聚醚醚酮抗菌改性及相關機制的研究現狀

楊詩卉 于婉琦 周 哲 張靜潔 周延民 趙靜輝

作者單位：130021 長春，吉林大學口腔醫(yī)學院種植中心（趙靜輝為通訊作者）

聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）因具有耐高溫、耐化學腐蝕、耐輻射、易于加工成型等優(yōu)異性能，在聚芳醚家族中占據極其重要的地位，同時因其具有與人體皮質骨接近的彈性模量、優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、可靠的生物安全性、X 線透射性以及核磁共振時不影響成像等特性，而被廣泛的應用于醫(yī)學各個領域[1]，如顱骨重建、椎間融合器和全關節(jié)置換裝置等[1，2]。在口腔醫(yī)學領域，PEEK 常被應用于修復體、種植體、愈合基臺、基臺螺絲、美觀正畸線等方面[3，4]。PEEK 作為一種生物惰性材料[5]，抗菌性能欠佳[6]，而口腔作為開放的有菌環(huán)境，對材料的抗菌性能要求更高。因此，如何提高 PEEK 生物學活性，增強其抗菌性能，成為了研究熱點。本文就 PEEK 抗菌改性方法及其相關機制作一綜述。

一、PEEK 相關抗菌性能

鈦及鈦合金、氮化硅（Si3N4）、PEEK 都被視為有潛力的骨科植入物，但微生物粘附并形成生物膜的能力限制了這些生物材料的應用。何等[6]經試驗證明在純鈦、PEEK 基納米級改性材料，如 PEEK 基納米氟羥基磷灰石（nFHA-PEEK）和 PEEK 基納米羥基磷灰石（nHA-PEEK），抗菌性能高于 純 PEEK 及純鈦。而 Bock[7]等學者比較了金黃色葡萄球菌和大腸桿菌在PEEK，鈦合金（Ti6Al4V-ELI）以及 Si3N4上形成生物膜的特性，結果表明在 48 小時時，PEEK表面的生物膜數量比 Ti6Al4V 表面大約高出兩個數量級，比所有 Si3N4的變體表面高出 2.5 到 3 個數量級，這與生物材料表面親水性、電動勢和吸附蛋白的差異性息息相關[8，9]。由此可見，純 PEEK 抗菌能力較差，因此，如何對 PEEK 進行抗菌改性就成為了一道亟待解決的難題。

二、PEEK 抗菌改性

1.表面結構改性

由于耐藥生物的增加，使抗生素在生物材料植入方面的應用愈發(fā)受限，因此無機抗菌劑成為當今研究的熱點。材料表面納米結構的形狀、尺寸、分布顯著地影響細菌生物行為[10]，使納米級表面可以在不使用藥物的情況下使生物材料產生抗菌性能[11]。經分析可知，當微米級的細菌細胞膜與納米級的材料表面紋理接觸時，納米級表面紋理的表面積遠大于細菌細胞膜表面積，由此致使細菌細胞膜破裂[11]。因革蘭氏陽性（G+）菌的細胞膜剛性高于革蘭氏陰性（G-）菌，故納米級表面對 G-菌更佳有效。Wang 等[12]使用 3D 打印技術打印出具有納米級針狀結構表面的 PEEK，并證實 其抗菌活性高于純 PEEK，且對 G-菌抑制效果強于G+菌，但并未達到預期的抗菌效果。因此，學者們通過物理或化學方法改性，通過引入具有抗菌活性的物質來解決這一問題。

2.表面物理沉積改性

（1）硒改性：硒是動物和人體的必需微量元素，具有抗癌、抗氧化、增強免疫力等多種重要生理作用。有研究表明，經共價結合的硒能夠促進超氧化物自由基（O2-）的形成，從而抑制細菌附著在材料表面上。同時，硒對成骨細胞生長和粘附具有積極作用[13]。Wang 等[14]使用快速沉淀法使紅色硒納米顆粒附著在 PEEK 表面，之后 100℃熱處理 6 天，使部分紅色硒納米顆粒轉變?yōu)榛疑?。已知灰色納米硒顆粒是紅色的穩(wěn)定形式，灰色納米硒表面呈針棒狀納米顆粒，而紅色則為均質納米顆粒，結果顯示，PEEK紅色硒涂層表面細菌生長少于灰色硒涂層。由此可知，硒涂層也是一種有潛力的預防植入感染的抗菌涂層。

