聚醚醚酮复合材料的生物相容性

刘秀菊，牛德利，甘抗，宋效庆，刘红

(吉林大学口腔医院综合治疗科，吉林长春130021)

聚醚醚酮复合材料的生物相容性

刘秀菊，牛德利，甘抗，宋效庆，刘红

(吉林大学口腔医院综合治疗科，吉林长春130021)

聚醚醚酮生物复合材料具有良好的机械性能和生物活性，其在骨缺损修复、创伤修复和口腔固定修复及种植等领域的应用得到研究者的广泛关注，越来越多的聚醚醚酮生物复合材料得以开发和研制。本文就目前常见的医用聚醚醚酮复合材料的生物相容性研究做一综述。

聚醚醚酮；复合材料；种植体；生物活性

作为聚芳醚酮家族的一员，聚醚醚酮(PEEK)是一种特种热塑性聚合物，具有高强度、高刚度、耐腐蚀、抗水解等良好的机械性能及生物相容性[1]，在航空航天、石油化工、汽车及机械制造等领域成功的应用[2]。与钛相比，聚醚醚酮的弹性模量更接近于人体皮质骨，具有良好的塑性能力和射线半透射性，在临床检查(如X线、CT、MRI)和诊断时不需要拆除。20世纪90年代，作为金属植入物的替代品，聚醚醚酮复合材料越来越多的应用于骨科和创伤等领域[3]。1992年，聚醚醚酮首次在牙科中应用，主要用于制造正畸用咬合棒及种植体的临时基台和愈合帽[4]。

1 PEEK生物复合材料的种类

随着材料科学、现代生命科学和尺度化学等学科的交互渗透，纳米改性技术的飞跃进步，复合材料合成、制备以及生物改性等关键技术的不断突破，PEEK生物复合材料的研究得到了迅猛发展，各类新型的PEEK基生物复合材料相继出现，提高了PEEK的力学性能，改善了其生物活性。下面，就目前常见的医用PEEK复合材料进行阐述。

1.1 纳米活性粒子充填PEEK复合材料不同种类的纳米无机活性粒子充填PEEK可明显改善PEEK的表面活性。目前，常用的PEEK无机填料主要包括羟基磷灰石(HA)、氟磷灰石(FA)、纳米TiO2等。

1.1.1 纳米羟基磷灰石PEEK复合材料(HA/ PEEK)人体骨组织主要是由纳米级的羟基磷灰石晶体和胶原构成。将HA与PEEK共混制备HA/PEEK复合材料，能显著提高PEEK的生物活性。Yu等[5]将HA/ PEEK复合材料浸泡在模拟体液(SBF)中4周。研究发现，各组复合材料表面均出现一层类骨磷灰石膜，成骨效能良好，生物活性随着HA体积分数的增加而增加。Gabriel等[6]对制备的体积分数为0～50%HA晶须增强HA/PEEK复合材料进行纹理分析和拉伸测试后得出，HA晶须和PEEK基体间有较强的界面连接，10%和20%的HA晶须增强PEEK复合材料分别具有90 MPa和75 MPa的抗拉强度，与人皮质骨的纵向拉伸强度相近，是具有优良的力学性能和生物活性的骨科植入材料。

1.1.2 纳米氟磷灰石PEEK复合材料(FA/ PEEK)氟离子具有抑菌作用，能够减少细菌对复合材料的黏附，较少炎症的发生。纳米氟磷灰石中的氟离子基团较HA中的羟基小，取代羟基后其晶体结构比HA更紧密，提高了材料的稳定性。因此，将纳米级的氟磷灰石晶体与PEEK进行共混改性也是制备新型医用PEEK复合材料的一个不错选择。

