硬组织植入聚醚醚酮表面生物活性改性研究

刘吕花，郑延延* ，张丽芳 ，熊成东

(1. 川北医学院基础医学院， 四川 南充 637000； 2. 中国科学院成都有机化学研究所， 成都 610041)

0 前言

不锈钢、钛及其合金等传统的硬组织植入金属材料因具有较高的力学强度、良好的生物相容性和耐疲劳性等优异性能，在硬组织修复与替换领域有着广泛应用[1]。但这些传统金属植入材料的弹性模量远远高于骨组织的弹性模量，造成植入体周围骨组织所受的应力刺激值远远低于骨组织维持自身更新所需的应力刺激值，使植入体周围骨组织部分被吸收，强度降低，导致植入体松动，最终造成植入失败，即产生所谓的“应力屏蔽”效应[2-3]。另外，金属植入体可能释放出有害的金属离子，造成骨质溶解或变应原性；且金属植入体与常用的核磁共振成像(MRI)、计算机断层扫描(CT)技术不相容，不利于对骨生长及愈合进行监控[4]。

热塑性特种工程塑料聚醚醚酮(PEEK)的弹性模量与皮质骨弹性模量接近，尤其是碳纤维增强PEEK(CFR-PEEK)的弹性模量与皮质骨弹性模量更为匹配[5]。这种接近或匹配的弹性模量一定程度上减弱或消除了应力屏蔽效应，进而减轻或避免了骨吸收，从而有利于植入体与骨组织之间的骨整合。因此，从20世纪80年代开始， PEEK受到材料学研究者和骨科学研究者越来越高的重视[6]，有可能替代金属材料应用在硬组织修复与替换领域。PEEK可透过X射线，CT或MRI扫描时不产生伪影，因而较容易监控骨生长和愈合过程。此外，PEEK还具有良好的生物相容性、耐磨损、耐疲劳、耐腐蚀、易加工等特点。上述优点使PEEK广泛应用于创伤、脊柱和关节等领域。但PEEK本身不具备生物活性，不能与骨组织形成骨整合，这在一定程度上限制了其在硬组织修复与替换领域的应用。面对这种不足，研究者常将羟基磷灰石(HA)、生物活性玻璃(BGs)等生物活性材料添加到PEEK基体中制备复合材料，但这种方法在改善PEEK生物活性的同时其优异的力学性能往往显著降低[7-8]。硬组织植入体通过其表面与骨组织接触，且表面改性是一种仅改变材料表面或近表面的物理化学性质，不改变基体材料整体特性的方法。因此，表面改性是提高PEEK生物活性同时保持其本身优异性能的有效方法。目前对PEEK表面改性的方法主要包括在PEEK表面制备改性涂层或利用等离子体、激光、湿法处理等手段对PEEK表面进行直接改性两大类，改性的目的主要为增强其表面的成骨活性、抗菌活性和骨整合能力，如图1所示。本文对近年来增强PEEK生物活性的各种表面改性方法进行了较为全面的评述。

图1 目前改善PEEK表面生物活性和抗菌活性的方法示意图Fig.1 Scheme of current strategies to improve the bioactivity and antibacterial activity of PEEK

1 改性涂层涂覆PEEK表面

1.1 HA涂层

HA是人体骨骼和牙齿的主要无机成分，具有良好的生物活性和骨传导性，能与人体骨组织形成牢固的骨整合[9]。单纯的HA强度低、脆性大、韧性差，无法用在承力部位，常作为硬组织植入体涂层使用。近年来，研究者发展了等离子喷涂、冷喷涂、气溶胶沉积、离子束辅助沉积、旋转涂布等多种方法在PEEK表面制备HA生物活性涂层。

