聚醚醚酮生物复合材料表面改性的研究进展

王 悦 刘 红

聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）是一种高分子有机化合物，熔点为334℃，具有优越的耐高温性能，PEEK 的化学性能稳定，弹性模量约为8.3GPa，接近人体皮质骨（17.7GPa），远低于钛合金（116GPa）和钴铬合金（210GPa），PEEK 的拉伸性能类似于骨、牙釉质和牙本质[1]。PEEK 放射线显影，核磁共振扫描不会产生伪影，无细胞毒性，拉伸强度为139MPa。有学者已经成功地将PEEK 应用于整形外科，包括关节成形术和创伤固定的植入体[2]。在口腔医学领域，PEEK 做为正畸弓丝，微种植体支抗，可摘局部义齿卡环，赝复体，种植体基台，应用于正畸，修复，种植领域，PEEK 可以作为新型的骨缺损修复材料，并且有望成为替代金属的种植体[3]。然而PEEK 的生物活性较差且无明显抗菌性，植入人体后易受细菌攻击且不易与人体骨组织结合。因此，提高PEEK 的表面性能成为当今的研究热点。学者们对PEEK 及其复合材料的改性方法进行了多种探索，通过调整其表面结构或者在其中添加生物活性成分，使得PEEK 及其复合材料在力学性能和生物学功能上更接近人类骨骼[4]。具体改性方法包括共混改性，表面涂层改性，辐照改性等。本文对PEEK及其复合材料表面改性的研究进展作一综述。

一、共混改性

共混改性是将生物活性组分与生物惰性的PEEK 进行复合来提高PEEK 的生物活性，这种方法对PEEK 材料的力学性能也有一定的影响。

1.聚醚醚酮与纳米硅酸盐共混

纳米硅酸盐（nano-silicate，n-CS）的熔点高，化学性质稳定，Ma 等[5]在研究中，利用复合和注塑工艺制备了一种纳米硅酸盐/聚醚醚酮（n-CS/PEEK）生物活性复合材料。研究结果表明，通过加入n-CS，大大提高了复合材料的力学性能和亲水性。在细胞培养实验中，与PEEK 相比，n-CS/PEEK 复合材料促进了细胞附着、增殖和扩散。并且，在复合材料上生长的细胞表现出更高的碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）活性，由于ALP 活性是成骨细胞分化的特征性指标，由此可以推论改性后的材料可以促进干细胞的早期骨向分化。

2.聚醚醚酮与碳纤维共混

碳纤维（carbon fiber，CF）作为一种新型的纤维材料，具有高强度、耐高温、耐腐蚀、抗蠕变等一系列优点。Yan 等[6]采用选择性激光烧结法（selective laser sintering，SLS）制备高强度CF/PEEK 复合材料，研究发现CF/PEEK 复合材料的抗拉伸强度达到109±1MPa，弹性模量为7365±468MPa，比未处理的PEEK 高85%。Zhao 等[7]采用真空热压法制备了CF/PEEK，并对其摩擦学性能进行评价。结果表明，与未处理的PEEK 相比，CF/PEEK 表面的水接触角减小，表面润湿性提高，CF/PEEK 的硬度值明显提高，摩擦系数有效降低，耐磨性增强。研究发现影响CF/PEEK 摩擦性能的主要因素是碳纤维含量，对比所有CF/PEEK 试样的摩擦学性能，发现在PEEK 中加入15%的CF 可以得到最低的摩擦系数。由此可以推论：将PEEK 与CF 共混可以有效地提高材料表面的润湿性，改善材料的摩擦学性能。

3.聚醚醚酮与纳米羟基磷灰石共混

羟基磷灰石（hydroxylapatite，HA）是一种钙磷比与天然骨相似的生物活性物质，它能与骨组织良好地结合，广泛应用于生物医学领域。然而HA 的力学性能存在明显不足，如脆性大、韧性差等，因此为了提高HA 的综合性能，将其与韧性较好的聚合物复合，得到力学性能优异的生物复合材料，Zhao 等[8]制备含有高含量（40%）纳米羟基磷灰石（n-HA）的PEEK 复合材料，采用人成骨肉瘤细胞（MG-63）进行细胞相容性试验，研究MG-63 细胞的附着和增殖情况，发现附着在n-HA/PEEK 表面的细胞数量明显高于附着在PEEK 表面的细胞数量。这可能与n-HA/PEEK 较高的亲水性有关。

