骨植入聚醚醚酮材料表面改性的研究進(jìn)展

肖天華，劉榮濤，龐貽宇，李 達(dá)，劉 佳，閔永剛

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 東莞華南設(shè)計(jì)創(chuàng)新院，廣東 東莞 523808）

聚醚醚酮(Polyetheretherketone , PEEK)是一種新型半晶態(tài)芳香族熱塑性高分子材料。1978年，英國(guó)科學(xué)家采用堿金屬碳酸鹽作催化劑，以二苯砜作溶劑，通過(guò)4,4’-二氟二苯甲酮與對(duì)苯二酚進(jìn)行縮合反應(yīng)制得。隨后PEEK被美國(guó)食品和藥物管理局(Food and Drug Administration, FDA)批準(zhǔn)，用于制造骨科植入體[1]。20世紀(jì)90年代末，PEEK成為替代金屬植入物部件的重要高性能熱塑性塑料候選材料，尤其是在矯形外科和創(chuàng)傷應(yīng)用[2-4]。隨著碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮(CFR-PEEK)的出現(xiàn)，這種新型復(fù)合材料被開發(fā)用于人工髖關(guān)節(jié)的骨折固定和股骨假體[5]。近年來(lái)PEEK作為修復(fù)骨缺損的生物材料引起了科學(xué)家們的興趣[6]。與傳統(tǒng)生物陶瓷材料不銹鋼、鈦及其合金金屬種植體等相比，PEEK具有彈性模量更接近皮質(zhì)骨，良好的生物相容性以及摩擦系數(shù)小，加工方法多樣靈活，耐化學(xué)腐蝕，天然輻射透明度和與磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)兼容等優(yōu)點(diǎn)[7-9]。但其作為植入物的缺點(diǎn)是表面惰性，導(dǎo)致細(xì)胞和骨結(jié)合能力差，并且抗菌性能欠佳，嚴(yán)重阻礙了其廣泛的臨床應(yīng)用[10]。目前，表面改性方法可有效改善PEEK材料的生物活性，增強(qiáng)其抗菌、骨整合性能[11]。本文通過(guò)物理改性、化學(xué)改性以及涂層改性3個(gè)方面來(lái)介紹表面改性方法(如圖1所示)，并分析了不同改性技術(shù)對(duì)于提高生物相容性的幫助，最后展望了骨植入PEEK材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展前景。

圖1 改善PEEK材料生物活性的表面改性方法[11]Fig.1 Surface modification to improve the biological activity of PEEK[11]

1 表面物理改性

通過(guò)改變PEEK材料表面的微納結(jié)構(gòu)或沉積一些活性物質(zhì)而不改變與其相關(guān)的表面的化學(xué)性質(zhì)，是PEEK材料表面改性最常用且易操作的一種表面改性方法。目前聚醚醚酮表面物理改性主要采用等離子體處理、物理氣相沉積來(lái)提高PEEK材料生物活性。

1.1 等離子體處理

等離子體是一種電離氣體，可以在含有低壓氣體混合物的封閉反應(yīng)堆系統(tǒng)中通過(guò)電磁波激發(fā)產(chǎn)生。以這種方式生成的活性粒子可以與放置在反應(yīng)器中的生物材料的表面相互作用，在表面引入特定官能團(tuán)。長(zhǎng)期以來(lái)，PEEK材料一直采用等離子體改性的方法[12]。Ha等[13]采用N2/O2低壓等離子體處理PEEK，以提高PEEK的生物活性。成骨細(xì)胞系(MC3T3-E1)的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，低壓等離子體處理過(guò)的PEEK對(duì)細(xì)胞活力沒(méi)有不利影響。在鈣磷飽和溶液中浸泡24 d后，等離子體處理PEEK表面形成了厚度達(dá)50 μm的含碳酸鹽磷酸鈣層。與未經(jīng)處理的PEEK相比，經(jīng)等離子體處理的PEEK經(jīng)磷酸鈣包覆后，細(xì)胞活力顯著提高，且有利于骨?種植體界面的結(jié)合。Awaja等[14-15]用CH4/O2混合等離子體對(duì)PEEK表面進(jìn)行改性。他們發(fā)現(xiàn)，與未處理的樣品相比，用CH4/O2氣體處理的表面黏結(jié)強(qiáng)度顯著提高。他們使用CH4/O2混合氣體的等離子體浸沒(méi)離子注入和沉積(Plasma Immersion Ion Implantation and Deposition, PIII&D)技術(shù)，檢測(cè)到在PEEK上沉積了具有高表面能的富氧納米薄膜，這大大提高了細(xì)胞黏附性。他們還發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞黏附力與水接觸角、表面能的極性成分以及PEEK表面的氧濃度之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。 Althaus等[16]使用O2/Ar或NH4等離子體處理PEEK表面，生成納米結(jié)構(gòu)基底，與原始PEEK相比，脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞廣泛黏附、增殖和成骨分化。且觀察到50 W處理PEEK的礦化度比10 W增加了一倍，表明成骨分化依賴于等離子體功率。

