PEEK种植体性能优化的研究进展

汪茜芸， 唐亮

暨南大学口腔医学院(广东广州 510632)

口腔种植体是植入骨组织内模仿天然牙根以支持上部牙修复体承受咀嚼力的部件。种植体修复材料需要有足够的机械强度、优异的生物活性、良好的生物相容性及稳定的化学性能，钛(titanium, Ti)及钛合金凭借其优良的理化性能一直作为种植修复的首选材料。然而体内有害金属离子的释放以及金属材料的阻射引起了人们的注意[1]，此外，钛及钛合金的弹性模量(102～110 GPa)为皮质骨(14 GPa)的数十倍[2]，这种巨大差异将产生应力屏蔽作用，导致骨吸收或骨萎缩而影响种植义齿的远期成功率。为了克服力学限制和尽量减少植入后的负面生物反应，人们开始寻求钛的替代材料。聚醚醚酮(poly ether ether ketone, PEEK)为一种芳香族高分子聚合物，1977年由英国ICI公司成功开发并于1980年正式在英国生产使用。自面世以来，广泛应用于航空航天、机械制造、食品加工、电子电气、医疗卫生等各领域。PEEK因其优异的耐磨性、可靠的生物安全性、易于加工性、X线透射性以及与牙体相近的颜色，高温高压灭菌不老化，弹性模量与骨组织相近等优点，逐渐应用于口腔种植领域并有替代钛及钛合金的趋势[3]，但因弹性模量低、生物活性差和抗菌性弱等问题，PEEK作为种植体材料的实际应用受到了一些限制，寻求优化以改善其性能是目前研究的热点。

1 优化PEEK种植体的力学性能

纯PEEK与人体骨骼之间的机械性能仍存在一定差距，导致弹性模量不匹配而产生应力屏蔽效应，通过填入材料可改善其机械性能并使弹性模量与骨骼相匹配。将碳纤维(carbon fiber, CF)、玻璃纤维(glass fiber, GF)及陶瓷颗粒(ceramic particle)等材料混入PEEK中，可明显提高PEEK的强度、弹性模量、抗疲劳性及耐磨性。纯PEEK的弹性模量为3.6 GPa[4],玻璃纤维增强型PEEK (glass fiber-reinforced PEEK,GFR-PEEK)和碳纤维增强型PEEK(carbon fiber-reinforced PEEK,CFR-PEEK)的弹性模量分别为12 GPa[5]和18 GPa[4]，更接近皮质骨的弹性模量(14 GPa)。

Abdulmajeed等[6]研究不同体积分数的GF(51.7%、53.4%、56.2%、58.2%和61.7%)PEEK复合材料的机械性能，结果显示GF的体积分数从51.7%增加到61.7%时，弹性模量提高27%、韧性提高34%、承载能力提高15%、弯曲强度提高8%，据此提出在PEEK中添加GF可以有效地提高PEEK的机械强度和弹性模量。Qin等[7]研究不同质量分数CF(25%、30%、35%、40%)对CFR-PEEK复合材料的机械性能、热性能和细胞毒性的影响，通过力学性能评估显示CFR-PEEK复合材料比纯PEEK具有更好的热稳定性、更高的弯曲强度、抗压强度和硬度；25%CF(纤维长度：150～200 μm，纤维直径：5～7 μm)增强的PEEK复合材料即可满足人体骨骼的弹性模量和强度要求，实验还表明该复合材料具有低细胞毒性。BioHPP 系添加了30%陶瓷颗粒的改性PEEK复合材料，已作为种植基台和种植上部支架材料应用于临床[8-9]，其弹性模量、弯曲强度和粘接性能较纯PEEK有明显改善[10]。

2 优化PEEK种植体的成骨活性

PEEK具有优异的机械性能、稳定的化学性质及可靠的生物安全性，其弹性极限和抗压强度均符合口腔种植体要求[11]，但是源自化学结构的优异稳定性使PEEK具有生物惰性，从而阻碍植入后的骨整合，限制了PEEK种植体的临床应用。因此，提高PEEK种植体的成骨活性显得尤为重要。

2.1 引入生物活性填料 羟基磷灰石(hydroxyapatite, HA)、硅酸钙(calcium silicate, CS)、二氧化钛(titanium dioxide,TiO2)等因具有自发与活骨结合的能力而被称为生物活性材料，并被作为骨植入材料应用于临床。

Ma等[12]将40%的纳米羟基磷灰石(n-HA)和纳米硅酸钙(n-CS)分别加入到PEEK中，将所制成的n-HA/PEEK和n-CS/PEEK生物复合材料分别植入兔颅骨中，3D重建的微CT图像显示，n-HA/PEEK和n-CS/PEEK植入物周围的骨接触比纯PEEK植入物更紧密；在组织学显微照片中，大量的骨组织与n-HA/PEEK和n-CS/PEEK表面紧密接触，而纯PEEK仅被一层纤维结缔组织包围；定量结果表明n-CS/PEEK的骨接触高于n-HA/PEEK。

