高生物活性聚醚醚酮化学改性研究进展

陈俊俊，费昌恩，段金汤，顾雪萍，冯连芳，张才亮

（1 化学工程联合国家重点实验室，浙江大学化学工程与生物工程学院，浙江 杭州 310027；2 浙江大学衢州研究院，浙江 衢州 324000）

聚醚醚酮（PEEK）是一种热塑性聚合物材料[1]，具有耐热、耐磨、耐腐蚀和高强度等优异性能[2]，广泛应用于航天航空、电子电器、生物医学、海洋防护、汽车工业等领域[3]。PEEK 最早是由英国ICI公司于1978年开发并申请专利，1987年实现工业化生产，并被美国食品和药物管理局（FDA）批准为可植入骨科材料[4]。由于PEEK 的弹性模量（约3GPa）与人体骨骼的（3～17GPa）相当[5]，作为骨科植入材料时，可将应力转移到周围的骨组织，减少植入体对周围骨组织的吸收，降低人体骨质疏松的风险[6]。PEEK 目前已成为最重要的骨科材料。但是，由于PEEK 材料表面高度疏水，细胞无法在其表面实现良好的黏附、迁移、增殖和分化[7]，PEEK 植入器械在人体内主要以惰性材料形式存在[8]。例如，PEEK 椎间融合器只能借助自体骨等材料实现骨愈合[9]。通过功能化改性，提升表面生物活性，是促进PEEK骨科产品应用的必要方式[10]。

PEEK 材料的改性分为物理改性和化学改性两类。物理改性是指通过物理手段直接对PEEK材料进行处理，包括：①涂层改性，通过表面工程技术在PEEK 表面涂覆一层致密的活性材料[11]；②复合改性，将PEEK与活性材料混合形成高生物活性材料；③辐射处理，通过激光照射改变PEEK材料表面形貌，增加表面粗糙度和润湿性[12]；④等离子体处理，通过等离子体蚀刻等方式在PEEK材料表面引入特定的官能团，提升表面生物活性[13]；⑤物理气相沉积，是指在真空条件下将材料表面气化或电离，并通过低压气体（或等离子体）在PEEK基体表面沉积具有特殊功能的薄膜[14]。由于这类方式并未改变PEEK 本体材料的化学性质，PEEK 与其他材料、官能团的结合强度仍然较低[15]，表面涂层和共混活性材料容易丧失。

化学改性是通过化学反应在PEEK分子链中引入羟基、羧基、磷酸二氢根等生物活性基团，实现更好更稳定地与细胞、骨骼结合。根据功能化基团引入位置的不同，本文将PEEK化学改性分为苯环位改性、酮基位改性和共聚改性三种，并详细介绍它们的改性原理和特性及其对材料生物活性的影响。

1 苯环位改性

苯环位改性是指在不改变PEEK分子中醚键或酮基的情况下，通过强酸或酰氯等处理，在苯环位引入磺酸基、硝基、羧基等极性基团，如图1 所示。常用的苯环位改性方法有磺化改性、硝化改性、混合酸改性和乙酰化改性等。

1.1 磺化改性

磺化改性主要是通过浓硫酸对PEEK进行处理，在PEEK分子中的苯环上引入磺酸基团—SO3H，同时形成利于成骨分化的多孔结构[16]。如图1 所示，PEEK 分子结构中一个重复单元有三个苯环，其中一个苯环与两个醚键相连，另外两个苯环的两端分别与酮基和醚键相连。由于磺酸基团的吸电子效应，PEEK 磺化改性过程中，只能在与两个醚键连接的苯环上引入磺酸基团，且每个重复单元最多只能引入一个磺酸基团[17-18]。

PEEK 磺化改性流程简单，直接浸泡在浓硫酸中即可，其影响因素主要为反应温度和反应时间[19]。如图2 所示，在22℃下反应5h，磺化度仅50%左右；而在55℃下反应5h，磺化度达到95%以上，升高温度可以显著加快磺化反应速率[18]。