1.1.1 等离子喷涂

等离子喷涂是一种比较经济的、商业化的在硬组织植入体表面制备HA涂层的热喷涂技术。 Ha等[10]采用等离子喷涂技术在CFR-PEEK表面制备了HA涂层。但拉伸粘附测试结果表明涂层与基底之间的粘接强度只有2.8 MPa，这可能是由于高温(>1 650 ℃)造成PEEK蒸发形成蒸汽膜阻碍了HA涂层与基底之间的密堆积。相对于等离子喷涂，真空等离子喷涂(VPS)在相对较低的温度和压力下进行，可降低对基体材料的破坏。Ha等[11]利用VPS技术在CFR-PEEK表面喷涂了HA涂层。为改善HA涂层与基底之间的粘接强度，事先在基底表面喷涂了一层钛(Ti)。断面分析发现Ti中间层和基底之间存在较好的力学互锁，HA层和Ti层之间紧密接触，并且CFR-PEEK在处理过程中未发生物理性变化。因此作者指出VPS适合用于在CFR-PEEK表面加工HA涂层。 Suska等[12]也采用VPS技术在CFR-PEEK和钛合金(Ti6Al4V)表面分别制备了Ti-HA涂层，并将两者进行了比较。拉伸粘附测试结果表明Ti-HA涂层与PEEK之间的粘接强度达到(28.5±2.3) MPa，与Ti6Al4V之间的粘接强度达到(27±4.8) MPa，均高于ISO 13779-2所要求的值(15 MPa)。分别将两种材料植入兔股骨、胫骨远端、胫骨近端，6周后表面涂覆Ti-HA的CFR-PEEK植入体比纯的CFR-PEEK植入体表现出更高的骨-植入体接触率。在胫骨皮质骨位点，和纯的CFR-PEEK及Ti-HA涂覆的Ti6Al4V相比，Ti-HA涂覆的CFR-PEEK植入体周围有更多新骨生成。

1.1.2 冷喷涂

冷喷涂可在较低的温度下在材料表面制备出厚度均匀且与基体有较强结合力的涂层，喷涂过程迅速、可大量生产且对环境友好[13]。 Lee等[14]采用冷喷涂技术在PEEK表面制备了HA涂层，但作者未提供HA涂层与基体之间的粘接强度。细胞实验结果表明HA涂层改善了人骨髓间充质干细胞(hBMSCs)早期的粘附、增殖、碱性磷酸酶(ALP)活性、钙离子含量以及成骨相关基因的表达。植入兔髂骨后， micro-CT(图2)和组织学染色结果均表明，HA涂层显著改善了PEEK植入体与骨组织之间的接触面积。生物力学测试结果表明HA涂层显著改善了PEEK植入体与骨组织之间的骨整合强度，并且拔出力随愈合时间的增加而显著增加，而纯PEEK植入体与骨组织之间的拔出力随愈合时间的增加却没有显著性变化。

(a)PEEK植入4周 (b)HA涂覆PEEK植入4周 (c)PEEK植入8周 (d)HA涂覆PEEK植入8周图2 Micro-CT结果Fig.2 Micro-CT results

1.1.3 气溶胶沉积

室温条件下，气溶胶沉积可在材料表面制备出致密且与基体有较强粘接力的陶瓷涂层。 Hahn等[15]采用气溶胶沉积法在PEEK表面制备了5 μm厚的致密HA涂层，并通过水热退火处理提高了HA涂层的结晶度。拉伸粘附测试结果表明HA涂层与PEEK基底之间有较强的结合力，粘接强度达到15.5 MPa，水热退火处理后仍然有14.3 MPa。细胞实验结果表明表面涂覆HA的PEEK显著改善了成骨细胞(MC3T3-E1)的铺展、增殖及ALP活性，且水热退火处理的HA涂层在成骨细胞的铺展、增殖及ALP活性等方面更胜一筹。将材料植入兔胫骨4周后，组织学染色发现表面涂覆HA的PEEK比纯PEEK表现出更高的骨-植入体接触率。

1.1.4 射频磁控溅射或离子束辅助沉积

射频磁控溅射(RFMS)室温下可在材料表面制备出厚度和密度均一、与基体有较好结合力的涂层。Rabiei等[16]采用RFMS法在氧等离子体预处理的PEEK表面沉积一层氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)隔热中间层，再用同样的方法沉积一层HA，并对涂层进行了微波或水热退火处理。拉伸粘附测试结果表明氧等离子体预处理有助于提高涂层与基底之间的粘接强度。涂层与基底之间的粘接强度未退火时为33.4 MPa，水热退火后为30.9 MPa，微波退火后为32.5 MPa。微波退火处理后HA涂层由无定型相转变为结晶相，且更有利于人胚腭间充质细胞的粘附与增殖。