（2） 氧 化石墨烯改性：氧 化石墨烯（graphene oxide，GO）是一種重要的石墨烯衍生物，是一種具有致密的蜂窩結構的單原子納米片，具有大量的活性氧功能組，能夠誘導氧化應激反應，主要通過ROS及GO尖銳邊緣作用于細菌細胞膜產生抗菌活性[15]。Ouyang 等[16]經簡單浸漬法將石墨烯氧化物涂布在多孔的 SPEEK 表面后檢測到硫含量顯著下降，降低了磺化對細胞增殖的負面影響，同時也表現出良好的抗菌活性，且抗大腸桿菌的活性要高于抗金黃色葡萄球菌。隨后，Ouyang 等[17]在 GO-SPEEK 基礎上引入了脂質包裹的地塞米松，使材料在具有良好的抗菌性能同時表現出了更加優(yōu)異成骨特性。

（3）金屬沉積：金屬離子目前作為無機抗菌劑被廣泛的研究。鎂、銅經氣相沉積法對 PEEK 表面進行改性，表現出良好的抗菌性能。鎂（Mg）是一種新型可生物降解的耐腐蝕的金屬生物材料，純鎂在230℃條件下的，經氣相沉積法均勻的涂布在 PEEK表面，不僅顯示出良好的生物活性和抗菌活性，且較鈦合金表面的鎂涂層顯示出更低的降解效率，即能夠表現出更持久的抗菌活性[18]。Kratochvíl 等[19]經氣體沉積法 將納米銅（CuNPs）沉 積 于 PEEK 表面，之后經射頻濺射法在其表面制備聚四氟乙烯薄膜（C：F），形成一個擴散的屏障，使水分子可以穿透 C：F 膜并促進 Cu2+釋放，從而產生抗菌活性。

3.表面化學改性

（1）磺化：PEEK 能夠溶于濃硫酸中產生磺化反應。經磺化的 PEEK（SPEEK）表面的硫成分對糞腸球菌形成生物膜具有良好的抑制作用，但變形鏈球菌的細胞外基質能夠削弱含硫成分產生的抗菌作用[20]。同時，磺化也能夠使 PEEK 形成多孔的 3D 網格狀表面，形成納米級表面，產生抗菌活性[21～23]。Ouyang 等[21]證明對 SPEEK 進行熱液處理后能夠有效降低 SPEEK 表面硫濃度并形成 3D 網格狀表面，尤其是經 120℃熱液處理的 SPEEK，不僅表現出對金黃色葡萄球菌的良好抗菌活性，而且能夠促進細胞增殖和成骨分化。Wang 等[22]經氬氣等離子體浸入式離子注入使 SPEEK 表面形成分層微 / 納米級表面結構，與純 PEEK 及 SPEEK 相比，其抗菌性能更佳，但依舊對 G-菌的抗菌活性欠佳，因此，也有學者將 SPEEK 與內酰胺類物質相結合，經群體效應抑制細菌生物膜產生，達到其增強抗菌活性的目的[23]。

（2）銀（Ag）：Ag+作為一種廣譜抗菌 物質，是 常用的金屬抗菌劑，主要通過以下幾種機制作用達到抑菌殺菌的作用。首先，Ag+可以錨定于細菌細胞壁上，損傷細胞壁，使其失去抵抗?jié)B透壓的作用，或直接導致細胞膜損傷，從而抑制細菌增殖。其次，Ag+還可以通過滅活呼吸鏈脫氫酶等方式，使細菌細胞內產生大量活性氧簇（ROS），以抑制細菌呼吸及生長過程。最后，Ag+還可以作用于核酸，使嘌呤和嘧啶之間的氫鍵斷裂，DNA 裂解，從而殺滅細菌。除此之外，納米銀顆粒（AgNPs）還具有尺寸依賴的抗菌作用，不僅與細菌的接觸面積更大，并且能在特定區(qū)域保持較高的 Ag+濃度并緩慢釋放，因此抗菌效果更佳[24]。而且，細菌對 Ag+毒性敏感性遠高于哺乳動物細胞，因此銀被廣泛的用于植入生物材料的抗菌改性中。通過低溫磁控濺射納米銀改性PEEK 表面[25]，或由含銀的沸石 L（Ag-ZL）作為 PEEK 的無機填料制備復合膜[26]等改性方法均能獲得良好的抗菌活性。然而由于 Ag+具有一定的細胞毒性，故獲得具有更高生物安全性的含銀涂層成為了進一步需要解決的問題。