PEEK 经磺化改性后，通常会残留一些含硫化合物，对生物细胞有负面影响[20-21]，需要通过水热处理等方式进行去除。Ouyang等[22]考察了水热处理时间和温度对磺化PEEK中硫质量分数的影响。如图3 所示，在25℃处理30min，硫质量分数快速下降，但是继续延长时间，硫质量分数仅略微降低；水热处理温度对降低磺化PEEK 硫含量影响显著。将这些样品植入大鼠股骨模型进行培养观察，发现PEEK 与未经水热处理的磺化PEEK 的基因表达量均较低，不利于细胞增殖，几乎没有骨组织形成；而120℃水热处理后的磺化PEEK 中细胞基因表达量显著增加，周围形成大量的骨组织。这表明水热处理可以减少含硫残留物含量，大幅降低磺化PEEK材料细胞毒性。

除浓硫酸以外，PEEK磺化也可采用气态三氧化硫（SO3）。Wan等[23]在75℃下使用气态SO3对PEEK处理15min 后，PEEK 表面形成均匀多孔结构；磺化度随处理时间延长不断增加，处理90min 后，PEEK表面硫含量增加至（0.018±0.001）mol%。图4显示，经气态SO3磺化后，PEEK 表面磷灰石的矿物沉积增加，蛋白质的吸收能力大幅提高，MC3T3-E1 细胞黏附、增殖和细胞外基质（ECM）分泌也明显增强。

图4 气态SO3磺化制备表面多孔PEEK植入物及其生物活性[23]

1.2 硝化改性

硝化改性主要采用浓硝酸[24]。与磺化改性不同，当PEEK 的硝化度小于100%时，硝基一般只取代与两个醚键连接的苯环；当硝化度大于100%，即重复单元中与两个醚键连接的苯环都被硝化后，另外两个苯环上可以继续发生硝化反应，不过每个苯环只能被一个硝基取代[25]，如图5所示。

图5 硝化PEEK的结构式[25]

Ma 等[26]采用硝酸和氯化钙对PEEK、PEEK 与碳纤维（CF）复合材料表面进行处理后，它们的水接触角分别由72.61°±1.69°和78.22°±0.70°降至54.91°±5.55°和63.11°±0.37°，表明表面亲水性均有所提高。如图6所示，经硝化处理或硝化和氯化钙共同处理后PEEK/CF 复合材料表面细胞数明显高于未经处理的样品，表明硝化改性可以显著提高PEEK表面的生物活性。

图6 细胞在PEEK/CF复合材料上培养1天、4天和7天后的扫描电子显微镜图[26]

1.3 混合酸改性

通过混合酸处理，可以调控PEEK表面的孔结构。如图7 所示，仅用浓硫酸处理时，PEEK 样品表面主要形成拉伸状三维网状结构，孔隙率较高；而使用浓硫酸/浓硝酸混合酸处理时，样品表面则形成非拉伸状的多孔结构[27]。并且，通过改变浓硫酸和浓硝酸的比例，可以获得具有不同表面孔结构的PEEK。如图8 所示，当浓硝酸与浓硫酸体积比为1∶5、1∶3、1∶2、1∶1和2∶1时，改性PEEK表面均出现孔状结构，特别是浓硝酸与浓硫酸体积比为1∶1 时，改性PEEK 表面呈现正六边形排列的蜂窝状多孔结构，直径约为50μm，表面粗糙度从(27.6±2.4)nm（未处理的PEEK）增加至(708±110.3)nm。但是，当浓硫酸或者浓硝酸占比过高时，均会导致PEEK表面产生裂纹。

图7 强酸处理前后PEEK表面的扫描电子显微镜图[27]

图8 不同浓硝酸/浓硫酸比例改性PEEK后的扫描电子显微镜图[28]

Huo 等[29]对比了氢氟酸、硝酸以及它们的混合酸对PEEK 表面形貌和生物活性的影响。如图9 所示，氢氟酸处理前后，PEEK 表面粗糙度无明显差异，表明氢氟酸处理不会改变PEEK 的表面形貌，这与Chen 等[30]报道的结果一致，与硝酸一起处理PEEK后，表面粗糙度明显增加。如图10所示，碱性磷酸酶（ALP）染色效果显示在经氢氟酸、硝酸以及它们的混合酸处理后的PEEK上生长的细胞都比未处理的多，说明氢氟酸和硝酸处理均可以提高PEEK 表面的生物活性，其中混合酸提升效果最好；茜素红14 天和25 天染色效果显示在混合酸处理后的PEEK上生长的细胞钙含量最高，表明混合酸处理有助于提升PEEK成骨分化能力。

