)注，越來越多的聚醚醚酮生物復(fù)合材料得以開發(fā)和研制。本文就目前常見的醫(yī)用聚醚醚酮復(fù)合材料的生物相容性研究做一綜述。

聚醚醚酮；復(fù)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(qiáng)度、高剛度、耐腐蝕、抗水解等良好的機(jī)械性能及生物相容性[1]，在航空航天、石油化工、汽車及機(jī)械制造等領(lǐng)域成功的應(yīng)用[2]。與鈦相比，聚醚醚酮的彈性模量更接近于人體皮質(zhì)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(shí)不需要拆除。20世紀(jì)90年代，作為金屬植入物的替代品，聚醚醚酮復(fù)合材料越來越多的應(yīng)用于骨科和創(chuàng)傷等領(lǐng)域[3]。1992年，聚醚醚酮首次在牙科中應(yīng)用，主要用于制造正畸用咬合棒及種植體的臨時(shí)基臺(tái)和愈合帽[4]。

1 PEEK生物復(fù)合材料的種類

隨著材料科學(xué)、現(xiàn)代生命科學(xué)和尺度化學(xué)等學(xué)科的交互滲透，納米改性技術(shù)的飛躍進(jìn)步，復(fù)合材料合成、制備以及生物改性等關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，PEEK生物復(fù)合材料的研究得到了迅猛發(fā)展，各類新型的PEEK基生物復(fù)合材料相繼出現(xiàn)，提高了PEEK的力學(xué)性能，改善了其生物活性。下面，就目前常見的醫(yī)用PEEK復(fù)合材料進(jìn)行闡述。

1.1 納米活性粒子充填PEEK復(fù)合材料不同種類的納米無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)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(fù)合材料(HA/ PEEK)人體骨組織主要是由納米級(jí)的羥基磷灰石晶體和膠原構(gòu)成。將HA與PEEK共混制備HA/PEEK復(fù)合材料，能顯著提高PEEK的生物活性。Yu等[5]將HA/ PEEK復(fù)合材料浸泡在模擬體液(SBF)中4周。研究發(fā)現(xiàn)，各組復(fù)合材料表面均出現(xiàn)一層類骨磷灰石膜，成骨效能良好，生物活性隨著HA體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。Gabriel等[6]對(duì)制備的體積分?jǐn)?shù)為0～50%HA晶須增強(qiáng)HA/PEEK復(fù)合材料進(jìn)行紋理分析和拉伸測(cè)試后得出，HA晶須和PEEK基體間有較強(qiáng)的界面連接，10%和20%的HA晶須增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料分別具有90 MPa和75 MPa的抗拉強(qiáng)度，與人皮質(zhì)骨的縱向拉伸強(qiáng)度相近，是具有優(yōu)良的力學(xué)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(fù)合材料(FA/ PEEK)氟離子具有抑菌作用，能夠減少細(xì)菌對(duì)復(fù)合材料的黏附，較少炎癥的發(fā)生。納米氟磷灰石中的氟離子基團(tuán)較HA中的羥基小，取代羥基后其晶體結(jié)構(gòu)比HA更緊密，提高了材料的穩(wěn)定性。因此，將納米級(jí)的氟磷灰石晶體與PEEK進(jìn)行共混改性也是制備新型醫(yī)用PEEK復(fù)合材料的一個(gè)不錯(cuò)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(qū)，術(shù)后第8周和12周各隨機(jī)處死3只實(shí)驗(yàn)犬。測(cè)試結(jié)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(jié)合較佳，成骨效能較好，有利于新骨生長(zhǎng)。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(qū)的實(shí)驗(yàn)表明，噴砂組的納米FA/PEEK種植體周圍骨體積和骨小梁數(shù)量明顯高于未噴砂組，生物相容性和成骨性能更優(yōu)良?？赡苁怯捎诩{米晶體尺寸減小，增加了材料表面的粗糙度，從而使成骨細(xì)胞的成骨功能和代謝活動(dòng)增強(qiáng)。

1.1.3 納米二氧化鈦PEEK復(fù)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(fù)合材料能顯著提高PEEK的生物活性。Tsou等[9]進(jìn)行了納米TiO2/PEEK和PEEK的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，納米TiO2/PEEK比純PEEK具有更好的成骨細(xì)胞相容性。Wu等[10]通過將合成的納米TiO2/PEEK復(fù)合材料進(jìn)行體內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)：納米TiO2能促進(jìn)細(xì)胞附著和新骨的再生，改善了PEEK的生物學(xué)性能；納米TiO2/PEEK植入物的周圍新生骨體積大約是PEEK的兩倍?？梢姡{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(qiáng)PEEK復(fù)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(yīng)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(fù)合材料，可以提高PEEK的彈性模量、機(jī)械強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性等。目前常用碳纖維(CF)、玻璃纖維(GF)與PEEK制備復(fù)合材料。

