聚醚醚酮及其復合材料在生物醫(yī)用領域的應用

宗倩穎，葉 霖，張愛英，馮增國（北京理工大學材料學院，北京市 100081）

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聚醚醚酮及其復合材料在生物醫(yī)用領域的應用

宗倩穎，葉 霖，張愛英*，馮增國
（北京理工大學材料學院，北京市 100081）

摘 要：綜述了聚醚醚酮及其復合材料在生物醫(yī)用領域的應用現(xiàn)狀及前景。聚醚醚酮及其復合材料的耐蠕變性良好、耐熱等級高，已成功應用于醫(yī)療器械領域；抗疲勞性和X射線可穿透性優(yōu)良，可用于制造創(chuàng)傷植入體和人工骨材料；耐摩擦、耐磨損性能優(yōu)異，可用于制造人工置換關節(jié)；優(yōu)異的耐化學藥品腐蝕性以及潛在的抑菌性使其在口腔修復領域發(fā)揮了重要作用。對聚醚醚酮及其復合材料進行改性，改善其綜合性能，以進一步開拓其在生物醫(yī)用領域的其他應用。

關鍵詞：聚醚醚酮 復合材料 生物相容性 醫(yī)用材料

*通信聯(lián)系人。E-mail：zhay@bit.edu.cn。

聚醚醚酮（PEEK）是英國ICI公司于1977年開發(fā)成功，在20世紀80年代初期由英國Victrex公司實現(xiàn)工業(yè)化的一種高性能特種工程塑料。PEEK主要是以4，4'-二氟二苯甲酮、對苯二酚、無水碳酸鈉為原料，二苯砜為溶劑，在無水條件下于300～340 ℃進行親核縮聚合制得。由于PEEK的大分子鏈結構規(guī)整，且含有剛性的苯環(huán)、柔性的醚鍵及可促進分子間作用力的羰基。因此，具有耐熱等級高、耐輻射、耐化學藥品腐蝕、耐蠕變，抗沖擊性能、抗疲勞性能好等特點，在許多特殊領域可以替代金屬、陶瓷等傳統(tǒng)材料，成為當今最熱門的高性能特種工程塑料之一，在航空航天、電子電氣、化工與機械工業(yè)、汽車制造業(yè)、食品加工業(yè)等領域得到廣泛應用，并成為不可或缺的關鍵材料。PEEK及其復合材料具有良好的生物相容性，得到了美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的認可；PEEK還具有生物惰性，根據(jù)ISO 10993-10：1995，證明其不具有致敏性，基因毒性測試結果顯示其不會引起任何染色體畸變。因此，PEEK及其復合材料在生物醫(yī)用領域應用前景廣闊。本文主要綜述了聚醚醚酮及其復合材料在生物醫(yī)用領域的應用。

1　醫(yī)療器械

作為一種半結晶型的熱塑性聚合物，PEEK具有良好的生物相容性，而且經過傳統(tǒng)的蒸汽、γ-射線和環(huán)氧乙烷反復殺毒除菌后，均可保持其力學強度。在生理鹽水的作用下，對耐磨性、光滑性和剛性等物理性能沒有明顯影響，而且溶脹率變化也很小。這些優(yōu)良特性使其在醫(yī)療器械領域（如手術器械和口腔器械）廣泛應用。同時，利用PEEK的耐蠕變性，可以制造各種需要高溫蒸汽滅菌的醫(yī)療器械。