图9 未处理PEEK（Bare-PEEK）、氢氟酸处理PEEK（PEEK-AF）、硝酸处理PEEK（PEEK-AN）和混合酸处理PEEK（PEEK-AFN）样品表面在低倍和高倍下的扫描电子显微镜图[29]

图10 细胞在Bare-PEEK、PEEK-AF、PEEK-AN和PEEK-AFN上培养不同天数后的ALP和茜素红染色图[29]

1.4 乙酰化改性

通过乙酰氯和无水氯化铝对PEEK进行乙酰化改性，可在PEEK分子链中所有的苯环上引入乙酰基（—COCH3）[31]。

乙酰基的引入，一方面可加强PEEK链间相互作用，进而提高材料强度；另一方面，可进一步通过高锰酸钾（KMnO4）或胺等物质进行功能化改性，引入羧基（—COOH）、酰氯基（—COCl）、酰胺基（—CONH2）和胺基（—NH2）等基团，提高生物活性，具体反应式如图11所示。表1对比了羧基和氨基改性前后PEEK 的脱细胞体外实验结果。功能化改性PEEK 比未处理PEEK 的净重量变化更大，表明模拟体液（SBF）晶体在功能化改性PEEK 表面黏附性更好，易于微小的SBF 晶体及宿主组织生长。HOOC-PEEK-NH2细胞黏附性较PEEK-COOH更优。

表1 PEEK、PEEK-COOH和HOOC-PEEK-NH2和模拟体液进行脱细胞体外试验7天、15天和30天的结果[31]

图11 PEEK乙酰化及功能化改性的反应式[31]

苯环位改性处理方法相对简单，成本较低，改性后PEEK 材料表面粗糙度显著提高，同时引入—NO3、—HSO4、—COOH、—NH2等官能团，有助于提高细胞黏附及成骨分化能力。但是，浓酸处理容易导致材料中含硫或含硝化合物残留，有一定的细胞毒害作用，需要水热处理等方式去除。

2 酮基位改性

PEEK 分子链中的酮基具有较高的活性，容易与胺类、硼氢化钠等酮基选择性试剂发生反应[32]，进一步可通过接枝引入特定的官能团或者功能基团，实现PEEK材料的化学改性。

2.1 氨基化改性

乙二胺、2，2-二苯基乙胺、3，3-二苯基丙胺等氨基类化合物可以对PEEK分子链中的酮基直接进行氨基化修饰。例如，在270℃下，以二苯砜为溶剂，2，2-二苯基乙胺与PEEK酮基的反应式如图12所示，氨基化程度高达99%，PEEK 的溶解性能大幅提升，可溶于N-甲基吡咯烷酮、氯仿等有机溶剂[33]。

图12 2，2-二苯基乙胺与PEEK反应式[33]

Ding 等[28]将浓硫酸和浓硝酸共同处理后的PEEK（SNPEEK）浸泡在乙二胺（EDA）中，得到氨基化PEEK（SNPEEK-NH2）。从图13 可看出，SNPEEK-NH2比PEEK、SNPEEK 上培养的骨髓基质干细胞成骨分化侏儒相关转录因子（RUNX2）和碱性磷酸酶（AKP）表达明显更强，说明氨基有助于提高PEEK材料的诱导成骨分化能力。

图13 PEEK、SNPEEK、SNPEEK-NH2上培养骨髓基质干细胞RUNX2和AKP的表达结果[28]

2.2 羟基化改性

通过湿化学法，硼氢化钠等酮基选择性试剂可以还原PEEK 表面的酮基，得到羟基化改性PEEK（PEEK-OH）[34]，如图14 所示。图15 对比了羟基化改性前后PEEK的X射线光电子能谱（XPS）。羟基化改性后PEEK分子中的酮基含量大幅降低，并出现了羟基特征峰，证实酮基被还原成了羟基[35]。根据PEEK-OH 分子中酮基和羟基中的氧原子比，可计算得羟基化程度约为80%[34]。与未改性PEEK相比，PEEK-OH 表面粗糙度明显增加，细胞黏附和增殖能力显著增强，并可为生物活性分子的共价偶联引入提供活性位点[36]。

