骨科植人聚醚醚酮材料的表面改性及生物相容性研究

刘洁

摘要：聚醚醚酮是一种具有优良的生物安全性、生物相容性，在骨科和脊柱外科及整形外科应用中很受欢迎的新型材料，因为其具有出色的物理和化学特性，且不可被射线穿透。但是其生物活性较差，目前，表面改性方法可以有效提高聚醚醚酮的生物活性，使其更易于骨组织键合，已成为骨科植入材料研究的热点。文章介绍了物理法、化学法以及辐射改性法3种不同类别的改性技术，并分析了不同改性技术的优劣及对于提高生物相容性的帮助，最后展望了聚醚醚酮材料表面改性的发展前景。

关键词：聚醚醚酮;骨科植入材料;表面改性

中图分类号：0647.4

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）07-0022-05

聚醚醚酮（PEEK）是当今最热门的高性能植入材料，其复合材料作为骨科植人物是多年来人们探索与骨骼相近弹性模量材料学的研究的一种，主要目的是减少人体对植入物的排斥反应以及提高材料的的耐用性叫。聚醚醚酮及其复合物在骨科、整形外科和脊柱外科应用中已经成为十分受欢迎的新型材料。

1聚醚醚酮的基础研究

聚醚醚酮是一种强度高、易加工、性能好的全芳香族高性能工程塑料，是一种高化学稳定性和热稳定性的不可吸收的热塑性聚合物，具有良好的机械性能以及与骨骼相似的刚度，并具有良好的放射不透明性，可用于术后可视化。基于上述优点，各国学者从20世纪80年代起就开始研究聚醚醚酮及其聚合物作为骨科植入物叫。通过体外细胞培养、动物体内植入等方法对聚醚醚酮及其复合物的致突变性、细胞毒性、细胞增殖率、遗传毒性、粘附性、生物相容性等指标进行了测量一升，研究结果表明期不具有细胞毒性、致突变性等对人体负面作用，并具有优良的生物相容性。

但是，聚醚醚酮仍具有一些自身的局限性，比如不具有良好的生物活性，植入后与人体的骨组织键合不易发生等，这些缺点大大限制了其作为骨科植人物的应用范围及应用前景。因此，各国研究者们通过各种改性：方法提高聚醚醚酮的生物活性以及骨组织键合相容性，常用的方法有物理共键结合法、化学改性去、辐射照射改性法等。

2物理改性

聚醚醚酮具有化学惰性，因此对其表面改性经常采用的是表面物理改性，如图1所示。

2.1等离子体浸没离子注入与沉积法

等离子体浸没离子注入与沉积（plasma immer-sionion implantation & deposition，PlI&D）技术可在聚醚醚酮表面引入多种元素或者化学官能团，实现对材料力学性能、生物活性以及抗菌性的调控，具有较佳的应用前景。作为可植入材料，碳纤维增强聚醚醚洞（CFRPEEK）具有与皮质骨相似的可调弹性模量，是替代金属外科植入物的主要候选材料。但是，碳纤维增强聚醚醚酮的生物惰性和不良的成骨特性限制了其作为整形外科植入物的临床应用。在这项工作中，Lu，Tao等以通过等离子浸人离子注入（PII）将钛离子大力引入碳纤维增强聚醚醚酮。扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）揭示了纳米孔的形成，其侧壁和底部嵌入了碳纤维增强聚醚醚酮表面的类似于20nm的TiO，纳米颗粒。纳米压痕测量证实了结构化表面的稳定性和改善的弹性阻力。体外细胞粘附、活力测定和实时PCR分析揭示了大鼠骨间充质干细胞（bMSCs）的粘附，增殖和骨分化增强。聚醚醚酮上的多级结构还对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出部分抗菌活性。研究结果表明可以通过多层次的表面工程来生产具有多功能生物学特性的表面，并且基于该方案可以扩大和加快碳纤维增强聚醚醚酮在整形外科和牙科植人物中的应用。

