聚醚醚酮改性应用于种植体的研究进展

    目前，种植牙已成为牙列缺损和牙列缺失患者首选的修复手段，这种修复方式提高了患者的生活质量。钛（titanium，Ti）材料因具有良好的理化性能、生物相容性和较高的机械强度，现已成为种植体主要的构成材料，基本能够满足临床需要。
    先前的研究表明，钛种植体因其弹性模量较大，不能充分拉伸骨骼，从而导致骨应力屏蔽，影响骨组织的重建与愈合。钛还存在金属过敏、与种植体周炎有关的表面降解和污染、美观问题等，以致许多研究人员开始研究钛种植体的替代品。
    聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）是聚芳醚酮（polyaryletherketone，PAEK）家族的主要成员，是线性芳香族高分子化合物的一种，有文献报道PEEK首次于1978年由国外研究者合成。PEEK具有高化学稳定性，有利于减少其生物腐蚀，避免释放有毒副产品，且不溶于任何（除浓硫酸外）溶剂；由于PEEK独特的芳香族化学结构，表现出对用于医疗器械消毒的γ射线和电子束有较强抵抗力；由于PEEK具有辐射透光性，在X射线上不产生伪影，可以与磁共振成像相容；此外，PEEK具有热稳定性，即使在高温下也能保持高强度。
    有体内研究证明，PEEK具有令人满意的生物相容性，对人体无致突变性，且其材料表面细菌附着低于Ti，具有良好的生物安全性。由于其弹性模量与人体骨组织接近，作为种植体、修复基台、固定义齿等方面的研究日益增多。但PEEK应用于口腔种植体时由于力学强度不够，抵抗应力能力较弱，一些加强材料的出现有效地改善了PEEK力学强度。
    Lee等采用三维有限元法分析PEEK种植体的应力分布，研究显示：直径4mm的玻璃纤维加强（glass fiber-reinforced，GFR）聚醚醚酮（GFR-PEEK）种植体能够承受前牙的循环咬合力（140~170N）。由于碳纤维增强（carbon fibre-reinforced，CFR）聚醚醚酮（CFR-PEEK）和5mm直径的GFR-PEEK种植体的静态抗压强度超过了450N，因此其能够承受前牙与后牙区（250~400N）的咬合力。此外，PEEK表面生物活性较差，既不允许吸附蛋白，也不促进细胞增殖，实际应用受到限制。因此，如何对PEEK进行改性，优化其生物活性引起了科研人员密切关注。本文就聚醚醚酮改性应用于种植体的研究进展作一系统综述。
    近年的研究报告显示，提高PEEK表面生物活性的常规方法大致分为两种：一是表面改性，通过单独的材料表面的物理、化学处理或结合表面涂层来激活PEEK生物活性；二是通过将某种能够激活或提高生物活性的材料浸渍到PEEK中来制备生物活性PEEK复合材料。
    1.表面改性
    1.1物理方法：
    （1）喷砂：喷砂是利用高速砂流的冲击作用清理和粗化基体表面的过程，对聚醚醚酮生物活性产生重要影响。崔晶晶等通过对纳米氟磷灰石/聚醚醚酮（nano-fluorapatite polyetheretherketone，nFA/PEEK）种植体表面进行喷砂处理，研究骨结合率（bone to implant percentage，BIC）。结果显示经喷砂处理的nFA/PEEK种植体表面BIC更高，成骨效果更好。
    Xu等利用氧等离子体和喷砂的联合改性开发出一种具有微/纳米形貌表面的新型碳纤维增强聚醚醚酮-纳米羟基磷灰石（PEEK/CF/n-HA）三元生物复合材料，体外实验表明PEEK/CF/n-HA能够改善成骨细胞增殖、分化以及促进植入物与骨之间的骨结合，预示着其在骨科中有良好应用前景。
    （2）等离子体蚀刻：等离子体蚀刻主要通过对PEEK表面处理引入不同官能团，使其更具亲水性。氧和氨等离子体激活聚醚醚酮，改变了表面的纳米结构、接触角、电化学性质。等离子体处理后的PEEK表面生成纳米结构底物，增强间充质干细胞增殖、分化，并可允许这些具有弹性、MRI兼容和X线透光性的植入物在体内进行骨结合。
