骨科植人聚醚醚酮材料的表面改性及生物相容性研究

劉潔

摘要：聚醚醚酮是一種具有優(yōu)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應用中很受歡迎的新型材料，因為其具有出色的物理和化學特性，且不可被射線穿透。但是其生物活性較差，目前，表面改性方法可以有效提高聚醚醚酮的生物活性，使其更易于骨組織鍵合，已成為骨科植入材料研究的熱點。文章介紹了物理法、化學法以及輻射改性法3種不同類別的改性技術，并分析了不同改性技術的優(yōu)劣及對于提高生物相容性的幫助，最后展望了聚醚醚酮材料表面改性的發(fā)展前景。

關鍵詞：聚醚醚酮;骨科植入材料;表面改性

中圖分類號：0647.4

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）07-0022-05

聚醚醚酮（PEEK）是當今最熱門的高性能植入材料，其復合材料作為骨科植人物是多年來人們探索與骨骼相近彈性模量材料學的研究的一種，主要目的是減少人體對植入物的排斥反應以及提高材料的的耐用性叫。聚醚醚酮及其復合物在骨科、整形外科和脊柱外科應用中已經成為十分受歡迎的新型材料。

1聚醚醚酮的基礎研究

聚醚醚酮是一種強度高、易加工、性能好的全芳香族高性能工程塑料，是一種高化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的不可吸收的熱塑性聚合物，具有良好的機械性能以及與骨骼相似的剛度，并具有良好的放射不透明性，可用于術后可視化?；谏鲜鰞?yōu)點，各國學者從20世紀80年代起就開始研究聚醚醚酮及其聚合物作為骨科植入物叫。通過體外細胞培養(yǎng)、動物體內植入等方法對聚醚醚酮及其復合物的致突變性、細胞毒性、細胞增殖率、遺傳毒性、粘附性、生物相容性等指標進行了測量一升，研究結果表明期不具有細胞毒性、致突變性等對人體負面作用，并具有優(yōu)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，植入后與人體的骨組織鍵合不易發(fā)生等，這些缺點大大限制了其作為骨科植人物的應用范圍及應用前景。因此，各國研究者們通過各種改性：方法提高聚醚醚酮的生物活性以及骨組織鍵合相容性，常用的方法有物理共鍵結合法、化學改性去、輻射照射改性法等。

2物理改性

聚醚醚酮具有化學惰性，因此對其表面改性經常采用的是表面物理改性，如圖1所示。

2.1等離子體浸沒離子注入與沉積法

等離子體浸沒離子注入與沉積（plasma?immer-sionion?implantation?&?deposition，PlI&D）技術可在聚醚醚酮表面引入多種元素或者化學官能團，實現(xiàn)對材料力學性能、生物活性以及抗菌性的調控，具有較佳的應用前景。作為可植入材料，碳纖維增強聚醚醚洞（CFRPEEK）具有與皮質骨相似的可調彈性模量，是替代金屬外科植入物的主要候選材料。但是，碳纖維增強聚醚醚酮的生物惰性和不良的成骨特性限制了其作為整形外科植入物的臨床應用。在這項工作中，Lu，Tao等以通過等離子浸人離子注入（PII）將鈦離子大力引入碳纖維增強聚醚醚酮。掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線光電子能譜（XPS）揭示了納米孔的形成，其側壁和底部嵌入了碳纖維增強聚醚醚酮表面的類似于20nm的TiO，納米顆粒。納米壓痕測量證實了結構化表面的穩(wěn)定性和改善的彈性阻力。體外細胞粘附、活力測定和實時PCR分析揭示了大鼠骨間充質干細胞（bMSCs）的粘附，增殖和骨分化增強。聚醚醚酮上的多級結構還對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌表現(xiàn)出部分抗菌活性。研究結果表明可以通過多層次的表面工程來生產具有多功能生物學特性的表面，并且基于該方案可以擴大和加快碳纖維增強聚醚醚酮在整形外科和牙科植人物中的應用。