离子束辅助沉积技术(IBAD)借助离子束轰击，使已沉积的原子与基体原子之间相互扩散，并使涂层致密，可在低温甚至室温下获得与基体具有高结合力的涂层。 Rabiei等[17-19]又采用IBAD在PEEK表面制备了YSZ-HA涂层，并对涂层使用微波或水热退火处理。退火处理增加了HA涂层的结晶度。微波退火处理后涂层与基底之间的粘接强度从(35±1) MPa降到了(30±4) MPa，微波和水热联合处理使涂层与基底之间的粘接强度大幅降至(9±2) MPa。体外细胞实验及体内骨整合能力测试结果表明热处理的涂层更有利于鼠成骨细胞(MC3T3)增殖、骨向分化和细胞外基质矿化及PEEK植入体与骨组织之间的骨整合。

1.1.5 旋转涂布

长期的体内植入发现厚的HA涂层(>10 μm)容易从植入体表面脱落并引起一些并发症[20-21]，因此，在植入体表面制备纳米级厚涂层成为改善涂层稳定性的方法之一。Barkarmo等[22]在圆柱形PEEK植入体表面采用旋转涂布法制备了5～20 nm厚的纳米级结晶HA涂层。将材料植入兔股骨6周后，组织学评价发现HA涂覆的PEEK植入体表现出较高的骨-植入体接触率。但很多植入体从植入部位脱出，可能是由于圆柱形植入体不利于植入体植入体内后的初期稳定。进而该研究小组[23]及Johansson等[24-26]均设计了螺纹型的PEEK植入体，并采用同样的方式制备了HA涂层。体内动物实验结果表明螺纹型设计有助于植入体植入体内后的初期稳定；HA涂覆的植入体表现出较高的转矩去除测试值、骨-植入体接触率和新骨生成量，说明HA涂层改善了PEEK植入体与骨组织之间的骨整合强度。目前现有的测试涂层与基体之间粘接强度的标准如ISO 13779-4等均不适合测定纳米级厚涂层与基体之间的粘接强度。因此，作者将HA涂覆的PEEK植入体插入模拟皮质骨松质骨的Sawbone人工骨材料模型中，发现植入体在插入和移除后，表面HA涂层依然能稳定存在，说明涂层及基体之间存在较强的结合力[25]。

1.1.6 仿生溶液

利用仿生溶液法可以在生理温度下在材料甚至形状复杂的植入体表面制备出类骨磷灰石涂层，改善材料的生物活性。 Ha等[27]利用VPS技术在CFR-PEEK表面制备了Ti涂层，并在60 ℃下用10 mol/L NaOH处理2 h。然后将表面处理过的CFR-PEEK浸入模拟体液(SBF)中，一定时间后其表面形成了类骨磷灰石涂层。 Zhou等[28]将PEEK表面用NaOH进行预处理，而后浸入高倍SBF中，微波协助下4 min PEEK表面就形成了磷灰石涂层。 Kizuki等[29]采用溶胶凝胶法在UV或氧等离子预处理的PEEK表面制备了与基底有较强粘接强度的TiO2涂层。该涂层在80 ℃下用0.1 mol/L HCl处理24 h，再浸入SBF中，3 d后其表面形成了类骨磷灰石涂层，而未经酸处理的TiO2涂层却未能在SBF中诱导出类骨磷灰石形成。Zheng 等[30-31]采用丙烯酸等离子体处理或硅烷化反应在PEEK表面引入了羧基、羟基和磷酸基等化学基团，而后将化学基团功能化的PEEK浸入1.5倍SBF中，一段时间后其表面形成了弱结晶的类骨磷灰石层。细胞实验结果表明类骨磷灰石涂层可有效改善MC3T3-E1的粘附、铺展、增殖。 Mahjoubi等[32]采用湿法改性获得表面磷酸化的PEEK，并将其浸入1.5倍SBF中，一段时间后其表面形成了类骨磷灰石层，纳米划痕测试表明类骨磷灰石层与PEEK基体之间的粘接强度达22 MPa。

1.2 Ti涂层

Ti拥有良好的生物相容性，广泛用作牙科和骨科植入材料。在PEEK表面制备Ti涂层可改善其生物相容性。目前，研究者发展了等离子喷涂、电子束沉积等多种方法在PEEK表面制备Ti涂层。