    （3）物理气相沉积：物理气相沉积（physical vapor deposition，PVD）是在真空条件下，采用物理方法将材料分离，在基体表面沉积某种具有特殊性质的薄膜，从而与基体紧密结合，改善表面性能。Yu等利用PVD方法将纯镁（Mg）涂覆在PEEK基板上，沉积温度最适宜为230℃。Mg包裹的PEEK对金黄色葡萄球菌杀灭能力强，抑菌率可达到99%，且在Hanks溶液中至少维持14天。通过PVD可将具有生物功能的Mg涂在各种生物惰性医疗材料上，以提高其生物活性。
    （4）电子束诱发沉积：电子束诱发沉积（electron beam induced deposition，EBID）是一种低温涂层工艺，在衬底上分解和沉积非挥发性碎片。EBID法在聚醚醚酮上沉积薄Ti涂层可以增加其润湿性，且不会影响植入物特性，细胞活力测定法（MTS）、碱性磷酸酶检测法（ALP）分别测定MC3T3-E1细胞的增殖、分化水平，结果表明钛涂层后的植入物骨结合率更高。
    Han等通过对PEEK表面形成的Ti薄膜进行阳极氧化，形成了孔径均匀的二氧化钛（TiO2）层。纳米多孔、亲水性的TiO2表面能够有效固定骨形态发生蛋白-2（BMP-2），从而提高体外生物相容性，促进细胞分化，改善骨内传导。
    1.2化学方法
    （1）磺化：磺化是一种亲电取代反应，使用硫酸将带电基团引入聚合物链中，进行离子交换，有助于阳离子的传输并增加PEEK材料的亲水性。Yuan等利用3D打印构建PEEK多孔模型，表面用浓硫酸分别酸蚀15、30、60s后，植入兔模型的骨缺损中，评估磺化聚醚醚酮（sulfonated polyetheretherketone，SPEEK）的修复效果。体内动物实验结果表明，SPPEK有利于新组织生长和结合，抑制炎性细胞因子分泌，促进骨结合，尤其SPEEK-15、SPEEK-60，SPEEK-30具有良好的纳米结构和生物学性能。
    （2）负载生长因子：骨组织的有机成分包括大量生长因子和蛋白质，生长因子可刺激细胞活性，它们在成骨和血管生成中发挥着重要作用。BMP-2是最强的骨诱导因子之一，可以诱导间充质干细胞向成骨细胞分化。功能化的细胞界面与细胞调节蛋白也可以改善植入物的生物学特性，脂联素（APN）是一种脂肪细胞分泌的因子，被证实能够达到满意的改性效果。余和东等选取被血管内皮生长因子包裹的聚醚醚酮复合材料评价修复骨缺损的临床效果，动物实验表明该材料能够刺激生长因子的活性与促进骨再生。
    （3）胺化：胺化通过引入氨基，再将氨基重氮化引入其他活泼基团。用不同比率的浓硫酸与硝酸的混合酸对PEEK改性后进行研究，结果显示不同比率的混合酸能够在PEEK表面产生多层、多孔结构，改善了材料亲水性能与生物活性，且赋予较好的抗菌活性。
    Hassan等采用化学处理的方法将胺化聚醚醚酮（aminated polyetheretherketone，NH2-PEEK）接枝到碳纤维（carbon fibre，CF）表面，扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）发现材料界面的层间剪切强度有所增强，提高了界面粘附性，但粘附性受到氨基对高温敏感性的限制。
    1.3表面涂层
    （1）磷酸钙涂层：磷酸钙（CaP）是人体骨骼的主要无机成分，拥有良好的生物相容性、骨结合、骨传导和骨诱导性。CaP可以吸附细胞外基质（ECM）蛋白，通过Cell-ECM相互作用激活成骨细胞分化。近年来研究显示CaP涂层PEEK表面可以明显改善其与成骨细胞MC3T3-E1的相容性。此外，CaP涂层PEEK材料在模拟体液中经过激光辅助仿生（laser-assisted biomimetic，LAB）工艺处理后能够在其表面形成致密的羟基磷灰石（HA）涂层。
    为了改善PEEK活性，有研究利用臭氧和化学处理方法制备磷酸盐和（或）钙表面功能化的PEEK来研究骨结合，体外实验研究表明，改性后的PEEK显著增加了大鼠骨髓间充质干细胞之间的相互接触。表面功能化不仅提高了亲水性，而且不改变其表面粗糙度或形貌，有望成为新的在牙科方面的应用方法。
    （2）石墨烯：石墨烯是简单的一种碳结构，具有良好的物理、化学性质，且硬度高，韧性、延展性、渗透性均好。最近研究出了一种简单策略，采用浸涂法制备氧化石墨烯（graphene oxide，GO）改性的磺化聚醚醚酮（GO-SPEEK），观察到GO与PEEK紧密贴合。抗菌实验发现，GO-SPEEK对大肠杆菌有抑制作用；体外实验证明其对成骨样细胞的增殖、分化具有加速作用。