Wang等[13]研制出纳米氟羟基磷灰石PEEK(nano-FHA/PEEK)生物复合材料，在nano-FHA/PEEK上培养的细胞中检测到较高的碱性磷酸酶活性和细胞矿化率，特别是在粗糙nano-FHA/PEEK表面的成骨样细胞粘附和增殖率更高，新形成的骨组织与种植体直接接触。

Wu等[14]将纳米二氧化钛颗粒(n-TiO2)混入PEEK中，生成的n-TiO2/PEEK纳米复合材料的成骨活性明显改善，n-TiO2/PEEK植入物周围的骨体积百分比约为纯PEEK的2倍。

2.2 引入表面改性材料 PEEK的优化改性除制备复合材料外，还可进行表面改性。表面改性包括表面化学处理、物理处理和表面涂层，其中最常用的方法为表面涂层。表面涂层系将HA、Ti、TiO2等生物活性材料通过旋涂、等离子喷涂和电子束蒸发等技术涂覆在PEEK种植体表面，可明显增强PEEK的成骨活性，且不会影响材料的整体性质。Lee等[15]用冷喷涂法制备HA涂层的PEEK复合物，体外实验显示涂覆HA的PEEK上培养的细胞中碱性磷酸酶活性和钙浓度更高，细胞粘附力和生存能力得到改善；动物实验显示HA涂覆的PEEK植入物的骨-植入物接触比、骨小梁数和骨小梁厚度较无涂层的PEEK有明显提高。Ti具有高疲劳强度，生物相容性好，可促进骨骼生长，Devine等[16]研究证实Ti涂层的CF/PEEK螺钉可显著改善骨沉积。Han 等[17]通过电子束蒸发技术将纳米多孔TiO2沉积到PEEK基底上，并将样本浸入骨形态发生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2, BMP-2)溶液中，发现涂有纳米多孔TiO2BMP-2固定的PEEK的骨-植入物接触比(60%)远高于其他样品组，认为纳米多孔TiO2和BMP-2的协同作用更利于PEEK的骨整合。

类金刚石碳(diamond-like carbon, DLC)、钙(calcium, Ca)和钽(tantalum, Ta)等也具有引导成骨作用。Wang等[18]通过等离子体浸没离子注入和沉积(plasma immersion ion implantation and deposition, PIII&D)技术将DLC涂覆于PEEK上，细胞活力测定表明DLC/PEEK上的成骨细胞附着、增殖和分化优于无涂层PEEK，纳米压痕测试表明DLC/PEEK的表面硬度有所提高，提出PIII&D产生的DLC/PEEK结合了DLC和PEEK的优点，更适合作为骨植入物。Lu等[19]使用Ta离子作为PEEK涂层材料，体内外实验表明涂覆有Ta离子的PEEK增强了大鼠骨髓间充质干细胞的黏附、增殖和成骨分化且弹性模量更接近人类皮质骨。随后的研究还证实PEEK表面涂覆Ca离子同样可以改善PEEK种植体的成骨活性[20]。也有学者发现硅(Si)元素掺入PEEK表面可促进骨整合[21]。

2.3 引入化学官能团 PEEK通过表面化学处理，引入相应的活性基团如磺基、硝基及磷酸基团也可改善其性能。

Miyazaki等[22]用97%H2SO4和CaCl2溶液依次处理纯PEEK和30%CF/PEEK复合材料样品表面，发现H2SO4处理后PEEK样品的接触角较未处理组均显著降低，经处理的样品均可在模拟体液(SBF)中形成磷灰石，但CF/PEEK复合材料显示出的磷灰石形成能力明显高于纯PEEK。

Ma等[23]研究发现经硝酸(HNO3)处理的PEEK表面携带硝基官能团，在体外实验中表现出明显的磷灰石形成能力，且细胞相容性更好。

表面引入磷酸基团的PEEK也表显出较好的成骨活性，磷酸化作用可增强植入物周骨代谢活性和含钙矿物质的沉积，且可阻止纤维组织长入种植体与周围骨骼之间[24]。Zheng等[25]通过对兔胫骨近端缺损模型进行的体内生物学评估证实，表面磷酸化的PEEK具有增强成骨细胞的黏附、扩散、增殖和成骨分化。