1.2.1 等离子喷涂

Gisep和Wieling利用VPS技术在CFR-PEEK表面制备了70 μm厚的Ti涂层[33]，X射线光电子能谱(XPS)表征发现Ti涂层表面成分主要是TiO2。Ti涂层与基底之间表现出较高的拉伸(22.2±1.3) MPa和剪切(29.7±6.5) MPa粘接强度。植入羊骨干皮质骨3个月和6个月后组织学和力学评价发现：与未处理的CFR-PEEK相比，Ti涂覆的CFR-PEEK植入体表面有显著少的软组织，同时表现出显著高的转矩去除测试值和骨-植入体接触率，说明Ti涂覆的CFR-PEEK植入体具有更好的骨整合能力。Devine等[34]使用VPS和物理气相沉积(PVD)两种技术分别在CFR-PEEK表面制备了Ti涂层。研究发现PVD法制备的Ti涂层较均匀、光滑并覆盖整个材料表面，而VPS法制备的Ti涂层较粗糙而且未覆盖整个材料表面。植入羊胫骨皮质骨半体内分析发现VPS法Ti涂覆的植入体的转矩去除测试值比PVD法Ti涂覆的植入体和未涂覆的植入体的转矩去除测试值高得多。组织学评价发现VPS法Ti涂覆的植入体和PVD法Ti涂覆的植入体的骨-植入体接触率相近，均比未涂覆的植入体高。另外，和VPS法制备的Ti涂层相比，PVD法制备的Ti涂层容易脱落。Walsh等[35]将等离子喷涂Ti的PEEK植入体植入到羊胫骨皮质骨和股骨松质骨，并进行了生物力学和组织学评价。结果发现Ti涂覆的PEEK植入体表现出较高的骨-植入体界面剪切强度值和骨-植入体接触率。Stübinger等[36]将VPS或大气等离子喷涂(APS)Ti的CFR-PEEK植入体植入羊骨盆中2周或12周。生物力学或组织学评价发现：随植入时间的增加，骨整合效果增强；植入12周时与未涂覆的植入体相比，Ti涂覆的CFR-PEEK植入体表现出显著高的拔出力值；Ti涂层上同时采用APS沉积HA涂层的CFR-PEEK植入体表现出最好的骨整合。

1.2.2 电子束沉积

低温下，电子束沉积可在多种材料表面制备致密均匀的涂层。Han等[37]利用电子束沉积技术，低温下在PEEK表面制备了均匀致密并充分结晶的Ti涂层。 Ti涂层与PEEK基底之间的粘接强度达到20 MPa，此值高于作为生物医用材料涂层的基本要求。细胞实验结果表明Ti涂层显著改善了MC3T3-E1的增殖、铺展及骨向分化。组织学染色发现植入兔胫骨4周后，Ti涂覆的植入体表现出更高的骨-植入体接触率。 Elschner 等[38]同样采用电子束沉积在PEEK表面制备了50 nm厚的Ti涂层。 Ti涂层与基底之间表现出较强的粘接力(图3)，Ti涂层改善了人间充质基质细胞(hMSC)的增殖、铺展、成骨分化、矿物沉积，并且Ti涂层未影响PEEK的MRI相容性。

图3 Ti涂覆的PEEK薄膜照片Fig.3 Photograph of the Ti coated PEEK film

1.3 二氧化钛涂层

Ti具有良好的生物相容性主要是由于其表面在自然条件下形成的二氧化钛(TiO2)氧化层[39]。 TiO2具有较好的抗菌活性、腐蚀抗性、生物相容性、生物活性[40]。近年来，研究者发展了电弧离子镀、高功率脉冲磁控溅射、阳极氧化、溶胶凝胶等多种方法在PEEK表面制备TiO2涂层。

1.3.1 电弧离子镀

电弧离子镀(AIP)技术由于具有高的电离度、高的离子能，低的加工温度和制备的涂层粘接强度高等优点，在涂层工业存在广泛应用[41]。Chung等[42]采用AIP技术低温条件下在PEEK表面沉积了一层锐钛矿相TiO2(A-TiO2)薄膜。划痕试验结果表明，TiO2薄膜表现出内聚破坏(Cohesive Failure)，与基体之间临界载荷值达14.5 N，说明TiO2薄膜与基体之间存在较强的粘接力。 TiO2涂覆的PEEK表现出较好的MC3T3-E1粘附、铺展、增殖和ALP活性。进而Chung等[43-44]通过调节靶电流和衬底偏压控制TiO2涂层中金红石相TiO2(R-TiO2)和 A-TiO2的比率。体外生物学评价发现R-TiO2的存在更有利于促进成骨细胞的粘附、增殖、ALP活性、细胞外骨基质生成[45]。这可能是由于R-TiO2的(110)晶面存在更多负电性羟基(OH-)，更有利于诱导类骨磷灰石形成，进而有利于骨细胞粘附与生长[46]。该课题组将纯PEEK、R-TiO2涂覆的PEEK、 A-TiO2涂覆的PEEK分别植入到兔股骨中。通过拔出实验和组织学观察评价了TiO2涂覆的PEEK植入体与骨组织的骨整合能力[47]。研究结果表明TiO2涂层能改善PEEK植入体与骨组织之间的骨整合，并且R-TiO2涂覆的PEEK比A-TiO2涂覆的PEEK表现出更好的骨整合。另外，结果显示TiO2具有较好的骨传导能力。