2.2共混結合改性法

共混結合改性（Blending?Modification）是最常用的PEEK改性方法之一，將一些活性成分如羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）等與PEE結合進行改性，這種方法可以顯著提高聚醚醚酮復合材料的物理性能，如圖2所示。羥基磷灰石被選為涂料來源因為它可以直接與骨骼結合，并且可以輕松地合成為適合均勻新涂層的珠子形態(tài)。因此，被用來作為聚醚醚酮共性混合改性最常用的第二相材料。FanX等間采用原位熔融縮聚法制備了聚氨基酸、羥基磷灰石和硫酸鈣的三元復合物（PAA/HA/CS），并對其機械強度，體外降解性，生物活性以及在體外和體外進行了評估。體內生物相容性。結果表明，該三元復合材料的壓縮強度為147MPa，彎曲強度為121MPa，抗張強度為122MPa，抗張模量為4.6CPa.浸泡在模擬體液中后，復合材料的壓縮強度在6周內從147降低至98MPa，在8周內抗彎強度從121降低至75MPa，并且在隨后的浸泡時間內它們]都保持穩(wěn)定。當在隨后的幾天中開始保持穩(wěn)定的重量后，在磷酸鹽緩沖溶液中浸泡3周后，復合材料可能會緩慢降解，初始重量減少7.27%。將復合材料浸泡在模擬的體液中，羥基磷灰石層（如花狀顆粒）形成在復合材料樣品的表面，具有良好的生物活性。此外，發(fā)現(xiàn)該復合物可以促進MG-63細胞的增殖，并且具有正常表型的細胞在復合物表面上延伸并良好地擴散。將該復合物植入綿羊的尺骨證實了該復合物在體內具有生物相容性和骨傳導性，并為臨床應用中的承重骨替代物提供了PAA/HA/CS復合材料。

2.3冷噴涂技術

冷噴涂技術（ColdSpraying）的基本過程涉及在加熱含涂層源的壓縮氣體以類似于發(fā)射子彈的方式瞄準PEEK基材。涂料空氣源通過噴氣加速到超音速與PEEK基材碰撞。后續(xù)的涂層顆粒與先前涂覆的顆粒連續(xù)碰撞以嵌入它們深入PEEK基材并形成膠粘劑涂層。

冷噴涂方法可以在較低的溫度下進行，因為涂層過程利用了來自燒制的材料?；牡拇蠖鄶?shù)部分不必因熱發(fā)生過程而卷人，僅需在表面上將要形成的涂層暴露于直接涂層環(huán)境。此外，具有預先進行熱處理可以用作涂，層源，因此，可以省略后熱處理，可以保持材料的特性。涂層通過冷噴涂法生產的產品粘附在基材上緊密并具有均勻的厚度。冷噴涂法生產效率高且無害，噴涂是一個快速的過程，許多樣品可以輕松同時進行處理。LeeJH等T應用冷噴涂方法制備了羥基磷灰石（HA）涂層的聚醚醚酮雜化材料，并在體外和體內評估了其骨整合。通過冷噴涂方法，HA涂層形成均勻的層并牢固地粘附到PEEK椎間盤植人物上。當在體外測試該材料時，早期細胞粘附和生存能力得到改善。在HA包被的聚醚醚酮盤上培養(yǎng)的細胞中，堿性磷酸酶（ALP）活性和鈣濃度也更高。另外，在這些細胞中成骨細胞分化標志物如ALP，骨唾液蛋白和矮子相關轉錄因子2的表達增加。對于體內測試，我們通過壓入配合法將HA涂層的PEEK鋼瓶設計并植入到兔骨模型中。骨一植入物的接觸比，小梁數(shù)和小梁厚度可通過三維顯微計算機斷層掃描或常規(guī)二維組織形態(tài)分析法確定。該報告表明，PEEK植入物上的HA涂層加上冷噴涂方法可提高體外生物相容性并促進體內骨整合，這表明HA涂層可改善臨床應用中使用的各種醫(yī)療器械的生物功能。

2.4氣溶膠沉積法

氣溶膠沉積法（Aerosol?Deposition，AD）是一種形成致密且附著力強的陶瓷涂層的方法。它以固體粉末顆粒為原料，涂層由高能粒子碰撞到基材上。因為AD是在室溫下進行，無需沉積后熱處理為了進一步致密化，起始粉末及其生成物涂料具有相同的成分，因此可以通過處理粉末來生產具有精確控制成分的涂料組成。因此，AD非常適合在溫度敏感的基材上沉積陶瓷涂層如塑料，不會對基材造成熱降解。HahnBD等使用氣溶膠沉積在醫(yī)療級PEEK上開發(fā)了高度致密且粘附力強的羥基磷灰石涂層，而不會引起PEEK的熱降解。羥基磷灰石涂層具有致密的微觀結構，沒有裂紋或氣孔，并且在14.3MPa以上的粘合強度下表現(xiàn)出對PEEK的良好粘合性。通過水熱退火作為沉積后熱處理，羥基磷灰石涂層的結晶度得到了顯著提高。另外，通過氣溶膠沉積法的羥基磷灰石涂層顯著增強了PEEK在細胞粘附形態(tài)，細胞增殖，分化以及骨與植入物的接觸比方面的體外和體內生物相容性，如圖3所示。

3輻射改性

輻射改性（Irradiation?Treatment）往往是PEEK改性的首要步驟，因為PEEK是化學惰性的，通過在PEEK表面加人新的化學基團，提高PPEK的化學反應活性，為下一步的改性打下基礎。