周聪颖等[7]将柱状纳米FA/PEEK和PEEK种植体各10颗分别植入6只犬的下颌前磨牙区，术后第8周和12周各随机处死3只实验犬。测试结果显示：与PEEK相比，纳米FA/PEEK种植体8周末和12周末的MAR和BIC值较高(P＜0.05)，周围新生骨的形成和成熟较快。研究表明，纳米FA/PEEK与骨床结合较佳，成骨效能较好，有利于新骨生长。Li等[8]通过将喷砂和未喷砂纳米FA/PEEK种植体植入Beagle犬的前磨牙区的实验表明，喷砂组的纳米FA/PEEK种植体周围骨体积和骨小梁数量明显高于未喷砂组，生物相容性和成骨性能更优良。可能是由于纳米晶体尺寸减小，增加了材料表面的粗糙度，从而使成骨细胞的成骨功能和代谢活动增强。

1.1.3 纳米二氧化钛PEEK复合材料(TiO2/ PEEK)二氧化钛具有良好的生物相容性、生物活性和亲水性，将纳米TiO2和PEEK共混制备纳米TiO2/ PEEK复合材料能显著提高PEEK的生物活性。Tsou等[9]进行了纳米TiO2/PEEK和PEEK的细胞实验，结果表明，纳米TiO2/PEEK比纯PEEK具有更好的成骨细胞相容性。Wu等[10]通过将合成的纳米TiO2/PEEK复合材料进行体内外研究发现：纳米TiO2能促进细胞附着和新骨的再生，改善了PEEK的生物学性能；纳米TiO2/PEEK植入物的周围新生骨体积大约是PEEK的两倍。可见，纳米TiO2提高了植入物周围的骨再生能力，显著地提高了PEEK的生物活性。

1.2 纤维增强PEEK复合材料纤维是指一些直径仅为几微米至几十微米的具有特殊尺寸效应的线性材料。很多纤维均与PEEK有较好的亲和性，将其与PEEK制备成高性能复合材料，可以提高PEEK的弹性模量、机械强度和尺寸稳定性等。目前常用碳纤维(CF)、玻璃纤维(GF)与PEEK制备复合材料。

1.2.1 碳纤维增强PEEK复合材料(CFR-PEEK) 30%碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，其弹性模量与骨组织相似，在骨科领域得到了广泛的临床应用。适量CF的加入可以降低材料的摩擦系数和磨损量。刘瑞[11]将CFR-PEEK植入物植入大耳白兔的下颌骨缺损处，于术后8周、12周和16周处死，获取骨组织标本。CFR-PEEK植入物与宿主骨组织交界处骨痂形成量均明显多于对照组，且CFR-PEEK与骨组织结合牢固，具有良好的成骨效能和生物相容性。石志才等[12]将CFR-PEEK植入物植入犬的L6～7椎间，研究发现，复合材料的小孔内有新的骨组织长入，具有良好的成骨效能。此外，有学者在此基础上对CFR-PEEK进行了表面改性，制备出钛/羟基磷灰石双涂层CFR-PEEK复合材料(Ti/HA/CFR-PEEK)和铜镍镀层碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，并对其性能进行了研究分析。Stübinger等[13]通过将制备的CFR-PEEK、Ti/CFR-PEEK和Ti/HA/ CFR-PEEK种植体植入羊骨盆的研究发现，与未涂层CFR-PEEK相比，Ti/CFR-PEEK或Ti/HA/CFR-PEEK具有较好的生物力学性能和更高的种植体-骨结合率，成骨效能较好。Di等[14]用Cr2O3/H2SO4溶液化学蚀刻CFR-PEEK，然后化学镀铜电镀镍在其表面制备CU/ Ni镀层CFR-PEEK复合材料。研究发现，化学蚀刻后CFR-PEEK复合材料的C=O键增多，表面的亲水性能增加，在CFR-PEEK复合材料的表面出现裂隙和部分碳纤维，黏结强度增加。当Cu作为填料时，材料的表面形成薄的、均匀的转移膜，能大大降低材料的磨损率，提高其耐磨性[15]。

1.2.2 玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料(GFR-PEEK)玻璃纤维具有弹性模量高、强度高、热稳定性好及膨胀系数稳定等特点。顾有伟等[16]将玻璃纤维经上胶剂处理后与PEEK复合制备成GFR-PEEK复合材料，并对其力学性能进行测试。结果显示复合材料的力学性能和抗冲击韧性得到提高。经上胶剂处理后，玻璃纤维表面与PEEK的黏结强度提高，而且对材料因外力而产生的裂纹有阻止作用。

