聚醚醚酮及改性材料在口腔修復(fù)學(xué)中的應(yīng)用

劉黎明 曹文瑞 魯守濤 張海軍

【提要】 聚醚醚酮（Polyetheretherketone，PEEK）及其復(fù)合材料具有優(yōu)良的機(jī)械性能和生物相容性，其彈性模量與人體皮質(zhì)骨較為接近，顏色接近天然色，在口腔修復(fù)、種植領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。本文就目前PEEK在力學(xué)改性及骨整合改性方面的研究，及其在口腔修復(fù)、種植領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

口腔修復(fù)是口腔醫(yī)學(xué)的重要分支，而對(duì)修復(fù)材料的研究一直是其中的熱點(diǎn)。上世紀(jì)60年代以來(lái)，鈦及鈦合金憑借著優(yōu)良的理化性能、力學(xué)性能、耐疲勞性和耐腐蝕性，一直是口腔植入材料的傳統(tǒng)選擇[1]。然而，鈦的彈性模量遠(yuǎn)高于人體密質(zhì)骨（鈦為110 GPa，密質(zhì)骨僅約14 GPa），這種差異直接產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，致使植入體周?chē)趋缼缀醪怀袚?dān)應(yīng)力，導(dǎo)致種植體周?chē)趋喇a(chǎn)生骨萎縮和骨吸收。此外，有研究表明鈦種植體會(huì)在體內(nèi)引起過(guò)敏反應(yīng)，并且鈦?zhàn)鳛榭谇恢踩塍w美觀度較差。目前許多研究致力于尋找傳統(tǒng)鈦口腔材料的替代材料，如氧化鈷[2]、PEEK[3]等。

上世紀(jì)90年代，PEEK用作長(zhǎng)期植入體后受到了廣泛關(guān)注。本文主要探討PEEK在口腔醫(yī)學(xué)中的研究現(xiàn)狀，特別是PEEK在改性方面的研究，以及在口腔修復(fù)中的應(yīng)用及成型研究的相關(guān)進(jìn)展。

1 PEEK及其在改性方面的研究

1.1 改性PEEK在骨整合性方面的研究

修復(fù)材料的生物活性直接關(guān)系到修復(fù)體在組織內(nèi)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。PEEK本身表面能較低，表面的疏水特性不利于細(xì)胞的黏附，與組織之間的骨整合性能較差。有研究表明，PEEK作為植入體因骨整合性差，可導(dǎo)致感染甚至植入體的松動(dòng)脫落[4]。而表面親水性的改變，可直接影響口腔種植體材料表面與組織之間的微環(huán)境，從而促進(jìn)細(xì)胞增殖[5-6]。有研究發(fā)現(xiàn)，利用紫外線(xiàn)照射進(jìn)行表面改性可得到微米和納米尺寸的表面特征，經(jīng)檢測(cè)UV-C/UV-A照射后的PEEK口腔種植體的接觸角降低，表面濕潤(rùn)性得到有效改善[7]。采用激光和等離子體表面處理技術(shù)相結(jié)合，利用等離子體處理得到納米化的表面結(jié)構(gòu)，再結(jié)合激光處理PEEK表面形成微結(jié)構(gòu)，這種多尺度的表面造型也可使PEEK的長(zhǎng)久濕潤(rùn)性得到良好改善[8]。此外，表面改性技術(shù)中的等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)（Plasma immersion ion implantation，PIII），是通過(guò)高壓脈沖直流將等離子中的加速離子注入基體中，利用PIII技術(shù)將鉭離子注入PEEK表面形成納米氧化鉭涂層，經(jīng)PIII技術(shù)處理后的表面彈性模量更接近人體皮質(zhì)骨，且經(jīng)測(cè)試改性后的PEEK與組織的骨整合性得到顯著改善[9]。除表面改性技術(shù)外，也可將其他活性材料添加到PEEK基體中，如磷酸鈣、生物活性玻璃和硅酸鈣等生物活性陶瓷，以制備復(fù)合材料來(lái)改善其生物活性，提高PEEK植入體與骨組織之間的骨整合能力[10]。或者添加抗菌物質(zhì)，改善PEEK植入材料的抗菌功能，王立新等[11]制備含氟納米羥基磷灰石-PEEK復(fù)合材料（n-FHA-PEEK），通過(guò)研究其表面變形鏈球菌的黏附情況和生物膜的形成情況，來(lái)探究n-FHA-PEEK作為新型口腔材料的可行性。他們分別在3組材料表面（n-FHA-PEEK、n-HAPEEK、PEEK）接種口腔變形鏈球菌，14 d后觀察，n-FHAPEEK組死菌最為明顯、n-HA-PEEK組次之、PEEK組最少，結(jié)果顯示含氟的磷灰石成分可降低PEEK表面的細(xì)菌黏附量，n-FHA-PEEK有望成為一種新型的口腔種植修復(fù)材料。

