微纳米多孔聚醚醚酮植入体的构建与研究进展

李绍萍 陈志宇

聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）是由一个羰基、两个醚键和三个苯环构成的半结晶性有机高分子聚合物[1]，因其具有力学强度高、耐腐蚀、耐高温、耐水解、X射线阻射、美观等性能[2]，已作为口腔固定和可摘修复体支架材料获得临床应用。作为骨内植入物，金属材料弹性模量过高会产生应力遮挡，导致周围骨吸收，因此弹性模量与骨更接近的PEEK及其复合物[3]等非金属材料具有更好的应用前景。PEEK及其复合物在口腔科、骨科、关节外科、整形外科等作为种植体、椎间融合器、人工关节、骨内固定材料获得良好应用效果，FDA已认证医用级PEEK为最佳的长期骨植入材料[4]。但光滑的PEEK表面生物相容性和抗菌性能差，无法取得理想成骨效果，因此植入体表面形态在提高骨结合效果中具有核心地位[5]。多孔结构可提高植入体生物活性，孔径小于100μm时利于骨骼生长，且具备微纳米多孔结构的PEEK还具有粗糙度高，表面积大，吸附性好，载药位点丰富，可输送和代谢营养物，良好的骨结合和抗菌能力等优势[6，7]。本文就浓硫酸浸泡法、制孔剂法和3D打印增材制造等方法制备的具备微纳米多孔结构的PEEK进行介绍，对相关成骨潜能和抗菌能力进行分析，并对PEEK植入物的发展与临床应用进行综述。

一、浓硫酸浸泡法

浓硫酸可与PEEK发生磺化反应，室温下浓硫酸浸泡PEEK及后续水浸处理会使PEEK表面经历凝固-膨胀-凝固的状态变化，从而形成具备疏松三维微孔结构的磺化PEEK（SPEEK）。且磺化反应在PEEK表面引入的-SO3H基团可调整PEEK的链构象和排列，破坏其原有的致密结构，促进三维孔隙的形成。PEEK表面完整3D多孔和理想微纳米网络结构的形成与硫酸浓度、浸泡时间、实验设备有关[8]。浸泡时间过短会使多孔结构形成不充分，过久会导致多孔结构溶解破坏且残余过多硫。

1.单纯磺化多孔聚醚醚酮：不同磺化及后处理方法可在PEEK表面形成3D微孔结构，并增强其表面成骨和抑菌性能。Zhao[8]等在室温下将PEEK用硫酸(95～98 wt%）进行超声搅拌5分钟并进行后处理，在PEEK表面制造了大小为0.5～1.0μm，厚度为100μm的三维微孔结构（SPEEK）。在不同后处理方法中，与经水浸和漂洗后处理的SPEEK（SPEEK-W）相比，经丙酮进一步后处理的SPEEK（SPEEK-WA）可显著增强小鼠前成骨（MC3T3-E1）细胞的粘附、增殖和成骨基因的表达能力。动物实验结果显示SPEEK-WA种植体与骨之间呈高水平机械嵌合，新骨形成量、体内骨结合强度明显高于SPEEK-W种植体。磺化后残留在SPEEK表面的硫酸对人体细胞有害，且在大气环境中可稳定存在。Ouyang等[9]为去除残余硫酸，在不同温度下将SPEEK进行水热处理，结果表明120℃水热处理4小时的SPEEK具有最低硫含量，大鼠骨髓间充质干细胞增殖和成骨分化能力最强，大鼠股骨植入模型周围新骨最多，细胞和动物实验表明经水热处理除硫的SPEEK具有更好的成骨能力。

炎症微环境和机体过度免疫会影响植入体骨结合能力。SPEEK可诱导巨噬细胞向M2表型转化，Wei[10]等评估了SPEEK对巨噬细胞的极化表型的影响，并将SPEEK植入建立的小鼠气袋模型。结果表明，与PEEK相比，SPEEK表面M2表型巨噬细胞较多，M1表型巨噬细胞较少，且SPEEK可提高抗炎细胞因子，降低促炎细胞因子的表达水平，进而促进骨结合。Montero[11]等也评估了变形链球菌和粪肠球菌在SPEEK表面生物膜的形成和排列情况，结果表明经过48小时的细菌培养后变形链球菌和粪肠球菌数量下降。热化学和微生物分析也证实磺化可以抑制SPEEK上细菌生物膜的生长。