    Yan等在动物体内建立骨缺损模型研究成骨效果，分别在术后4、8和12周，用Micro-CT分析和组织学观察，显示石墨烯改性碳纤维可以增强聚醚醚酮的微观结构参数，平均矿物质沉积率明显优于碳纤维增强聚醚醚酮（CFR/PEEK）植入物（P<0.05）。实验证明石墨烯改性的CFR/PEEK表现出令人满意的细胞相容性和骨结合能力。
    （3）Ti涂层：钛、钛合金表面形成的一层薄保护型氧化层，对于改善聚合物表面活性起着不可忽视的作用。Boyle等在体外使用模拟成骨细胞培养实验和绵羊体内植入物的观察，来证明Ti涂层PEEK（Ti-PEEK）对骨植入物界面的生物力学和组织学特性的影响。体外细胞培养实验与体内动物实验均证明，Ti-PEEK相对于纯PEEK，在不同时期其新骨形成、成骨细胞附着都显著提高。
    （4）等离子体浸没离子注入：等离子体浸没离子注入（plasma immersion ion implantation，PIII）是用不同粒子的薄膜包裹基底，将基底置于粒子的等离子体中，以高负电压反复脉冲，导致等离子体离子加速，然后植入基底的表面。使用PIII法处理PEEK表面（PIIIPEEK），产生自由基反应，将原弹性蛋白共价固定在PIII-PEEK的表面上。经过PIII处理的PEEK表面上的细胞表现出附着、扩散、增殖的改善，且与未处理过的PEEK表面细胞相比，看到了骨结节形成。Wang等采用水等离子体处理PEEK表面，通过SEM等观察到PIIIPEEK表面形成了羟基以及“沟纹结构”，更利于细胞的扩散、黏附。
    2.填充复合材料
    2.1纳米二氧化钛填充PEEK复合材料：钛、钛合金被广泛用作牙科植入物，其卓越的抗腐蚀性和生物相容性是由于暴露在大气中时，Ti表面迅速形成保护性氧化层（主要是TiO2）。低温下通过使用电弧离子镀技术，在PEEK表面上沉积了一层微米级TiO2薄膜，研究显示，沉积的TiO2具有致密的柱状结构，表现出良好的生物相容性，且在黏附带实验中等级最高。Thanigachalam等以塑料注塑工艺为基础，制备纳米TiO2填充PEEK复合材料（n-TiO2/PEEK），采用MG-63系列细胞在材料表面进行细胞研究，SEM观察到良好的细胞黏附与增殖。
    2.2羟基磷灰石/聚醚醚酮复合材料：HA是人体骨骼主要的无机成分，具有较好的生物活性，可以促进成骨细胞增殖。Ma等将羟基磷灰石加入到PEEK中，使用复合和注塑技术制造羟基磷灰石/聚醚醚酮复合材料（HA/PEEK）。体外细胞实验测试得出，经羟基磷灰石材料填充后的PEEK其生物活性显著提高，细胞增殖、黏附和碱性磷酸酶活性明显改善。
    2.3聚醚醚酮/明胶复合材料：明胶（gelatin，GEL）是一种具有细胞外基质样性能的多肽，当与聚醚醚酮结合时，会形成机械强度优异的聚电解质复合物。当GEL浓度增加时，涂有GEL的金属基底改善了MG-63成骨细胞的黏附和增殖。Jiang等将PEEK/GEL与纳米银颗粒（AgNPs）共混制备多孔PEEK/GEL/AgNPs纳米复合水凝胶，对其体外抗菌性和生物相容性进行了研究。
    透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM）分析显示AgNPs多孔在PEEK/GEL水凝胶表面有良好的分布，提高了复合材料的力学性能。抗菌活性检测表明，其能显著抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长。
    3.总结与结论
    本文综述了近年来PEEK改性常见的几种方法，表面改性PEEK显著提高了材料的亲水性和生物相容性，改善与骨组织的相互作用；PEEK复合材料具有与人类骨组织更接近的弹性模量，进一步增强其力学性能，降低材料成本。但是每种改性方法都有不足之处，包括如何在保持PEEK力学性能的同时提高其生物活性，以及表面涂层的降解产物是否对人体有害、是否影响种植体最终的骨结合，都需要我们进一步完善动物实验与临床研究，为聚醚醚酮的临床应用提供科学依据。