聚醚醚酮植入材料接枝改性的研究进展*

白涧飞 陈 良 王德飞 刘 红

聚醚醚酮[Poly(ether-ether-ketone),PEEK]是一类半结晶高分子材料，具有一系列的优点，如较好的生物相容性，优良的机械性能，稳定的化学性能[1,2]，与牙体颜色相近[3,4]，高压灭菌后不发生老化，具有透射性，不会影响手术部位的X线评估[5]。近年来，PEEK在口腔种植领域得到广泛关注，许多种植品牌将其用于愈合基台的修复材料[6]。相对于钛或氧化锆基台，PEEK基台的修整更简便;由于其透射性，牙冠粘接后的残余粘接剂更容易及时发现和清理[7]。但PEEK本身的生物惰性不利于细胞黏附和增殖[8]，改善其生物活性成为拓展其在医疗领域应用的关键。

改善PEEK生物活性的常用方法主要包括共混处理和表面处理[4]。共混处理是将其他材料加入到PEEK基质内，如加入羟基磷灰石(HA)粒子使PEEK生物活性得以增加，但由于HA粒子和PEEK基质的严重剥离，减弱了PEEK优良的机械性能[9-11]。表面处理则是通过单纯处理表面或与涂层相结合，如在PEEK表面添加HA涂层，促进了骨结合力，但是易分层，导致混合物的韧性和粗糙度下降[5]。接枝改性由于只在材料表面发生反应，保留了PEEK优良的机械性能。

接枝改性是指通过化学处理，光辐射等方法将各种官能团加入到聚合物表面[12]，即利用引发剂产生的自由基或辐照在聚合物骨架上产生活性点，然后在活性点上引入接枝单体，形成含官能团的侧链，进而实现材料的改性。单纯的湿化学处理，光辐照和等离子体处理虽然也可以在表面引入极性基团，但从长期来看，由于极性基团的旋转或迁移，亲水性表面会在几小时或几天后恢复到原来的状态。接枝改性则通过接枝单体的活性基团与材料表面引入的极性基团形成共价结合来抑制极性基团的旋转或迁移，将亲水表面的保持时间最多延长至90 天[10]。

本文主要介绍接枝改性的三种方法，即紫外光辐照表面接枝法、湿化学接枝法和等离子体接枝法，并讨论各种方法的优势与不足。

1.紫外光辐照表面接枝

紫外光引发的接枝聚合反应是简单快速廉价的改性技术，具有如下突出的优点：接枝链与基体分子链以化学键相连，可以稳定持续地保持接枝改性所获得的表面性能；紫外光与高能辐射相比，对材料的穿透力较差，故接枝聚合可以严格地限定在材料的表面或是亚表面进行，不会损坏材料的基体性能；紫外辐射的光源及设备成本低，易于连续化操作。二苯甲酮是光接枝反应中常用的光引发剂[13]，由于PEEK具有类二苯甲酮结构[14]，紫外光照射下，二苯甲酮单元发生磷酸酯化反应[7]，生成半二苯甲酮自由基引发接枝聚合，使单体在没有光引发剂存在的情况下自聚合制备出具有微米级的高亲水表面[13]。

1.1 丙烯酰胺接枝 在没有苯甲酮存在的情况下，丙烯酰胺作为接枝单体可将酰胺基引入到PEEK表面。在紫外光照射下，Chen[15]将PEEK薄片浸泡在0.5mol/L的丙烯酰胺水溶液中，一定时间后将样品取出，清洗晾干，获得改性样本。扫描电镜显示未改性的PEEK表面光滑，经过接枝改性的PEEK表面则十分粗糙，具有一些条状和不规则的结构。当照射时间少于25分钟时，材料的接触角随处理时间的增加而降低，意味着亲水性不断提高；当照射超过25分钟，接触角变化不大，可能由于丙烯酰胺达到饱和，使得进一步的反应更为艰难。与照射时间相似，在一定范围内，PEEK表面的亲水性随丙烯酰胺单体浓度增加而提高。

