聚醚醚酮材料表面形態(tài)和骨結(jié)合原理研究進(jìn)展

陳井春雨 綜述 藍(lán)菁 審校

聚醚醚酮(PEEK)彈性模量接近骨皮質(zhì)(14 GPa)，可減輕金屬植入物的應(yīng)力遮蔽現(xiàn)象。但是光滑PEEK的骨結(jié)合能力有限，在材料表面增加表面形態(tài)，包括具有微觀粗糙度的二維(2D)紋理和多孔特征的三維(3D)結(jié)構(gòu)，能促進(jìn)表面成骨作用和機(jī)械嵌合作用。對(duì)該材料表面形態(tài)的加工方式缺乏系統(tǒng)性歸納，且骨結(jié)合原理尚存爭議，故本文就PEEK的表面形態(tài)加工方式、表征以及其促進(jìn)骨結(jié)合原理進(jìn)行綜述，以期對(duì)該材料的骨結(jié)合性能深入研究，促進(jìn)其作為植體材料的應(yīng)用。

1 PEEK表面形態(tài)加工方式和表征

1.1 酸蝕

與95%～98%的濃硫酸進(jìn)行磺化反應(yīng)，室溫下反應(yīng)3～5 min，產(chǎn)生3D多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，孔徑在0.1～5 μm之間，孔層厚度隨反應(yīng)時(shí)間縮短而減少，反應(yīng)后材料表面濕潤性和粗糙度增加。經(jīng)120 ℃水熱處理4 h，可有效去除殘留余酸?；腔磻?yīng)產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)和增大的表面積利于錨定和緩釋加載生物化學(xué)物質(zhì)，抑制其突然釋放，從而維持其長期效果：通過凍干技術(shù)、靜電引力、磺酸根共價(jià)結(jié)合等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白2、β防御素-14、丁酸鈉等物質(zhì)的加載，促進(jìn)表面細(xì)胞的成骨分化；通過多巴胺在其表面聚合反應(yīng)形成聚多巴胺層，進(jìn)而固定銀元素、絲素蛋白，并為接枝的肽提供氨基位點(diǎn)[1-4]；表面交聯(lián)形成的水凝膠加載生物肽[5]；經(jīng)水熱反應(yīng)結(jié)合鍶或鎳等物質(zhì)，促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和表面礦化成核[1，6]。與發(fā)煙硝酸在16 ℃下攪拌反應(yīng)1 min或與混合的多種酸反應(yīng)10～30 min，使表面粗糙度降低，形成了分層的微米和納米級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，并通過浸入和旋涂的方式加載辛伐他汀、妥布霉素微球等物質(zhì)，促進(jìn)成骨分化[7-8]。

1.2 氯化鈉(NaCl)晶體浸出

將晶體與PEEK或其混合物按照一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1 ∶10)比混合，在一定壓力下(4～40 MPa)壓模，經(jīng)高溫(350～363 ℃)燒結(jié)，也可一次性壓模(260 MPa)燒結(jié)。在上述過程后，將材料浸入去離子水中，溶解晶體使材料表面形成多孔結(jié)構(gòu)。有實(shí)驗(yàn)直接將晶體顆粒撒在材料一側(cè)，用340 ℃熱板在10 MPa下壓10 min，同時(shí)在材料另一側(cè)用冷板冷卻，室溫下蒸餾水浸出晶體顆粒?？仔螒B(tài)多為立方形，通過晶體的直徑和鹽顆粒數(shù)量來控制材料表面的孔徑，其范圍在200～450 μm之間，具有高連通性，孔隙率在61%～89%之間。配合其他加工方式形成的不同尺寸孔徑，促進(jìn)細(xì)胞粘附、增殖和成骨分化的同時(shí)，使骨組織向內(nèi)長入。

1.3 噴砂

用粒徑在50～250 μm的Al2O3顆粒，在0.1～0.8 MPa的壓力下，噴砂10～60 s，使材料形成粗糙表面，表面粗糙度隨顆粒增大而增加。在一定范圍內(nèi)，越粗糙的表面親水性越大，親水性材料表面利于蛋白和大分子吸附，表面積增大為蛋白提供更多結(jié)合位點(diǎn)，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞附著[9-12]。通過碳酸氫鈉蘇打噴砂形成粗糙表面，促進(jìn)細(xì)胞增殖和成骨分化[13-14]。使用粒徑110～150 μm的TiO2顆粒噴砂60 s，使材料表面粗糙[15]。

