聚醚醚酮及改性材料在口腔修复学中的应用

刘黎明 曹文瑞 鲁守涛 张海军

【提要】 聚醚醚酮（Polyetheretherketone，PEEK）及其复合材料具有优良的机械性能和生物相容性，其弹性模量与人体皮质骨较为接近，颜色接近天然色，在口腔修复、种植领域均有广泛应用。本文就目前PEEK在力学改性及骨整合改性方面的研究，及其在口腔修复、种植领域中的应用现状进行综述。

口腔修复是口腔医学的重要分支，而对修复材料的研究一直是其中的热点。上世纪60年代以来，钛及钛合金凭借着优良的理化性能、力学性能、耐疲劳性和耐腐蚀性，一直是口腔植入材料的传统选择[1]。然而，钛的弹性模量远高于人体密质骨（钛为110 GPa，密质骨仅约14 GPa），这种差异直接产生应力屏蔽效应，致使植入体周围骨骼几乎不承担应力，导致种植体周围骨骼产生骨萎缩和骨吸收。此外，有研究表明钛种植体会在体内引起过敏反应，并且钛作为口腔植入体美观度较差。目前许多研究致力于寻找传统钛口腔材料的替代材料，如氧化钴[2]、PEEK[3]等。

上世纪90年代，PEEK用作长期植入体后受到了广泛关注。本文主要探讨PEEK在口腔医学中的研究现状，特别是PEEK在改性方面的研究，以及在口腔修复中的应用及成型研究的相关进展。

1 PEEK及其在改性方面的研究

1.1 改性PEEK在骨整合性方面的研究

修复材料的生物活性直接关系到修复体在组织内的长期稳定性。PEEK本身表面能较低，表面的疏水特性不利于细胞的黏附，与组织之间的骨整合性能较差。有研究表明，PEEK作为植入体因骨整合性差，可导致感染甚至植入体的松动脱落[4]。而表面亲水性的改变，可直接影响口腔种植体材料表面与组织之间的微环境，从而促进细胞增殖[5-6]。有研究发现，利用紫外线照射进行表面改性可得到微米和纳米尺寸的表面特征，经检测UV-C/UV-A照射后的PEEK口腔种植体的接触角降低，表面湿润性得到有效改善[7]。采用激光和等离子体表面处理技术相结合，利用等离子体处理得到纳米化的表面结构，再结合激光处理PEEK表面形成微结构，这种多尺度的表面造型也可使PEEK的长久湿润性得到良好改善[8]。此外，表面改性技术中的等离子体浸没离子注入技术（Plasma immersion ion implantation，PIII），是通过高压脉冲直流将等离子中的加速离子注入基体中，利用PIII技术将钽离子注入PEEK表面形成纳米氧化钽涂层，经PIII技术处理后的表面弹性模量更接近人体皮质骨，且经测试改性后的PEEK与组织的骨整合性得到显著改善[9]。除表面改性技术外，也可将其他活性材料添加到PEEK基体中，如磷酸钙、生物活性玻璃和硅酸钙等生物活性陶瓷，以制备复合材料来改善其生物活性，提高PEEK植入体与骨组织之间的骨整合能力[10]。或者添加抗菌物质，改善PEEK植入材料的抗菌功能，王立新等[11]制备含氟纳米羟基磷灰石-PEEK复合材料（n-FHA-PEEK），通过研究其表面变形链球菌的黏附情况和生物膜的形成情况，来探究n-FHA-PEEK作为新型口腔材料的可行性。他们分别在3组材料表面（n-FHA-PEEK、n-HAPEEK、PEEK）接种口腔变形链球菌，14 d后观察，n-FHAPEEK组死菌最为明显、n-HA-PEEK组次之、PEEK组最少，结果显示含氟的磷灰石成分可降低PEEK表面的细菌黏附量，n-FHA-PEEK有望成为一种新型的口腔种植修复材料。

