聚醚醚酮植入材料接枝改性的研究進(jìn)展*

白澗飛 陳 良 王德飛 劉 紅

聚醚醚酮[Poly(ether-ether-ketone),PEEK]是一類半結(jié)晶高分子材料，具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如較好的生物相容性，優(yōu)良的機(jī)械性能，穩(wěn)定的化學(xué)性能[1,2]，與牙體顏色相近[3,4]，高壓滅菌后不發(fā)生老化，具有透射性，不會(huì)影響手術(shù)部位的X線評(píng)估[5]。近年來，PEEK在口腔種植領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注，許多種植品牌將其用于愈合基臺(tái)的修復(fù)材料[6]。相對(duì)于鈦或氧化鋯基臺(tái)，PEEK基臺(tái)的修整更簡(jiǎn)便;由于其透射性，牙冠粘接后的殘余粘接劑更容易及時(shí)發(fā)現(xiàn)和清理[7]。但PEEK本身的生物惰性不利于細(xì)胞黏附和增殖[8]，改善其生物活性成為拓展其在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。

改善PEEK生物活性的常用方法主要包括共混處理和表面處理[4]。共混處理是將其他材料加入到PEEK基質(zhì)內(nèi)，如加入羥基磷灰石(HA)粒子使PEEK生物活性得以增加，但由于HA粒子和PEEK基質(zhì)的嚴(yán)重剝離，減弱了PEEK優(yōu)良的機(jī)械性能[9-11]。表面處理則是通過單純處理表面或與涂層相結(jié)合，如在PEEK表面添加HA涂層，促進(jìn)了骨結(jié)合力，但是易分層，導(dǎo)致混合物的韌性和粗糙度下降[5]。接枝改性由于只在材料表面發(fā)生反應(yīng)，保留了PEEK優(yōu)良的機(jī)械性能。

接枝改性是指通過化學(xué)處理，光輻射等方法將各種官能團(tuán)加入到聚合物表面[12]，即利用引發(fā)劑產(chǎn)生的自由基或輻照在聚合物骨架上產(chǎn)生活性點(diǎn)，然后在活性點(diǎn)上引入接枝單體，形成含官能團(tuán)的側(cè)鏈，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料的改性。單純的濕化學(xué)處理，光輻照和等離子體處理雖然也可以在表面引入極性基團(tuán)，但從長期來看，由于極性基團(tuán)的旋轉(zhuǎn)或遷移，親水性表面會(huì)在幾小時(shí)或幾天后恢復(fù)到原來的狀態(tài)。接枝改性則通過接枝單體的活性基團(tuán)與材料表面引入的極性基團(tuán)形成共價(jià)結(jié)合來抑制極性基團(tuán)的旋轉(zhuǎn)或遷移，將親水表面的保持時(shí)間最多延長至90 天[10]。

本文主要介紹接枝改性的三種方法，即紫外光輻照表面接枝法、濕化學(xué)接枝法和等離子體接枝法，并討論各種方法的優(yōu)勢(shì)與不足。

1.紫外光輻照表面接枝

紫外光引發(fā)的接枝聚合反應(yīng)是簡(jiǎn)單快速廉價(jià)的改性技術(shù)，具有如下突出的優(yōu)點(diǎn)：接枝鏈與基體分子鏈以化學(xué)鍵相連，可以穩(wěn)定持續(xù)地保持接枝改性所獲得的表面性能；紫外光與高能輻射相比，對(duì)材料的穿透力較差，故接枝聚合可以嚴(yán)格地限定在材料的表面或是亞表面進(jìn)行，不會(huì)損壞材料的基體性能；紫外輻射的光源及設(shè)備成本低，易于連續(xù)化操作。二苯甲酮是光接枝反應(yīng)中常用的光引發(fā)劑[13]，由于PEEK具有類二苯甲酮結(jié)構(gòu)[14]，紫外光照射下，二苯甲酮單元發(fā)生磷酸酯化反應(yīng)[7]，生成半二苯甲酮自由基引發(fā)接枝聚合，使單體在沒有光引發(fā)劑存在的情況下自聚合制備出具有微米級(jí)的高親水表面[13]。

