聚醚醚酮及其复合材料在生物医用领域的应用

宗倩颖，叶 霖，张爱英，冯增国（北京理工大学材料学院，北京市 100081）



聚醚醚酮及其复合材料在生物医用领域的应用

宗倩颖，叶 霖，张爱英*，冯增国
（北京理工大学材料学院，北京市 100081）

摘 要：综述了聚醚醚酮及其复合材料在生物医用领域的应用现状及前景。聚醚醚酮及其复合材料的耐蠕变性良好、耐热等级高，已成功应用于医疗器械领域；抗疲劳性和X射线可穿透性优良，可用于制造创伤植入体和人工骨材料；耐摩擦、耐磨损性能优异，可用于制造人工置换关节；优异的耐化学药品腐蚀性以及潜在的抑菌性使其在口腔修复领域发挥了重要作用。对聚醚醚酮及其复合材料进行改性，改善其综合性能，以进一步开拓其在生物医用领域的其他应用。

关键词：聚醚醚酮 复合材料 生物相容性 医用材料

*通信联系人。E-mail：zhay@bit.edu.cn。

聚醚醚酮（PEEK）是英国ICI公司于1977年开发成功，在20世纪80年代初期由英国Victrex公司实现工业化的一种高性能特种工程塑料。PEEK主要是以4，4'-二氟二苯甲酮、对苯二酚、无水碳酸钠为原料，二苯砜为溶剂，在无水条件下于300～340 ℃进行亲核缩聚合制得。由于PEEK的大分子链结构规整，且含有刚性的苯环、柔性的醚键及可促进分子间作用力的羰基。因此，具有耐热等级高、耐辐射、耐化学药品腐蚀、耐蠕变，抗冲击性能、抗疲劳性能好等特点，在许多特殊领域可以替代金属、陶瓷等传统材料，成为当今最热门的高性能特种工程塑料之一，在航空航天、电子电气、化工与机械工业、汽车制造业、食品加工业等领域得到广泛应用，并成为不可或缺的关键材料。PEEK及其复合材料具有良好的生物相容性，得到了美国食品药品监督管理局（FDA）的认可；PEEK还具有生物惰性，根据ISO 10993-10：1995，证明其不具有致敏性，基因毒性测试结果显示其不会引起任何染色体畸变。因此，PEEK及其复合材料在生物医用领域应用前景广阔。本文主要综述了聚醚醚酮及其复合材料在生物医用领域的应用。

1　医疗器械

作为一种半结晶型的热塑性聚合物，PEEK具有良好的生物相容性，而且经过传统的蒸汽、γ-射线和环氧乙烷反复杀毒除菌后，均可保持其力学强度。在生理盐水的作用下，对耐磨性、光滑性和刚性等物理性能没有明显影响，而且溶胀率变化也很小。这些优良特性使其在医疗器械领域（如手术器械和口腔器械）广泛应用。同时，利用PEEK的耐蠕变性，可以制造各种需要高温蒸汽灭菌的医疗器械。

2　创伤植入物

早在19世纪，可植入性生物材料就被应用于骨折治疗中。1895年，Lane［1］第一次将金属薄板应用于骨折内固定当中。尽管后来不锈钢的出现解决了易腐蚀的问题，但近年来，应力遮蔽效应的影响备受关注。高弹性模量的金属骨板遮挡了所必需的足够的外界应力，不利于骨折的愈合，在没有足够应力刺激下形成的骨骼质地疏松，性能变差。当拆除固定骨板后，愈合的部位承受负重时不能适应周围应力环境的变化，容易发生再次断裂［2］。因此，金属骨折内固定装置在相邻骨板固定中的使用有所减少。高性能热塑性塑料［如聚对苯二甲酸丁二酯（PBT），聚苯乙烯（PS），PEEK］被作为良好的替代品应用于骨折固定术中。科研工作者希望利用这类材料的热成型性能，使固定板能更加准确地贴合到患者的骨组织中。Brown等［3］对比了分别用质量分数为30%聚丙烯腈基碳纤维增强的PBT，PEEK，PS的弯曲疲劳性能和热成型性能。被测样条经过反复蒸汽灭菌并在生理盐水中预浸泡3周，以及在热成型前后均将其加热至高于玻璃化转变温度，随后经过外科弯板机变形，且经过反复弯曲后将样条恢复原样。结果表明，PEEK表现出更好的弯曲韧性和弯曲疲劳强度，并且不受预处理和热成型的影响，说明PEEK与碳纤维的相容性更好，有助于解释其抗疲劳性更加优异的原因。王克军等［4］对短碳纤维增强PEEK复合材料的生物相容性进行了生物学评价，结果表明：细胞相对存活率大于75%，溶血率低于5%，说明该复合材料与血液的相容性良好；将用其制备的接骨板植入兔体内，未引起明显炎症反应，周围肌肉组织始终保持正常结构，说明其组织相容性好；对该短碳纤维增强PEEK复合材料进行应力测试，发现符合人体髋关节的生物力学强度的需要。