1.2 改性PEEK在力學(xué)方面的研究

改善PEEK生物活性的同時(shí)，還需關(guān)注其力學(xué)性能。羥基磷灰石（Hydroxyapatite,HA）具有良好的生物活性，將其添加到PEEK基體中，可改善PEEK材料的生物活性。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)HA含量超過(guò)10%體積時(shí)，HA納米顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，聚合物與PEEK基體間的結(jié)合變?nèi)?，?dǎo)致整體拉伸強(qiáng)度顯著降低[12]。通過(guò)原位合成方法制備羥基磷灰石/聚醚醚酮（HA/PEEK）復(fù)合材料，可以實(shí)現(xiàn)PEEK基與羥基磷灰石填料之間的強(qiáng)鍵合，盡管復(fù)合材料生物活性隨著HA的增加而增加，但若不影響其力學(xué)性能也只能添加少于5.6%體積的HA[13]。此外，碳纖維、玻璃纖維均是性能優(yōu)異的增強(qiáng)纖維，通過(guò)將其添加到PEEK基體中，復(fù)合材料的彈性模量不僅可達(dá)到設(shè)計(jì)值，而且機(jī)械強(qiáng)度和生物相容性方面也大大提高[14]。TiO2與PEEK復(fù)合，也可提高PEEK材料的生物活性[15]，填充TiO2、碳纖維增強(qiáng)的PEEK材料的力學(xué)性能均能符合口腔種植體的要求[16]。

2 PEEK及改性材料在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

PEEK因優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性能，廣泛地應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。PEEK材料主要應(yīng)用于口腔種植牙的配件，如臨時(shí)基臺(tái)、愈合帽、愈合基臺(tái)等。市售的PEEK口腔種植體材料，如贏創(chuàng)推出的VESTAKEEP瓷增強(qiáng)型PEEK是專(zhuān)為口腔修復(fù)領(lǐng)域設(shè)計(jì)的一種新型材料，英國(guó)Invibio生物材料公司推出的 PEEK-Optima和PEEK-Optima HA Enhanced等材料也可用于口腔種植，其他如Juvora Ltd、Evonik等公司也已成功地將PEEK材料引入牙科領(lǐng)域[17]。

2.1 PEEK在固定修復(fù)中的應(yīng)用

2.1.1 口腔種植體

PEEK材料作為牙科種植體時(shí)，首先要滿(mǎn)足種植體基本的力學(xué)性能要求。Lee等[18]通過(guò)有限元分析碳纖維增強(qiáng)PEEK和玻璃纖維增強(qiáng)PEEK的力學(xué)性能，結(jié)果顯示兩者承受力均在前牙、后牙的咬合范圍內(nèi)，碳纖維增強(qiáng)PEEK和玻璃纖維增強(qiáng)PEEK均可作為前牙的替代材料。并且，Schwitalla等[16]利用靜態(tài)壓力檢測(cè)了11種PEEK及PEEK基增強(qiáng)材料，結(jié)果顯示11種材料力學(xué)性能均符合口腔種植體的要求。此外，在臨床植入方面，Koutouzis等[19]對(duì)16名患者進(jìn)行后牙種植修復(fù)，評(píng)估了PEEK修復(fù)體對(duì)患者植入體周?chē)步M織及軟組織3個(gè)月內(nèi)的初期反應(yīng)，結(jié)果表明使用PEEK修復(fù)體不會(huì)增加初期愈合期間邊緣骨丟失和軟組織衰退的風(fēng)險(xiǎn)。Mounir等[20]評(píng)估了使用定制的多孔鈦或PEEK骨膜下種植體治療嚴(yán)重上頜骨嵴萎縮的臨床方案，術(shù)后12個(gè)月時(shí)，所有種植體功能穩(wěn)定，患者義齒感覺(jué)舒適，沒(méi)有觀察到放射性骨吸收、松動(dòng)、感染或義齒折斷的現(xiàn)象。