1.2 改性PEEK在力学方面的研究

改善PEEK生物活性的同时，还需关注其力学性能。羟基磷灰石（Hydroxyapatite,HA）具有良好的生物活性，将其添加到PEEK基体中，可改善PEEK材料的生物活性。研究发现，当HA含量超过10%体积时，HA纳米颗粒团聚现象严重，聚合物与PEEK基体间的结合变弱，导致整体拉伸强度显著降低[12]。通过原位合成方法制备羟基磷灰石/聚醚醚酮（HA/PEEK）复合材料，可以实现PEEK基与羟基磷灰石填料之间的强键合，尽管复合材料生物活性随着HA的增加而增加，但若不影响其力学性能也只能添加少于5.6%体积的HA[13]。此外，碳纤维、玻璃纤维均是性能优异的增强纤维，通过将其添加到PEEK基体中，复合材料的弹性模量不仅可达到设计值，而且机械强度和生物相容性方面也大大提高[14]。TiO2与PEEK复合，也可提高PEEK材料的生物活性[15]，填充TiO2、碳纤维增强的PEEK材料的力学性能均能符合口腔种植体的要求[16]。

2 PEEK及改性材料在口腔医学中的应用

PEEK因优异的化学稳定性和耐腐蚀性能，广泛地应用于口腔医学领域。PEEK材料主要应用于口腔种植牙的配件，如临时基台、愈合帽、愈合基台等。市售的PEEK口腔种植体材料，如赢创推出的VESTAKEEP瓷增强型PEEK是专为口腔修复领域设计的一种新型材料，英国Invibio生物材料公司推出的 PEEK-Optima和PEEK-Optima HA Enhanced等材料也可用于口腔种植，其他如Juvora Ltd、Evonik等公司也已成功地将PEEK材料引入牙科领域[17]。

2.1 PEEK在固定修复中的应用

2.1.1 口腔种植体

PEEK材料作为牙科种植体时，首先要满足种植体基本的力学性能要求。Lee等[18]通过有限元分析碳纤维增强PEEK和玻璃纤维增强PEEK的力学性能，结果显示两者承受力均在前牙、后牙的咬合范围内，碳纤维增强PEEK和玻璃纤维增强PEEK均可作为前牙的替代材料。并且，Schwitalla等[16]利用静态压力检测了11种PEEK及PEEK基增强材料，结果显示11种材料力学性能均符合口腔种植体的要求。此外，在临床植入方面，Koutouzis等[19]对16名患者进行后牙种植修复，评估了PEEK修复体对患者植入体周围硬组织及软组织3个月内的初期反应，结果表明使用PEEK修复体不会增加初期愈合期间边缘骨丢失和软组织衰退的风险。Mounir等[20]评估了使用定制的多孔钛或PEEK骨膜下种植体治疗严重上颌骨嵴萎缩的临床方案，术后12个月时，所有种植体功能稳定，患者义齿感觉舒适，没有观察到放射性骨吸收、松动、感染或义齿折断的现象。

2.1.2 种植基台

种植牙基台是牙种植体暴露于黏膜外部的部分，为其上部的人工义齿提供支撑、固位和稳定作用。为评价PEEK作为种植基台支撑复合冠的物理性能，Santing等[21]将PEEK和纯钛作为口腔种植体的临时基台，分别置于上颌骨的不同位置，使用万能试验机测试不同材料制作的基台上复合树脂冠的断裂强度，评价不同材质基台对临时冠的支撑效果。结果表明，除中切牙外，置于PEEK基台上的复合树脂冠与置于纯钛基台上的复合树脂冠在断裂强度方面并无明显差异。Schwitalla等[22]检测了由PEEK制作的基台螺丝的力学强度，结果显示当基牙螺钉直径为1.6 mm时，50%碳纤维增强的PEEK基台螺钉的拉伸强度高于传统钛合金基台螺钉的拉伸强度，该材料可用于制造基台螺钉。目前，PEEK及其改性材料作为种植基台在临床上已有应用，使用改性的PEEK基复合材料作为种植基台植入患者体内，经过1～2年的随访观察，尽管患者的牙菌斑未得到有效控制，但对植入体周围软硬组织仍未造成不良影响[23]。