1.4 3D打印

選擇性激光燒結(jié)通過CO2激光燒結(jié)薄層PEEK粉末，激光點(diǎn)直徑500 μm，在一定速率下進(jìn)行掃描。掃描前可用相關(guān)軟件設(shè)計(jì)，制成復(fù)雜的幾何形狀。熔融長絲制造或熔融沉積建模是以PEEK絲為原料，通過噴嘴加熱至420～450 ℃超過PEEK熔點(diǎn)，使材料以液態(tài)形式擠出至溫度為130～160 ℃的基板上迅速冷卻，噴嘴以20～60 mm/s速度移動(dòng)。可依據(jù)設(shè)計(jì)，使材料形成微粗糙的表面形貌以及不同尺寸的孔徑，促進(jìn)軟組織和硬組織的向內(nèi)生長[9，16-18]。

1.5 其他方法

磺化反應(yīng)后，在氬氣流速0.7 L/min，脈沖電壓1500 V的條件下，等離子處理5～10 min，形成微米級(jí)和納米級(jí)孔，促進(jìn)蛋白吸附于表面，在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中對(duì)骨骼向內(nèi)生長起促進(jìn)作用[15，19]；以純鈦為陰極，負(fù)壓脈沖120 min，等離子注入材料表面，形成直徑沿主材方向逐漸減小的倒圓錐形納米孔，孔徑150～200 nm，促進(jìn)細(xì)胞粘附、增殖和成骨分化[20]；在30 kV的高電勢下加速中性原子束，處理后材料表面具有10～50 nm范圍內(nèi)納米級(jí)形貌，增加材料生物活性[21]；等離子噴涂鈦使材料表面微觀粗糙度提高，形成微米級(jí)和納米級(jí)孔徑，促進(jìn)成骨細(xì)胞粘附[14，22]；將氮化硅在低溫下以36 nm/min的速率進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，在材料表面形成分層的納米結(jié)構(gòu)，體外實(shí)驗(yàn)使成骨細(xì)胞伸出更多偽足，促進(jìn)其成骨相關(guān)基因表達(dá)[23]；激光束以2 W/cm2的輸出能量密度照射材料30 min，將CaP涂覆于材料表面，通過該激光輔助仿生工藝使材料表面骨傳導(dǎo)性增強(qiáng)[24]。在PEEK上以0.05 nm/s速率電子束蒸發(fā)形成鈦層，置于陽極，鈦板做陰極直流電陽極氧化20 min，形成表面納米多孔，能有效加載骨形態(tài)發(fā)生蛋白2，促進(jìn)表面形成新骨[25]。

硫酸處理的PEEK，在材料表面引入磺酸根，干擾了對(duì)表面形態(tài)促進(jìn)骨結(jié)合的研究；NaCl晶體對(duì)孔徑的分布、孔間距和孔形狀較難控制；經(jīng)噴砂處理的樣品通過調(diào)節(jié)噴砂粒徑，形成不同微米級(jí)的粗糙表面，但較多應(yīng)用于產(chǎn)生二維表面粗糙度，較少應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)三維孔結(jié)構(gòu)；等離子處理、等離子噴涂、離子注入、化學(xué)氣象沉積、激光輔助仿生工藝、電子束蒸發(fā)沉積后陽極氧化出TiO2等方法在實(shí)現(xiàn)表面形態(tài)時(shí)，材料表面化學(xué)成分發(fā)生改變；通過3D打印較難制成納米級(jí)孔，且孔徑變化會(huì)引起孔隙率發(fā)生改變，較難對(duì)單一參數(shù)控制變量。

1.6 表征方式

掃描電子顯微鏡可觀測PEEK表面孔徑、孔隙率、橫截面積、互連性和壁厚的估計(jì)值。場發(fā)射電子顯微鏡為高分辨率掃描電子顯微鏡，獲得PEEK表面超微形貌結(jié)構(gòu)信息；激光共焦顯微鏡可觀察PEEK粗糙度、表面積和孔容等，多用于檢測PEEK表面形態(tài)以及粗糙度；原子力顯微鏡的探針以半接觸模式或非接觸模式掃描表面多孔結(jié)構(gòu)，檢測PEEK納米級(jí)形貌。輪廓儀可測量PEEK微觀粗糙度，精度為亞微米和納米級(jí)；微型計(jì)算機(jī)斷層掃描成像用于表征PEEK多孔結(jié)構(gòu)，測量孔形態(tài)，計(jì)算得出支撐桿間距離、孔隙率和孔互聯(lián)性。

