PEEK種植體性能優(yōu)化的研究進(jìn)展

汪茜蕓， 唐亮

暨南大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院(廣東廣州 510632)

口腔種植體是植入骨組織內(nèi)模仿天然牙根以支持上部牙修復(fù)體承受咀嚼力的部件。種植體修復(fù)材料需要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)異的生物活性、良好的生物相容性及穩(wěn)定的化學(xué)性能，鈦(titanium, Ti)及鈦合金憑借其優(yōu)良的理化性能一直作為種植修復(fù)的首選材料。然而體內(nèi)有害金屬離子的釋放以及金屬材料的阻射引起了人們的注意[1]，此外，鈦及鈦合金的彈性模量(102～110 GPa)為皮質(zhì)骨(14 GPa)的數(shù)十倍[2]，這種巨大差異將產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽作用，導(dǎo)致骨吸收或骨萎縮而影響種植義齒的遠(yuǎn)期成功率。為了克服力學(xué)限制和盡量減少植入后的負(fù)面生物反應(yīng)，人們開始尋求鈦的替代材料。聚醚醚酮(poly ether ether ketone, PEEK)為一種芳香族高分子聚合物，1977年由英國ICI公司成功開發(fā)并于1980年正式在英國生產(chǎn)使用。自面世以來，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、食品加工、電子電氣、醫(yī)療衛(wèi)生等各領(lǐng)域。PEEK因其優(yōu)異的耐磨性、可靠的生物安全性、易于加工性、X線透射性以及與牙體相近的顏色，高溫高壓滅菌不老化，彈性模量與骨組織相近等優(yōu)點(diǎn)，逐漸應(yīng)用于口腔種植領(lǐng)域并有替代鈦及鈦合金的趨勢[3]，但因彈性模量低、生物活性差和抗菌性弱等問題，PEEK作為種植體材料的實(shí)際應(yīng)用受到了一些限制，尋求優(yōu)化以改善其性能是目前研究的熱點(diǎn)。

1 優(yōu)化PEEK種植體的力學(xué)性能

純PEEK與人體骨骼之間的機(jī)械性能仍存在一定差距，導(dǎo)致彈性模量不匹配而產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，通過填入材料可改善其機(jī)械性能并使彈性模量與骨骼相匹配。將碳纖維(carbon fiber, CF)、玻璃纖維(glass fiber, GF)及陶瓷顆粒(ceramic particle)等材料混入PEEK中，可明顯提高PEEK的強(qiáng)度、彈性模量、抗疲勞性及耐磨性。純PEEK的彈性模量為3.6 GPa[4],玻璃纖維增強(qiáng)型PEEK (glass fiber-reinforced PEEK,GFR-PEEK)和碳纖維增強(qiáng)型PEEK(carbon fiber-reinforced PEEK,CFR-PEEK)的彈性模量分別為12 GPa[5]和18 GPa[4]，更接近皮質(zhì)骨的彈性模量(14 GPa)。

Abdulmajeed等[6]研究不同體積分?jǐn)?shù)的GF(51.7%、53.4%、56.2%、58.2%和61.7%)PEEK復(fù)合材料的機(jī)械性能，結(jié)果顯示GF的體積分?jǐn)?shù)從51.7%增加到61.7%時(shí)，彈性模量提高27%、韌性提高34%、承載能力提高15%、彎曲強(qiáng)度提高8%，據(jù)此提出在PEEK中添加GF可以有效地提高PEEK的機(jī)械強(qiáng)度和彈性模量。Qin等[7]研究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CF(25%、30%、35%、40%)對CFR-PEEK復(fù)合材料的機(jī)械性能、熱性能和細(xì)胞毒性的影響，通過力學(xué)性能評估顯示CFR-PEEK復(fù)合材料比純PEEK具有更好的熱穩(wěn)定性、更高的彎曲強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和硬度；25%CF(纖維長度：150～200 μm，纖維直徑：5～7 μm)增強(qiáng)的PEEK復(fù)合材料即可滿足人體骨骼的彈性模量和強(qiáng)度要求，實(shí)驗(yàn)還表明該復(fù)合材料具有低細(xì)胞毒性。BioHPP 系添加了30%陶瓷顆粒的改性PEEK復(fù)合材料，已作為種植基臺(tái)和種植上部支架材料應(yīng)用于臨床[8-9]，其彈性模量、彎曲強(qiáng)度和粘接性能較純PEEK有明顯改善[10]。