2.磺化多孔聚醚醚酮负载药物：独特三维多孔结构的SPEEK可装载药物并稳定持久释放，使药物与SPEEK协同促进骨组织生长。他汀类药物具有保护血管、促进血管新生，促进成骨相关基因表达等作用[12]。负载他汀类药物的SPEEK种植体周围会有更好的骨再生情况和骨特异性H型血管表达[13]。Deng等[14]制备了具有独特的层级微/纳米结构的PEEK支架，并采用旋转喷涂方法负载了辛伐他汀、妥布霉素微球递送系统，此复合体系可持续释药达6小时以上。体外MC3T3-E1细胞附着、增殖、碱性磷酸酶（ALP）活性、钙结节、PCR分析实验，体外抗菌实验，体内小鼠颅骨缺损模型新骨形成实验的结果均表明负载辛伐他汀与妥布霉素的微纳米多孔PEEK支架具有良好的抗菌和成骨能力。

阿司匹林（ASP）是经典的非甾体抗炎药物，影响多种生物过程[15]，ASP可促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化，抑制破骨细胞活性[16]，并抑制花生四烯酸向前列腺素转化，具有抗炎和促进骨修复作用。Yan等[17]利用ASP和SPEEK种植体之间π-π结合和多巴胺的粘接机理在SPEEK上制备阿司匹林-骨形成肽（ASP-BFP）复合涂层。扫描电镜下观察到ASP小颗粒牢固结合在SPEEK表面，药物释放实验结果证明阿司匹林在短时间快速释放，随后缓慢持续6天。MC3T3-E1细胞培养结果显示，与SPEEK相比，ASP-BFP-SPEEK组细胞活力、数目、ALP水平、钙结节形成量都显著提高，炎症因子表达降低，表明抗炎能力提高，也证明了ASP-BFP-SPEEK种植体具备协同促进骨结合能力。

3.磺化多孔聚醚醚酮负载金属：金属离子是无机抗菌、免疫剂，可产生氧自由基（ROS），破坏细胞膜结构，破坏细菌DNA、蛋白质活性以及酶结构等，也可调控骨髓间充质干细胞成骨分化的通路，具有成骨诱导作用[8]。

适宜浓度的铜具有优异的成骨和抗菌特性[19]。Liu等[20]在SPEEK表面采用定制磁控溅射技术固定铜纳米颗粒，并控制铜的释放速率。体外抗菌实验结果证实含铜的SPEEK可通过“诱捕杀灭”和“接触杀灭”结合的方式产生理想杀菌效果。免疫实验结果显示：在含铜的SPEEK上培养的巨噬细胞被激活，对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的吞噬能力得到提高。相关皮下感染和骨髓炎模型的研究结果也证实负载铜纳米颗粒的SPEEK对急性和慢性感染的抗菌能力，此改性方法为开发新型具有免疫调节和抗菌作用的骨内植入物提供了新思路。

元素锶（Sr）能够调节骨的新陈代谢，促进成骨相关基因（BSP，BMP-2，OPN，Runx2，OCN）的表达[21]，还可控制破骨细胞的凋亡，减少骨吸收以促进骨愈合。Wang等[22]通过将SPEEK在氢氧化锶溶液中进行水热反应，随后用多巴胺接枝脂联素（APN），在SPEEK表面成功制备Sr/APN双层修饰层。扫描电镜下观察到锶在SPEEK表面以棍棒状颗粒形式存在，且SPEEK表面粗糙度增加。释放实验结果显示，最初锶离子呈爆发性释放，8天后缓慢释放并达到稳定浓度。虽然局部高锶离子浓度不利于成骨，但后期稳定、持续的释放却对成骨有益。MC3T3-E1细胞培养结果也证实了Sr/APN共修饰的SPEEK具有更强的促进细胞黏附、增殖，表达ALP、钙结节的能力。说明此双层修饰的SPEEK具有成骨潜能，可优化SPEEK的临床骨结合效果。Deng等[23]利用锌的成骨[24]和抗菌特性通过Ag+和Zn+层层自组装，在具有3D微纳米多孔的SPEEK表面上形成了一种双层金属涂层，并证明了其优越的抗菌和成骨能力。

4.磺化多孔聚醚醚酮负载生长因子：生长因子在促进骨缺损的愈合和修复中发挥重要作用[25]，骨形态发生蛋白2（BMP-2）可诱导间充质干细胞向成骨细胞分化,提高细胞的成骨表达能力。Sun等[26]利用磺化反应产生的磺酸基的静电作用以及载体表面形成的微酸性环境结合冻干技术将BMP-2嫁接在SPEEK上。与未处理组相比，处理后的材料表面接触角减小，亲水性显著提高。BMP-2的释放实验结果显示：此复合结构可持续释放BMP-2达28天。细胞实验结果证明大鼠骨髓间充质干细胞的初始黏附和扩散增加，胶原分泌、细胞外基质矿化能力和ALP活性也得到提高，说明负载BMP-2的SPEEK在早期和晚期均可促进细胞骨向分化。在此基础上，Wu等[27]将100μm厚的PEEK薄膜磺化30秒，在表面羟基化后负载不同量BMP-2和磷酸化明胶，电镜下观察到SPEEK薄膜表面具有相互通连的微孔,FT-IR光谱的变化、XPS结果共同证明SPEEK表面羟基与BMP-2、磷酸化明胶之间为持久而稳定的化学连接。此方法相对简单、稳定、有效、温和，且可显著促进MC3T3-E1细胞的生长和成骨分化，改善SPEEK种植体-骨界面结合水平。