2.4 修改表面形态 表面化学或物理处理可使PEEK种植体的表面形成三维多孔状结构，这种结构有利于成骨细胞在PEEK种植体的表面附着[26-27]。表面化学溶剂的处理如磺化、硝化在修改表面形态的同时改变了表面的化学性质，而物理处理可保持表面化学性质不变。Khoury等[28]使用加速中性原子束(accelerate neutral atom beam, ANAB)技术处理PEEK，使PEEK表面形成2～3 nm的微孔结构，体外实验显示，与对照组PEEK相比，ANAB处理PEEK上的成骨样细胞增殖力可显著增强，细胞矿化率也明显增加(21 d时为6.4倍)，动物实验显示，经ANAB处理PEEK种植体的种植体-骨接触强度增强了3.09倍。提示ANAB处理后形成的粗糙表面对PEEK种植体具有增强其成骨活性的潜力，从而导致骨形成并显著减少种植体的骨整合时间。

喷砂或等离子气体如水蒸气、氧气和氨气等处理也可在PEEK表面形成纳米级的粗糙结构。Xu等[29]使用氧等离子体和喷砂处理碳纤维增强的纳米羟基磷灰石聚醚醚酮(n-HA/CFR-PEEK)三元生物复合材料的表面而产生了纳米形的结构，具有纳米形表面的n-HA/CFR-PEEK复合材料可以触发细胞的体外成骨分化活动，与未处理组的体内测试相比，经处理的n-HA/CFR-PEEK三元生物复合材料种植体周的骨密度更高。

3 优化PEEK种植体的亲水性

种植体的亲水性影响种植体的早期骨整合，未经处理的PEEK表面为疏水性，提高PEEK表面的亲水性是其作为口腔种植体的必要条件。

Waser-Althaus等[30]使用10～200 W功率的氧气/氨气等离子体处理PEEK 5 min，静态水接触角测定显示经处理的PEEK表面亲水性增加，同时氧等离子体功率的增加也会导致接触角的减小，即10W的接触角为40°，200 W的接触角为5°，而未处理PEEK样品的接触角超过80°。

Al Qahtani等[31]用紫外线UV-A(382 nm，25 mWcm2)和UV-C(260 nm，15 mWcm2)照射PEEK种植体40 min，动态接触角(contact angle, CA)分析显示未暴露的种植体为疏水性(CA>90°)，而经暴露的PEEK植入物则有亲水化(CA=79°)。Naauman等[32]研究发现经紫外线照射的PEEK表面的氧含量越高，改善亲水性的效果越明显，认为与UV-A相比，UV-C可更好的诱导种植体的亲水性。

4 优化PEEK种植体的抗菌性

种植体周的细菌感染会导致其松动脱落，PEEK种植体因缺乏天然的抗菌性而需进行改性。通过表面处理，引入带负电荷的硫、氟、氮和含氧基团或形成微孔状表面，可减少细菌的黏附，而达到提高抗菌性的目的[33-35]。PEEK表面经浓硫酸磺化后形成带有磺基的三维微孔状结构，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均具有出色的抗菌性[36]。

一些具有天然抗菌特性的涂料，如银(Ag)、硒(Se)和壳聚糖衍生物等已被用于PEEK表面。Liu等[37]研究PEEK表面涂覆不同厚度的纳米银对其抗菌性能的影响，发现随着纳米银涂层厚度的增加，纳米银涂层的PEEK样品表面粗糙度显著增加，抗菌活性也增强，且未显示出细胞毒性。Wang[38]等指出涂覆有纳米硒的PEEK样品在1～3 d内比未涂层的PEEK能显著抑制铜绿假单胞菌的生长。Xu等[36]通过共价接枝羧甲基壳聚糖(carboxymethyl chitosan, CMC)改善n-HA/CFR-PEEK三元生物复合材料的抗菌性，表明CMC和n-HA/CFR-PEEK结合能显著抑制金黄色葡萄球菌的黏附和生长。

5 总结与展望

综上所述，PEEK可通过多种方法和材料进行修饰以改善其作为口腔种植体材料的性能。碳纤维、玻璃纤维及陶瓷颗粒等材料的混入可改善PEEK种植体的力学性能；磺化、硝化、涂覆HA等生物活性材料及制备n-TiO2/PEEK等复合材料可提高PEEK种植体的成骨活性；等离子体处理和紫外线照射等可在PEEK种植体表面形成亲水基团以提高其亲水性；银等抗菌材料的引入和表面形貌的修改可提高PEEK种植体的抗菌性。大量的改性研究可为PEEK种植体的开发应用提供机械和生物学的解决途径。但是目前这些改性方法也存在一定局限性，如何保持改性表面的稳定性以及如何制备生物活性PEEK复合材料时保持原PEEK优异的机械性能等还需进一步研究。此外上述研究多局限于体外和动物试验，尚未经过广泛的临床测试。因此，在未来PEEK种植体的改性研究中，应注重赋予改性材料更好的稳定性并进行更多的临床研究。