骨科植入材料聚醚醚酮的临床应用

李莉 徐梦兰

摘 要：针对聚醚醚酮树脂（PEEK）为一特种新型热塑性工程塑料，凭其摩擦性能优异、弹性模量和皮质骨相近、机械强度高、蠕变量低、耐化学腐蚀和生物相融性出色等特点，越来越广泛地应用于创伤、关节外科及脊柱内植入物，就聚醚醚酮树脂及其复合材料在骨科植入方面的应用进行了介绍，并对其发展前景进行了分析。

关键词：骨科;植入材料;聚醚醚酮;应用

中图分类号：R318.08       文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2022）02-0084-05

随着现代医学的不断进步，骨科植入物所应用的材料种类越来越多，应用也越来越广泛。传统的用于制造骨科植入物的材料如不锈钢、钛等，它们的弹性模量与人骨的弹性模量相差太大，此外绝大部分高分子聚合物无法承受生理水平的载荷，因此他们无法用来作为长期承重的植入物。所以，为了解决这些临床问题，必须研制力学性能结构能与和人骨相匹配的生物学材料。聚醚醚酮（PEEK）是一种弹性模量和皮质骨弹性模量十分接近的一种新型材料[1]。它还具有良好的放射线透过性和生物相容性，此外，经过磁共振扫描也不会出现伪影。聚醚醚酮的这些优良的特点，使其成为了近些年来材料学专家和各学科专家的重点研究对象。经过多年的研究，聚醚醚酮以及其复合材料已经逐渐被应用到临床医学领域，这里对聚醚醚酮（PEEK）作为骨植入物的应用研究进行了简单的分析，希望聚醚醚酮及其复合材料能够更好地应用于创伤和组织工程支架领域，成为最优良的骨植入材料。

1 聚醚醚酮树脂的概述

聚醚醚酮（见图1）是一种全芳香族的、半结晶特种热塑性工程塑料，其具有模量高、溶点高、加工性能优良、强度大等优良特性。聚醚醚酮在各种不同的温度、压力、相对粗糙接触面、速度的条件下，都可以保持优良的耐磨性质，尤其是对聚醚醚酮进行碳纤维增强后的复合材料，其耐磨性能显著提高，十分优良。聚醚醚酮具有优良的加工性能和耐腐蚀性能，不溶于任何除浓硫酸外的所有溶剂和强改。正是由于聚醚醚酮的这些优良的特性，20世纪80年代，世界許多国家的专家都开始对聚醚醚酮产生了兴趣，并开始考虑其作为骨科植入物材料的可能性，同时对其进行了大量的生物相容性研究，包括动物体内植入、体外细胞培养等多种实验方法对聚醚醚酮材料的细胞增值率、细胞毒性、粘附性、致突变型以及细胞生物学功能等重要指标进行了测定，经过长期大量的试验研究，经过证明聚醚醚酮具有稳定的化学特性和良好的生物相容性[2]。

现阶段主要研究的是通过某些技术手段对聚醚醚酮表面结构进行修饰，或者增加各种活性材料，以达到提高聚醚醚酮生物活性的目的，使其具有更好的生物相容性，更适合作为骨科植入物的基础材料，聚醚酮制备方法如图2所示。

1.1 对聚醚醚酮表面结构的修饰

对材料表面结构进行修饰的一种最新方法就是等离子喷涂法，专家用成骨细胞和成纤细胞同表面等离子喷涂对聚醚醚酮进行表面处理，最后经过试验证明，聚醚醚酮经过等离子修饰后其生物相容性显著提高，这对促进骨与植入材料的结合十分有利。还有一些专家尝试对聚醚醚酮表面粗糙度进行调节，然后使其与成骨细胞进行复合培养，最后证明，即使只改变材料的表面特征，不添加其他成分，也可以显著提高聚醚醚酮材料的生物相容性，使成骨细胞与植入材料更容易结合。

