聚醚醚酮抗菌改性及相关机制的研究现状

杨诗卉 于婉琦 周 哲 张静洁 周延民 赵静辉

作者单位：130021 长春，吉林大学口腔医学院种植中心（赵静辉为通讯作者）

聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）因具有耐高温、耐化学腐蚀、耐辐射、易于加工成型等优异性能，在聚芳醚家族中占据极其重要的地位，同时因其具有与人体皮质骨接近的弹性模量、优异的化学稳定性、可靠的生物安全性、X 线透射性以及核磁共振时不影响成像等特性，而被广泛的应用于医学各个领域[1]，如颅骨重建、椎间融合器和全关节置换装置等[1，2]。在口腔医学领域，PEEK 常被应用于修复体、种植体、愈合基台、基台螺丝、美观正畸线等方面[3，4]。PEEK 作为一种生物惰性材料[5]，抗菌性能欠佳[6]，而口腔作为开放的有菌环境，对材料的抗菌性能要求更高。因此，如何提高 PEEK 生物学活性，增强其抗菌性能，成为了研究热点。本文就 PEEK 抗菌改性方法及其相关机制作一综述。

一、PEEK 相关抗菌性能

钛及钛合金、氮化硅（Si3N4）、PEEK 都被视为有潜力的骨科植入物，但微生物粘附并形成生物膜的能力限制了这些生物材料的应用。何等[6]经试验证明在纯钛、PEEK 基纳米级改性材料，如 PEEK 基纳米氟羟基磷灰石（nFHA-PEEK）和 PEEK 基纳米羟基磷灰石（nHA-PEEK），抗菌性能高于 纯 PEEK 及纯钛。而 Bock[7]等学者比较了金黄色葡萄球菌和大肠杆菌在PEEK，钛合金（Ti6Al4V-ELI）以及 Si3N4上形成生物膜的特性，结果表明在 48 小时时，PEEK表面的生物膜数量比 Ti6Al4V 表面大约高出两个数量级，比所有 Si3N4的变体表面高出 2.5 到 3 个数量级，这与生物材料表面亲水性、电动势和吸附蛋白的差异性息息相关[8，9]。由此可见，纯 PEEK 抗菌能力较差，因此，如何对 PEEK 进行抗菌改性就成为了一道亟待解决的难题。

二、PEEK 抗菌改性

1.表面结构改性

由于耐药生物的增加，使抗生素在生物材料植入方面的应用愈发受限，因此无机抗菌剂成为当今研究的热点。材料表面纳米结构的形状、尺寸、分布显著地影响细菌生物行为[10]，使纳米级表面可以在不使用药物的情况下使生物材料产生抗菌性能[11]。经分析可知，当微米级的细菌细胞膜与纳米级的材料表面纹理接触时，纳米级表面纹理的表面积远大于细菌细胞膜表面积，由此致使细菌细胞膜破裂[11]。因革兰氏阳性（G+）菌的细胞膜刚性高于革兰氏阴性（G-）菌，故纳米级表面对 G-菌更佳有效。Wang 等[12]使用 3D 打印技术打印出具有纳米级针状结构表面的 PEEK，并证实 其抗菌活性高于纯 PEEK，且对 G-菌抑制效果强于G+菌，但并未达到预期的抗菌效果。因此，学者们通过物理或化学方法改性，通过引入具有抗菌活性的物质来解决这一问题。

2.表面物理沉积改性

（1）硒改性：硒是动物和人体的必需微量元素，具有抗癌、抗氧化、增强免疫力等多种重要生理作用。有研究表明，经共价结合的硒能够促进超氧化物自由基（O2-）的形成，从而抑制细菌附着在材料表面上。同时，硒对成骨细胞生长和粘附具有积极作用[13]。Wang 等[14]使用快速沉淀法使红色硒纳米颗粒附着在 PEEK 表面，之后 100℃热处理 6 天，使部分红色硒纳米颗粒转变为灰色。已知灰色纳米硒颗粒是红色的稳定形式，灰色纳米硒表面呈针棒状纳米颗粒，而红色则为均质纳米颗粒，结果显示，PEEK红色硒涂层表面细菌生长少于灰色硒涂层。由此可知，硒涂层也是一种有潜力的预防植入感染的抗菌涂层。