2.2共混结合改性法

共混结合改性（Blending Modification）是最常用的PEEK改性方法之一，将一些活性成分如羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）等与PEE结合进行改性，这种方法可以显著提高聚醚醚酮复合材料的物理性能，如图2所示。羟基磷灰石被选为涂料来源因为它可以直接与骨骼结合，并且可以轻松地合成为适合均匀新涂层的珠子形态。因此，被用来作为聚醚醚酮共性混合改性最常用的第二相材料。FanX等间采用原位熔融缩聚法制备了聚氨基酸、羟基磷灰石和硫酸钙的三元复合物（PAA/HA/CS），并对其机械强度，体外降解性，生物活性以及在体外和体外进行了评估。体内生物相容性。结果表明，该三元复合材料的压缩强度为147MPa，弯曲强度为121MPa，抗张强度为122MPa，抗张模量为4.6CPa.浸泡在模拟体液中后，复合材料的压缩强度在6周内从147降低至98MPa，在8周内抗弯强度从121降低至75MPa，并且在随后的浸泡时间内它们]都保持稳定。当在随后的几天中开始保持稳定的重量后，在磷酸盐缓冲溶液中浸泡3周后，复合材料可能会缓慢降解，初始重量减少7.27%。将复合材料浸泡在模拟的体液中，羟基磷灰石层（如花状颗粒）形成在复合材料样品的表面，具有良好的生物活性。此外，发现该复合物可以促进MG-63细胞的增殖，并且具有正常表型的细胞在复合物表面上延伸并良好地扩散。将该复合物植入绵羊的尺骨证实了该复合物在体内具有生物相容性和骨传导性，并为临床应用中的承重骨替代物提供了PAA/HA/CS复合材料。

2.3冷喷涂技术

冷喷涂技术（ColdSpraying）的基本過程涉及在加热含涂层源的压缩气体以类似于发射子弹的方式瞄准PEEK基材。涂料空气源通过喷气加速到超音速与PEEK基材碰撞。后续的涂层颗粒与先前涂覆的颗粒连续碰撞以嵌入它们深入PEEK基材并形成胶粘剂涂层。

冷喷涂方法可以在较低的温度下进行，因为涂层过程利用了来自烧制的材料。基材的大多数部分不必因热发生过程而卷人，仅需在表面上将要形成的涂层暴露于直接涂层环境。此外，具有预先进行热处理可以用作涂，层源，因此，可以省略后热处理，可以保持材料的特性。涂层通过冷喷涂法生产的产品粘附在基材上紧密并具有均匀的厚度。冷喷涂法生产效率高且无害，喷涂是一个快速的过程，许多样品可以轻松同时进行处理。LeeJH等T应用冷喷涂方法制备了羟基磷灰石（HA）涂层的聚醚醚酮杂化材料，并在体外和体内评估了其骨整合。通过冷喷涂方法，HA涂层形成均匀的层并牢固地粘附到PEEK椎间盘植人物上。当在体外测试该材料时，早期细胞粘附和生存能力得到改善。在HA包被的聚醚醚酮盘上培养的细胞中，碱性磷酸酶（ALP）活性和钙浓度也更高。另外，在这些细胞中成骨细胞分化标志物如ALP，骨唾液蛋白和矮子相关转录因子2的表达增加。对于体内测试，我们通过压入配合法将HA涂层的PEEK钢瓶设计并植入到兔骨模型中。骨一植入物的接触比，小梁数和小梁厚度可通过三维显微计算机断层扫描或常规二维组织形态分析法确定。该报告表明，PEEK植入物上的HA涂层加上冷喷涂方法可提高体外生物相容性并促进体内骨整合，这表明HA涂层可改善临床应用中使用的各种医疗器械的生物功能。

2.4气溶胶沉积法

气溶胶沉积法（Aerosol Deposition，AD）是一种形成致密且附着力强的陶瓷涂层的方法。它以固体粉末颗粒为原料，涂层由高能粒子碰撞到基材上。因为AD是在室温下进行，无需沉积后热处理为了进一步致密化，起始粉末及其生成物涂料具有相同的成分，因此可以通过处理粉末来生产具有精确控制成分的涂料组成。因此，AD非常适合在温度敏感的基材上沉积陶瓷涂层如塑料，不会对基材造成热降解。HahnBD等使用气溶胶沉积在医疗级PEEK上开发了高度致密且粘附力强的羟基磷灰石涂层，而不会引起PEEK的热降解。羟基磷灰石涂层具有致密的微观结构，没有裂纹或气孔，并且在14.3MPa以上的粘合强度下表现出对PEEK的良好粘合性。通过水热退火作为沉积后热处理，羟基磷灰石涂层的结晶度得到了显着提高。另外，通过气溶胶沉积法的羟基磷灰石涂层显着增强了PEEK在细胞粘附形态，细胞增殖，分化以及骨与植入物的接触比方面的体外和体内生物相容性，如图3所示。