1.2 羟基磷灰石 - 聚醚醚酮复合材料

羟基磷灰石（HA）是一种钙磷比和分子结构与骨骼中的无机成分十分相似的材料（见图3），同时羟基磷灰石和骨的骨传导性与生物相容性都十分良好，当其与成骨细胞一同陪养时，成骨细胞能够聚集生长。

有学者将羟基磷灰石颗粒添加到聚醚醚酮粉剂中，以此制成体积分数不同的聚醚醚酮 - 羟基磷灰石复合材料，然后将这里羟基磷灰石含量不同的聚醚醚酮 - 羟基磷灰石复合材料在模拟体液汇总浸泡4周，最后的试验结果证明，随着羟基磷灰石含量的不断增加，聚醚醚酮 - 羟基磷灰石复合材料的生物活性也逐渐增强。还有一些学者进行了动物体内实验，即在动物体内植入聚醚醚酮 - 羟基磷灰石复合材料，然后对其组织化学染色切片进行观察，发现在聚醚醚酮 - 羟基磷灰石复合材料的孔隙中长出了成熟的骨组织，并且其界面和骨界面结合十分紧密，这项实验结果证明聚醚醚酮 - 羟基磷灰石复合物材料的生物活性功能十分优良[3]。通过学者们的大量研究证明聚醚醚酮 - 羟基磷灰石复合材料具有优良的生物相容性，但是要作为骨植入材料应用到临床医学中首先还是要考虑材料的力学性能。经过一系列的体外力学实验，发现聚醚醚酮 - 羟基磷灰石复合材料的疲劳时间和拉伸强度都会随着羟基磷灰石含量的增加而降低。在聚醚醚酮 - 羟基磷灰石复合材料中羟基磷灰石含量不同时，其拉伸强度49～59 MPa，弹性模量5～7 GPa。尽管聚醚醚酮 - 羟基磷灰石复合材料的力学性能与骨相近，但是因为其强度还无法同骨的强度相匹配，所以还需要更加深入的实验研究才能判断其是否能够作为承受较大应力的骨科之物。

研究人员将羟基磷灰石晶须通过模压工艺加入到聚醚醚酮中，成功制备了聚醚醚酮 - 羟基磷灰石晶须增强复合材料（HA-Whisker-PEEK）。在这种材料中羟基磷灰石仅需的排列和骨中的纳米羟基磷灰石排列方向十分相似，这就使得聚醚醚酮羟基磷灰石晶须增强复合材料具备皮质骨所特有的力学性能，即在各轴向上的具有不同的力学性能[4]。当聚醚醚酮 - 羟基磷灰石晶须增强复合材料中羟基磷灰石的体积分数为10%、20%时，该复合材料的拉伸强度和皮质骨的纵向拉伸强度相似，其弹性模量7.3～10.3 GPa，当羟基磷灰石的体积分数为40%、50%时，该符合材料的弹性模量为17～23 GPa，当羟基磷灰石的体积分数为40%时，该复合材料的拉伸强度和皮质骨的横向拉伸强度相当。这些实验数据表明，在聚醚醚酮中加入任何形式的羟基磷灰石都能够使聚醚醚酮的脆性提高，但是同时也会降低其刚度，致使材料的力学性能下降。但是通过对比我们可以发现，将羟基磷灰石通过晶须的方式比以颗粒方式加入聚醚醚酮更能增强材料的力学性能，所以聚醚醚酮 - 羟基磷灰石增强复合材料的生物学性能更接近骨的生物学性能。国内的专家将碳纤维（CF）引入到PEEK - HA复合材料中，成功制成了PEEK - HA - CF复合材料，很好地解决了聚醚醚酮 - 羟基磷灰石复合材料脆性较高的问题。与PEEK - HA复合材料相比，PEEK - HA - CF复合材料的力学性能更加优异。此外，通过将PEEK - HA - CF复合材料在模拟体液中的浸泡试验发现这种材料具有十分优良的生物活性，具体的性能还需要进一步的实验研究在证实。