2 優(yōu)化PEEK種植體的成骨活性

PEEK具有優(yōu)異的機(jī)械性能、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)及可靠的生物安全性，其彈性極限和抗壓強(qiáng)度均符合口腔種植體要求[11]，但是源自化學(xué)結(jié)構(gòu)的優(yōu)異穩(wěn)定性使PEEK具有生物惰性，從而阻礙植入后的骨整合，限制了PEEK種植體的臨床應(yīng)用。因此，提高PEEK種植體的成骨活性顯得尤為重要。

2.1 引入生物活性填料 羥基磷灰石(hydroxyapatite, HA)、硅酸鈣(calcium silicate, CS)、二氧化鈦(titanium dioxide,TiO2)等因具有自發(fā)與活骨結(jié)合的能力而被稱為生物活性材料，并被作為骨植入材料應(yīng)用于臨床。

Ma等[12]將40%的納米羥基磷灰石(n-HA)和納米硅酸鈣(n-CS)分別加入到PEEK中，將所制成的n-HA/PEEK和n-CS/PEEK生物復(fù)合材料分別植入兔顱骨中，3D重建的微CT圖像顯示，n-HA/PEEK和n-CS/PEEK植入物周圍的骨接觸比純PEEK植入物更緊密；在組織學(xué)顯微照片中，大量的骨組織與n-HA/PEEK和n-CS/PEEK表面緊密接觸，而純PEEK僅被一層纖維結(jié)締組織包圍；定量結(jié)果表明n-CS/PEEK的骨接觸高于n-HA/PEEK。

Wang等[13]研制出納米氟羥基磷灰石PEEK(nano-FHA/PEEK)生物復(fù)合材料，在nano-FHA/PEEK上培養(yǎng)的細(xì)胞中檢測到較高的堿性磷酸酶活性和細(xì)胞礦化率，特別是在粗糙nano-FHA/PEEK表面的成骨樣細(xì)胞粘附和增殖率更高，新形成的骨組織與種植體直接接觸。

Wu等[14]將納米二氧化鈦顆粒(n-TiO2)混入PEEK中，生成的n-TiO2/PEEK納米復(fù)合材料的成骨活性明顯改善，n-TiO2/PEEK植入物周圍的骨體積百分比約為純PEEK的2倍。

2.2 引入表面改性材料 PEEK的優(yōu)化改性除制備復(fù)合材料外，還可進(jìn)行表面改性。表面改性包括表面化學(xué)處理、物理處理和表面涂層，其中最常用的方法為表面涂層。表面涂層系將HA、Ti、TiO2等生物活性材料通過旋涂、等離子噴涂和電子束蒸發(fā)等技術(shù)涂覆在PEEK種植體表面，可明顯增強(qiáng)PEEK的成骨活性，且不會(huì)影響材料的整體性質(zhì)。Lee等[15]用冷噴涂法制備HA涂層的PEEK復(fù)合物，體外實(shí)驗(yàn)顯示涂覆HA的PEEK上培養(yǎng)的細(xì)胞中堿性磷酸酶活性和鈣濃度更高，細(xì)胞粘附力和生存能力得到改善；動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示HA涂覆的PEEK植入物的骨-植入物接觸比、骨小梁數(shù)和骨小梁厚度較無涂層的PEEK有明顯提高。Ti具有高疲勞強(qiáng)度，生物相容性好，可促進(jìn)骨骼生長，Devine等[16]研究證實(shí)Ti涂層的CF/PEEK螺釘可顯著改善骨沉積。Han 等[17]通過電子束蒸發(fā)技術(shù)將納米多孔TiO2沉積到PEEK基底上，并將樣本浸入骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2, BMP-2)溶液中，發(fā)現(xiàn)涂有納米多孔TiO2BMP-2固定的PEEK的骨-植入物接觸比(60%)遠(yuǎn)高于其他樣品組，認(rèn)為納米多孔TiO2和BMP-2的協(xié)同作用更利于PEEK的骨整合。