（2） 氧 化石墨烯改性：氧 化石墨烯（graphene oxide，GO）是一种重要的石墨烯衍生物，是一种具有致密的蜂窝结构的单原子纳米片，具有大量的活性氧功能组，能够诱导氧化应激反应，主要通过ROS及GO尖锐边缘作用于细菌细胞膜产生抗菌活性[15]。Ouyang 等[16]经简单浸渍法将石墨烯氧化物涂布在多孔的 SPEEK 表面后检测到硫含量显著下降，降低了磺化对细胞增殖的负面影响，同时也表现出良好的抗菌活性，且抗大肠杆菌的活性要高于抗金黄色葡萄球菌。随后，Ouyang 等[17]在 GO-SPEEK 基础上引入了脂质包裹的地塞米松，使材料在具有良好的抗菌性能同时表现出了更加优异成骨特性。

（3）金属沉积：金属离子目前作为无机抗菌剂被广泛的研究。镁、铜经气相沉积法对 PEEK 表面进行改性，表现出良好的抗菌性能。镁（Mg）是一种新型可生物降解的耐腐蚀的金属生物材料，纯镁在230℃条件下的，经气相沉积法均匀的涂布在 PEEK表面，不仅显示出良好的生物活性和抗菌活性，且较钛合金表面的镁涂层显示出更低的降解效率，即能够表现出更持久的抗菌活性[18]。Kratochvíl 等[19]经气体沉积法 将纳米铜（CuNPs）沉 积 于 PEEK 表面，之后经射频溅射法在其表面制备聚四氟乙烯薄膜（C：F），形成一个扩散的屏障，使水分子可以穿透 C：F 膜并促进 Cu2+释放，从而产生抗菌活性。

3.表面化学改性

（1）磺化：PEEK 能够溶于浓硫酸中产生磺化反应。经磺化的 PEEK（SPEEK）表面的硫成分对粪肠球菌形成生物膜具有良好的抑制作用，但变形链球菌的细胞外基质能够削弱含硫成分产生的抗菌作用[20]。同时，磺化也能够使 PEEK 形成多孔的 3D 网格状表面，形成纳米级表面，产生抗菌活性[21～23]。Ouyang 等[21]证明对 SPEEK 进行热液处理后能够有效降低 SPEEK 表面硫浓度并形成 3D 网格状表面，尤其是经 120℃热液处理的 SPEEK，不仅表现出对金黄色葡萄球菌的良好抗菌活性，而且能够促进细胞增殖和成骨分化。Wang 等[22]经氩气等离子体浸入式离子注入使 SPEEK 表面形成分层微 / 纳米级表面结构，与纯 PEEK 及 SPEEK 相比，其抗菌性能更佳，但依旧对 G-菌的抗菌活性欠佳，因此，也有学者将 SPEEK 与内酰胺类物质相结合，经群体效应抑制细菌生物膜产生，达到其增强抗菌活性的目的[23]。

（2）银（Ag）：Ag+作为一种广谱抗菌 物质，是 常用的金属抗菌剂，主要通过以下几种机制作用达到抑菌杀菌的作用。首先，Ag+可以锚定于细菌细胞壁上，损伤细胞壁，使其失去抵抗渗透压的作用，或直接导致细胞膜损伤，从而抑制细菌增殖。其次，Ag+还可以通过灭活呼吸链脱氢酶等方式，使细菌细胞内产生大量活性氧簇（ROS），以抑制细菌呼吸及生长过程。最后，Ag+还可以作用于核酸，使嘌呤和嘧啶之间的氢键断裂，DNA 裂解，从而杀灭细菌。除此之外，纳米银颗粒（AgNPs）还具有尺寸依赖的抗菌作用，不仅与细菌的接触面积更大，并且能在特定区域保持较高的 Ag+浓度并缓慢释放，因此抗菌效果更佳[24]。而且，细菌对 Ag+毒性敏感性远高于哺乳动物细胞，因此银被广泛的用于植入生物材料的抗菌改性中。通过低温磁控溅射纳米银改性PEEK 表面[25]，或由含银的沸石 L（Ag-ZL）作为 PEEK 的无机填料制备复合膜[26]等改性方法均能获得良好的抗菌活性。然而由于 Ag+具有一定的细胞毒性，故获得具有更高生物安全性的含银涂层成为了进一步需要解决的问题。