1.3 其他聚醚醚酮复合材料

钙磷比为1.5的三磷酸钙（TCP），与正常骨组织的钙磷比十分接近，此外三磷酸钙还可以在生物体内降解。在聚醚醚酮中加入三磷酸钙，将其制成聚醚醚酮 - 三磷酸钙（PEEK - TCP）复合材料，发现其力学性能显著提高，与骨的力学性能十分接近。但是经过体外实验发现，聚醚醚酮 - 三磷酸钙对细胞的生长有抑制作用[5]。将活性玻璃45S5添加到PEEK - TCP复合材料中，能够很大程度地提高材料的生物相容性。要成为骨的最理想的替代材料，必须使其生物活性和力学性能两个方面都能和骨相匹配。

2 聚醚醚酮的临床应用

现阶段，以聚醚醚酮材料制成的骨植入物，主要是作为颈部、腰部椎间融合器，也有研究人员将聚醚醚酮材料制成接骨板和骨组织工程支架。

2.1 聚醚醚酮椎间融合器

PEEK制成的椎间融合器最早的应用到临床中是在1991年。后来，国内外诸多学者开始对聚醚醚酮椎间融合器进行大量的实验研究。椎间盘突出、钩突或终板关节形成骨赘等颈椎病的常见治疗方式是前路颈椎椎間盘切除椎体融合（ACDF）。采用ACDF进行治疗时，都会采用自体骨植入融合，为了减少供骨区的感染、疼痛、髂骨骨折、血肿形成等并发症的发生，一般不会在ACDF中单纯的植入自体骨，通常都会与Cage联合应用。研究人员采用43段颈椎融合Cage技术对36例退行性颈椎病变患者进行了平均18个月的随访，最后发现PEEK - Cage的应用使手术过程更加简化，手术时间和术后住院时间也大大缩短。并且所有的36例患者在访问期间都没有出现吞咽困难、声音嘶哑等并发症[6]。手术后进行X射线检查，发现术后6个月椎体融合60%，12个月椎体完全融合，并且没有出现下陷、断裂、畸形、坍塌、突出等现象。除此之外，PEEK - Cage相邻椎体附近的组织也都没有出现病理性坏死、溶解或者感染，没有一例患者需要2次手术。后来其他研究人员的随访研究中也证明了PEEK - Cage具有较高的融合率（图4），也不会出现上述的各种并发症。

通常情况下在进行多节段颈椎椎间盘切除是需要用到螺钉和钢板来固定使颈椎保持其生理弯曲曲线，但是使用螺钉和钢板固定存在一定的缺陷，如螺钉脱落、螺钉断裂、神经根和脊髓受损、食道穿孔等。而以PEEk - Cage替代螺钉钢板应用到多节段颈椎融合器中可以看到明显的优势[7]。研究人员随机选取了患有多节段颈椎退行性疾病患者，并对它们进行了对照研究，最后发现应用了PEEK - Cage组的患者在手术出血量、融合时间以及术后并发症等方面都要比其他组患者低，Prolo评分也比其他组高。后来又有研究人员对18例融合应用了PEEk - Cage的多节段颈椎椎间盘切除患者进行了随访，随访时长为18个月，最后发现，这些患者的融合率高达90，5%，并且期间没有需要二次手术的患者。以日本骨科学会（JOA）评分评定标准进行评定，评分从术前的（13.70±1.34） 分，到随访后期的（16.4±0.97） 分，从这些数据可以看出患者的症状得到显著改善。从上面这些研究结果可以得出结论：对多节段颈椎椎间盘切除融合的首选方法之一就是联合应用PEEK - Cage。有学者进行了大量的对比研究，并且比较其各自术后的JOA评分、椎间隙高度、颈椎生理弧度、融合情况等多项指标，最后证明在颈椎前路融合术中聚醚醚酮材料制成的椎体间融合器是较理想的自体骨骼移植替代物。有学者进行了大量的体外生物力学试验，发现以钛制成的Cage和单纯PEEK - Cage的作用相近，都能够作为承力部位骨骼的替代材料;另外PEEK - Cage和骨的力学性能相似，十分利于骨的融合。对聚醚醚酮腰椎融合器应用有限元进行分析，证实聚醚醚酮植入腰椎后的稳定性和以钛制作的椎间融合器的稳定性是一样的，并且PEEK - Cage还显著降低了对邻近终板的压力，使上，下腰椎与融合器之间的融合更为顺利。