2 表面形態(tài)促進(jìn)骨結(jié)合原理

骨結(jié)合包括種植體與牙槽骨之間的機(jī)械嵌合和種植體周圍骨組織的新生和改建，表面形態(tài)在此過程中起著關(guān)鍵作用。由NaCl晶體浸出和3D打印制造的表面形貌，其尺寸在數(shù)百微米范圍內(nèi)，為骨組織長入提供空間；當(dāng)磺化等反應(yīng)形成的形貌尺寸大于10 μm時(shí)，對(duì)骨細(xì)胞形態(tài)產(chǎn)生影響；絲狀偽足大小為100～300 nm，可感知8 μm表面形貌[26]。多孔形態(tài)使材料比表面積增大，促進(jìn)材料與骨組織接觸，材料與骨組織形成機(jī)械嵌合，減少材料與骨組織的相對(duì)位移，促進(jìn)骨結(jié)合。

噴砂制造的粗糙表面，材料親水性隨粗糙度增加而增加，親水表面促進(jìn)蛋白吸附且增大的表面積利于蛋白錨定，納米級(jí)孔使蛋白被困于孔中，促進(jìn)蛋白質(zhì)多層形成，從而促進(jìn)蛋白質(zhì)成核和聚集，利于骨原細(xì)胞錨定和調(diào)節(jié)細(xì)胞分化。由血小板促進(jìn)纖維蛋白基質(zhì)形成，成為細(xì)胞遷移附著的橋梁。在經(jīng)歷對(duì)壞死組織清除和血凝塊分解后，形成血管、骨組織?；罨“遽尫诺纳L因子和細(xì)胞因子，從而加速骨原細(xì)胞遷入錨定[27-29]。探究多孔PEEK成骨作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)其調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞表型，通過增加M2表型比例，上調(diào)生長因子表達(dá)，促進(jìn)成骨[30-33]。

通過PEEK與硝酸反應(yīng)、陽極氧化等其它加工方式使表面形成納米結(jié)構(gòu)，細(xì)胞接觸該結(jié)構(gòu)，通過帶有整合素的薄膜突出感知形態(tài)，檢測有利于附著的部位，使之沿著形態(tài)(如溝槽的長軸)進(jìn)行定位，并發(fā)生細(xì)胞遷移。這種接觸指導(dǎo)通過對(duì)細(xì)胞核周圍細(xì)胞骨架施加壓力，導(dǎo)致核變形和染色體重組，進(jìn)而影響細(xì)胞增殖和分化[24]。

變化形狀的細(xì)胞對(duì)細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械信號(hào)，機(jī)械信號(hào)誘導(dǎo)蛋白構(gòu)象變化，使細(xì)胞骨架重塑，利用生物分子對(duì)細(xì)胞核進(jìn)行信號(hào)傳遞，指導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化[34]。經(jīng)過細(xì)胞骨架元件向細(xì)胞核傳遞力，使肌動(dòng)蛋白應(yīng)力纖維的張力發(fā)生變化，使核變形，染色體、核仁和其他核成分空間排列發(fā)生變化，DNA表觀遺傳發(fā)生變化[35-36]，調(diào)節(jié)核孔的開放，從而確定mRNA轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)并進(jìn)一步影響蛋白質(zhì)翻譯[37-38]。細(xì)胞骨架的重組可能導(dǎo)致細(xì)胞膜的拉伸，從而控制離子通道的轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖分化以及成骨相關(guān)基因表達(dá)，從而進(jìn)一步影響細(xì)胞過程。

3 小 結(jié)

通過不同加工方式形成表面形態(tài)，促進(jìn)PEEK成骨作用和機(jī)械嵌合過程。但在加工過程中，表面化學(xué)成分變化以及多種特征參數(shù)的改變，使表面形態(tài)的骨結(jié)合作用和原理尚未完全明確。未來需設(shè)計(jì)合適的加工方式，在不改變材料化學(xué)成分的前提下，對(duì)形態(tài)參數(shù)進(jìn)行控制變量，以完善表面形態(tài)對(duì)骨結(jié)合作用的探究。