含兒茶酚的胺類物質，如多巴胺，經過聚合可以粘附于 PEEK 表面，并將 Ag 固定在 PEEK 表面，同時，聚多巴胺還可以將銀氨離子還原為 AgNPs，使AgNPs 的細胞毒性降低[27]，故利用多巴胺的自聚合能力以及聚多巴胺的還原性，能夠在 PEEK 材料表面制備出尺寸均勻的 AgNPs 涂層[27]，或經多巴胺粘合將 AgNPs 均勻的沉積于 3D 打印的 PEEK 支架表面[28]，均能夠在保持良好的生物學活性的同時產生出色的抗菌活性。

而 Ag+聯合其他物質進行功能性改性，也能夠達到降低細胞毒性、提高抗菌活性的目的，甚至還可以通過設計緩釋涂層達到控制 Ag+釋放率，如在二氧化鈦和聚二甲基硅氧烷（PDMS）的混合涂層上摻入 Ag+，根據銀的摻雜水平以及二氧化鈦和 PDMS的比率調節(jié)銀的釋放率[29]?；蛲ㄟ^聚多巴胺在 PEEK表面構建 AgNPs/ 絲素蛋白 / 慶大霉素涂層，通過pH 值的變化，調節(jié) Ag+ 和慶大霉素的釋放，形成細菌觸發(fā)的智能自我防御涂層[30]。Sikder 等[31]通過微波輻 射在PEEK上制造單相、含銀三鎂磷水合物（Ag-TMPH） 的納米薄片涂料，使 Ag+可以持續(xù)釋放。Gümüs 等[32]使用鈦作為基礎層，鎂作為的中間層以獲得良好的骨傳導性能及生物活性，使用銀作為抗菌的頂層摻雜少許鉑的復合涂層，但由于鉑使能夠使銀鈍化，降低了 Ag+的抗菌活性。

雖然含銀涂層已被廣泛的用于 PEEK 表面，提高其抗菌活性，但其生物安全性仍需進一步的體內研究與長期觀察。

（3）氧化鋅（ZnO）：作為金屬氧化物，ZnO 納 米顆粒在正常的光照條件下，具有尺寸依賴的廣泛的抗菌活性，即越小的 ZnO 納米顆粒抗菌活性越強[33]，其原理可能與納米顆粒導致的細菌細胞膜破 壞 有關。除此之外，ZnO 納米顆粒主要通過活性氧（ROS）產生抗菌活性，即 ZnO 相互定位導致的細胞膜損傷，膜通透性增加，從而使溶解的 Zn2+進入細胞產生毒性。除此之外，ZnO 納米顆粒能夠導致線粒體膜破裂，氧化應激基因表達，最終導致細胞生長抑制和死亡[34]。M 等[35]使用具有羥基末端的 ZnO 納米顆粒經酯化反應嫁接至羧化 PEEK 上形成新的納米級復合物，該材料抗菌活性與 ZnO 納 米顆粒含量成正比。Deng 等[36]在經磺化的具有 3D 微米 / 納米級孔的PEEK 表面引入逐層自組裝的 Ag+和氧化鋅雙層植入涂層，能夠綜合發(fā)揮 Ag+及氧化鋅的生物相容性及抗菌活性。當然，使用硅烷偶聯劑處理納米 ZnO粒子后，經球磨后模壓成型的方法，也可以制備氧化鋅改性的聚醚醚酮復合物，并能夠表現出良好的抗菌性能[37～38]。

4.等離子體浸入式離子注入

等離子體浸入式離子注入（plasma immersion ion implantation，PIII）是通過離子注入的方式能夠在 PEEK表面形成多孔的微/納米級的多極化表面。例如，使用氧等離子體對 PEEK 表面進行 PIII 改性，可以改變 PEEK 表面形貌及含氧量[39]，從而減弱細菌對細胞粘附的競爭性抑制，但其表現出的抗菌活性有限，不能達到理想的預防植入感染的目的[40]。使用二氧化鈦（TiO2）對 PEEK 進行改性能夠顯著提高 PEEK 生物學活性[41]，Lu 等[42]通過PIII將TiO2注入到碳纖維增強的聚醚醚酮 （CFR-PEEK） 中，在CFR-PEEK表面形成嵌入二氧化鈦納米顆粒的納米孔樣多極化表面，對金黃色葡萄球菌具有良好的抗菌活性，但對大腸桿菌幾乎不起作用。而 Wang等[43]應用同樣方法構造獨特的多級納米級 TiO2結構表面，并證明該表面對鏈球菌、梭桿菌和卟啉單胞菌類等口腔常見致病菌具有可持續(xù)的抗菌性能，同時還能夠增強軟組織整合，促進牙齦袖口粘附，減少細菌在粘附。但在該表面未檢測出游離的鈦離子，由此猜測其抗菌活性主要來自于多極化納米級表面對細菌的直接接觸，而與鈦離子無關[43]。