類金剛石碳(diamond-like carbon, DLC)、鈣(calcium, Ca)和鉭(tantalum, Ta)等也具有引導(dǎo)成骨作用。Wang等[18]通過等離子體浸沒離子注入和沉積(plasma immersion ion implantation and deposition, PIII&D)技術(shù)將DLC涂覆于PEEK上，細(xì)胞活力測定表明DLC/PEEK上的成骨細(xì)胞附著、增殖和分化優(yōu)于無涂層PEEK，納米壓痕測試表明DLC/PEEK的表面硬度有所提高，提出PIII&D產(chǎn)生的DLC/PEEK結(jié)合了DLC和PEEK的優(yōu)點(diǎn)，更適合作為骨植入物。Lu等[19]使用Ta離子作為PEEK涂層材料，體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)表明涂覆有Ta離子的PEEK增強(qiáng)了大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附、增殖和成骨分化且彈性模量更接近人類皮質(zhì)骨。隨后的研究還證實(shí)PEEK表面涂覆Ca離子同樣可以改善PEEK種植體的成骨活性[20]。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)硅(Si)元素?fù)饺隤EEK表面可促進(jìn)骨整合[21]。

2.3 引入化學(xué)官能團(tuán) PEEK通過表面化學(xué)處理，引入相應(yīng)的活性基團(tuán)如磺基、硝基及磷酸基團(tuán)也可改善其性能。

Miyazaki等[22]用97%H2SO4和CaCl2溶液依次處理純PEEK和30%CF/PEEK復(fù)合材料樣品表面，發(fā)現(xiàn)H2SO4處理后PEEK樣品的接觸角較未處理組均顯著降低，經(jīng)處理的樣品均可在模擬體液(SBF)中形成磷灰石，但CF/PEEK復(fù)合材料顯示出的磷灰石形成能力明顯高于純PEEK。

Ma等[23]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)硝酸(HNO3)處理的PEEK表面攜帶硝基官能團(tuán)，在體外實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出明顯的磷灰石形成能力，且細(xì)胞相容性更好。

表面引入磷酸基團(tuán)的PEEK也表顯出較好的成骨活性，磷酸化作用可增強(qiáng)植入物周骨代謝活性和含鈣礦物質(zhì)的沉積，且可阻止纖維組織長入種植體與周圍骨骼之間[24]。Zheng等[25]通過對兔脛骨近端缺損模型進(jìn)行的體內(nèi)生物學(xué)評估證實(shí)，表面磷酸化的PEEK具有增強(qiáng)成骨細(xì)胞的黏附、擴(kuò)散、增殖和成骨分化。

2.4 修改表面形態(tài) 表面化學(xué)或物理處理可使PEEK種植體的表面形成三維多孔狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有利于成骨細(xì)胞在PEEK種植體的表面附著[26-27]。表面化學(xué)溶劑的處理如磺化、硝化在修改表面形態(tài)的同時(shí)改變了表面的化學(xué)性質(zhì)，而物理處理可保持表面化學(xué)性質(zhì)不變。Khoury等[28]使用加速中性原子束(accelerate neutral atom beam, ANAB)技術(shù)處理PEEK，使PEEK表面形成2～3 nm的微孔結(jié)構(gòu)，體外實(shí)驗(yàn)顯示，與對照組PEEK相比，ANAB處理PEEK上的成骨樣細(xì)胞增殖力可顯著增強(qiáng)，細(xì)胞礦化率也明顯增加(21 d時(shí)為6.4倍)，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，經(jīng)ANAB處理PEEK種植體的種植體-骨接觸強(qiáng)度增強(qiáng)了3.09倍。提示ANAB處理后形成的粗糙表面對PEEK種植體具有增強(qiáng)其成骨活性的潛力，從而導(dǎo)致骨形成并顯著減少種植體的骨整合時(shí)間。

噴砂或等離子氣體如水蒸氣、氧氣和氨氣等處理也可在PEEK表面形成納米級的粗糙結(jié)構(gòu)。Xu等[29]使用氧等離子體和噴砂處理碳纖維增強(qiáng)的納米羥基磷灰石聚醚醚酮(n-HA/CFR-PEEK)三元生物復(fù)合材料的表面而產(chǎn)生了納米形的結(jié)構(gòu)，具有納米形表面的n-HA/CFR-PEEK復(fù)合材料可以觸發(fā)細(xì)胞的體外成骨分化活動(dòng)，與未處理組的體內(nèi)測試相比，經(jīng)處理的n-HA/CFR-PEEK三元生物復(fù)合材料種植體周的骨密度更高。