2　創(chuàng)傷植入物

早在19世紀，可植入性生物材料就被應用于骨折治療中。1895年，Lane［1］第一次將金屬薄板應用于骨折內固定當中。盡管后來不銹鋼的出現(xiàn)解決了易腐蝕的問題，但近年來，應力遮蔽效應的影響備受關注。高彈性模量的金屬骨板遮擋了所必需的足夠的外界應力，不利于骨折的愈合，在沒有足夠應力刺激下形成的骨骼質地疏松，性能變差。當拆除固定骨板后，愈合的部位承受負重時不能適應周圍應力環(huán)境的變化，容易發(fā)生再次斷裂［2］。因此，金屬骨折內固定裝置在相鄰骨板固定中的使用有所減少。高性能熱塑性塑料［如聚對苯二甲酸丁二酯（PBT），聚苯乙烯（PS），PEEK］被作為良好的替代品應用于骨折固定術中?？蒲泄ぷ髡呦Ｍ眠@類材料的熱成型性能，使固定板能更加準確地貼合到患者的骨組織中。Brown等［3］對比了分別用質量分數(shù)為30%聚丙烯腈基碳纖維增強的PBT，PEEK，PS的彎曲疲勞性能和熱成型性能。被測樣條經過反復蒸汽滅菌并在生理鹽水中預浸泡3周，以及在熱成型前后均將其加熱至高于玻璃化轉變溫度，隨后經過外科彎板機變形，且經過反復彎曲后將樣條恢復原樣。結果表明，PEEK表現(xiàn)出更好的彎曲韌性和彎曲疲勞強度，并且不受預處理和熱成型的影響，說明PEEK與碳纖維的相容性更好，有助于解釋其抗疲勞性更加優(yōu)異的原因。王克軍等［4］對短碳纖維增強PEEK復合材料的生物相容性進行了生物學評價，結果表明：細胞相對存活率大于75%，溶血率低于5%，說明該復合材料與血液的相容性良好；將用其制備的接骨板植入兔體內，未引起明顯炎癥反應，周圍肌肉組織始終保持正常結構，說明其組織相容性好；對該短碳纖維增強PEEK復合材料進行應力測試，發(fā)現(xiàn)符合人體髖關節(jié)的生物力學強度的需要。

PEEK應用于關節(jié)鏡縫合錨釘治療肩袖撕裂或者其他關節(jié)內損傷疾病時，耐周期性壓力及最大負荷強度均大于可吸收錨釘［5］，并且具有X射線可穿透性，手術后計算機斷層掃描（CT）及核磁共振檢查不必擔心金屬偽影，其彈性模量介于皮質骨和松質骨之間，可以減少應力遮擋，促進骨愈合。植入位置不佳時不必取出錨釘，只需在原位重新鉆孔并植入新的錨釘即可，極大降低了翻修手術難度［6］。

近年來，三維（3D）打印技術被應用到人工骨骼的制造領域，該方法利用計算機模型和CT數(shù)據(jù)可快速準確地定制所需任意形狀和結構的植入體。Chrzan等［7］針對19例顱骨部分缺損患者制造了個性化假體并成功植入。張玨［8］利用熔融沉積成型原理進行PEEK仿生人體內踝的3D打印制造，打印前后PEEK未發(fā)生明顯化學變化且與細胞相容性較好。3D打印技術能夠根據(jù)不同患者需要，制備適合不同患者的個性化生物醫(yī)用材料，同時可精確控制材料的微觀結構，憑借這種獨特優(yōu)勢將在未來的生物醫(yī)學領域占據(jù)重要地位［9］。