1.3.2 高功率脉冲磁控溅射

高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)和直流电磁控溅射(DCMS)相比具有较高的电离度和离子轰击能，在相对低的温度下可制备出与基体有较强粘接力的涂层[48]。通过控制O2/Ar的流速比，Chung等[49]采用HIPIMS技术在PEEK表面制备了含R-TiO2和 A-TiO2不同比率的TiO2涂层。为改善TiO2涂层与PEEK基体之间的粘接强度，沉积TiO2之前在PEEK表面预先沉积了一层Ti中间层。划痕试验结果表明，即使浸入SBF中28 d，涂层依然表现出内聚破坏，说明涂层与基体之间存在较强的粘接力。体外生物学评价再次证明了TiO2涂层能改善MC3T3-E1的粘附、铺展、增殖，并且R-TiO2涂层表现出更好的成骨细胞相容性。

鱼类对饲料中蛋白质、糖类和脂类物质消化能力的高低可通过各种消化酶活性的比值进行比较。一般认为杂食性鱼类和草食性鱼类的蛋白酶活力与淀粉酶活力比值低于肉食性鱼类[25]。大刺鳅各消化器官中蛋白酶活力均远大于淀粉酶活力，表现出肉食性的特点；另外肠道淀粉酶含量提升幅度高于肝脏淀粉酶含量，这与吴婷婷等[26]报道相似，说明肠道为淀粉主要的吸收场所，而肝脏分泌的主要是消化酶原，这些消化酶原的活性很低。因此，适当提高大刺鳅幼鱼饲料中蛋白质比例，有助于促进消化吸收，加快生长，提高养殖效益。

1.3.3 阳极氧化

Han等[50]首先在PEEK表面电子束沉积制备了Ti涂层，接着通过阳极氧化在PEEK表面制备了均匀纳米多孔的TiO2层，并利用多孔的TiO2层负载了骨形态发生蛋白(BMP-2)。体外生物相容性测试结果表明，纳米多孔的TiO2层显著促进了MC3T3-E1的粘附、增殖与分化，载有BMP-2的TiO2层表现出最好的成骨细胞粘附、增殖、分化。植入兔胫骨4周后，组织学染色发现纳米多孔的TiO2层及载有BMP-2的TiO2层均改善了PEEK植入体的骨传导性。和纯PEEK、载有BMP-2的纯PEEK、TiO2涂覆的PEEK相比，载有BMP-2的TiO2涂覆的PEEK最有利于植入体与骨组织之间的骨整合，表现出最高的骨-植入体接触率。

1.3.4 溶胶凝胶

Shimizu等[51]采用溶胶凝胶法在氧等离子或喷砂预处理的PEEK表面制备了与基底有较强粘附力的TiO2涂层。再次证明了采用 0.1 mol/L HCl(80 ℃处理24 h)进行后处理是该TiO2涂层具有生物活性的必要条件。体外细胞相容性测试结果表明酸处理的TiO2涂覆的PEEK表面更利于兔骨髓间充质干细胞(bMSCs)的增殖及成骨相关基因的表达。植入兔胫骨近端一段时间后，生物力学及组织学评价发现酸处理的TiO2涂覆的PEEK植入体植入兔胫骨后表现出更好的骨整合。