1.2 透明质酸(MeHA)接枝 二氧化钛静电纺丝密度低，具有生物相容性，很容易混杂在其他材料中来增加表面粗糙度，从而促进成骨分化，是医疗材料表面功能化的理想选择。透明质酸是一种存在于结缔组织的酸性粘多糖，其主链可以通过受体连接到间充质干细胞表面。单纯接枝透明质酸会降低表面粗糙度，对于成骨细胞分化不利；引入二氧化钛静电纺丝后，表面粗糙度大有提升，显著改善细胞的附着和分化。综合这些方面，Liu[16]提出利用二氧化钛静电纺丝模仿皮质骨的拓扑结构，在此基础上，利用紫外光照射下甲基丙烯酸透明质酸与PEEK形成稳定的化学结合来增强PEEK的生物活性。结果显示，在未处理的PEEK表面，细胞为圆形且未与表面接触，而PEEK-MeHA-TiO2表面的细胞伪足拥有更加锋利的边缘和更高的长宽比，证明有更高程度的细胞极性和细胞分化潜能，细胞活性更强，利于细胞扩增和组织修复。

2.湿化学接枝法

“湿化学”，即在常规条件下用化学反应将有机分子嫁接到固体物质表面的一种方法[17]。湿化学接枝法是一种简单实用的表面处理方式，相对于其他方法，价格较低廉[18]。常用的湿化学接枝法有硫酸磺化接枝、多巴胺聚合接枝等。

2.1 硫酸磺化接枝 浓硫酸磺化后材料表面形成了3D多孔结构。通过骨组织向孔隙内长入，多孔结构可以增加种植体与骨的结合力[19]。此外，由于多孔结构与细胞外基质提供的微环境相近，有利于细胞附着和增殖[20]。硫酸基团带负电荷，可以吸引带正电荷的钙离子，促进成骨转化。除此之外，带负电荷的表面对于细胞黏附蛋白更具有吸引力，阻碍非特异性蛋白的附着[21]。含硫化合物具有消毒性能，可以预防感染，提高种植手术成功率，但是多余的硫酸会对人体细胞产生消极影响，比如含有较低硫原子价的含硫化合物有可能产生氧自由基，损伤细胞，二氧化硫及其衍生物可以造成DNA损伤[22]。

Sun[23]利用浓硫酸在PEEK表面形成三维多孔结构，利用冻干技术成功地将骨形态发生蛋白-2(Bone morphogenetic protein-2， BMP-2)引 入S-PEEK表面。BMP-2可以促进骨缺损的愈合和修复，诱导间充质干细胞向成骨细胞分化，从而促进成骨。磺酸基通过静电相互作用调节BMP-2的释放，在S-PEEK表面形成微酸性环境，维持了蛋白质的生物活性。结果显示，S-PEEK表面细胞呈球形，丝状伪足不明显，而BMP-2固定后的表面细胞粘附与分布很好，并且具有很多丝状伪足；固定BMP-2的样品表面的细胞具有很高的碱性磷酸酶活性，即具有较好的成骨能力。

2.2 多巴胺聚合接枝 在pH=8.5的弱碱性水相环境中[24]，多巴胺分子之间发生氧化聚合反应，在材料表面形成富含邻苯二酚官能团的聚多巴胺涂层[20]，涂层可以与胺和硫醇基团发生共价结合[25]，从而引发进一步接枝反应。Kwon[24]利用聚多巴胺和胶原蛋白的共价结合将胶原蛋白固定在表面。多巴胺可以保证胶原蛋白更均匀的分布和适当的厚度，从而使表面细胞附着、增殖和分化能力增强。聚多巴胺的羟基和胶原蛋白的氨基结合从而获得强大连接。胶原蛋白是骨细胞外基质的主要组成部分，在表面产生了一个类似细胞外基质的表面，可以帮助改善细胞附着、增殖和分化。扫描电镜显示未经处理的PEEK表面光滑缺乏多孔结构，相反，多巴胺聚合后，PEEK表面富含由多巴胺聚合产生的皱褶结构，表面变得粗糙，并且提供了帮助细胞附着的化学官能团，因此细胞附着率大大增加。