含儿茶酚的胺类物质，如多巴胺，经过聚合可以粘附于 PEEK 表面，并将 Ag 固定在 PEEK 表面，同时，聚多巴胺还可以将银氨离子还原为 AgNPs，使AgNPs 的细胞毒性降低[27]，故利用多巴胺的自聚合能力以及聚多巴胺的还原性，能够在 PEEK 材料表面制备出尺寸均匀的 AgNPs 涂层[27]，或经多巴胺粘合将 AgNPs 均匀的沉积于 3D 打印的 PEEK 支架表面[28]，均能够在保持良好的生物学活性的同时产生出色的抗菌活性。

而 Ag+联合其他物质进行功能性改性，也能够达到降低细胞毒性、提高抗菌活性的目的，甚至还可以通过设计缓释涂层达到控制 Ag+释放率，如在二氧化钛和聚二甲基硅氧烷（PDMS）的混合涂层上掺入 Ag+，根据银的掺杂水平以及二氧化钛和 PDMS的比率调节银的释放率[29]。或通过聚多巴胺在 PEEK表面构建 AgNPs/ 丝素蛋白 / 庆大霉素涂层，通过pH 值的变化，调节 Ag+ 和庆大霉素的释放，形成细菌触发的智能自我防御涂层[30]。Sikder 等[31]通过微波辐 射在PEEK上制造单相、含银三镁磷水合物（Ag-TMPH） 的纳米薄片涂料，使 Ag+可以持续释放。Gümüs 等[32]使用钛作为基础层，镁作为的中间层以获得良好的骨传导性能及生物活性，使用银作为抗菌的顶层掺杂少许铂的复合涂层，但由于铂使能够使银钝化，降低了 Ag+的抗菌活性。

虽然含银涂层已被广泛的用于 PEEK 表面，提高其抗菌活性，但其生物安全性仍需进一步的体内研究与长期观察。

（3）氧化锌（ZnO）：作为金属氧化物，ZnO 纳 米颗粒在正常的光照条件下，具有尺寸依赖的广泛的抗菌活性，即越小的 ZnO 纳米颗粒抗菌活性越强[33]，其原理可能与纳米颗粒导致的细菌细胞膜破 坏 有关。除此之外，ZnO 纳米颗粒主要通过活性氧（ROS）产生抗菌活性，即 ZnO 相互定位导致的细胞膜损伤，膜通透性增加，从而使溶解的 Zn2+进入细胞产生毒性。除此之外，ZnO 纳米颗粒能够导致线粒体膜破裂，氧化应激基因表达，最终导致细胞生长抑制和死亡[34]。M 等[35]使用具有羟基末端的 ZnO 纳米颗粒经酯化反应嫁接至羧化 PEEK 上形成新的纳米级复合物，该材料抗菌活性与 ZnO 纳 米颗粒含量成正比。Deng 等[36]在经磺化的具有 3D 微米 / 纳米级孔的PEEK 表面引入逐层自组装的 Ag+和氧化锌双层植入涂层，能够综合发挥 Ag+及氧化锌的生物相容性及抗菌活性。当然，使用硅烷偶联剂处理纳米 ZnO粒子后，经球磨后模压成型的方法，也可以制备氧化锌改性的聚醚醚酮复合物，并能够表现出良好的抗菌性能[37～38]。

4.等离子体浸入式离子注入

等离子体浸入式离子注入（plasma immersion ion implantation，PIII）是通过离子注入的方式能够在 PEEK表面形成多孔的微/纳米级的多极化表面。例如，使用氧等离子体对 PEEK 表面进行 PIII 改性，可以改变 PEEK 表面形貌及含氧量[39]，从而减弱细菌对细胞粘附的竞争性抑制，但其表现出的抗菌活性有限，不能达到理想的预防植入感染的目的[40]。使用二氧化钛（TiO2）对 PEEK 进行改性能够显著提高 PEEK 生物学活性[41]，Lu 等[42]通过PIII将TiO2注入到碳纤维增强的聚醚醚酮 （CFR-PEEK） 中，在CFR-PEEK表面形成嵌入二氧化钛纳米颗粒的纳米孔样多极化表面，对金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌活性，但对大肠杆菌几乎不起作用。而 Wang等[43]应用同样方法构造独特的多级纳米级 TiO2结构表面，并证明该表面对链球菌、梭杆菌和卟啉单胞菌类等口腔常见致病菌具有可持续的抗菌性能，同时还能够增强软组织整合，促进牙龈袖口粘附，减少细菌在粘附。但在该表面未检测出游离的钛离子，由此猜测其抗菌活性主要来自于多极化纳米级表面对细菌的直接接触，而与钛离子无关[43]。