各种涂层技术制备的HA、Ti或TiO2涂层体外能改善各种骨细胞的粘附、铺展、增殖及骨向分化，短期内能增强植入体与骨组织之间的骨整合强度。但涂层与基体之间的结合强度能否满足植入体长期的体内应用仍需考察。 HA涂层的粘接强度基本上均高于ISO13779-2所要求的外科植入体表面HA涂层的粘接强度15 MPa。但文献中报道的测试HA涂层粘接强度时采用的测试标准不一致，同时未考虑基体表面粗糙度、涂层厚度等影响涂层粘接强度的因素。因此文献中报道的HA涂层的粘接强度不能进行横向比较。植入体在体内可能受到剪切、拉伸、压缩、弯曲等多种应力的作用，仅评价涂层的拉伸粘接强度过分简化了其在体内受到的真实应力环境。 Sawbone仿真骨能逼真的模仿骨的构造，将植入体植入仿真骨能模仿其应用的实际过程，这为评价植入体表面的涂层稳定性提供了一种新的方法。

虽然研究者已开发出多种涂层技术，在PEEK表面制备涂层提高了其生物活性，但各种涂层技术均存在一定的不足。等离子喷涂制备的HA涂层常存在密度不均匀、与基体结合强度低、化学成分不均一等问题。常需要对PEEK表面进行预处理并制备Ti中间层以改善HA涂层与PEEK基体之间的粘接强度。另外，等离子喷涂是在高温下进行的，可能会对基体材料造成一定的破坏。为此，后来发展了气溶胶沉积、射频磁控溅射以及离子束辅助沉积等技术，然而常需后续的热处理提高这些涂层技术制备的HA涂层的结晶度。另外，射频磁控溅射和离子束辅助沉积受“视线性”限制，难以加工形状复杂的生物医用植入体。仿生溶液法和溶胶凝胶法虽可以克服“视线性”限制，但仿生溶液法制备HA涂层比较费时，溶胶凝胶法不适合工业化生产。各种涂层技术优缺点的详细介绍超出了本文的范围，读者可参阅相关综述文献[52-54]。

2 直接改性PEEK表面

生物材料表面的物理化学性质如表面化学、表面形貌等因素决定着细胞与材料之间的相互作用及最终的骨组织与植入体之间的骨整合[55]。利用等离子体处理、湿法改性等手段对PEEK表面进行直接改性，可避免生物活性涂层易脱落等问题，同时改变材料表面的物理化学性质，进而改善骨细胞在材料表面的行为，最终改善植入体与骨组织之间的骨整合。

(a)未处理的PEEK (b)Ar-PIII处理的PEEK (c)Ar+H2O-PIII处理的PEEK图4 PEEK试样的表面形貌Fig.4 Surface morphologies of PEEK samples

2.1 等离子体处理PEEK表面

等离子体浸没离子注入(PIII)技术在材料表面制备的改性层与基体之间结合牢固，且两者之间无明显界面，减少了涂层剥落的担忧。可采用离化气体源或金属源(生物相容性或抗菌性较好的钙、钽、锆、锌和钛等)，将多种具有良好生物相容性或抗菌性的官能团或金属元素引入至生物材料表面。同时PIII具有操作简单，不影响基体材料性能，非“视线性”限制全方位注入改性等优点，非常适合加工形状复杂的生物医用植入体。 PIII改性的基本原理及在生物医用材料表面改性方面的研究进展可参阅相关综述文献[56]。

Liu等[57]使用PIII技术，利用一步简单氩气+水蒸气PIII(Ar+H2O-PIII)处理，在PEEK表面构建纳米“沟壑结构”(图4)的同时，将羟基(—OH)引入到材料表面。通过将改性后材料保存在水介质中，可使材料表面亲水性得到显著提高，同时大幅抑制高分子材料等离子体处理后常见的疏水恢复现象[58]。 细胞实验表明有利的表面物理及化学环境改善了PEEK表面的细胞相容性，促进了MC3T3-E1的粘附、铺展与增殖，同时促进了鼠骨髓间充质干细胞(rbMSCs)早期的成骨分化。氟是人体必需的微量元素之一，在骨骼生长发育和维持骨骼生理结构与功能方面具有重要作用，而且氟具有良好的抗菌活性。进而该课题组用氢氟酸处理Ar-PIII改性的PEEK获得表面氟功能化的PEEK[59]。氟化的PEEK不仅表现出较好的体外rbMSCs相容性、体内骨整合能力，而且对口腔病原菌牙龈卟啉单胞菌表现出优异的抗菌活性。Zhao等[60]使用H2O或NH3PIII改性PEEK表面，在其表面引入了含氧或含氮基团，且其表面的粗糙度和亲水性都有增加。细胞实验结果显示注入改性表面有效促进了MC3T3-E1的粘附、增殖、ALP活性、成骨分化。动物实验证明改性的PEEK具有较好的骨整合能力。