湿化学接枝改性也具有一些缺点：湿化学接枝反应在表面生成一系列的含氧基团，增加了后续实验的不确定性，不利于定向固定蛋白质材料，反应不够精确；反应重复性差，实验结果随机性大；反应过程中会释放有毒的化学污染物；反应导致材料表面的不规则刻蚀，对材料基体性能影响较大。因此，该种改性方法只适用于实验室的操作而不适用于工业级的应用[13]。

3.等离子体接枝改性

等离子体俗称物质存在的第四态，是指在一定强度的电场作用下，气体中的原子受到激发，内部带电粒子发生加速运动相互碰撞后进行能量传递，最后电离放电而形成的一种物质[26]。等离子体处理改变了材料的粗糙度、可湿性和表面成分。从微观角度讲，等离子体撞击样本表面，打破共价键，替换原子，将聚合链拆分并打乱顺序；未配对的电子通过结构扩散与自由基发生反应，产生链内或链间的交联产物。通过新形成的基团与多种生物分子形成共价键结合，防止结合蛋白被其他与表面有更大亲和力的蛋白取代，使表面具有更好的生物活性[27]。

3.1 空气等离子体接枝 Fukuda[11]对PEEK进行空气等离子体处理以生成羟基，然后用磷酰氯对得到的羟基进行改性。等离子体处理和磷酸基修饰使PEEK的疏水表面变成亲水表面，同时保持了与原始表面相近的形貌和粗糙度；磷酸基修饰提高了细胞的生物活性。骨修复过程受骨细胞和免疫细胞的调控。成骨的增加以及巨噬细胞表型的适当调节是种植成功的先决条件。细胞因子检测显示，与未经处理和单纯等离子体处理的PEEK相比，磷酸基修饰的PEEK表面的巨噬细胞产生较低水平的致炎因子和较高水平的抗炎因子，表明磷酸基修饰减弱了巨噬细胞向炎性表型的表型极化，减少了过度的炎症反应。在动物实验中，磷酸基修饰的PEEK与未经任何处理的PEEK相比，显示出双倍的股骨骨髓腔拔出力，表明成骨细胞活性较高。因此，磷酸基修饰可以通过提高成骨细胞活性和减少过度的炎症反应来提高PEEK种植体与骨的结合强度。

3.2 氩气等离子体接枝 Wang[28]采用简单磺化与氩气等离子体处理相结合的方法，制备了具有特定官能团(-NH2和-COOH/-COOR)的PEEK。其使用的等离子体处理系统基于大气压下介质阻挡放电的原理，可以通过引入含氧官能团(-COOH/-COOR)来改变表面化学状态。氧官能团的增加明显高于氮官能团，可能由于氮分子较低的反应活性和较强的离解能。抗菌试验表明，等离子体处理得到的微/纳米形貌赋予PEEK良好的抑菌性能。体外研究显示，在等离子体处理的PEEK表面上，成骨细胞的附着和增殖、细胞活力、碱性磷酸酶活性、钙结节形成以及成骨相关基因的表达得到改善。这些结果表明，氩等离子体处理PEEK具有优异的生物相容性和抑菌性能，在植入性应用中显示出巨大的潜力。

3.3丙烯酸等离子体接枝 郑延延[29]利用丙烯酸等离子体处理PEEK表面引入羧基，并利用羧基将RGD肽(精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸肽)化学键合在PEEK表面。结果显示成功引入羧基并键合RGD肽，改性后PEEK优良的机械性能无明显改变，明显改善了成骨细胞附着与增殖。

4.展望

接枝改性由于只在表面发生变化，不涉及整体的改变，有利于保存PEEK优良的机械性能，但反应过程复杂，应对其机理做进一步的研究，改进接枝方法以便更精确地改造PEEK，使其在口腔种植领域得到长远的发展。如利用各向异性细胞黏附微结构诱导细胞迁移，通过表面图案化将各向异性结构的不对称性特点转达到与其黏附的细胞上，从而使细胞发生定向迁移[30]。