PEEK应用于关节镜缝合锚钉治疗肩袖撕裂或者其他关节内损伤疾病时，耐周期性压力及最大负荷强度均大于可吸收锚钉［5］，并且具有X射线可穿透性，手术后计算机断层扫描（CT）及核磁共振检查不必担心金属伪影，其弹性模量介于皮质骨和松质骨之间，可以减少应力遮挡，促进骨愈合。植入位置不佳时不必取出锚钉，只需在原位重新钻孔并植入新的锚钉即可，极大降低了翻修手术难度［6］。

近年来，三维（3D）打印技术被应用到人工骨骼的制造领域，该方法利用计算机模型和CT数据可快速准确地定制所需任意形状和结构的植入体。Chrzan等［7］针对19例颅骨部分缺损患者制造了个性化假体并成功植入。张珏［8］利用熔融沉积成型原理进行PEEK仿生人体内踝的3D打印制造，打印前后PEEK未发生明显化学变化且与细胞相容性较好。3D打印技术能够根据不同患者需要，制备适合不同患者的个性化生物医用材料，同时可精确控制材料的微观结构，凭借这种独特优势将在未来的生物医学领域占据重要地位［9］。

3　椎体间融合器

融合器用于稳定腰椎或者颈椎前路，是一种治疗由退变性腰椎间盘疾病或脊柱不稳引起的顽固性背部疼痛的手段。1996年9月，美国FDA正式批准脊柱椎体间融合器用于临床腰椎融合，1997年，批准腹腔入路的腰椎椎体间融合器手术。PEEK椎体间融合器能够兼容X光拍照和核磁共振成像，并且弹性模量较低，可避免自体移植物的并发症以及同种异体移植物的缺陷。张蒲等［10］采用PEEK制作的椎体间融合器及自体三面皮质髂骨移植进行颈椎融合，并比较了手术前后颈椎生理弧度、椎间隙高度及颈椎融合效果。结果发现，用PEEK制作的椎体间融合器在颈椎前路融合术中是一种较好的自体髂骨移植替代物。韩成龙等［11］研究了PEEK椎体间融合器结合纳米人工骨在脊髓型颈椎病前路间盘切除后椎体间的融合效果。结果发现，采用PEEK椎体间融合器的并发症较低，是治疗脊髓型颈椎病的一种良好选择。目前，国内常见的椎体间融合器主要为钛合金融合器和PEEK融合器。由于钛合金的弹性模量较高，手术后更容易出现由于应力遮挡而引起融合的延迟，近年来逐渐被PEEK融合器取代，但是两者在临床疗效对比上一直存在争议。段文等［12-13］分别对比了钛合金融合器、PEEK融合器用于颈前路减压椎体间融合和单节段腰椎后路减压椎体间植骨融合内固定的疗效，发现PEEK融合器的临床效果与钛合金融合器相当，并没有表现出明显的优越性。因此，进一步增加其融合率的关键是通过选择合适的改性手段增加PEEK融合器的表面粗糙度以及提高其生物相容性。

4　人工置换关节

人工关节置换术是20世纪最成功的骨科手术之一，让无数患有终末期骨关节疾病的病人重新恢复了正常生活。目前，膝关节置换和髋关节置换是人工关节置换术中最常见的两类手术，其10年的成功率已经超过90%。PEEK及其复合材料的耐磨损性能和耐化学药品腐蚀性能为其成为高寿命人工关节的替代品奠定了基础。近年来，人们一直致力于研究和进一步改善PEEK复合材料的耐摩擦、磨损性能。Sharma等［14］研究了等离子体改性后的碳纤维增强PEEK复合材料，发现在低振幅下，复合材料的振荡耐磨性提高了26%，材料综合性能提高了22%，并且具有较好的表面形貌。Wang Zhiqiang等［15］研究发现，在润滑条件下，与纯PEEK相比，碳纤维增强PEEK复合材料的粗糙度明显下降，材料更加光滑平坦。氧化锆、氮化硅、碳化硅等颗粒填充PEEK复合材料的摩擦、磨损性能需要确定颗粒的最佳填充量，从而综合评估摩擦因数和磨损率［16-17］。为得到综合性能更加优异的人工关节材料，在改性PEEK的过程中需要考虑不同实验方法的对比和材料配比的设计，深入研究在人体或接近人体等复杂生理环境下的摩擦、磨损性能。