图14 硼氢化钠对PEEK羟基化改性机理[34]

图15 PEEK和PEEK-OH的XPS谱图[35]

2.3 PEEK-OH接枝改性

通过PEEK-OH 中的羟基接枝功能化物质，可进一步提升材料性能。如图16所示，Kyomoto 等[37]通过紫外光诱导将2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱（MPC）接枝聚合到PEEK-OH 表面，形成聚2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱（PMPC）纳米级涂层。在髋关节模拟磨损测试中，PMPC 接枝改性的PEEK 耐磨性显著提高，从润滑剂中分离出的磨损颗粒大幅减少，磨损率几乎为0，PMPC 接枝改性的PEEK有望应用于新型骨科轴承。

图16 PEEK和碳纤维增强PEEK（CFR-PEEK）接枝PMPC的制备示意图[37]

Zheng等[38]通过紫外光诱导将乙烯磷酸（VPA）接枝到PEEK-OH 表面，反应机理及制备过程示意如图17 所示。磷酸化PEEK（PEPA）的水接触角由83.7°减小到49.1°，亲水性明显增强。PEPA 成骨效果明显增强（图18），骨-种植体接触比例达到45%，这表明PEEK表面磷酸化有助于提升其成骨分化能力。

图17 PEEK接枝PVPA制备磷酸化PEEK机理及示意图[38]

图18 PEEK和PEPA种植体植入12周后，甲苯胺蓝品红素染色种植体周围的硬组织切片骨接触分析[38]

烷基三氯硅烷易与羟基发生快速不可逆反应，通过该反应在PEEK-OH 表面接枝硅氧烷[39]，不仅可以提高材料表面粗糙度，而且进一步引入磷酸二氢根、羧基等功能性基团，提高其表面生物活性。Zheng 等[40-41]采用7-辛烯基三甲氧基硅烷对PEEKOH 表面进行改性，在酮基位引入硅氧烷，然后通过硼氢化、磷酸化和高锰酸钾氧化等方式分别将—OH、—PO4H2和—COOH 引入PEEK 表面，反应路径如图19 所示。这些功能化官能团引入后亲水性显著增强，例如PEEK-COOH 的水接触角从132.6°降低至85.6°。改性后PEEK 样品对MC3T3-E1 成骨细胞的黏附增殖效果如图20 所示。相比于未处理的PEEK（P-PEEK），先经硅氧烷化处理后再引入—OH 的样品对细胞黏附和细胞增殖数量提高20%左右，说明硅氧烷接枝链段有助于提升PEEK 表面生物活性。另外，与—OH、—PO4H2相比，—COOH 的样品（PEEK-COOH）对细胞黏附和增殖数量最高。

图19 PEEK表面的酮基还原（A）、硅氧烷层的形成（B）、羧基化（C）、羟基化（D）和磷酸化（E）反应过程[40]

图20 小鼠胚胎成骨细胞前体细胞（MC3T3-E1）在P-PEEK和硅氧烷化后官能团改性PEEK上细胞黏附和增殖[41]

酮基位改性通过对酮基进行化学修饰，引入—OH、—COOH、—PO4H2等官能团，可显著提升PEEK 材料生物活性。但是，该方法取决于酮基改性程度，易导致PEEK主链醚酮比大幅变化，可能导致材料的机械性能和热性能恶化。

3 共聚改性

共聚改性通常有两种方法：一种是将含有功能官能团的单体作为共聚单体，通过亲电或者亲核加成反应，合成功能化PEEK；另一种是先合成带有侧链基团的聚合物，再通过卤化和氧化等方式对侧链基团进行改性，制备功能化PEEK。