2.1.2 種植基臺(tái)

種植牙基臺(tái)是牙種植體暴露于黏膜外部的部分，為其上部的人工義齒提供支撐、固位和穩(wěn)定作用。為評(píng)價(jià)PEEK作為種植基臺(tái)支撐復(fù)合冠的物理性能，Santing等[21]將PEEK和純鈦?zhàn)鳛榭谇环N植體的臨時(shí)基臺(tái)，分別置于上頜骨的不同位置，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同材料制作的基臺(tái)上復(fù)合樹(shù)脂冠的斷裂強(qiáng)度，評(píng)價(jià)不同材質(zhì)基臺(tái)對(duì)臨時(shí)冠的支撐效果。結(jié)果表明，除中切牙外，置于PEEK基臺(tái)上的復(fù)合樹(shù)脂冠與置于純鈦基臺(tái)上的復(fù)合樹(shù)脂冠在斷裂強(qiáng)度方面并無(wú)明顯差異。Schwitalla等[22]檢測(cè)了由PEEK制作的基臺(tái)螺絲的力學(xué)強(qiáng)度，結(jié)果顯示當(dāng)基牙螺釘直徑為1.6 mm時(shí)，50%碳纖維增強(qiáng)的PEEK基臺(tái)螺釘?shù)睦鞆?qiáng)度高于傳統(tǒng)鈦合金基臺(tái)螺釘?shù)睦鞆?qiáng)度，該材料可用于制造基臺(tái)螺釘。目前，PEEK及其改性材料作為種植基臺(tái)在臨床上已有應(yīng)用，使用改性的PEEK基復(fù)合材料作為種植基臺(tái)植入患者體內(nèi)，經(jīng)過(guò)1～2年的隨訪觀察，盡管患者的牙菌斑未得到有效控制，但對(duì)植入體周?chē)浻步M織仍未造成不良影響[23]。

2.1.3 冠橋修復(fù)

PEEK具有良好的生物相容性，雖然相比金屬材料，其顏色與天然牙齒顏色較為相近，但由于美學(xué)上的要求，仍需對(duì)其進(jìn)行貼面處理，而PEEK因低表面能和耐化學(xué)性使其對(duì)復(fù)合樹(shù)脂的黏合能力較差，目前已有很多改性措施來(lái)提高PEEK與復(fù)合樹(shù)脂冠的表面黏合能力。Stawarczyk等[24]分別制備5種經(jīng)表面處理過(guò)的PEEK試樣（未處理組、濃硫酸酸蝕組、50 lm氧化鋁涂層組、100 lm氧化鋁涂層組、二氧化硅涂層組），通過(guò)黏合裝置將其與復(fù)合樹(shù)脂黏合，經(jīng)檢測(cè)酸蝕后的PEEK與復(fù)合樹(shù)脂的剪切強(qiáng)度最高。Uhrenbacher等[25]也證實(shí)了使用空氣微粒磨蝕或用硫酸蝕刻預(yù)處理的PEEK與牙本質(zhì)的黏合結(jié)果比較滿(mǎn)意。此外，改性PEEK作為冠橋修復(fù)材料已進(jìn)入臨床試驗(yàn)[26]。Alrabab＇Ah等[23]對(duì)患者進(jìn)行1年的隨訪，結(jié)果顯示改性PEEK材料用于種植修復(fù)和冠橋修復(fù)，患者并無(wú)力學(xué)或生物學(xué)上的不適。這些研究表明，改性PEEK在冠橋修復(fù)中具有較大的應(yīng)用潛能。

2.2 可摘義齒修復(fù)