1.1 丙烯酰胺接枝 在沒有苯甲酮存在的情況下，丙烯酰胺作為接枝單體可將酰胺基引入到PEEK表面。在紫外光照射下，Chen[15]將PEEK薄片浸泡在0.5mol/L的丙烯酰胺水溶液中，一定時(shí)間后將樣品取出，清洗晾干，獲得改性樣本。掃描電鏡顯示未改性的PEEK表面光滑，經(jīng)過接枝改性的PEEK表面則十分粗糙，具有一些條狀和不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。當(dāng)照射時(shí)間少于25分鐘時(shí)，材料的接觸角隨處理時(shí)間的增加而降低，意味著親水性不斷提高；當(dāng)照射超過25分鐘，接觸角變化不大，可能由于丙烯酰胺達(dá)到飽和，使得進(jìn)一步的反應(yīng)更為艱難。與照射時(shí)間相似，在一定范圍內(nèi)，PEEK表面的親水性隨丙烯酰胺單體濃度增加而提高。

1.2 透明質(zhì)酸(MeHA)接枝 二氧化鈦靜電紡絲密度低，具有生物相容性，很容易混雜在其他材料中來增加表面粗糙度，從而促進(jìn)成骨分化，是醫(yī)療材料表面功能化的理想選擇。透明質(zhì)酸是一種存在于結(jié)締組織的酸性粘多糖，其主鏈可以通過受體連接到間充質(zhì)干細(xì)胞表面。單純接枝透明質(zhì)酸會(huì)降低表面粗糙度，對(duì)于成骨細(xì)胞分化不利；引入二氧化鈦靜電紡絲后，表面粗糙度大有提升，顯著改善細(xì)胞的附著和分化。綜合這些方面，Liu[16]提出利用二氧化鈦靜電紡絲模仿皮質(zhì)骨的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，利用紫外光照射下甲基丙烯酸透明質(zhì)酸與PEEK形成穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)合來增強(qiáng)PEEK的生物活性。結(jié)果顯示，在未處理的PEEK表面，細(xì)胞為圓形且未與表面接觸，而PEEK-MeHA-TiO2表面的細(xì)胞偽足擁有更加鋒利的邊緣和更高的長寬比，證明有更高程度的細(xì)胞極性和細(xì)胞分化潛能，細(xì)胞活性更強(qiáng)，利于細(xì)胞擴(kuò)增和組織修復(fù)。

2.濕化學(xué)接枝法

“濕化學(xué)”，即在常規(guī)條件下用化學(xué)反應(yīng)將有機(jī)分子嫁接到固體物質(zhì)表面的一種方法[17]。濕化學(xué)接枝法是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的表面處理方式，相對(duì)于其他方法，價(jià)格較低廉[18]。常用的濕化學(xué)接枝法有硫酸磺化接枝、多巴胺聚合接枝等。

2.1 硫酸磺化接枝 濃硫酸磺化后材料表面形成了3D多孔結(jié)構(gòu)。通過骨組織向孔隙內(nèi)長入，多孔結(jié)構(gòu)可以增加種植體與骨的結(jié)合力[19]。此外，由于多孔結(jié)構(gòu)與細(xì)胞外基質(zhì)提供的微環(huán)境相近，有利于細(xì)胞附著和增殖[20]。硫酸基團(tuán)帶負(fù)電荷，可以吸引帶正電荷的鈣離子，促進(jìn)成骨轉(zhuǎn)化。除此之外，帶負(fù)電荷的表面對(duì)于細(xì)胞黏附蛋白更具有吸引力，阻礙非特異性蛋白的附著[21]。含硫化合物具有消毒性能，可以預(yù)防感染，提高種植手術(shù)成功率，但是多余的硫酸會(huì)對(duì)人體細(xì)胞產(chǎn)生消極影響，比如含有較低硫原子價(jià)的含硫化合物有可能產(chǎn)生氧自由基，損傷細(xì)胞，二氧化硫及其衍生物可以造成DNA損傷[22]。