3.1 亲电加成共聚

以芳酰氯（如对苯二甲酰氯、间苯二甲酰氯等）和芳醚为单体[42]，以无水氯化铝为催化剂，通过Friedel-Crafts 亲电加成聚合是制备PEEK 的一种方法。采用苯环侧基上含有功能基团的酰氯作为共聚单体，可以制备功能化PEEK。Zolotukhin等[43]采用苯环上含有酸酐官能团的1，2，4-偏苯三酸酐酰氯作为共聚单体，与对苯二甲酰氯和4，4′-二苯氧基二苯甲酮进行亲电加成共聚，获得了羧基改性PEEK，反应机理如图21 所示。通过含2 个酸酐的均苯四甲酸酐作为共聚单体，与二苯醚进行亲电加成聚合，可得到重复单元中含2 个羧酸的聚芳醚酮[44]。该方法具有反应温度较低、一步法合成等优点，但是氯化铝使用量大、杂质脱除困难、聚合物链结构中易产生支化。

图21 羧基改性PEEK的合成（x=y+m+p）[43]

3.2 亲核加成共聚

PEEK 目前主要采用4，4′-二氟二苯甲酮（DFBP）与对苯二酚（HQ）单体、钾盐或钠盐催化剂、二苯砜溶剂，在220～350℃发生高温亲核加成聚合反应制备[45]。亲核加成共聚是以含功能基团的双酚作为共聚单体，制备功能化PEEK。该方法可以在现有PEEK工业制备工艺基础上进行，易于产业化生产。并且，该方法制备的功能化PEEK链结构中醚酮比基本不变，可保证在提升表面生物活性的同时，保持其机械性能。

通过亲核加成共聚在PEEK分子链中引入羧基通常有两种方法。第一种是采用侧链含有羧基的双酚类单体作为共聚单体。例如，崔超斐[46]先通过对苯醌和对氨基苯甲酸合成4C-PH 单体，然后将其和DFBP、双酚A 进行亲核加成共聚，获得了羧基改性的聚芳醚酮（PAEK-COOH）树脂，具体的合成路径如图22 所示。另一种方法是采用羧基对应的酯作为共聚单体，与DFBP 和HQ 进行亲核加成共聚制备共聚物后，再通过酯分解得到羧基改性PEEK。陆学庆等[47]采用侧链含有酯基的双酚类单体（如2，5-二羟基苯甲酸甲酯、2，5-二羟基苯甲酸乙酯、2，5-二羟基对苯二甲酸二甲酯、2，5-二羟基对苯二甲酸乙酯等）与DFBP 和HQ 共聚合成侧链含有酯基的聚醚醚酮，再通过酯分解反应，得到PEEK-COOH。该PEEK-COOH 具有良好的热稳定性，2%热失重温度达到493℃。如图23 所示，人骨肉瘤细胞（MG63）在PEEK-COOH 表面的增殖数目明显高于不含羧基的PEEK。

图22 基于4C-PH单体的PAEK-COOH合成路径[46]

图23 PEEK与PEEK-COOH表面MG63细胞增殖情况（CCK8检测od值与细胞数量成正比）[47]

3.3 卤代改性

苯环侧链烷基卤代反应是在含苯环聚合物中引入官能团的一种典型方式[48]。该反应已被用于聚苯乙烯和聚砜等芳香族主链聚合物的功能化改性[49]。一方面，含烷基的对苯二酚比对苯二酚的亲核能力更强；另一方面，在聚合物支链上引入烷基后溶解性增强，使得反应可以在环丁砜、N-甲基吡咯烷酮和N,N-二甲基乙酰胺等溶剂中进行。并且，烷基卤化后支链反应活性较高，可通过氧化等方法引入—OH、—CHO、—COOH、—CN、—COOCH3等功能化基团。

3.3.1 含烷基PEEK的合成

以2，5-二羟基甲苯、特丁基对苯二酚等含烷基对苯二酚与DFBP进行聚合，可以得到含烷基的聚醚醚酮。并且，烷基的电子释放效应，增强了对苯二酚加成的亲核性，可使聚合反应更容易进行。例如，采用环丁砜或N-甲基吡咯烷酮为溶剂，通过DFBP、HQ 和2，5-二羟基甲苯进行亲核取代反应，可以制备甲基聚醚醚酮（PEEK-CH3）[50-51]，反应式如图24。采用特丁基对苯二酚取代2，5-二羟基甲苯，在N，N-二甲基乙酰胺中与DFBP 进行聚合反应，也可以获得溶于N-甲基吡咯烷酮和四氢呋喃等极性非质子溶剂的叔丁基聚醚醚酮（PEEK-C4H9）[52]。