可見，通過(guò)等離子體處理，在PEEK材料表面可以引入?NH3、?OH和?COOH等活性官能團(tuán)活化材料表面，進(jìn)而增加其表面的浸潤(rùn)性并且促進(jìn)細(xì)胞黏附。同時(shí)這些活性官能團(tuán)有利于一些生物活性分子的附著和黏附，甚至還能夠和其他物質(zhì)通過(guò)接枝和聚合等方法結(jié)合，在PEEK材料表面生成生物涂層，使其具有良好的生物相容性。

1.2 物理氣相沉積

物理氣相沉積(Physical Vapour Deposition，PVD)技術(shù)是在真空條件下，將材料源氣化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子，并通過(guò)低壓氣體(或等離子體)在襯底表面沉積特定功能薄膜的技術(shù)。Yu等[17]采用氣相沉積法在PEEK基體上制備了純鎂，最適襯底溫度為230 ℃、 PEEK上的鎂涂層在Hank的溶液中至少能維持14 d。鎂包覆PEEK具有優(yōu)良的抗菌性能，抗菌率達(dá)99%。 Kratochvíl等[18]研究了在PEEK基底上沉積的抗菌Cu/C:F納米復(fù)合材料。采用物理氣相沉積法制備納米復(fù)合材料，用氣體聚集源制備納米銅顆粒，射頻濺射聚四氟乙烯進(jìn)行包覆。研究發(fā)現(xiàn)，以適量的Cu納米粒子和C:F勢(shì)壘厚度形成的納米復(fù)合材料對(duì)大腸桿菌(E.coli)具有很強(qiáng)的抗菌作用，對(duì)MG63細(xì)胞沒(méi)有任何傷害。

物理氣相沉積技術(shù)可以在PEEK基體上沉積多種生物相容性膜，例如金屬膜、陶瓷、半導(dǎo)體和聚合物膜等。同時(shí)物理氣相沉積技術(shù)工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境友好，無(wú)污染，耗材少，成膜均勻致密，與PEEK基體的結(jié)合力強(qiáng)，用于PEEK表面改性有較好的應(yīng)用前景。

2 表面化學(xué)改性

PEEK材料表面化學(xué)改性通過(guò)引入不同的分子鏈或增加表面活性基團(tuán)，來(lái)改善材料表面的生物活性。PEEK的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，除了濃硫酸外，PEEK幾乎耐受其他任何化學(xué)藥品。目前PEEK表面化學(xué)改性主要從磺化改性、表面接枝和負(fù)載生長(zhǎng)因子3個(gè)方面來(lái)改善PEEK生物活性問(wèn)題。

2.1 磺化改性

磺化反應(yīng)是一種親電取代反應(yīng)，它使用濃硫酸將磺酸鹽基團(tuán)連接到PEEK結(jié)構(gòu)中的芳環(huán)上[19]。Zhao等[20]首次發(fā)現(xiàn)利用濃硫酸對(duì)PEEK的腐蝕作用，在PEEK樣品上形成了三維多孔網(wǎng)絡(luò)，所制備的微/納米孔PEEK在體外能顯著促進(jìn)MC3T3-E1前成骨細(xì)胞的初始黏附、增殖和成骨分化等功能，并能顯著增強(qiáng)體內(nèi)骨整合和骨種植結(jié)合強(qiáng)度。但是，磺化作用容易產(chǎn)生大量的含硫基團(tuán)，研究證明會(huì)對(duì)人體細(xì)胞和組織有負(fù)面影響。Ouyang等[21]用濃硫酸對(duì)PEEK進(jìn)行磺化處理，在其表面形成三維網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其進(jìn)行不同時(shí)間的水熱處理得到不同濃度硫含量的樣品，如圖2所示。硫含量最小的樣品SPW120在體外對(duì)大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(Rat Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells, rBMSCs)的增殖和成骨分化表現(xiàn)出增強(qiáng)作用。所有磺化樣品對(duì)金黃色葡萄球菌(S. aureus)和大腸桿菌(E.coli)均表現(xiàn)出良好的抗菌性能，特別是對(duì)S.aureus具有良好的抗菌性能。

圖2 不同硫濃度的磺化PEEK的表面形貌和電子能譜[21]Fig.2 SEM and EDS of sulfonated PEEK with different sulfur concentrations[21]