综上所述，PEEK 与其他生物活性材料相混合可以提高材料的生物活性和生物相容性，增加材料表面的细胞粘附能力。

二、表面涂层改性

很多种类的材料可以通过多种喷涂、沉积等表面改性的方法附着在PEEK 的表面，形成具有生物功能性的涂层。

1.磁控溅射技术

磁控溅射技术（magnetron sputtering technology，MST）是在高真空充入适量的氩气，在阴极（柱状靶或平面靶）和阳极（镀膜室壁）之间施加直流电压，在镀膜室内产生磁控型异常辉光放电，使氩气发生电离。Liu 等[9]采用磁控溅射技术对PEEK 进行改性，成功地制备了致密均匀的纳米银涂层。CCK-8 细胞毒性试验结果表明，改性后的材料没有显示细胞毒性。抗菌实验结果表明，纳米银涂层可以显著提高PEEK 的抗菌活性和抗细菌附着能力。黄金霞等[10]利用非平衡磁控溅射方法在PEEK 表面成功制备了类石墨碳基薄膜，研究金属元素（Nb、Mo、Zn）掺杂对薄膜结构和性能的影响并进行生物相容性测试。研究发现，在PEEK 表面沉积类石墨碳基薄膜可以降低其接触角，表现为亲水性，而且提高了细胞在其表面的增殖和粘附。

2.脉冲激光沉积技术

脉冲激光沉积技术（pulsed laser deposition，PLD）是通过将材料暴露于激光中，在基体表面形成一个非常薄的纳米粗糙层，并将其沉积下来。类金刚石薄膜（diamond-like carbon films，DLC）是一种非晶态薄膜，由于具有高硬度和高弹性模量、低摩擦系数、耐磨损以及良好的摩擦学特性，很适合于作为耐磨涂层。Johnny 等[11]使用超轻型脉冲激光将一个2 微米厚的DLC 沉积在有特定结构的PEEK 表面。通过激光表面纹理（Laser surface texture，LST）对PEEK 表面的力学性能和摩擦性能进行评价。结果表明，在拉伸试验中，LST 并没有显著影响DLC 对PEEK 的附着力。Akkan[12]使用PLD 在PEEK 表面涂上一层薄的氧化铝层，以获得每个基体相同的表面化学性质。研究了氧化铝涂层对PEEK 表面润湿性的影响，证明其表面具有增强润湿性、生物相容性和低弹性模量等优点。

三、辐照改性

辐照改性主要包括等离子处理、紫外辐照、电子束辐照、加速中性原子束辐照等，其机理主要包括表面蚀刻、分子链交联以及表面官能团改变等。

1.等离子处理

等离子处理可以向PEEK 表面引入氨基、羟基、羧基等官能团，这些含氧官能团能增加材料表面的润湿性并且促进良好的细胞粘附，使其具有很好的生物相容性。等离子体浸入式离子注入（PIII）是一种既包括等离子表面改性又包括等离子注入的全方位三维立体的表面改性技术，可以在基体材料表面获得呈梯度分布的表面改性层。利用PⅢ技术可以改变高聚物表面的亲水性和化学惰性，提高材料的抗氧化性和耐腐蚀性[13]。Gan 等[14]探讨氮气等离子体注入（N2-PIII）对PEEK 粘接强度的影响，采用扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和X 射线光电子能谱（XPS）对改性后的PEEK 表面进行观察。通过观察在PEEK 上培养的MG63 细胞的附着、增殖和分化情况，评价其生物活性。用平板菌落计数法测定了样品对金黄色葡萄球菌的抗菌性能。生物评价和抗菌结果表明，N2-PIII 处理能显著提高PEEK 的生物活性，样品对金黄色葡萄球菌有抗菌性能。N2-PIII 表面改性对PEEK 的纳米级形貌和表面化学性质有显著影响，增强其生物活性和抗菌性能。Lu 等[15]将钽离子通过PIII 植入到PEEK 表面，纳米压痕显示，钽离子植入后的PEEK 表面的弹性模量更接近于人类皮质骨。通过体外细胞粘附和实时PCR 分析，揭示了大鼠骨间充质干细胞（BMSCs）在Ta-PⅢ改性PEEK 上的附着力、增殖和成骨分化得到显著改善。以上研究表明，PEEK 可以通过等离子体技术进行改性，以提高材料的生物相容性。