1.2.1 碳纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料(CFR-PEEK) 30%碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料，其彈性模量與骨組織相似，在骨科領(lǐng)域得到了廣泛的臨床應(yīng)用。適量CF的加入可以降低材料的摩擦系數(shù)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(shù)后8周、12周和16周處死，獲取骨組織標(biāo)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(duì)照組，且CFR-PEEK與骨組織結(jié)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(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的小孔內(nèi)有新的骨組織長(zhǎng)入，具有良好的成骨效能。此外，有學(xué)者在此基礎(chǔ)上對(duì)CFR-PEEK進(jìn)行了表面改性，制備出鈦/羥基磷灰石雙涂層CFR-PEEK復(fù)合材料(Ti/HA/CFR-PEEK)和銅鎳鍍層碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料，并對(duì)其性能進(jìn)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(fā)現(xiàn)，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(xué)性能和更高的種植體-骨結(jié)合率，成骨效能較好。Di等[14]用Cr2O3/H2SO4溶液化學(xué)蝕刻CFR-PEEK，然后化學(xué)鍍銅電鍍鎳在其表面制備CU/ Ni鍍層CFR-PEEK復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)蝕刻后CFR-PEEK復(fù)合材料的C=O鍵增多，表面的親水性能增加，在CFR-PEEK復(fù)合材料的表面出現(xiàn)裂隙和部分碳纖維，黏結(jié)強(qiáng)度增加。當(dāng)Cu作為填料時(shí)，材料的表面形成薄的、均勻的轉(zhuǎn)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(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料(GFR-PEEK)玻璃纖維具有彈性模量高、強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好及膨脹系數(shù)穩(wěn)定等特點(diǎn)。顧有偉等[16]將玻璃纖維經(jīng)上膠劑處理后與PEEK復(fù)合制備成GFR-PEEK復(fù)合材料，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示復(fù)合材料的力學(xué)性能和抗沖擊韌性得到提高。經(jīng)上膠劑處理后，玻璃纖維表面與PEEK的黏結(jié)強(qiáng)度提高，而且對(duì)材料因外力而產(chǎn)生的裂紋有阻止作用。

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

1.3.1 納米氟化羥基磷灰石PEEK復(fù)合材料(FHA/PEEK)由于表面粗糙的結(jié)構(gòu)和納米FHA晶體的協(xié)同效應(yīng)，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(fù)合材料進(jìn)行體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)。體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，納米FHA/PEEK復(fù)合材料的初始細(xì)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(xì)胞礦化較高，成骨效能較好。體內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(fù)合材料的體外生物相容性和抗菌活性均得到提高，并促進(jìn)其在體內(nèi)的骨整合，具有應(yīng)用于牙組織工程的潛力。

1.3.2 碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮納米羥基磷灰石生物復(fù)合材料(PEEK/n-HA/CF)劉學(xué)勇等[18]制備了不同HA體積分?jǐn)?shù)的PEEK/n-HA/CF復(fù)合材料，并將其浸提液與大鼠成骨細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)。研究表明，各組復(fù)合材料均無(wú)細(xì)胞毒性作用，具有良好的細(xì)胞相容性和成骨效能，當(dāng)HA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，生物活性最強(qiáng)，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(cè)第三、第四前磨牙牙槽窩內(nèi)。研究顯示，噴砂和等離子體處理的PEEK/n-HA/ CF三元復(fù)合材料具有促進(jìn)MG-63細(xì)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(xué)者指出，適度的表面粗糙度能顯著增加細(xì)胞附著和增殖，促進(jìn)堿性磷酸酶(ALP)的生產(chǎn)活性和鈣結(jié)節(jié)的形成，增強(qiáng)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(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料(Sr/HA/PEEK)鍶是一種生物活性元素，能促進(jìn)成骨細(xì)胞的附著和礦化，誘導(dǎo)骨生成，降低骨折風(fēng)險(xiǎn)。Wong等[20]首先制備了含鍶羥基磷灰石，然后將其與PEEK進(jìn)行共混，制備Sr/HA/PEEK復(fù)合材料。力學(xué)性能測(cè)試顯示Sr/HA體積分?jǐn)?shù)為25%和30%的復(fù)合材料的彎曲模量分別為9.6 GPa和10.6 GPa，彎曲強(qiáng)度分別為93.8 MPa和89.1 MPa，顯著高于PEEK，力學(xué)性能優(yōu)異。模擬體液中進(jìn)行的MG-63細(xì)胞實(shí)驗(yàn)顯示，Sr/HA/PEEK復(fù)合材料表面磷灰石的形成和細(xì)胞礦化均較HA/PEEK和PEEK高?？梢姡琒r/HA/PEEK復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能和成骨效能。

2 展望

盡管目前的研究已經(jīng)制備了許多性能優(yōu)異的PEEK生物復(fù)合材料，但距其在臨床的廣泛應(yīng)用還存在一定的距離。隨著CAD/CAM數(shù)字加工和3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展以及生物關(guān)鍵技術(shù)的相繼突破，在不久的將來有望通過綜合運(yùn)用多種改性技術(shù)制備生物相容性更加優(yōu)異的PEEK生物復(fù)合材料，并將其在醫(yī)用植入領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，造福廣大患者。

[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]Han CM,Lee EJ,Kim HE,et al.The electron beam deposition of titanium on polyetheretherketone(PEEK)and the resulting enhanced biological properties[J].Biomaterials,2010,31(13):3465-7340.