3辐射改性

辐射改性（Irradiation Treatment）往往是PEEK改性的首要步骤，因为PEEK是化学惰性的，通过在PEEK表面加人新的化学基团，提高PPEK的化学反应活性，为下一步的改性打下基础。

3.1紫外辐射

在波长范围为126～222nm的紫外线可以被有机材料很好地吸收。准分子灯发出的紫外激光可具有足够的能量照射PEEK，以破坏PEEK表面上的分子键。分子键的破坏会导致许多光物理，热和光化学过程发生，这种影响不仅限于材料的表面层，而且还会改变其整体性质。使用准分子激光进行表面修饰以提高生物相容性是一项十分常用及悠久的技术。研究发现，利用紫外辐射改性PEEK能够有效促进细胞在PEEK表层的结合率[9]。

3.2加速中性原子束技术

加速中性原子束（Acceleratedne utral atom beam，ANAB）技术利用了由气体团簇离子束（GCIB）产生的高能气体团簇离子的转换该方法将重合的中性气体原子准直光束的平均能量控制在每原子小于10eV到每原子超过100eV的范围内。一束加速的气体团簇离子是首先按照GCIB中的常规方法生产，但是源电离器和萃取区的条件进行调整，使电离和加速后，团簇立即与非电离气体原子。这些碰撞过程中的能量转移导致高能簇离子释放它们的许多组成原子。然后使用静电偏转器消除带电物质，使释放的中性原子仍然以与键合时相同的速度共同行进父集群的组件。在目标撞击时，加速的中性原子束产生效果类似于通常与GCIB相关的效果，但深度较浅，表面损伤较小。

目前生物医学的应用正在开发中，迄今为止的工作已经证实，高能中性原子束可以有益地改变金属的表面特性，而不会引起整体降解这些材料的特性，改变表面粗糙度，纹理，化学组成，分子结构等。已经用Ar高能中性束处理PEEK证明可显着增强成骨细胞附着和扩散。图4为未处理的PEEK培养盘和通过Ar中性原子束处理过的材料，暴露于含有人类成骨细胞的溶液中14d后，未经处理的对照样品表面几乎没有细胞反应，但是经中性原子束技术处理后的PEEK培养盘表面表现出强烈的细胞附着和快速的细胞增殖。中性原子束暴露导致PEEK表面变成亲水性，这可能是导致观察到的细胞反应加快的原因。原子显微镜检查的PEEK表面已显示出表面的纳米级纹理可能是由于高能中性原子束处理引起的，并且怀疑纳米级粗糙度可能会在促进细胞增殖过程发挥重要作用[10]。

3.3准分子激光辐照

准分子激光辐照（Excimer Laser Irradiation）技术，是指在聚醚醚酮受到高能量准分子激光辐射条件下，从而引入极性官能团进而优化其生物活性。Lau-rensp叫研究了受激准分子激光辐射在低于材料烧蚀阈值的激光注量下对不同类型的聚合物表面（聚醚-醚酮（PEEK），聚碳酸酯（PC）和环氧树脂）进行的改性。特别注意了激光辐照波长（193或248nm）对被处理表面的性质和特性的作用。结果表明，对于所有研究的聚合物，在193nm处处理后均获得了更强的反应性。在此波长下，原始聚合物表面被紫外线光子强烈改性;发生表面重组，极性基团导致表面润湿性增加。

4化学改性

聚醚醚酮虽然具有化学惰性，但是也能够被浓硫酸磺化处理。研究发现经过浓硫酸磺化处理后，聚醚醚酮表面能够出现三维网络结构，并且在材料表面形成磺酸基基团，能够提高材料的生物性能，并且具有一定的抗菌性，如图5所示。另外也可以利用其三维网络结构，来进一步装载药物、蛋白质等，拓展聚醚醚酮的生物应用领域。例如在聚醚醚酮的三维网络结构上可构建具有pH响应的阿霉素缓释系统叫，实现阿霉素的智能释放。

5結语

聚醚醚酮是一种广泛用于医学中的材料，通过不同的改性方法可显著提高其生物活性及与人体骨组织的相容性、结合性。文章讨论了物理法、化学法以及辐射法3种改性方法，3种方法各有优势，物理法是最广泛应用的改性方法。经过改性后的聚醚醚酮复合材料可显著提升力学性能，均能在体外培养过程中促进细胞的分化和增殖，并促进与周围骨组织的融合。随着材料学技术的不断进步，各种新颖的改性方法层出不穷，带来更多性能优越的聚醚醚酮改性材料，可以越来越广泛用于临床，促进人体更快的恢复。

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