聚醚醚酮在桩核修复中的应用进展*

2022-11-27谭颖饶思晗孙纪奎于海洋

口腔颌面修复学杂志 2022年6期

谭颖饶思晗孙纪奎于海洋

龋病、外伤常导致冠部牙体组织缺损[1]。当冠部剩余牙体组织不足一半时，通常需要在根管治疗后，采用桩核系统为最终冠修复提供固位，并改变牙根原有的应力分布模式[2]。铸造金属桩核作为传统的桩核材料，由于存在露金属色、腐蚀、与根管壁间粘接强度低，并且其弹性模量远高于牙本质，容易造成患牙根折等问题，已经逐渐被纤维桩所取代[3]。与金属桩相比，纤维桩克服了上述缺陷，不仅具有良好的美学和粘接性能，它的低弹性模量也能实现牙根内均匀的应力分布[4]。然而，口腔中的水分和反复的温度变化会降低纤维桩的机械性能，导致挠曲强度下降。当桩的挠曲强度过低时，应力易集中于桩与根部牙本质之间的粘接界面，引发粘接失败[5]。此外，纤维桩多为预成桩，与根管的匹配性不佳，可能导致根管的过度预备和厚而不均匀的粘接层[6,7]。陶瓷桩具有高强度和高弹性模量（100-250GPa），常由于牙根内应力集中而引发根折。此外，陶瓷材料的脆性大，在根内一旦折断就难以取出，在过度负荷下引发的修复失效多为不可修复失效[8]。因此，寻找与天然牙根管系统力学匹配性更为理想的桩核材料一直是学界的关注点。

1.聚醚醚酮的概述

聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）是一种芳香族半结晶线性热塑性聚合物（图1）。作为聚芳醚酮（PAEK）家族的一员，PEEK 由双酚盐和芳香二卤化物经亲核取代而成。在Williamson 乙醚的参与下，双酚盐由添加钠、碱金属碳酸盐或氢氧化物的双酚原位生成。这种化学结构使PEEK 耐高温、化学和自由基损伤，具有更高的强度以及与玻璃纤维、碳纤维等增强剂的相容性[9]。

图1 聚醚醚酮的化学结构

作为一种高性能热塑性聚合物，PEEK由于其卓越的机械性能、生物相容性、耐高温和化学稳定性，在口腔和骨科中得到了广泛的应用[9,10]。PEEK具有很高的抗折性，弹性模量也与人牙本质十分接近，可以起到应力缓冲的作用而发挥减震能力，可能成为玻璃陶瓷和金属的替代品[11,12]。此外，还可以通过加入并改变填料含量来调整PEEK的机械性能，如玻璃纤维加强聚醚醚酮（GFR-PEEK）、碳纤维加强聚醚醚酮（CFR-PEEK）等加强材料，以改变PEEK的弹性模量，并在一定程度上提高PEEK的力学强度，防止PEEK修复体出现力学强度不够，抵抗应力的能力较差等问题。作为一种美观、非金属的功能性材料，PEEK易于加工成型，可用于制作多种口腔修复体，如固定义齿、活动义齿支架、口腔种植体、个性化基台和上颌赝复体[13,14]。

2.聚醚醚酮桩的机械性能

2.1 弹性模量理想桩材料的物理特性应该与牙本质相近，如弹性模量、抗压强度和弯曲强度，从而与牙本质形成同质结构，构成桩—核—粘接剂—牙本质复合体，实现应力的均匀分布[15]。弹性模量作为桩材料的一个力学参数，会对牙根内的应力分布产生重要影响。

在过度负荷下，桩核系统修复的根管治疗牙可能发生牙折。根据折断部位不同可分为可修复失效与不可修复失效，当牙折发生在牙颈部冠方时称为可修复失效，当牙折涉及到牙颈部根方时称为不可修复失效[16]。相比于金属桩和陶瓷桩，PEEK（3-4GPa）及其增强材料（CFR-PEEK18GPa，GFR-PEEK12GPa）的弹性模量与人类牙本质更加接近（表1）。有研究表明，具有低弹性模量的桩材料能将咬合应力更均匀地分布在牙本质和牙骨质界面，并将最大应力传递至牙颈部骨水平以上[17]。因此，PEEK及其增强材料用作桩核修复时，有减少根部牙本质内应力集中，减少根折的潜质，并在过度负荷下修复的牙齿发生断裂时以可修复失效为主。