[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]Tannous F,Steiner M,Shahin R,et al.Retentive forces and fatigue resistance of thermoplastic resin clasps[J].Dent Mater,2012,28(3): 273-278.

[5]Yu S,Hariram KP,Kumar R,et al.In vitro apatite formation and its growth kinetics on hydroxyapatite/polyetheretherketone biocomposites[J].Biomaterials,2005,26(15):2343-2352.

[6]Converse GL,Yue W,Roeder RK.Processing and tensile properties of hydroxyapatite-whisker-reinforced polyetheretherketone[J].Biomaterials,2007,28(6):927-935.

[7]周聰穎,李啟期,魏杰,等.納米氟磷灰石-聚醚醚酮種植體骨整合效能研究[J].實(shí)用口腔醫(yī)學(xué)雜志,2013,29(1):20-24.

[8]Li LY,Zhou C Y,Wei J,et al.Quantitative analysis of nFA/PEEK implant interfaces in Beagle dogs[J].Shanghai Journal of Stomatology, 2014,23(2):166-171.

[9]Tsou HK,Hsieh PY,Chi MH,et al.Improved osteoblast compatibility of medical-grade polyetheretherketone using arc ionplated rutile/anatase titanium dioxide films for spinal implants[J].J Biomed Mater ResA,2012,100(10):2787-2792.

[10]Wu X,Liu X,Wei J,et al.Nano-TiO2/PEEK bioactive composite as a bone substitute material:in vitro and in vivo studies[J].International journal of nanomedicine,2012,7:1215-1225.

[11]劉瑞.碳纖維增強(qiáng)型聚醚醚酮在動(dòng)物體內(nèi)生物相容性的實(shí)驗(yàn)研究[D].吉林:吉林大學(xué),2014.

[12]石志才,李家順,賈連順,等.碳纖維增強(qiáng)的聚醚醚酮復(fù)合材料椎體間植入的實(shí)驗(yàn)研究[J].第二軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,22(4):340-342.

[13]Stübinger S,Preve E,DrechslerA,et al.Coated versus uncoated polyetheretherketone(peek)implants:Preliminary data of an animal model in sheep[J].International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery,2013,42(10):1184.

[14]Di L Z,Liu B,Song J,et al.Effect of chemical etching on the Cu/Ni metallization of poly(ether ether ketone)/carbon fiber composites[J]. Applied Surface Science,2011,257(9):4272-4277.

[15]Xu A,Liu X,Gao X,et al.Enhancement of osteogenesis on micro/nano-topographical carbon fiber-reinforced polyetheretherketone-nanohydroxyapatite biocomposite[J].Materials Science and Engineering: C,2015,48:592-598.

[16]顧有偉,孫文強(qiáng).玻璃纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料界面性能的研究[J].塑料工業(yè),2000,28(2):40-41.

[17]Wang L,He S,Wu X,et al.Polyetheretherketone/nano-fluorohydroxyapatite composite with antimicrobial activity and osseointegration properties[J].Biomaterials,2014,35(25):6758-6775.

[18]劉學(xué)勇,鄧純博,劉吉泉,等.聚醚醚酮-羥基磷灰石-碳纖維復(fù)合材料的體外細(xì)胞相容性研究[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2012,28(6): 1159-1164.

[19]Deng Y,Liu X,Xu A,et al.Effect of surface roughness on osteogenesis in vitro and osseointegration in vivo of carbon fiber-reinforced polyetheretherketone-nanohydroxyapatite composite[J].International Journal of Nanomedicine,2015,10:1425-1447.

[20]Wong KL,Wong CT,Liu WC,et al.Mechanical properties and in vitro response of strontium-containing hydroxyapatite/polyetheretherketone composites[J].Biomaterials,2009,30(23):3810-3817.

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(xué)基金(編號(hào)：201215051)；吉林省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開發(fā)項(xiàng)目(編號(hào)：JF2012C009-2)；吉林大學(xué)研究創(chuàng)新基金(編號(hào)：2015003)；吉林省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所與開發(fā)項(xiàng)目(編號(hào)：2015Y038-3)

劉紅。E-mail：jdliuhong@163.com