2.加速中性原子束技术

加速中性原子束技术（accelerating neutral atomic beam technology，ANAB）可以对PEEK 材料表面5nm 以内的区域进行改性，经过ANAB 处理后的PEEK 表面可以促进细胞增殖，通过增加局部骨形成蛋白的释放而增强骨诱导能力。Joseph 等[16]使用ANAB 技术来处理PEEK，与未处理的PEEK 相比，人类成骨细胞样细胞在经过ANAB 处理后的PEEK 上显著增强了增殖，并且细胞增加了ALP 的骨化表达。通过将ANAB 处理后的PEEK 植入绵羊的胫骨，采用MicroCT 观察骨结合界面，并且进行生物力学实验，证明经过处理的PEEK 植入物使骨结合增加了3.09 倍（P＜0.014）。Khoury 等[17]将处理后的PEEK 植入大鼠颅骨缺损模型并进行体内研究，发现ANAB 表面处理的PEEK 与骨的结合能力得到改善。以上表明：ANAB 处理可以增强PEEK 的生物活性，促进骨形成，显著降低骨结合的时间。

3.紫外辐照

紫外辐照是在氧气的参与下通过光致氧化作用使材料表面性质由生物惰性转变为生物活性，通过紫外辐照可以有效地改变PEEK 表面的化学结构，提高PEEK 的润湿性[18]。Okada 等[19]采用接触角和ATR-FTIR 测量方法对172nm 氙准分子紫外线照射后材料的表面特征进行评价。发现紫外线照射后PEEK 表面的水接触角显著下降（P＜0.05），证明其亲水性的改善。SEM 观察到紫外线照射后的PEEK表面对MC3T3 细胞具有良好的附着力。由于二氧化钛具有优越的生物活性和光引发性，Liu 等[20]在紫外线照射的条件下，将透明质酸甲基丙烯酸修饰在PEEK 表面，与此同时，长链透明质酸甲基丙烯酸也会与二氧化钛静电纺丝作用，将PEEK 与二氧化钛静电纺丝两者链接起来，从而在PEEK 表面构建仿骨表面纤维结构，经过生物学实验表明，修饰后的PEEK 表面具有很好的生物相容性，并且其表面具有很好的促干细胞成骨分化能力。由此可以推论：在紫外线照射下，PEEK 与二氧化钛静电纺丝和透明质酸基团结合，提高了生物相容性，可以用于骨科植入物和医疗设备。

四、化学改性

化学改性是指通过引入不同的分子链或一定性能基团来改进聚合物的整体分子结构以达到增强复合材料各种性能的方法。然而PEEK 的化学性质十分稳定，除了浓硫酸外，PEEK 几乎耐受其他任何化学药品。Oliver 等[21]通过实验证明硫酸酸蚀可以改善树脂对PEEK 表面的粘接强度。未酸蚀的PEEK 与树脂复合材料之间没有粘结强度。最优的酸蚀时间随复合树脂材料种类而变化：PEEK 经过60s 的酸蚀与RelyX ARC 粘接强度可达1537.2MPa，以及经120s 的酸蚀与Clearfil SA 的粘接强度达645.9MPa。然而，与传统的复合树脂材料相比，自酸蚀复合树脂材料的剪切强度值明显较低。以上实验结果证明酸蚀可以增加PEEK 表面的粗糙度，提高PEEK 表面的自由能和润湿性。虽然许多化学表面改性技术已经应用于PEEK 以提高其性能，但这些技术往往需要很长的加工时间和特定的化学物质，因此现在的研究更多将化学改性与其他改性方法结合。

五、复合改性方法

复合改性是指综合采用多种方法（物理、化学和机械等）改变材料的表面性质以满足应用需要的改性方法。

1.表面涂层改性结合辐照改性

激光聚焦的高能量使材料表面瞬间融化而形成直径大小均匀的孔隙，其表面形貌及理化性质与激光特性参数密切相关，电子束还能将必要的元素添加融入于材料表面。Zheng 等[22]使用了一种复合改性方法，即结合了激光和等离子体处理。激光在PEEK表面上构建微孔结构，等离子体处理将羧基引入到PEEK 表面。与未处理的PEEK 和单独处理的PEEK相比，双重改性后的PEEK 更有利于MC3T3 细胞粘附和扩散。并且细胞伪足突出在微孔中，有利于形成更牢固的骨整合。