5.磺化多孔聚醚醚酮负载水凝胶：水凝胶是一种具有三维多孔网络结构的弹性聚合物，在结构形态上与生物体内软组织相似，高分子水凝胶广泛用于组织工程支架、药物运输等。He等[28]利用水凝胶的载药和缓释特效，将绿原酸（CGA）包裹在海藻酸钠（SA）水凝胶内，成功制作出具有抗菌和成骨能力的SPEEK@SA（CGA）@BFP体系。抗菌和生物评价结果表明样品对细菌具有良好抑制、杀灭作用，同时随着药物缓释可显著提高成骨能力。因此，水凝胶复合体系涂层可作为提高SPEEK生物活性的桥梁，在骨修复方面具有巨大潜力。Yin等[29]在SPEEK表面制备了携带妥布霉素纳米片和光交联的甲基丙烯酸明胶水凝胶的多功能涂层。原子力显微镜下观察，纳米片负载在SPEEK表面，厚约为3～4 nm。体外MG-63、MC3T3-E1细胞和细菌培养实验结果证实其优异的成骨活性和抗菌特效。采用组织学分析和荧光标记法检测大鼠股骨缺损模型的新骨形成效果，结果表明多功能涂层SPEEK种植体组有较高的骨沉积和骨重塑，成骨效果显著。动物实验的肾毒性和神经毒性的检测结果表明此方法不会对机体产生损害。

综述以往研究，浓硫酸浸泡及相应后处理是在PEEK表面创建微纳米级多孔结构的有效方法。通过控制磺化时间、浓硫酸浓度、后处理方法等形成不同尺寸和厚度的多孔结构，改善PEEK表面化学组成。在此基础上，利用物理、化学连接，磁控溅射技术，层层组装等方法在SPEEK表面修饰药物、金属、生长因子等多功能涂层，并实现这些物质的局部缓释，可进一步提高微纳米多孔SPEEK的成骨和抗菌性能，为今后临床应用和科学研究提供参考。但促成骨物质的选择、发挥作用的形式、持续的时间、药物负载量和缓释浓度以及改性后复合体系对局部和全身反应之间的关系仍需进一步选择和探索。

二、造孔剂法

造孔剂一般为氯化钠颗粒，通过控制颗粒大小、形态和含量结合压缩成型或注塑成型的方法以调控PEEK的孔径大小和孔隙率。造孔剂法制备多孔PEEK具有调控植入体周围渗透压、表面积、力学强度等优点，同时制作方法灵活、经济。Conrad等[30]评估了尺寸相似，形态不同的制孔剂（立方状和椭球状）对生物活性羟基磷灰石增强的PEEK支架的渗透性和力学性能的影响。结果显示，成形后支架内部平均孔径约为250～300μm，虽力学性能不受制孔剂形态的影响，但与立方状孔隙相比，椭球状孔隙结构的支架具有更优的孔隙连通性和渗透性，有利于骨内植入体的细胞浸润和骨长入。Torstrick等[31]通过挤压制孔剂法制备出不同孔径范围（200～312μm，312～425μm，425～508μm）的多孔PEEK（PEEK-SP），体外力学和细胞实验研究发现：与光滑PEEK和钛合金相比，不同孔径尺寸的PEEK在保持PEEK良好力学性能的同时，可促进成骨细胞、间充质干细胞和小鼠前成骨细胞增殖、血管内皮生长因子产生和成骨标志物的表达。Swaminathan等[32]利用制孔剂制孔技术,合成了含碳纤维和碳纳米管、孔径在240～500μm的高强度多孔聚醚醚酮/羟基磷灰石（PEEK/HA）支架。骨髓细胞培养结果表明添加碳颗粒的PEEK/HA多孔复合材料具有良好的细胞附着和增殖能力，此支架具有潜在应用价值。制孔剂法制备的多孔PEEK虽可模拟人体骨多孔环境，但也有研究对此方法制备的多孔PEEK的力学性能进行测试，结果表明其刚度和强度低于与骨小梁的匹配值[33]。