Sun[23]利用濃硫酸在PEEK表面形成三維多孔結(jié)構(gòu)，利用凍干技術(shù)成功地將骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(Bone morphogenetic protein-2， BMP-2)引 入S-PEEK表面。BMP-2可以促進(jìn)骨缺損的愈合和修復(fù)，誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，從而促進(jìn)成骨?；撬峄ㄟ^靜電相互作用調(diào)節(jié)BMP-2的釋放，在S-PEEK表面形成微酸性環(huán)境，維持了蛋白質(zhì)的生物活性。結(jié)果顯示，S-PEEK表面細(xì)胞呈球形，絲狀偽足不明顯，而BMP-2固定后的表面細(xì)胞粘附與分布很好，并且具有很多絲狀偽足；固定BMP-2的樣品表面的細(xì)胞具有很高的堿性磷酸酶活性，即具有較好的成骨能力。

2.2 多巴胺聚合接枝 在pH=8.5的弱堿性水相環(huán)境中[24]，多巴胺分子之間發(fā)生氧化聚合反應(yīng)，在材料表面形成富含鄰苯二酚官能團(tuán)的聚多巴胺涂層[20]，涂層可以與胺和硫醇基團(tuán)發(fā)生共價(jià)結(jié)合[25]，從而引發(fā)進(jìn)一步接枝反應(yīng)。Kwon[24]利用聚多巴胺和膠原蛋白的共價(jià)結(jié)合將膠原蛋白固定在表面。多巴胺可以保證膠原蛋白更均勻的分布和適當(dāng)?shù)暮穸龋瑥亩贡砻婕?xì)胞附著、增殖和分化能力增強(qiáng)。聚多巴胺的羥基和膠原蛋白的氨基結(jié)合從而獲得強(qiáng)大連接。膠原蛋白是骨細(xì)胞外基質(zhì)的主要組成部分，在表面產(chǎn)生了一個(gè)類似細(xì)胞外基質(zhì)的表面，可以幫助改善細(xì)胞附著、增殖和分化。掃描電鏡顯示未經(jīng)處理的PEEK表面光滑缺乏多孔結(jié)構(gòu)，相反，多巴胺聚合后，PEEK表面富含由多巴胺聚合產(chǎn)生的皺褶結(jié)構(gòu)，表面變得粗糙，并且提供了幫助細(xì)胞附著的化學(xué)官能團(tuán)，因此細(xì)胞附著率大大增加。

濕化學(xué)接枝改性也具有一些缺點(diǎn)：濕化學(xué)接枝反應(yīng)在表面生成一系列的含氧基團(tuán)，增加了后續(xù)實(shí)驗(yàn)的不確定性，不利于定向固定蛋白質(zhì)材料，反應(yīng)不夠精確；反應(yīng)重復(fù)性差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果隨機(jī)性大；反應(yīng)過程中會(huì)釋放有毒的化學(xué)污染物；反應(yīng)導(dǎo)致材料表面的不規(guī)則刻蝕，對(duì)材料基體性能影響較大。因此，該種改性方法只適用于實(shí)驗(yàn)室的操作而不適用于工業(yè)級(jí)的應(yīng)用[13]。

3.等離子體接枝改性

等離子體俗稱物質(zhì)存在的第四態(tài)，是指在一定強(qiáng)度的電場(chǎng)作用下，氣體中的原子受到激發(fā)，內(nèi)部帶電粒子發(fā)生加速運(yùn)動(dòng)相互碰撞后進(jìn)行能量傳遞，最后電離放電而形成的一種物質(zhì)[26]。等離子體處理改變了材料的粗糙度、可濕性和表面成分。從微觀角度講，等離子體撞擊樣本表面，打破共價(jià)鍵，替換原子，將聚合鏈拆分并打亂順序；未配對(duì)的電子通過結(jié)構(gòu)擴(kuò)散與自由基發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生鏈內(nèi)或鏈間的交聯(lián)產(chǎn)物。通過新形成的基團(tuán)與多種生物分子形成共價(jià)鍵結(jié)合，防止結(jié)合蛋白被其他與表面有更大親和力的蛋白取代，使表面具有更好的生物活性[27]。