可見，磺化是在PEEK材料表面制備三維多孔結(jié)構(gòu)的一種有效方法，通過(guò)浸泡條件的控制，可使這些孔達(dá)到微/納米級(jí)，這非常有利于細(xì)胞黏附及生長(zhǎng)?；腔€在PEEK表面及孔洞中生成磺酸基團(tuán)，雖然可能對(duì)人體細(xì)胞和組織有一定負(fù)面作用，但磺化PEEK表面還是增強(qiáng)了成骨細(xì)胞的增值和分化能力，同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)良的殺菌性能。另外，可以通過(guò)還原反應(yīng)在磺化PEEK 材料表面及孔洞中生成豐富的羥基官能團(tuán)，使細(xì)胞能夠很好地黏附、增殖并向成骨細(xì)胞方向分化，表現(xiàn)出了良好的生物活性。

2.2 表面接枝

表面接枝法是通過(guò)各種手段在材料表面產(chǎn)生自由基，自由基再進(jìn)一步與改性單體或功能基團(tuán)反應(yīng)，從而達(dá)到改性的目的。

Zheng等[22]通過(guò)紫外引發(fā)乙烯基膦酸接枝聚合，將磷酸基團(tuán)引入PEEK表面，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磷酸基團(tuán)改性后增加表面親水性。體外細(xì)胞相容性、堿性磷酸酶活性、細(xì)胞外基質(zhì)礦化和實(shí)時(shí)PCR分析實(shí)驗(yàn)顯示MC3T3-E1成骨細(xì)胞在磷酸化PEEK表面的黏附、擴(kuò)散、增殖和成骨分化增強(qiáng)。通過(guò)組織學(xué)分析對(duì)兔脛骨近端缺損模型進(jìn)行活體生物學(xué)評(píng)價(jià)，證實(shí)PEEK表面磷酸化可改善骨與種植體的界面接觸。

圖3 紫外引發(fā)乙烯基膦酸接枝聚合[22]Fig.3 UV-induced graft polymerization of vinyl phosphonic acid[22]

Fristrup等[23]用硼氫化鈉對(duì)PEEK進(jìn)行預(yù)處理，得到含羥基的活性表面，羥基被轉(zhuǎn)化為溴異丁酸原子轉(zhuǎn)移自由基聚合的起始位點(diǎn)，隨后，在水溶液中接枝聚乙二醇(見圖4)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改性后的PEEK具有優(yōu)良的親水性，并且更有利于金屬離子在表面的沉積。

圖4 NaBH4活化PEEK表面后接PPEGMA[23]Fig.4 Surface activation of PEEK films via NaBH4 treatment and grafting of PPEGMA brushes from the PEEK films[23]

可見，表面接枝可以通過(guò)化學(xué)反應(yīng)或能量輻射等方法在PEEK材料表面引入活性基團(tuán)，進(jìn)而進(jìn)行接枝聚合，或者直接在PEEK表面接枝功能性物質(zhì)，使其表現(xiàn)出了良好的生物活性及其他性能。因?yàn)楣δ芑钚曰鶊F(tuán)或功能性物質(zhì)多以化學(xué)鍵與PEEK表面鍵合，在應(yīng)用中比較穩(wěn)定，不易脫落，非常適于骨移植體表面的改性。

2.3 負(fù)載生長(zhǎng)因子

在骨移植材料表面負(fù)載有益于成骨細(xì)胞增殖及分化的生長(zhǎng)因子也是常見的方法。骨形態(tài)發(fā)生蛋白(Bone Morphogenetic Protein, BMP)因其具有誘導(dǎo)成骨潛能細(xì)胞的作用而常被負(fù)載。其中BMP-2是BMP家族中最具潛力的促進(jìn)成骨分化的生長(zhǎng)因子。Sun等[24]采用冷凍干燥技術(shù)將BMP-2固定在磺化聚醚醚酮(SPEEK)上，SPEEK的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使BMP-2的釋放得到了可控、持久的釋放。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，BMP-2固定化樣品顯著增強(qiáng)rBMSCs的初始黏附和擴(kuò)散。此外，膠原分泌、細(xì)胞外基質(zhì)礦化和堿性磷酸酶活性也得到改善，BMP-2固定化樣品極大地促進(jìn)了rBMSCs的成骨分化。Nisarg等[25]采用逐層自組裝的方法，在PEEK表面構(gòu)建BMP-2和羥基磷灰石(Hydroxylapatite,HA)共混改性，解決了負(fù)載 BMP-2早期“突釋”問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了BMP-2的有效控釋。

可見，生長(zhǎng)因子可以采用多孔結(jié)構(gòu)、自組裝、沉積和納米微球等多種方法負(fù)載于PEEK材料表面，通過(guò)誘導(dǎo)成骨潛能細(xì)胞，在骨骼或骨骼外轉(zhuǎn)化形成軟骨和骨組織。