Lu等[61]使用PIII技术对PEEK表面进行钙等离子体注入改性，获得了不同钙含量的改性层。细胞实验结果显示钙注入改性PEEK表面尤其是钙含量高的表面更有效的改善了rbMSCs的粘附、增殖、成骨分化。该课题组同样使用该技术将钽离子注入(Ta-PIII)PEEK表面，获得了表面弹性模量和纳米硬度与人体皮质骨更接近的PEEK材料[62]。体外细胞实验结果表明Ta注入改性的PEEK表面能促进rbMSCs的粘附、增殖及成骨分化。 Micro-CT、连续荧光标记及组织学评价表明Ta-PIII改性的PEEK体内亦有较好的骨整合能力。此外该课题组还在CFR-PEEK材料表面进行锆等离子体注入(Zr-PIII)[63]、锌氧协同注入(Zn/O-PIII)[64]、Ti等离子体注入(Ti-PIII)[65-66]改性研究。 Zr-PIII改性的CFR-PEEK表面不仅显著促进了rbMSCs的粘附、铺展、增殖及骨向分化，而且对金黄色葡萄球菌表现出一定的抗性。 Zn/O-PIII改性的CFR-PEEK表面具有微米坑和纳米颗粒共存的多级复合结构，能有效促进MC3T3-E1的粘附与增殖，同时能有效抑制金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的增殖、成膜。 Ti-PIII改性可在CFR-PEEK构建纳米多孔结构(图5)。细胞实验结果表明多级结构不仅能改善rbMSCs的粘附、增殖、成骨相关基因的表达，而且能改善人牙龈成纤维细胞(HGFs)的粘附、迁移、增殖、胶原分泌能力。另外，纳米多孔结构除对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有一定的抗菌性外，还对口腔病原菌变形链球菌、核粒梭菌、牙龈卟啉单胞菌表现出稳定的抗菌活性。纳米多孔表面不仅有利于骨组织及软组织与CFR-PEEK植入体的整合，而且还有一定的抗菌活性，因此Ti-PIII改性的CFR-PEEK材料在硬组织修复与替换领域有着较好的应用前景。

(a)未处理 (b)未处理，白色箭头指示碳纤维区域 (c)Ti-PIII处理 (d)Ti-PIII处理图5 CFR-PEEK试样的表面形貌Fig.5 Surface views of CFR-PEEK samples

2.1.2 气体等离子体处理

Schröder等[71]用NH3等离子体处理PEEK表面，获得含氮基团(主要是—NH2)功能化的表面。处理后的PEEK表面能促进MG-63的粘附与铺展。Waser-Althaus等[72]用O2/Ar或NH3等离子体处理PEEK表面，在纳米织构其表面的同时引入了含氧基团或—NH2，细胞实验结果表明等离子体处理能促进脂肪间充质干细胞(adMSC)的粘附、增殖、成骨分化。

Zheng等[73]通过改变丙烯酸等离子体处理的时间，在PEEK表面引入了不同浓度的—COOH。细胞实验结果发现MC3T3-E1的粘附和增殖均随—COOH含量的增加而降低，而MC3T3-E1的铺展随表面—COOH含量的增加而增大。

2.2 加速中性原子束处理

加速中性原子束技术(ANAB)仅改变材料表面不超过5 nm深度的物理化学性质，几乎不对基体造成任何程度的破坏。Khoury等[74-75]利用ANAB处理PEEK表面，在纳米织构其表面的同时引入了亲水性基团—OH和—COOH，改善了其表面的亲水性。细胞实验结果证实改性的PEEK表面能促进人胎儿成骨细胞(hFOB)及人类成骨细胞(Saos-2)的增殖及成骨分化。均明显高于纯PEEK。生物力学及组织学评价发现表面改性的植入体植入鼠颅骨或羊股骨远端及胫骨近端4周或12周时均表现出较好的骨整合。

2.3 激光微加工

(a)PEEK表面H2SO4处理流程图 (b)PEEK表面形貌及水接触角图像 (c)SPEEK-WA表面形貌及水接触角图像图6 PEEK表面H2SO4处理流程图及其SEM照片与相应的水接触角图像Fig.6 Diagram of sulphuric acid treated PEEK surfaces, the SEM images and corresponding water contact angle images