可摘局部義齒修復(fù)利用天然牙、黏膜、牙槽骨作為支持，借助義齒的固位體、基托等部件裝置取得固位和穩(wěn)定，由人工牙、基托、牙合支托、固位體和連接體構(gòu)成。Zoidis等[27]報(bào)道了一種改性的PEEK材料（BioHPP，一種PEEK基陶瓷增強(qiáng)型高性能聚合材料），與普通丙烯酸義齒、常規(guī)熱固化基托丙烯酸樹(shù)脂相結(jié)合，作為可摘義齒的替代骨架材料，這種材料可用于對(duì)金屬過(guò)敏的患者，且該材料的彈性可以降低基牙的遠(yuǎn)側(cè)扭矩和應(yīng)力，更利于基牙的牙周健康。Tannous等[28]認(rèn)為，雖然改性PEEK材料制作的卡環(huán)相對(duì)于鈷-鉻卡環(huán)的固位力較小，但仍可滿(mǎn)足臨床需要，且與傳統(tǒng)的鈷-鉻扣環(huán)相比，改性PEEK材料制作的扣環(huán)對(duì)牙釉質(zhì)更溫和，使用PEEK扣時(shí)不會(huì)引起刻痕。此外，由于該材料的低噬菌斑親和性，當(dāng)與組織十分接近時(shí)，有利于獲得更加健康的牙周組織。在臨床使用方面，Pacurar等[29]報(bào)道了48名患者使用BioHpp材料作為局部義齒的框架，經(jīng)過(guò)3年隨訪，結(jié)果顯示佩戴BioHpp框架的患者沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)敏、骨折反應(yīng)。結(jié)合上述報(bào)道，PEEK復(fù)合材料有望成為一種新的固定義齒修復(fù)材料。

3 成型方式

近10年來(lái)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)（CAD/CAM）發(fā)展迅速，計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床（CNC）也為制造復(fù)雜的三維金屬、非金屬材料提供了便利。在加工方式選擇方面，Stawarczyk等[30]研究了不同的加工方法對(duì)PEEK三單位橋斷裂性能的影響。結(jié)果顯示，經(jīng)CAD/CAM加工的PEEK固定義齒的性能較優(yōu)，在連接體截面積7.4 mm2的條件下，壓力達(dá)到1 200 N時(shí)固定橋發(fā)生變形，1 385 N時(shí)出現(xiàn)斷裂，這個(gè)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)報(bào)道的磨牙咬合力（580±235）N。Muhsin等[31]將機(jī)械加工的PEEK材料與熱壓成型的聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate，PMMA）材料進(jìn)行沖擊檢測(cè)，結(jié)果顯示機(jī)械加工下的PEEK材料的抗沖擊強(qiáng)度明顯優(yōu)于熱壓成型的PMMA材料。

隨著三維成像和建模技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)在種植牙鉆頭的制作、牙齒矯正、外科手術(shù)模型、制造牙科、顱頜面和整形外科植入物，以及制作種植體和牙齒修復(fù)體的內(nèi)冠和骨架方面均有應(yīng)用[32-33]，但材料僅限于樹(shù)脂、部分金屬、復(fù)合材料等。3D打印PEEK在口腔修復(fù)方面也有應(yīng)用[20]，然而與傳統(tǒng)加工方式相比，3D打印PEEK在口腔領(lǐng)域的應(yīng)用仍然相對(duì)較少[34]，目前傳統(tǒng)的CAD/CAM技術(shù)可以完成大部分口腔修復(fù)體的加工，傳統(tǒng)CAD/CAM成型仍是PEEK口腔修復(fù)體的主要成型方式。

4 總結(jié)及展望

PEEK及其改性材料因自身的機(jī)械和物理性能與人體骨及牙本質(zhì)相接近，使其在口腔領(lǐng)域的應(yīng)用比較廣泛，包括固定修復(fù)（種植體、種植基臺(tái)、固定橋）及可摘修復(fù)等。雖然目前已有較多的改性方法用于提高PEEK的生物學(xué)性能，但與人體骨達(dá)到完美、理想的骨結(jié)合仍具有重大挑戰(zhàn)[35]?？傊?，仍需要大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床試驗(yàn)來(lái)長(zhǎng)期、綜合評(píng)價(jià)其在口腔修復(fù)學(xué)中的應(yīng)用[36]，未來(lái)仍需不斷研發(fā)新的 PEEK復(fù)合材料以滿(mǎn)足口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的特定需求。