2.1.3 冠桥修复

PEEK具有良好的生物相容性，虽然相比金属材料，其颜色与天然牙齿颜色较为相近，但由于美学上的要求，仍需对其进行贴面处理，而PEEK因低表面能和耐化学性使其对复合树脂的黏合能力较差，目前已有很多改性措施来提高PEEK与复合树脂冠的表面黏合能力。Stawarczyk等[24]分别制备5种经表面处理过的PEEK试样（未处理组、浓硫酸酸蚀组、50 lm氧化铝涂层组、100 lm氧化铝涂层组、二氧化硅涂层组），通过黏合装置将其与复合树脂黏合，经检测酸蚀后的PEEK与复合树脂的剪切强度最高。Uhrenbacher等[25]也证实了使用空气微粒磨蚀或用硫酸蚀刻预处理的PEEK与牙本质的黏合结果比较满意。此外，改性PEEK作为冠桥修复材料已进入临床试验[26]。Alrabab＇Ah等[23]对患者进行1年的随访，结果显示改性PEEK材料用于种植修复和冠桥修复，患者并无力学或生物学上的不适。这些研究表明，改性PEEK在冠桥修复中具有较大的应用潜能。

2.2 可摘义齿修复

可摘局部义齿修复利用天然牙、黏膜、牙槽骨作为支持，借助义齿的固位体、基托等部件装置取得固位和稳定，由人工牙、基托、牙合支托、固位体和连接体构成。Zoidis等[27]报道了一种改性的PEEK材料（BioHPP，一种PEEK基陶瓷增强型高性能聚合材料），与普通丙烯酸义齿、常规热固化基托丙烯酸树脂相结合，作为可摘义齿的替代骨架材料，这种材料可用于对金属过敏的患者，且该材料的弹性可以降低基牙的远侧扭矩和应力，更利于基牙的牙周健康。Tannous等[28]认为，虽然改性PEEK材料制作的卡环相对于钴-铬卡环的固位力较小，但仍可满足临床需要，且与传统的钴-铬扣环相比，改性PEEK材料制作的扣环对牙釉质更温和，使用PEEK扣时不会引起刻痕。此外，由于该材料的低噬菌斑亲和性，当与组织十分接近时，有利于获得更加健康的牙周组织。在临床使用方面，Pacurar等[29]报道了48名患者使用BioHpp材料作为局部义齿的框架，经过3年随访，结果显示佩戴BioHpp框架的患者没有出现过敏、骨折反应。结合上述报道，PEEK复合材料有望成为一种新的固定义齿修复材料。

3 成型方式

近10年来，计算机辅助设计/计算机辅助制造技术（CAD/CAM）发展迅速，计算机数控机床（CNC）也为制造复杂的三维金属、非金属材料提供了便利。在加工方式选择方面，Stawarczyk等[30]研究了不同的加工方法对PEEK三单位桥断裂性能的影响。结果显示，经CAD/CAM加工的PEEK固定义齿的性能较优，在连接体截面积7.4 mm2的条件下，压力达到1 200 N时固定桥发生变形，1 385 N时出现断裂，这个力远远超过报道的磨牙咬合力（580±235）N。Muhsin等[31]将机械加工的PEEK材料与热压成型的聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate，PMMA）材料进行冲击检测，结果显示机械加工下的PEEK材料的抗冲击强度明显优于热压成型的PMMA材料。

随着三维成像和建模技术的发展，3D打印技术在种植牙钻头的制作、牙齿矫正、外科手术模型、制造牙科、颅颌面和整形外科植入物，以及制作种植体和牙齿修复体的内冠和骨架方面均有应用[32-33]，但材料仅限于树脂、部分金属、复合材料等。3D打印PEEK在口腔修复方面也有应用[20]，然而与传统加工方式相比，3D打印PEEK在口腔领域的应用仍然相对较少[34]，目前传统的CAD/CAM技术可以完成大部分口腔修复体的加工，传统CAD/CAM成型仍是PEEK口腔修复体的主要成型方式。

4 总结及展望

PEEK及其改性材料因自身的机械和物理性能与人体骨及牙本质相接近，使其在口腔领域的应用比较广泛，包括固定修复（种植体、种植基台、固定桥）及可摘修复等。虽然目前已有较多的改性方法用于提高PEEK的生物学性能，但与人体骨达到完美、理想的骨结合仍具有重大挑战[35]。总之，仍需要大量的动物实验及临床试验来长期、综合评价其在口腔修复学中的应用[36]，未来仍需不断研发新的 PEEK复合材料以满足口腔医学领域的特定需求。