5　口腔生物材料

PEEK具有优异的化学稳定性，可以耐受绝大多数化学试剂的腐蚀。在口腔医学领域，基于PEEK的口腔生物材料的研究越来越受到国内外科研工作者的关注［18］。Stawarczyk等［19］采用PEEK加工成三单元固定桥修复体，其平均断裂强度为1 383 N，初始变形压力约为1 200 N；而文献报道的前牙区修复体承受强度为300 N左右，后牙区的咬合力为500～600 N［20］，说明PEEK的力学强度完全满足种植修复材料的要求。Lee等［21］证明了用玻璃纤维增强PEEK复合材料制作的种植体疲劳强度为310 N，满足ISO 14801：2003中前牙对种植体材料疲劳强度的要求，并且其弹性模量接近皮质骨的弹性模量，用作口腔种植体时可以减小应力遮挡效应。Rochford等［22］发现，相对于采用注塑加工成型的医用级PEEK表面，金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌更易黏附在采用机械加工的PEEK表面；此外，也对氧等离子体改性PEEK复合材料在手术前的生理盐水中以及手术后的人体血清中的细菌黏附情况进行了研究，发现尽管改性后的PEEK复合材料表面形状和化学成分发生了改变，但并不会引起细菌黏附量的增加。魏世成等［23-24］研究含氟纳米羟基磷灰石改性PEEK复合材料表面变形链球菌的黏附情况和不同时间点生物膜的形成情况发现，与磷灰石相比，含氟磷灰石可降低PEEK表面的细菌黏附量，增加生物膜内死菌数量。这说明该复合材料具有潜在的抑菌作用，可作为一种理想的植入型口腔修复材料。

闫鹏涛等［25］以PEEK/钡玻璃粉复合材料为基体，采用硅烷偶联剂，在复合材料表面构建具有生物活性的纳米羟基磷灰石和甲基丙烯酸酯基的光固化树脂复合涂层，通过检测大鼠成骨细胞总蛋白含量和碱性磷酸酶表达水平，对新型光固化复合涂层的生物活性进行了评价。结果表明，纳米羟基磷灰石填充的光固化复合材料在扫描电子显微镜下可观察到很多突起的粗糙表面，随着填充量提高，涂层表面生物学活性增强。郭晶等［26］发现，PEEK/纳米氟磷灰石复合材料和PEEK/纳米二氧化钛复合材料均可提高成骨效能。PEEK经过表面喷砂、等离子喷涂、激光辐照、电弧离子镀层、化学酸蚀刻、生长因子促进和生物涂层改性后，可以有效提高材料的生物活性和成骨效能，为口腔修复和种植治疗带来新的可能。

6　结语

PEEK及其复合材料凭借其优异的综合性能在生物医用领域占有重要地位。良好的耐蠕变性和耐热等级高的特点使PEEK及其复合材料被应用于制造需要高温蒸汽灭菌的医疗器械；PEEK及其复合材料具有优良的抗疲劳性和X射线可穿透性，并可减少应力遮挡，利用3D打印技术可定制任意形状和结构的植入体和人工骨；PEEK及其复合材料的耐磨损性能和耐化学药品腐蚀性使其成为高寿命人工关节的替代品；其潜在的抑菌性在口腔修复的临床治疗中发挥了重要作用。随着科学研究的深入，科研工作者应不断研发新型PEEK复合材料，有效提高材料的生物活性和成骨效能，进一步研究其在人体或接近人体等复杂生理环境下的综合性能，积极开拓其在生物医用领域的其他应用。

7　参考文献

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Applications of polyether ether ketone and its composites in biomedical field

Zong Qianying，Ye Lin，Zhang Aiying，Feng Zengguo
（School of Materials Science and Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Abstract：Application and prospect of polyether ether ketone（PEEK）and its composites in the biomedical field are reviewed. PEEK and its composites，which exhibit high thermal stability and creep resistance，have been used in production of medical equipment. It can be used as implantable material for spinal，trauma and orthopedic applications. thanks to fatigue resistance and penetrating of X-rays. Excellent wear resistance shows great superiority in artificial joint replacement. The stable chemical resistance and potential antimicrobial activity make it play an important role in dental restorations as well. Modification of PEEK and its composites can improve their comprehensive performance，so as to explore further applications in biomedical field.

Keywords：polyether ether ketone； composite； biocompatibility； medical material

作者简介：宗倩颖，女，1987年生，在读博士，主要从事功能高分子的合成与研究工作。联系电话：15210519208；E-mail：z_qianying@163.com。

收稿日期：2016-02-15；修回日期： 2016-03-19。

中图分类号：TQ 34

文献标识码：A

文章编号：1002-1396（2016）03-0093-04