2.2 聚醚醚酮人造骨关节

在治疗膝关节、髋关节等疾病领域中人工关节置换已经十分常见。目前的相关数据表明在老年患者中植入体内的人工假体10年的存活率高达90%。但是近年来，年轻患者中的全关节置换变得越来越多，这就要求延长假体在体内的存活时间，同时要尽可能地减少关节置换术后的二次手术，使患者的生存质量得到提升。影响人工关节的远期疗效的主要因素就是无菌性松动。传统的骨移植物是金属假体，其弹性模量远大于骨的弹性模量，是骨的十几倍甚至几十倍;二者的结合，由于力学性能的差异很难相容，从而会产生应力遮挡，进而会引发骨萎缩、骨吸收、假体松动等并发症，这也给后面的二次翻修手术造成一定程度的困难。超高分子量聚乙烯是目前使用最为广泛的，但是其抗磨损性能较差，使假体的使用寿命大大降低，同时磨损颗粒会致使骨质溶解，造成无菌性关节松动。研究人员对聚醚醚酮使用聚丙烯腈基碳纤维制成增强材料，然后将其与氧化铝对偶，再在双相销盘式的磨损实验机中实施磨损实验，并将其磨损可以进行细胞体外培养，最后发现聚醚醚酮复合材料的磨损颗粒没有细胞毒性，这也表明聚醚醚酮复合材料的生物相容性良好[8]。为了证明聚醚醚酮磨损颗粒在体内的相容性，有PEEK - CF复合材料制成的ABG全髋骨置换系统于2001年投入临床使用，并对治疗的患者进行了为期3年的随访，结果没有一例患者因出现无菌性松动而进行二次手术，并且此项试验还在进行中。聚醚醚酮磨损颗粒的生物相容性还需要进一步的实验研究来判定。

2.3 聚醚醚酮的其他应用研究

在100多年的时间里一直都是用金属接骨板在治疗骨折，但是由于金属与骨的生物力学性能差异过大，导致其很难与骨相容，同时其存在放射线不可透性的缺点。为了弥补这些缺陷，近些年来研究人员一直考虑用聚醚醚酮材料来代替金属材料做接骨板的材料，有学者通过微编法制成了CF增强聚醚醚酮编制型接骨板，并对其不同编织厚度和角度的接骨板进行弯曲试验，最后表明厚度为2.6 mm的聚醚醚酮接骨板更适用于固定肱骨，而胫腓骨骨折的固定则更适合用3.2 mm后的聚醚醚酮接骨板。此外有研究人员制成了PEEK-HA组织工程支架，通过分析其显微结构、支架孔隙度、生物活性等，这种支架很可能成为组织工程中的理想支架。

3 结语

聚醚醚酮凭借其高强度、耐摩擦、射线可透性好等优点，已经成为一种重要的骨植入材料，并且在关节、脊柱方面得到了广泛的应用。经过国内外诸多学者、专家研究发现，聚醚醚酮材料很有希望应用于创伤和组织工程支架领域。现代科学技术的迅猛发展，也极大地推动了材料科学的发展，聚醚醚酮的力学性能和生物活性也在不断地进行改进，可见聚醚醚酮的应用前景十分广阔。当然这必然需要一个长期的过程，需要大量的临床试验，长期的随访，针对出现的问题、缺陷进行相应的改进，这样才能使聚醚醚酮材料的生物相容性和力学性能等方面得到更好的提升，使其成为最理想的骨植入材料。

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