图24 含甲基PEEK的合成[50]

3.3.2 含烷基PEEK的卤代氧化

卤代反应有两种反应机制：一种是基于亲电取代机理的芳香族卤代反应，另一种是基于自由基取代机制的烷基卤代反应。低温和极性溶剂有利于亲电取代反应，高温和光照有利于自由基取代反应。通常，含烷基PEEK的卤代反应选择高沸点溶剂以及适当的光照处理，进行自由基取代。

以PEEK-CH3为原料，邻二氯苯为溶剂，在紫外照射下通过溴化反应可制得一溴甲基取代聚醚醚酮（PEEK-CH2Br） 和二溴甲基取代聚醚醚酮（PEEK-CHBr2）[53-54]，反应如图25所示。溴化程度与紫外光照和液溴用量有关。在无紫外光线照射下，PEEK-CH3与0.8倍摩尔当量的液溴反应4h后，得到的产物包含50% 的PEEK-CH2Br、6% 的PEEK-CHBr2和44%未反应的PEEK-CH3[53]。在长波紫外线照射下，PEEK-CH3与4 倍摩尔当量液溴反应2h 后，PEEK-CHBr2占比可达到97%[53]。凝胶渗透色谱分析结果显示，PEEK-CHBr2和PEEKCH3的分子量之比与重复单元460/302=1.5 相对应，表明PEEK-CH3在溴化过程中不会发生降解和交联反应。并且，PEEK-CHBr2可先通过水解生成二羟甲基，再经脱水转化为醛（PEEK-CHO），最后经氧化生成酸（PEEK-COOH），如图26所示。此外，PEEK-CH2Br也可以通过取代和氧化反应将各种官能团引入PEEK 中，获得PEEK-CH2OCH3、PEEKCOOCH3、PEEK-CH2OH、PEEK-CH2CN、PEEKCH2COOH、PEEK-CH2OCOCH3、PEEK-CH2N(C2H5)3Br、PEEK-CH2NH(C2H5)2Br、PEEK-CH2N(C2H5)2等功能化PEEK材料[54]，如图27所示。

图25 PEEK-CH3溴化反应式（n=x+y+z）[54]

图26 PEEK-COOH的制备及功能化反应式[53]

图27 PEEK-CH2Br功能化反应式[54]

卤化改性可制备含多种官能团改性PEEK 材料，并且未改变主链结构，仍具有良好的机械性能和热性能，例如PEEK-COOH 玻璃化转变温度为210℃。但是，存在反应流程长、步骤多、对溴化程度要求较高等问题。

4 结语

苯环位改性、酮基位改性和共聚改性是提高PEEK 材料生物活性的三种主要化学改性方法。苯环位改性具有方法简单、成本低等优点，但强酸处理可能会导致PEEK材料的降解，以及含硫、含硝化合物残留具有细胞毒性，因此强酸处理后的PEEK 作为植入体的长期影响仍有待进一步考察。酮基位改性在PEEK表面引入功能基团或进一步接枝引入生物活性物质，能够有效提高表面生物活性，但是PEEK主链中醚酮比显著改变，影响材料的机械性能和热性能。通过共聚改性在苯环侧链引入活性功能基团，可在保持PEEK 主链结构的同时，提升其生物活性，具有良好的发展前景。

目前对于多种功能基团共同作用下PEEK表面结构、生物活性的改变缺乏相关研究，而且PEEK改性后植入体生物活性检测仍局限于模拟体液、成骨细胞培养和短期小鼠体内植入等实验，材料的抑菌性能、临床使用效果和长期稳定性仍需要进一步考察。同时，针对医疗器械、牙齿、骨科植入体等不同的应用场景的特殊需求，可将物理和化学改性方法相结合，调控改性PEEK材料的综合性能，拓宽其在医疗领域的应用。