5.熔融共混

氮化硅作为十分具有前景的骨科植入物，已被证明具有良好的生物活性及抗菌性能[9～10]。Pezzotti等[44]经熔融共混的方法将 Si3N4颗粒合并至 PEEK矩阵中制造出一种新型混合材料，其中 Si3N4生物相容性极佳的硅 / 氮表面和缓慢的洗脱率是其产生抗菌活性的基础。新型复合材料表面表皮葡萄球菌活菌数量与纯 PEEK 相比低一个数量级，显示出优秀的抗菌活性。这提示我们，将 Si3N4 和 PEEK 这两种优秀的具有潜力的骨科植入物经熔融共混的方式结合，也不失为一种简单有效的在保持 PEEK 机械性能的同时提高其抗菌活性的方法。

三、PEEK 复合物抗菌改性

1.PEEK- 生物活性玻璃复合物改性

为对抗 PEEK 本身的生物惰性，在植入物和骨之间获得稳定快速的连接，生物活性玻璃（bioactive glass，BG）常被用于提高 PEEK 生物活性。生物 活性玻璃除了能够促进和诱导骨生成外，其还能够溶解形成针状碎片破坏细菌细胞膜，从而达到抗菌效果[45]。但单纯使用 BG 产生的抗菌效果有限，故 Seuss等[45]使用 AgNPs 对 BG-PEEK 复合物进行改性以 提高其抗菌活性。Zhang 等[46]使用纳米级 BG 与 PEEK合成具有微孔状表面的 BG-PEEK 复合物后，再将桧木醇装入其中，通过桧木醇缓释增强其抗菌作用。桧木醇作为一种抗菌物质，能够在不产生细胞毒性的前提下，使细菌细胞膜上的蛋白质退化，细菌裂解死 亡。Rehman 等[47]使电泳沉积法制造了壳聚糖/BG/PEEK 混合涂层并将 指甲花醌（lawsone）加入 其中，通过指甲花醌的缓释及生物氧化过程达到抗菌目的，但其药物的缓释效应及细胞毒性仍需进一步研究。由此可知，生物活性玻璃与 PEEK 结合后，不仅能够提高PEEK生物学活性外，而且能够使PEEK 表面形成富有微孔的形貌，这种表面有利于其载荷其他具有抗菌活性的物质，是一种具有潜能的抗菌改性发展方向。

2.PEEK- 羟基磷灰石复合物改性

羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）改性的 PEEK复合物被认为能够有效提高PEEK的成骨性能[48]，学者希望能够在此基础上载荷抗菌剂，以提升其抗菌性能。Sanpo 等[49]利用冷喷涂技术使金属离子改性PEEK-HA 复合物，比较镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）、银（Ag）改性的 PEEK-HA 复合物对金黄色葡萄球菌的抗菌性能，结果显示其抗 菌 性能由低到高排 列 为：Ni＜Cu＝Zn-＜Ag。Kakinuma 等[50]利用磷酸肌醇的螯合能力将 Ag+结合于 PEEK-HA 表面，并认为在1mmol·dm-3硝酸银溶液中进行鳌合的涂层，能够 同时兼顾的抗菌与成骨性能。

氟化物是常用的抗菌剂，通过影响细菌代谢，产生抗菌活性。首先，它可以作为酶抑制剂，例如，以不可逆的方式抑制糖酵解酶烯醇酶和含氟血红素结合的血基过氧化物酶。其次，金属氟化复合物，如AlF4-，能够抑制并损害F型质子泵的输出质子功能，从而诱导细胞质酸化和糖酵解酶的酸抑制[51]。总而言之，氟化物可以降低细菌的耐酸性，在酸性条件下抗菌活性最佳。Wang 等[52]制备的 nFHA-PEEK 在变形链球菌的黏附实验中，nFHA-PEEK 表面生物膜死菌率显著高于 nHA-PEEK 和纯 PEEK[7]。当然，氟离子也可以被直接引入 PEEK 表面。Chen 等[53]将经氩气行 PIII 和氢氟酸浸泡处理相结合，在材料表面构建一种浅孔洞状纳米结构，在材料表面引入羟基官能团，增加氟的引入量，对牙周病的主要致病菌—牙龈卟啉单胞菌具有明显抑制效果。