5.熔融共混

氮化硅作為十分具有前景的骨科植入物，已被證明具有良好的生物活性及抗菌性能[9～10]。Pezzotti等[44]經熔融共混的方法將 Si3N4顆粒合并至 PEEK矩陣中制造出一種新型混合材料，其中 Si3N4生物相容性極佳的硅 / 氮表面和緩慢的洗脫率是其產生抗菌活性的基礎。新型復合材料表面表皮葡萄球菌活菌數量與純 PEEK 相比低一個數量級，顯示出優(yōu)秀的抗菌活性。這提示我們，將 Si3N4 和 PEEK 這兩種優(yōu)秀的具有潛力的骨科植入物經熔融共混的方式結合，也不失為一種簡單有效的在保持 PEEK 機械性能的同時提高其抗菌活性的方法。

三、PEEK 復合物抗菌改性

1.PEEK- 生物活性玻璃復合物改性

為對抗 PEEK 本身的生物惰性，在植入物和骨之間獲得穩(wěn)定快速的連接，生物活性玻璃（bioactive glass，BG）常被用于提高 PEEK 生物活性。生物 活性玻璃除了能夠促進和誘導骨生成外，其還能夠溶解形成針狀碎片破壞細菌細胞膜，從而達到抗菌效果[45]。但單純使用 BG 產生的抗菌效果有限，故 Seuss等[45]使用 AgNPs 對 BG-PEEK 復合物進行改性以 提高其抗菌活性。Zhang 等[46]使用納米級 BG 與 PEEK合成具有微孔狀表面的 BG-PEEK 復合物后，再將檜木醇裝入其中，通過檜木醇緩釋增強其抗菌作用。檜木醇作為一種抗菌物質，能夠在不產生細胞毒性的前提下，使細菌細胞膜上的蛋白質退化，細菌裂解死 亡。Rehman 等[47]使電泳沉積法制造了殼聚糖/BG/PEEK 混合涂層并將 指甲花醌（lawsone）加入 其中，通過指甲花醌的緩釋及生物氧化過程達到抗菌目的，但其藥物的緩釋效應及細胞毒性仍需進一步研究。由此可知，生物活性玻璃與 PEEK 結合后，不僅能夠提高PEEK生物學活性外，而且能夠使PEEK 表面形成富有微孔的形貌，這種表面有利于其載荷其他具有抗菌活性的物質，是一種具有潛能的抗菌改性發(fā)展方向。

2.PEEK- 羥基磷灰石復合物改性

羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）改性的 PEEK復合物被認為能夠有效提高PEEK的成骨性能[48]，學者希望能夠在此基礎上載荷抗菌劑，以提升其抗菌性能。Sanpo 等[49]利用冷噴涂技術使金屬離子改性PEEK-HA 復合物，比較鎳（Ni）、銅（Cu）、鋅（Zn）、銀（Ag）改性的 PEEK-HA 復合物對金黃色葡萄球菌的抗菌性能，結果顯示其抗 菌 性能由低到高排 列 為：Ni＜Cu＝Zn-＜Ag。Kakinuma 等[50]利用磷酸肌醇的螯合能力將 Ag+結合于 PEEK-HA 表面，并認為在1mmol·dm-3硝酸銀溶液中進行鰲合的涂層，能夠 同時兼顧的抗菌與成骨性能。

氟化物是常用的抗菌劑，通過影響細菌代謝，產生抗菌活性。首先，它可以作為酶抑制劑，例如，以不可逆的方式抑制糖酵解酶烯醇酶和含氟血紅素結合的血基過氧化物酶。其次，金屬氟化復合物，如AlF4-，能夠抑制并損害F型質子泵的輸出質子功能，從而誘導細胞質酸化和糖酵解酶的酸抑制[51]?？偠灾?，氟化物可以降低細菌的耐酸性，在酸性條件下抗菌活性最佳。Wang 等[52]制備的 nFHA-PEEK 在變形鏈球菌的黏附實驗中，nFHA-PEEK 表面生物膜死菌率顯著高于 nHA-PEEK 和純 PEEK[7]。當然，氟離子也可以被直接引入 PEEK 表面。Chen 等[53]將經氬氣行 PIII 和氫氟酸浸泡處理相結合，在材料表面構建一種淺孔洞狀納米結構，在材料表面引入羥基官能團，增加氟的引入量，對牙周病的主要致病菌—牙齦卟啉單胞菌具有明顯抑制效果。