1.3 多元共混PEEK复合材料虽然PEEK与纳米HA或FA共混制备的复合材料均能使其成骨活性明显提高，但其脆性较大，力学性能降低。采用多元共混的方法在HA/PEEK复合材料中添加氟离子、碳纤维或微量元素锶，不仅能弥补上述缺点，同时也改善了PEEK的生物活性。

1.3.1 纳米氟化羟基磷灰石PEEK复合材料(FHA/PEEK)由于表面粗糙的结构和纳米FHA晶体的协同效应，粗糙表面的纳米FHA/PEEK种植体的生物活性得到提高。Wang等[17]将通过多元共混制备的纳米FHA/PEEK复合材料进行体内外实验。体外实验结果显示，纳米FHA/PEEK复合材料的初始细胞黏附和增殖能力均得到提高且抗菌性能较佳。与光滑组相比，粗糙组的碱性磷酸酶活性和细胞矿化较高，成骨效能较好。体内试验发现，纳米FHA/PEEK组的新生骨体积显著高于纯PEEK组。研究表明，纳米FHA/PEEK复合材料的体外生物相容性和抗菌活性均得到提高，并促进其在体内的骨整合，具有应用于牙组织工程的潜力。

1.3.2 碳纤维增强聚醚醚酮纳米羟基磷灰石生物复合材料(PEEK/n-HA/CF)刘学勇等[18]制备了不同HA体积分数的PEEK/n-HA/CF复合材料，并将其浸提液与大鼠成骨细胞进行体外培养。研究表明，各组复合材料均无细胞毒性作用，具有良好的细胞相容性和成骨效能，当HA质量分数为20%时，生物活性最强，有望成为一种新型的骨科植入物。Xu等[15]将未处理、喷砂、等离子体处理的PEEK/n-HA/CF种植体分别植入6只比格犬的下颌双侧第三、第四前磨牙牙槽窝内。研究显示，喷砂和等离子体处理的PEEK/n-HA/ CF三元复合材料具有促进MG-63细胞增殖分化以及骨整合作用，新生骨体积显著高于PEEK/n-HA/CF组。有学者指出，适度的表面粗糙度能显著增加细胞附着和增殖，促进碱性磷酸酶(ALP)的生产活性和钙结节的形成，增强PEEK/n-HA/CF种植体的生物活性[19]。

1.3.3 含锶羟基磷灰石增强聚醚醚酮复合材料(Sr/HA/PEEK)锶是一种生物活性元素，能促进成骨细胞的附着和矿化，诱导骨生成，降低骨折风险。Wong等[20]首先制备了含锶羟基磷灰石，然后将其与PEEK进行共混，制备Sr/HA/PEEK复合材料。力学性能测试显示Sr/HA体积分数为25%和30%的复合材料的弯曲模量分别为9.6 GPa和10.6 GPa，弯曲强度分别为93.8 MPa和89.1 MPa，显著高于PEEK，力学性能优异。模拟体液中进行的MG-63细胞实验显示，Sr/HA/PEEK复合材料表面磷灰石的形成和细胞矿化均较HA/PEEK和PEEK高。可见，Sr/HA/PEEK复合材料具有良好的力学性能和成骨效能。

2 展望

尽管目前的研究已经制备了许多性能优异的PEEK生物复合材料，但距其在临床的广泛应用还存在一定的距离。随着CAD/CAM数字加工和3D打印技术的飞速发展以及生物关键技术的相继突破，在不久的将来有望通过综合运用多种改性技术制备生物相容性更加优异的PEEK生物复合材料，并将其在医用植入领域广泛应用，造福广大患者。

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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)

吉林省自然科学基金(编号：201215051)；吉林省产业技术研究与开发项目(编号：JF2012C009-2)；吉林大学研究创新基金(编号：2015003)；吉林省产业技术研究所与开发项目(编号：2015Y038-3)

刘红。E-mail：jdliuhong@163.com