综述以往研究，可通过制孔剂形状、直径调控多孔PEEK的渗透率，以适应骨结合和骨再生的需求。多孔结构可能会降低PEEK与骨的力学匹配程度，但适用需要降低骨内植入物弹性模量的情况。目前此方法还受制孔颗粒形态、分布、密度等影响，无法精确控制孔隙大小、分布和孔隙通连率，且存在制孔剂残留等问题需要进一步解决。

三、熔融沉积建模3D打印法

3D打印快速成型技术，通过对材料层层堆叠、累积来构建物体并实现多孔结构。熔融沉积建模技术是通过将长丝（包括PEEK和粘合剂的混合物，熔化后从热喷嘴中挤出）逐层沉积到工作台上制成多孔PEEK，具有材料损耗少、成本效益高、快速生产和增强与患者特异性相匹配等优点。Bankole等[34]采用此技术，在PEEK支架细丝上创建多孔纳米结构,同时加入羟基磷灰石（cHAp），制备出多孔PEEKcHAp生物复合支架。拉伸性能和弹性模量测试结果表明，cHAp含量为15%时机械性能最优。多孔PEEK支架在改性人工模拟体液中浸泡12天形成良好磷灰石岛，在体内多孔PEEK-cHAp生物复合支架形成紧密的种植体-组织结合界面。Feng等[35]也采用熔融沉积法制备不同孔径（300μm、450μm、600μm），孔隙率为60%～70%的全孔PEEK支架。体内外实验证实孔径为450μm的支架具有最佳的细胞粘附、增殖和成骨分化效果以及最优的骨长入和血管灌注潜力。以上结果表明3D打印技术制备的合适孔径的多孔PEEK在组织工程应用中是很有前景的生物材料。Han[36]等利用3D打印技术制备了牙科、颅颌面PEEK种植体，并对种植体表面分别进行抛光和喷砂处理，电镜观察结果显示未处理组种植体表面具有增材制造工艺中熔融丝挤压和粘接而形成的独特的峰谷微米结构，其表面平均粗糙度大于抛光和喷砂处理，体外细胞实验结果也表明细胞生长速度显著高于抛光和喷砂处理组。具备表面异向纹理的3D打印PEEK种植体是牙科和颅颌面种植体的潜在候选生物材料。

综述以往研究，3D打印是制备全孔PEEK的有效方法，该方法可通过计算机控制孔径大小、孔隙通连情况以及植入物表面微纳米形貌，还可将PEEK与成骨材料结合，以提高成骨潜能。体内外实验均表明此方法构建的多孔PEEK可缓解骨内植入物的应力屏蔽，利于血管生长和营养物质运输，具备引导骨再生潜力。但3D打印方法对设备要求高，技术人员需长期培训，同时需精准控制温度，熔丝直径，设备打印参数等实验条件。

4.其他方法

等离子喷涂和激光处理可改变PEEK表面形貌，创造表面微纳米多孔，提高PEEK植入物骨结合性能。Barillas等[37]为提高PEEK表面涂层的结合力和稳定性，对PEEK进行喷砂处理，提高了PEEK表面平均粗糙度（Ra=4.290μm），并负载二氧化钛和羟基磷灰石涂层，电镜结果显示涂层紧密附着，形成板条、裂缝和微孔隙结构，证明羟基磷灰石在撞击粗糙PEEK表面时达到理想熔融状态，MG-63细胞黏附结果也证明此具有微米孔隙结构的PEEK植入体具有良好生物活性。Huang等[38]利用超短脉冲激光通过设置光斑大小在石墨烯-羟基磷灰石-聚醚醚酮三元复合材料表面制造了直径200～600μm，深度50μm的多孔结构，原子力显微镜结果显示激光处理后表面粗糙度显著提高。MC3T3-E1细胞培养结果表明，表面具有400μm大孔的PEEK植入体具有更好的成骨效果。电镜观察结果表明通过等离子体碳化、交联、熔化和再固化的PEEK具有微/纳米多孔结构，PEEK中添加纳米填料和改表变面形态是提高PEEK植入体骨结合能力的有效方法。

多孔PEEK材料的研究与应用不断取得突破性进展，包括从简单的浸泡、制孔剂法到复杂的3D打印等方法。虽然各种方法均可构建多孔PEEK并提高其骨结合能力与抗菌性，但在实际应用前，仍存在一些困难需进一步研究和解决，例如精准控制孔径大小、分布、连通率等，多孔层厚度，微纳米表面多孔或全层多孔的选择以使植入体力学特性与骨相协调，以及如何实现层次性的孔隙以更适应并在骨改建不同阶段发挥作用等。由于针对材料体外实验和动物实验都无法模拟人体骨形成时复杂生理环境，还需深入研究以明确微纳米多孔PEEK在人体内的稳定性、长期成功率和对其他组织和器官的影响。