表1 不同材料的弹性模量和泊松比

目前部分学者报道了关于PEEK桩的三维有限元分析，SametTekin[18]等人的研究发现，相比于玻璃纤维桩，PEEK桩能降低桩、桩的粘接界面和复合树脂核中的应力，使牙根内应力分布更加均匀。其中，桩-牙本质粘接界面至关重要，它是在过度负荷下破坏开始的区域，该处应力集中可能导致粘接丧失，发生微渗漏，细菌侵入而引发修复失败[19]；树脂核中的应力过大则会增加核破裂甚至脱落的风险。关于PEEK的增强材料，Rajvi[20]等的试验得出，CFR-PEEK桩比纤维桩在剩余牙本质中产生的应力更小，而GFRPEEK桩有着与纤维桩相似的应力分布，二者都可能成为桩核修复的替代材料。于豪等人[21]的研究则发现，PEEK桩和CFR-PEEK桩都能降低桩和其与牙本质粘接界面所受应力，而且使用CFR-PEEK桩时，树脂核中的应力更小，牙根内应力分布更加均匀。

但是，三维有限元分析中使用的修复部位和口腔结构的模拟材料被认为是线弹性、均质、各向同性和理想粘结的，这与天然牙齿结构和支持组织并不完全相同（非均匀各向异性）。此外，目前关于PEEK及其增强材料在桩核修复中的参考数据仍然有限。因此，为了探讨受力时PEEK桩修复的根管治疗牙的应力分布，需要将研究结果与体外试验和临床评价进行综合考虑。

2.2 抗折性目前，关于PEEK 桩的抗折性研究主要集中在静态的断裂负荷试验。Tekin等人的研究证实使用PEEK 桩能减少牙周膜和皮质骨上的应力[25]。Teixeira[16]等人分别对根管治疗牙进行PEEK 桩核、纳米陶瓷桩、铸造金属桩核以及纳米混合树脂复合材料定制的纤维桩修复，并观察他们的抗折强度和失效模式。结果发现，PEEK 桩修复牙的抗折强度虽然低于铸造金属桩，但与其余组间不存在显著差异。而且，PEEK 桩组多为可修复失效，铸造金属桩组多为不可修复失效，Merve[26]等人的研究也支持这一结论。然而，Haralur[27]等人的试验得出，在热循环和静态负荷后，相比于纤维桩和陶瓷桩，PEEK 桩修复牙的抗折强度最高，这可能由于应力分布发生了改变：与玻璃纤维桩相比，PEEK桩中的应力值更低。

Merve[26]的试验综合考虑了不同桩核材料的长度直径与抗折强度的关系。结果发现，不同于纤维桩和陶瓷桩，PEEK 桩的抗折强度与桩的长度直径无明显关系，在一定范围内增加桩的长度和直径对PEEK 桩的抗折强度没有显著影响，并且三者的抗折强度都明显高于口内牙齿在正常咀嚼时所承受的负荷。因此，当所修复牙齿的抗折强度相同时，PEEK 桩核修复可能可以保留更多的根部牙本质。此外，当根管过度预备形成喇叭形根管时，由于根管壁薄而脆弱，在牙根薄弱的冠方更容易受到桩楔入力的影响，导致根折[28]。Kiriko[5]等人的研究发现，联用PEEK桩和玻璃纤维套管修复喇叭形根管可以获得理想的抗折强度，可能是一种合适的修复方式。

然而，目前试验中的抗折强度是通过施加较大的静态负荷来测定的，在口腔中的牙齿很少承受如此大的负荷，而是在咀嚼时反复承受较轻的力量[5]。因此，需要增加热循环试验和疲劳负荷试验来进一步评估PEEK 桩的抗折强度。此外，各试验所选取的受试对象不同、桩核尺寸不同、在实际临床操作中也经常受到唾液、血液的污染，在未来还需要进一步的研究来模拟真实的口腔环境。