3　椎體間融合器

融合器用于穩(wěn)定腰椎或者頸椎前路，是一種治療由退變性腰椎間盤疾病或脊柱不穩(wěn)引起的頑固性背部疼痛的手段。1996年9月，美國FDA正式批準脊柱椎體間融合器用于臨床腰椎融合，1997年，批準腹腔入路的腰椎椎體間融合器手術。PEEK椎體間融合器能夠兼容X光拍照和核磁共振成像，并且彈性模量較低，可避免自體移植物的并發(fā)癥以及同種異體移植物的缺陷。張蒲等［10］采用PEEK制作的椎體間融合器及自體三面皮質髂骨移植進行頸椎融合，并比較了手術前后頸椎生理弧度、椎間隙高度及頸椎融合效果。結果發(fā)現(xiàn)，用PEEK制作的椎體間融合器在頸椎前路融合術中是一種較好的自體髂骨移植替代物。韓成龍等［11］研究了PEEK椎體間融合器結合納米人工骨在脊髓型頸椎病前路間盤切除后椎體間的融合效果。結果發(fā)現(xiàn)，采用PEEK椎體間融合器的并發(fā)癥較低，是治療脊髓型頸椎病的一種良好選擇。目前，國內常見的椎體間融合器主要為鈦合金融合器和PEEK融合器。由于鈦合金的彈性模量較高，手術后更容易出現(xiàn)由于應力遮擋而引起融合的延遲，近年來逐漸被PEEK融合器取代，但是兩者在臨床療效對比上一直存在爭議。段文等［12-13］分別對比了鈦合金融合器、PEEK融合器用于頸前路減壓椎體間融合和單節(jié)段腰椎后路減壓椎體間植骨融合內固定的療效，發(fā)現(xiàn)PEEK融合器的臨床效果與鈦合金融合器相當，并沒有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。因此，進一步增加其融合率的關鍵是通過選擇合適的改性手段增加PEEK融合器的表面粗糙度以及提高其生物相容性。

4　人工置換關節(jié)

人工關節(jié)置換術是20世紀最成功的骨科手術之一，讓無數(shù)患有終末期骨關節(jié)疾病的病人重新恢復了正常生活。目前，膝關節(jié)置換和髖關節(jié)置換是人工關節(jié)置換術中最常見的兩類手術，其10年的成功率已經超過90%。PEEK及其復合材料的耐磨損性能和耐化學藥品腐蝕性能為其成為高壽命人工關節(jié)的替代品奠定了基礎。近年來，人們一直致力于研究和進一步改善PEEK復合材料的耐摩擦、磨損性能。Sharma等［14］研究了等離子體改性后的碳纖維增強PEEK復合材料，發(fā)現(xiàn)在低振幅下，復合材料的振蕩耐磨性提高了26%，材料綜合性能提高了22%，并且具有較好的表面形貌。Wang Zhiqiang等［15］研究發(fā)現(xiàn)，在潤滑條件下，與純PEEK相比，碳纖維增強PEEK復合材料的粗糙度明顯下降，材料更加光滑平坦。氧化鋯、氮化硅、碳化硅等顆粒填充PEEK復合材料的摩擦、磨損性能需要確定顆粒的最佳填充量，從而綜合評估摩擦因數(shù)和磨損率［16-17］。為得到綜合性能更加優(yōu)異的人工關節(jié)材料，在改性PEEK的過程中需要考慮不同實驗方法的對比和材料配比的設計，深入研究在人體或接近人體等復雜生理環(huán)境下的摩擦、磨損性能。

5　口腔生物材料

PEEK具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，可以耐受絕大多數(shù)化學試劑的腐蝕。在口腔醫(yī)學領域，基于PEEK的口腔生物材料的研究越來越受到國內外科研工作者的關注［18］。Stawarczyk等［19］采用PEEK加工成三單元固定橋修復體，其平均斷裂強度為1 383 N，初始變形壓力約為1 200 N；而文獻報道的前牙區(qū)修復體承受強度為300 N左右，后牙區(qū)的咬合力為500～600 N［20］，說明PEEK的力學強度完全滿足種植修復材料的要求。Lee等［21］證明了用玻璃纖維增強PEEK復合材料制作的種植體疲勞強度為310 N，滿足ISO 14801：2003中前牙對種植體材料疲勞強度的要求，并且其彈性模量接近皮質骨的彈性模量，用作口腔種植體時可以減小應力遮擋效應。Rochford等［22］發(fā)現(xiàn)，相對于采用注塑加工成型的醫(yī)用級PEEK表面，金黃色葡萄球菌和表皮葡萄球菌更易黏附在采用機械加工的PEEK表面；此外，也對氧等離子體改性PEEK復合材料在手術前的生理鹽水中以及手術后的人體血清中的細菌黏附情況進行了研究，發(fā)現(xiàn)盡管改性后的PEEK復合材料表面形狀和化學成分發(fā)生了改變，但并不會引起細菌黏附量的增加。魏世成等［23-24］研究含氟納米羥基磷灰石改性PEEK復合材料表面變形鏈球菌的黏附情況和不同時間點生物膜的形成情況發(fā)現(xiàn)，與磷灰石相比，含氟磷灰石可降低PEEK表面的細菌黏附量，增加生物膜內死菌數(shù)量。這說明該復合材料具有潛在的抑菌作用，可作為一種理想的植入型口腔修復材料。