由于分辨率高、速度快、成本低、加工灵活、加工精度高及不影响基体材料性能等优点，激光微加工受到研究者越来越高的重视。Riveiro等[76]研究了不同波长(λ= 1 064、 532、 355 nm)激光微加工对PEEK表面粗糙度及亲水性的影响。结果发现和其它两种波长激光相比，紫外激光(λ= 355 nm)微加工没有显著改变PEEK表面的粗糙度，但显著增加了PEEK表面的润湿性。Okada等[77]使用准分子激光处理PEEK表面，改善了其亲水性，促进了MC3T3-E1粘附。Cordero等[78]使用激光处理在PEEK表面制备了不同间距的微沟槽，MC3T3-E1培养发现细胞沿着平行的沟槽方向生长。Zheng 等[79]使用CO2激光与丙烯酸等离子体处理相结合的方法，在PEEK表面构筑有利于成骨细胞生长的表面微结构(含微孔的微沟槽)及表面化学(—COOH)。力学测试结果显示无论是单重处理还是双重处理均未影响PEEK优异的力学性能。细胞实验结果表明，双重改性的表面能更好的促进MC3T3-E1粘附、铺展与增殖；含微孔的微沟槽有利于细胞的攀附生长和细胞伪足的长入形成机械交叉互锁，有助于提高PEEK植入体与骨组织之间的骨整合强度。

2.4 湿法改性

Zhao等[84]用浓硫酸处理PEEK表面，在其表面构建3D多孔纳米结构网络，同时将磺酸基引入至其表面(图6)。细胞实验显示SPEEK-WA表现出更好的MC3T3-E1粘附、增殖及成骨分化。植入鼠股骨远端8周后SPEEK-WA比SPEEK-W表现出更好的骨整合。这可能是由于SPEEK-W表面残余的硫酸造成较低的pH环境，进而抑制了骨细胞的生长。接着Ouyuang等[85]采用水热处理浓硫酸磺化的PEEK样品，通过控制水热处理的温度，获得了不同硫含量的PEEK样品。细胞实验结果说明较低的硫含量更有利于rbMSCs的增殖及成骨分化。此外，磺化的样品对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有较好的抗菌活性。动物实验结果说明较低硫含量的样品不仅表现出较好的新骨形成，而且杀死了预先注入的细菌。较低硫含量改性的PEEK不仅具有较好的骨整合能力，而且具有一定的抗菌活性，具有较好的应用前景。

对PEEK表面直接进行改性，赋予PEEK表面有利的表面形貌与化学环境，可改善骨细胞在植入体表面的粘附、铺展、增殖和成骨分化，增强植入体与骨组织之间的骨整合强度。植入体相关感染依然是个严重的威胁，植入体表面不具备抗菌活性，易引起细菌感染并带来一系列并发症如病人额外的痛苦、经济负担甚至植入失败[86-87]。目前通过表面改性尤其是表面涂层改性赋予PEEK表面抗菌活性的研究非常之少，而优异的抗菌活性对植入体的植入成功同样重要。如何通过表面改性在增强PEEK生物活性的同时，赋予其一定的抗菌活性显得极其重要。

3 结语

采用涂层技术在PEEK表面制备的HA、TiO2等改性涂层，虽然能显著改善PEEK的生物活性，但面临着涂层及基底结合力差，涂层易脱落并引起炎症等问题。因此，如何优化加工参数或研发新的涂层技术以制备出厚度、密度均一并与基体有较强粘附力的涂层仍是亟待解决的问题。细菌感染是造成植入体植入失败的一个主要原因。目前在PEEK表面制备的改性涂层仅是增强其生物活性，无抗菌活性功能，因而在PEEK表面制备兼具生物活性和抗菌活性的多功能改性涂层是PEEK表面改性的未来发展趋势。采用湿法改性、激光处理等手段对PEEK表面进行直接改性，可在PEEK表面构筑有利的表面形貌和表面化学提高其生物活性，同时避免涂层技术存在的各种问题，但构建兼具生物活性和抗菌活性的手段仍显得有限。虽然表面改性涂层或表面直接改性改善了PEEK的生物活性，但这些结果均是基于体外或短期的体内评价，因此还需进一步的实验研究或长期的临床评价来考察各种表面处理对PEEK骨整合能力的影响，以获得性能优异的硬组织植入PEEK材料。