2.3 抗老化性老化是指高分子材料在加工、贮存和使用过程中由于内外因素的综合作用，其物理、化学性质和力学性能逐渐变差的现象。由于口腔环境潮湿并且冷热交替，修复材料难以避免会受到水分和温度变化的影响。玻璃纤维桩是玻璃和树脂的化合物，在桩体内部存在许多界面，桩和树脂核之间也存在粘接界面。当桩核内部存在大量界面时，水分更可能导致桩核的抗弯强度下降，引发修复失效[29]。而PEEK 具有低水溶性和高稳定性，同时一体式设计消除了桩核之间的粘接界面，在浸水情况下PEEK 桩未出现抗弯强度下降，降低了修复失败的风险[5]。此外，Ibrahim[30]等人的研究发现，相比于纤维桩和钛桩，PEEK 桩能更好地承受热负荷应力，在桩-牙本质界面中能够形成较低的温度梯度。而具有低热导率的玻璃纤维桩则产生了更高的温度梯度，随着时间的推移，这种差异会引发桩松动，导致修复失效[31]。现有文献表明，PEEK 及其复合材料不仅在体温下的含水环境中具有长期稳定性，也不会受到蒸汽或伽马射线辐照灭菌的影响。

3.聚醚醚酮桩的粘接性能

为了获得桩—核—粘接剂—牙本质复合体，不仅要求桩材料具有与牙本质相似的物理特性，还需要桩与根管壁之间以及桩核之间实现良好的粘接。与预成纤维桩相比，PEEK 材料可以通过CAD/CAM 或注塑成型技术设计制作一体式桩核，提高了桩与根管壁之间的摩擦力，并使二者之间的粘接层薄而均匀[32]。但是，由于PEEK 材料的表面能较低而且表面改性困难，在过度负荷下其失效模式与脱粘密切相关，实现PEEK 桩和根管壁的良好粘接可能仍是一项挑战[33,34]。

在合适的表面处理后，Merve[7]等人分别测定了PEEK 桩、纤维桩和铸造金属桩的表面粗糙度和拉伸粘接强度，发现硫酸酸蚀处理的PEEK 桩组获得了最高的拉伸粘接强度。一方面，桩的拉伸粘接强度与表面形貌有关。硫酸酸蚀后，PEEK 桩的粗糙表面具有一些不规则的凸起和凹陷，有利于PEEK 桩和树脂粘接剂的粘接。另一方面，桩的表面粗糙度也是影响粘接效果的一个重要因素，我们常通过表面处理来增加桩体表面的粘接面积和微粗糙度[35]。Silthampitag[36]等人的研究认为材料的表面形貌对粘接力的影响可能大于材料的表面粗糙度。在Merve[7]等的研究中，尽管PEEK 桩的表面粗糙度低于纤维桩和金属桩，但它的拉伸粘接强度最高，说明酸蚀可能导致PEEK 桩表面产生了化学和微观形态变化，从而改善了树脂粘接剂的极性和渗透性[37]。

然而，酸蚀不一定是PEEK 桩最佳的表面处理方式。硫酸酸蚀能对组织造成损害而具有极大的危险性，长期来看，其处理表面的稳定性也尚不明确[7]。为了确保安全，这种处理方法既不能在椅旁进行，也不能由口腔技师操作，只能由生产商提前完成。此外，PEEK 桩还有其他的表面处理方式，如二氧化硅涂层、喷砂、激光、非等离子体处理或它们的组合[38]。Caglar[38]对PEEK 桩进行了不同的表面处理，发现除酸蚀外，对桩表面进行喷砂和非等离子体处理同样可以显著提高桩的推出粘接强度。而且，当测量桩的粘结强度时，推出试验比线性剪切试验或微拉伸试验更有效，更具临床相关性[39]。Çulhaoğlu[40]等人对PEEK 的标准试样进行了不同的表面处理后，测定样品的表面特性及其与树脂的剪切粘接强度。结果发现，酸蚀、激光照射和喷砂的剪切粘接强度均大于10MPa，都可以作为PEEK材料可行的表面处理方式。