3.1 空氣等離子體接枝 Fukuda[11]對(duì)PEEK進(jìn)行空氣等離子體處理以生成羥基，然后用磷酰氯對(duì)得到的羥基進(jìn)行改性。等離子體處理和磷酸基修飾使PEEK的疏水表面變成親水表面，同時(shí)保持了與原始表面相近的形貌和粗糙度；磷酸基修飾提高了細(xì)胞的生物活性。骨修復(fù)過程受骨細(xì)胞和免疫細(xì)胞的調(diào)控。成骨的增加以及巨噬細(xì)胞表型的適當(dāng)調(diào)節(jié)是種植成功的先決條件。細(xì)胞因子檢測(cè)顯示，與未經(jīng)處理和單純等離子體處理的PEEK相比，磷酸基修飾的PEEK表面的巨噬細(xì)胞產(chǎn)生較低水平的致炎因子和較高水平的抗炎因子，表明磷酸基修飾減弱了巨噬細(xì)胞向炎性表型的表型極化，減少了過度的炎癥反應(yīng)。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，磷酸基修飾的PEEK與未經(jīng)任何處理的PEEK相比，顯示出雙倍的股骨骨髓腔拔出力，表明成骨細(xì)胞活性較高。因此，磷酸基修飾可以通過提高成骨細(xì)胞活性和減少過度的炎癥反應(yīng)來提高PEEK種植體與骨的結(jié)合強(qiáng)度。

3.2 氬氣等離子體接枝 Wang[28]采用簡(jiǎn)單磺化與氬氣等離子體處理相結(jié)合的方法，制備了具有特定官能團(tuán)(-NH2和-COOH/-COOR)的PEEK。其使用的等離子體處理系統(tǒng)基于大氣壓下介質(zhì)阻擋放電的原理，可以通過引入含氧官能團(tuán)(-COOH/-COOR)來改變表面化學(xué)狀態(tài)。氧官能團(tuán)的增加明顯高于氮官能團(tuán)，可能由于氮分子較低的反應(yīng)活性和較強(qiáng)的離解能?？咕囼?yàn)表明，等離子體處理得到的微/納米形貌賦予PEEK良好的抑菌性能。體外研究顯示，在等離子體處理的PEEK表面上，成骨細(xì)胞的附著和增殖、細(xì)胞活力、堿性磷酸酶活性、鈣結(jié)節(jié)形成以及成骨相關(guān)基因的表達(dá)得到改善。這些結(jié)果表明，氬等離子體處理PEEK具有優(yōu)異的生物相容性和抑菌性能，在植入性應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。

3.3丙烯酸等離子體接枝 鄭延延[29]利用丙烯酸等離子體處理PEEK表面引入羧基，并利用羧基將RGD肽(精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸肽)化學(xué)鍵合在PEEK表面。結(jié)果顯示成功引入羧基并鍵合RGD肽，改性后PEEK優(yōu)良的機(jī)械性能無明顯改變，明顯改善了成骨細(xì)胞附著與增殖。

4.展望

接枝改性由于只在表面發(fā)生變化，不涉及整體的改變，有利于保存PEEK優(yōu)良的機(jī)械性能，但反應(yīng)過程復(fù)雜，應(yīng)對(duì)其機(jī)理做進(jìn)一步的研究，改進(jìn)接枝方法以便更精確地改造PEEK，使其在口腔種植領(lǐng)域得到長遠(yuǎn)的發(fā)展。如利用各向異性細(xì)胞黏附微結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)細(xì)胞遷移，通過表面圖案化將各向異性結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性特點(diǎn)轉(zhuǎn)達(dá)到與其黏附的細(xì)胞上，從而使細(xì)胞發(fā)生定向遷移[30]。