閆鵬濤等［25］以PEEK/鋇玻璃粉復合材料為基體，采用硅烷偶聯(lián)劑，在復合材料表面構建具有生物活性的納米羥基磷灰石和甲基丙烯酸酯基的光固化樹脂復合涂層，通過檢測大鼠成骨細胞總蛋白含量和堿性磷酸酶表達水平，對新型光固化復合涂層的生物活性進行了評價。結果表明，納米羥基磷灰石填充的光固化復合材料在掃描電子顯微鏡下可觀察到很多突起的粗糙表面，隨著填充量提高，涂層表面生物學活性增強。郭晶等［26］發(fā)現(xiàn)，PEEK/納米氟磷灰石復合材料和PEEK/納米二氧化鈦復合材料均可提高成骨效能。PEEK經過表面噴砂、等離子噴涂、激光輻照、電弧離子鍍層、化學酸蝕刻、生長因子促進和生物涂層改性后，可以有效提高材料的生物活性和成骨效能，為口腔修復和種植治療帶來新的可能。

6　結語

PEEK及其復合材料憑借其優(yōu)異的綜合性能在生物醫(yī)用領域占有重要地位。良好的耐蠕變性和耐熱等級高的特點使PEEK及其復合材料被應用于制造需要高溫蒸汽滅菌的醫(yī)療器械；PEEK及其復合材料具有優(yōu)良的抗疲勞性和X射線可穿透性，并可減少應力遮擋，利用3D打印技術可定制任意形狀和結構的植入體和人工骨；PEEK及其復合材料的耐磨損性能和耐化學藥品腐蝕性使其成為高壽命人工關節(jié)的替代品；其潛在的抑菌性在口腔修復的臨床治療中發(fā)揮了重要作用。隨著科學研究的深入，科研工作者應不斷研發(fā)新型PEEK復合材料，有效提高材料的生物活性和成骨效能，進一步研究其在人體或接近人體等復雜生理環(huán)境下的綜合性能，積極開拓其在生物醫(yī)用領域的其他應用。

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Applications of polyether ether ketone and its composites in biomedical field

Zong Qianying，Ye Lin，Zhang Aiying，F(xiàn)eng Zengguo
（School of Materials Science and Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Abstract：Application and prospect of polyether ether ketone（PEEK）and its composites in the biomedical field are reviewed. PEEK and its composites，which exhibit high thermal stability and creep resistance，have been used in production of medical equipment. It can be used as implantable material for spinal，trauma and orthopedic applications. thanks to fatigue resistance and penetrating of X-rays. Excellent wear resistance shows great superiority in artificial joint replacement. The stable chemical resistance and potential antimicrobial activity make it play an important role in dental restorations as well. Modification of PEEK and its composites can improve their comprehensive performance，so as to explore further applications in biomedical field.

Keywords：polyether ether ketone； composite； biocompatibility； medical material

作者簡介：宗倩穎，女，1987年生，在讀博士，主要從事功能高分子的合成與研究工作。聯(lián)系電話：15210519208；E-mail：z_qianying@163.com。

收稿日期：2016-02-15；修回日期： 2016-03-19。

中圖分類號：TQ 34

文獻標識碼：A

文章編號：1002-1396（2016）03-0093-04