PEEK 材料的组成也会影响桩的粘接强度。改性PEEK（Bio-HPP）是一种含有20% 陶瓷填料的PEEK，具有良好的生物相容性、机械性能、美学性能和较低的菌斑附着性[41]。而且，Bio-HPP与复合树脂材料之间具有较高的的粘接强度。有文献证明，使用树脂粘接剂时，Bio-HPP 与牙本质结合良好[42]。这可能由于树脂粘接剂与加入PEEK基体中的陶瓷填料反应且结合良好，有助于桩-牙本质之间获得足够的粘结强度[43]。桩-根管壁之间以及冠-牙本质之间的良好结合也能降低牙根颈部的应力集中，补偿边缘微渗漏[44]。

因此，当选择适当的表面处理方式和PEEK 材料组成时，PEEK 及其增强材料能与树脂粘接系统获得良好的粘接效果，可能是桩核材料的一种理想选择。然而，桩与牙本质之间的粘接强度还受到粘接强度试验设计、粘接剂系统以及桩核制作方式（预成、定制）等因素的影响。由于缺乏标准化，很难实现粘结强度试验设计（拉伸、微拉伸、推出和剪切）之间的相关性；尽管如此，无论采用哪种试验类型，都可以评价受检材料的粘结质量[45]。目前研究的局限性在于，缺乏有关PEEK 桩长期粘接性能的研究，以及真实口腔环境和老化对其粘接效果的影响。在未来，需要进一步开展粘接强度试验，并结合临床研究，寻找更适合PEEK桩的粘接方式。

4.聚醚醚酮桩的生物相容性

Fovet等的电耦实验表明，碳纤维桩也可能发生腐蚀反应，在粘接碳纤维桩时需保证根管的清洁与干燥[46]。PEEK及其复合材料具有生物相容性和生物惰性。因为PEEK表面疏水，化学性质不活泼，在其表面难以吸附蛋白质。因此，在软硬组织中以块状形式存在的PEEK不会导致不良反应或离子成分的释放[47]。此外，目前尚无体外研究证明PEEK对人体具有细胞毒性或致突变性，体内研究提示PEEK不会对成纤维细胞和成骨细胞产生毒性。然而，目前关于PEEK桩的生物相容性的体内外实验仍然缺乏，在其于临床广泛应用前还亟待进一步研究。

5.聚醚醚酮桩的其他性能

PEEK 材料具有透射性且无铁磁性，在进行核磁共振成像（MRI）和X 光检查时几乎不会造成伪影，避免由于图像扭曲变形而影响诊断[47]。然而，PEEK 呈乳白色或灰白色，透光性较差，作为桩核材料进行前牙修复可能难以满足较高的美学要求，可以通过粘合复合树脂、饰面、调色等方法进行修饰。对于PEEK 的增强材料，由于碳纤维呈黑色，玻璃纤维呈白色或半透明色，相比于CFR-PEEK甚至PEEK，GFR-PEEK 桩可能可以获得更好的美学效果。

6.聚醚醚酮桩的临床应用

目前，关于PEEK 作为桩核材料的临床病例比较有限，都获得了满意的修复效果。胡静[48]等人报告了数字化制作PEEK 桩核，配合全瓷冠修复上前牙外伤一例。作者采用数字化技术，设计制作了PEEK 桩核和二氧化锆全瓷内冠进行修复，获得了满意的治疗效果。Zoidis[49]等人则采用改性PEEK桩核（Bio-HPP）和二硅酸锂陶瓷冠完成了一例上前牙修复。Zoidis 等人选择了传统的注塑成型技术制作PEEK 桩核，制作的桩核具有高精度和与根管的良好匹配性。在修复完成后的三年随访期内，患者的修复效果良好，未出现脱粘或其他的修复失效。Galgali[50]等人报告了CAD/CAM 铣削PEEK桩核联合烤瓷冠修复下颌前磨牙一例，并在修复完成后一周、一个月以及三个月对患者进行随访，在随访期内作者未报道修复并发症的出现。

此外，关于PEEK 桩核修复的长期疗效以及应用于后牙时的修复效果评价仍然缺乏，在真实口腔环境中长期的冷热循环和咀嚼负荷会对其修复效果造成什么影响还亟待研究。因此，在未来，需要结合体外研究和动物实验，综合考虑患者对修复效果和治疗成本的要求，对PEEK 在桩核修复中的应用进行进一步探讨。