2.化学改性结合辐照改性

O2等离子体处理PEEK 是一种稳定的改性方法，可以增强人类成骨细胞在体外的粘附、增殖与矿化。Yabutsuka 等[23]通过硫酸酸蚀处理，在PEEK 表面形成松质细孔，之后进行O2等离子体处理，并在模拟体液（SBF）中浸泡，在其表面的孔隙中沉积磷酸钙颗粒，FT-IR、TF-XRD、FE-SEM、EDX 等测试结果，发现SBF 中的PrA 诱导HA 形成，并且覆盖PEEK 表面。O2等离子体处理有利于提高HA 和PEEK 表面的粘结强度，改善PEEK 的亲水性，成功制备了具有生物活性的PEEK。SBF 中HA 的形成能力是预测骨传导率最重要的因素之一，因此可以推论等离子体处理结合酸蚀处理可以改善PEEK 表面的骨结合能力。王贺莹等[24]将氩气PIII 和氢氟酸浸泡处理相结合，在PEEK 表面构建了一种浅孔洞状纳米结构，并将氟元素引入PEEK 表面，表面氟含量在9.01%左右。BMSCs 在改性后的材料表面能够很好地黏附、铺展、增殖并向成骨细胞方向分化，表面氟化的PEEK 对金黄色葡萄球菌具有一定的抑菌效果。原弹性蛋白是一种细胞外基质蛋白，具有很强的细胞信号传递特性。Edgar 等[25]在PIII 处理过的PEEK 上，通过固定原弹性蛋白来特异性诱导骨结节的生长和发育。发现在改性后的PEEK 表面上，成骨细胞样骨肉瘤细胞（SAOS-2）的细胞粘附性、增殖和成骨活性显著增加，从而增强了骨基质的成熟和矿化。Kuroda[26]等通过硫酸酸蚀和紫外线辐照处理PEEK，经过改性后的PEEK 的水接触角达到20°。将其在蛋白质吸附前后均植入大鼠胫骨14 天，用光学显微镜观察植入体与皮质骨的界面，证明改性后的PEEK 改善了骨结合性。与抛光后的PEEK 相比，表面处理后的PEEK 可以抑制细菌的粘附。以上证明改性后的材料具有较高的生物活性和良好的力学性能，是一种具有应用前景的材料。

3.表面涂层改性结合化学处理

BMP-2 是骨形态发生蛋白家族中最具潜力的促骨生长因子，能促进骨缺损的愈合和修复，然而BMP-2 的半衰期很短，并且会发生不同程度的降解。Sun 等[27]利用磺化反应在PEEK 表面制备了三维网络，并利用冷冻干燥技术成功地将BMP-2 结合到磺化PEEK（SPEEK）表面。利用场发射扫描电镜对材料表面形貌进行分析，通过能谱仪（EDS）对其化学成分进行分析。用人BMP-2 ELISA 试剂盒检测BMP-2 的释放量。结果表明，SPEEK 的三维网络能够使BMP-2 可控、持久释放。体外细胞实验表明，其显著增强了BMSCs 的粘附性和增殖能力。有利于BMSCs 的ECM 矿化，ECM 矿化是BMSCs 向成骨细胞分化的高级标志，这些结果表明，BMP-2 能促进BMSCs 早期在SPEEK 上的成骨分化。Fukuda[28]等用氧化铝颗粒在0.5MPa 压力下喷砂10s 对PEEK 表面进行粗化处理，之后制备磷酸基修饰的PEEK，将其植入兔胫骨，4、8 周后测定骨与种植体接触比和骨-种植体结合强度。结果表明，经过表面粗糙处理和化学处理后的PEEK 种植体在一定程度上改善了骨整合能力，这对种植体与骨结合的稳定性至关重要。综上所述，复合表面处理方法可以结合多种改性方法的优势，进一步改善PEEK 的生物相容性，现已成为研究热点，改性后的PEEK 在硬组织工程中具有很大的应用潜力。

以上对多种PEEK 的表面改性方法进行了阐述，每种改性方法都有其优缺点，相信随着表面改性技术的进步和研究的深入，能够综合利用多种改性方法，进一步改善PEEK 的力学性能，摩擦学性能和生物相容性，使其更加有利于作为人体植入材料。目前在国内外的研究中，尚缺乏对改性后的PEEK生物材料的体内植入实验研究，其生物相容性改善的临床效果也尚待研究。随着对PEEK 及其复合材料的深入研究，相信在不久的将来能够进一步扩大PEEK 及其复合材料的应用。