3 優(yōu)化PEEK種植體的親水性

種植體的親水性影響種植體的早期骨整合，未經(jīng)處理的PEEK表面為疏水性，提高PEEK表面的親水性是其作為口腔種植體的必要條件。

Waser-Althaus等[30]使用10～200 W功率的氧氣/氨氣等離子體處理PEEK 5 min，靜態(tài)水接觸角測定顯示經(jīng)處理的PEEK表面親水性增加，同時(shí)氧等離子體功率的增加也會(huì)導(dǎo)致接觸角的減小，即10W的接觸角為40°，200 W的接觸角為5°，而未處理PEEK樣品的接觸角超過80°。

Al Qahtani等[31]用紫外線UV-A(382 nm，25 mWcm2)和UV-C(260 nm，15 mWcm2)照射PEEK種植體40 min，動(dòng)態(tài)接觸角(contact angle, CA)分析顯示未暴露的種植體為疏水性(CA>90°)，而經(jīng)暴露的PEEK植入物則有親水化(CA=79°)。Naauman等[32]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)紫外線照射的PEEK表面的氧含量越高，改善親水性的效果越明顯，認(rèn)為與UV-A相比，UV-C可更好的誘導(dǎo)種植體的親水性。

4 優(yōu)化PEEK種植體的抗菌性

種植體周的細(xì)菌感染會(huì)導(dǎo)致其松動(dòng)脫落，PEEK種植體因缺乏天然的抗菌性而需進(jìn)行改性。通過表面處理，引入帶負(fù)電荷的硫、氟、氮和含氧基團(tuán)或形成微孔狀表面，可減少細(xì)菌的黏附，而達(dá)到提高抗菌性的目的[33-35]。PEEK表面經(jīng)濃硫酸磺化后形成帶有磺基的三維微孔狀結(jié)構(gòu)，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均具有出色的抗菌性[36]。

一些具有天然抗菌特性的涂料，如銀(Ag)、硒(Se)和殼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納米銀對其抗菌性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著納米銀涂層厚度的增加，納米銀涂層的PEEK樣品表面粗糙度顯著增加，抗菌活性也增強(qiáng)，且未顯示出細(xì)胞毒性。Wang[38]等指出涂覆有納米硒的PEEK樣品在1～3 d內(nèi)比未涂層的PEEK能顯著抑制銅綠假單胞菌的生長。Xu等[36]通過共價(jià)接枝羧甲基殼聚糖(carboxymethyl chitosan, CMC)改善n-HA/CFR-PEEK三元生物復(fù)合材料的抗菌性，表明CMC和n-HA/CFR-PEEK結(jié)合能顯著抑制金黃色葡萄球菌的黏附和生長。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，PEEK可通過多種方法和材料進(jìn)行修飾以改善其作為口腔種植體材料的性能。碳纖維、玻璃纖維及陶瓷顆粒等材料的混入可改善PEEK種植體的力學(xué)性能；磺化、硝化、涂覆HA等生物活性材料及制備n-TiO2/PEEK等復(fù)合材料可提高PEEK種植體的成骨活性；等離子體處理和紫外線照射等可在PEEK種植體表面形成親水基團(tuán)以提高其親水性；銀等抗菌材料的引入和表面形貌的修改可提高PEEK種植體的抗菌性。大量的改性研究可為PEEK種植體的開發(fā)應(yīng)用提供機(jī)械和生物學(xué)的解決途徑。但是目前這些改性方法也存在一定局限性，如何保持改性表面的穩(wěn)定性以及如何制備生物活性PEEK復(fù)合材料時(shí)保持原PEEK優(yōu)異的機(jī)械性能等還需進(jìn)一步研究。此外上述研究多局限于體外和動(dòng)物試驗(yàn)，尚未經(jīng)過廣泛的臨床測試。因此，在未來PEEK種植體的改性研究中，應(yīng)注重賦予改性材料更好的穩(wěn)定性并進(jìn)行更多的臨床研究。