3.1紫外輻射

在波長范圍為126～222nm的紫外線可以被有機材料很好地吸收。準分子燈發(fā)出的紫外激光可具有足夠的能量照射PEEK，以破壞PEEK表面上的分子鍵。分子鍵的破壞會導致許多光物理，熱和光化學過程發(fā)生，這種影響不僅限于材料的表面層，而且還會改變其整體性質。使用準分子激光進行表面修飾以提高生物相容性是一項十分常用及悠久的技術。研究發(fā)現(xiàn)，利用紫外輻射改性PEEK能夠有效促進細胞在PEEK表層的結合率[9]。

3.2加速中性原子束技術

加速中性原子束（Acceleratedne?utral?atom?beam，ANAB）技術利用了由氣體團簇離子束（GCIB）產生的高能氣體團簇離子的轉換該方法將重合的中性氣體原子準直光束的平均能量控制在每原子小于10eV到每原子超過100eV的范圍內。一束加速的氣體團簇離子是首先按照GCIB中的常規(guī)方法生產，但是源電離器和萃取區(qū)的條件進行調整，使電離和加速后，團簇立即與非電離氣體原子。這些碰撞過程中的能量轉移導致高能簇離子釋放它們的許多組成原子。然后使用靜電偏轉器消除帶電物質，使釋放的中性原子仍然以與鍵合時相同的速度共同行進父集群的組件。在目標撞擊時，加速的中性原子束產生效果類似于通常與GCIB相關的效果，但深度較淺，表面損傷較小。

目前生物醫(yī)學的應用正在開發(fā)中，迄今為止的工作已經證實，高能中性原子束可以有益地改變金屬的表面特性，而不會引起整體降解這些材料的特性，改變表面粗糙度，紋理，化學組成，分子結構等。已經用Ar高能中性束處理PEEK證明可顯著增強成骨細胞附著和擴散。圖4為未處理的PEEK培養(yǎng)盤和通過Ar中性原子束處理過的材料，暴露于含有人類成骨細胞的溶液中14d后，未經處理的對照樣品表面幾乎沒有細胞反應，但是經中性原子束技術處理后的PEEK培養(yǎng)盤表面表現(xiàn)出強烈的細胞附著和快速的細胞增殖。中性原子束暴露導致PEEK表面變成親水性，這可能是導致觀察到的細胞反應加快的原因。原子顯微鏡檢查的PEEK表面已顯示出表面的納米級紋理可能是由于高能中性原子束處理引起的，并且懷疑納米級粗糙度可能會在促進細胞增殖過程發(fā)揮重要作用[10]。

3.3準分子激光輻照

準分子激光輻照（Excimer?Laser?Irradiation）技術，是指在聚醚醚酮受到高能量準分子激光輻射條件下，從而引入極性官能團進而優(yōu)化其生物活性。Lau-rensp叫研究了受激準分子激光輻射在低于材料燒蝕閾值的激光注量下對不同類型的聚合物表面（聚醚-醚酮（PEEK），聚碳酸酯（PC）和環(huán)氧樹脂）進行的改性。特別注意了激光輻照波長（193或248nm）對被處理表面的性質和特性的作用。結果表明，對于所有研究的聚合物，在193nm處處理后均獲得了更強的反應性。在此波長下，原始聚合物表面被紫外線光子強烈改性;發(fā)生表面重組，極性基團導致表面潤濕性增加。

4化學改性

聚醚醚酮雖然具有化學惰性，但是也能夠被濃硫酸磺化處理。研究發(fā)現(xiàn)經過濃硫酸磺化處理后，聚醚醚酮表面能夠出現(xiàn)三維網(wǎng)絡結構，并且在材料表面形成磺酸基基團，能夠提高材料的生物性能，并且具有一定的抗菌性，如圖5所示。另外也可以利用其三維網(wǎng)絡結構，來進一步裝載藥物、蛋白質等，拓展聚醚醚酮的生物應用領域。例如在聚醚醚酮的三維網(wǎng)絡結構上可構建具有pH響應的阿霉素緩釋系統(tǒng)叫，實現(xiàn)阿霉素的智能釋放。

5結語

聚醚醚酮是一種廣泛用于醫(yī)學中的材料，通過不同的改性方法可顯著提高其生物活性及與人體骨組織的相容性、結合性。文章討論了物理法、化學法以及輻射法3種改性方法，3種方法各有優(yōu)勢，物理法是最廣泛應用的改性方法。經過改性后的聚醚醚酮復合材料可顯著提升力學性能，均能在體外培養(yǎng)過程中促進細胞的分化和增殖，并促進與周圍骨組織的融合。隨著材料學技術的不斷進步，各種新穎的改性方法層出不窮，帶來更多性能優(yōu)越的聚醚醚酮改性材料，可以越來越廣泛用于臨床，促進人體更快的恢復。

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