3 表面涂層改性

利用生物相容性涂層對(duì)PEEK進(jìn)行表面改性是一種很有前途的方法，它可以賦予PEEK生物活性，改善移植物與組織的相互作用。到目前為止，許多材料被用作涂層材料，如HA、石墨烯、氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)和聚多巴胺(Polydopamine,PDA)仿生涂層等。此外本文還介紹了一些制備涂層的表面沉積技術(shù)，如等離子體浸沒(méi)離子注入(Plasma Immersion Ion Implantation, PIII)、電子束蒸鍍技術(shù)(Electron Beam Evaporation, EBE)、磁控濺射技術(shù)(Magnetron Sputtering Technique, MST)等。

3.1 羥基磷灰石涂層

羥基磷灰石(HA)可以通過(guò)骨傳導(dǎo)機(jī)制促進(jìn)新骨的生長(zhǎng)，而不會(huì)引起任何局部或全身毒性、炎癥或異物反應(yīng)，常被用作骨和牙周缺損的替代物、牙槽嵴、中耳植入物、藥物遞送劑、骨植入物上的生物活性涂層[26]。Lee等[27]通過(guò)冷噴涂技術(shù)在PEEK表面制備了均勻分布的磷灰石涂層，涂層與PEEK基體結(jié)合牢固，材料無(wú)變形。比較涂層改性與未改性PEEK材料的體外生物活性研究結(jié)果表明，磷灰石涂層促進(jìn)了PEEK材料表面人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的分化和增殖, 體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明磷灰石改性增強(qiáng)了PEEK材料與骨組織的整合強(qiáng)度，促進(jìn)了與周圍髂骨的融合。

Dong等[28]通過(guò)兩步水熱處理制備了一種HA和Ni元素雙功能化sPEEK多孔植入材料(見圖5)，實(shí)現(xiàn)了Ni2+和Ca2+離子的不同傳遞方式協(xié)調(diào)骨再生過(guò)程中的成骨和血管生成這兩個(gè)耦合過(guò)程，并證明適當(dāng)?shù)腘i2+給藥可以有效地促進(jìn)HUVECs的增殖、遷移、成管和血管生成相關(guān)基因的表達(dá)，從而增強(qiáng)種植體的血管化，具有促進(jìn)MC3T3-E1細(xì)胞成骨分化、快速誘導(dǎo)骨和血管再生的強(qiáng)大能力，顯著提高了生物惰性植入物的成骨固定能力。

圖5 不同生物功能sPEEK樣品的表面形貌[28]Fig.5 Surface morphologies of sPEEK samples with different biological functions[28]

在PEEK表面制備HA涂層或HA復(fù)合涂層的方法很多，包括等離子噴涂法、磁控濺射法、電泳沉積法、溶膠?凝膠法和仿生溶液法等。HA涂層或HA復(fù)合涂層可引導(dǎo)新骨的生長(zhǎng)，為新骨的形成提供生理支架作用，并與骨組織緊密結(jié)合，大大提高了PEEK表面的生物活性和生物相容性。

3.2 石墨烯涂層

石墨烯是一種單原子厚的二維六角形蜂窩狀結(jié)構(gòu)，由sp2雜化碳原子從其母體材料石墨中分離而來(lái)。石墨烯家族(Graphene Families, GFs)包括少層石墨烯、石墨烯帶(點(diǎn))、氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)、石墨烯納米片以及還原氧化石墨烯(Reducing Graphene Oxide, rGO)等。近年來(lái)，石墨烯及其衍生物在生物和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的關(guān)注，大量研究致力于探索GFs的抗菌活性和組織工程應(yīng)用[29]。 Yan等[30]從催化金屬膜中將石墨烯穩(wěn)定地包覆在CFR-PEEK表面。石墨烯的修飾可顯著促進(jìn)BMSCs細(xì)胞增殖，并加速誘導(dǎo)分化為成骨細(xì)胞系。實(shí)驗(yàn)表明石墨烯修飾的CFR-PEEK種植體周圍形成的新骨多于CFR-PEEK種植體。該文作者還在兔的體內(nèi)建立了關(guān)節(jié)外骨移植愈合模型。Ouyang等[31]利用PEEK與氧化石墨烯(GO)的π-π相互作用，提出制備GO涂層改性磺化聚醚醚酮(SPEEK)的方法，如圖6所示。抗菌試驗(yàn)表明，GO-SPEEK對(duì)E.coli具有良好的抑制作用。與PEEK組和SPEEK組相比，GO-SPEEK基質(zhì)能顯著促進(jìn)成骨樣MG-63細(xì)胞的增殖和成骨分化。Ouyang等[32]還以多巴胺為輔助在磺化PEEK構(gòu)建氧化石墨烯(GO)和地塞米松(Dex)脂質(zhì)體多孔涂層。研究結(jié)果表明，GO和Dex在樣品表面得到了成功的包覆。體外細(xì)胞貼壁、生長(zhǎng)、分化和磷灰石沉積實(shí)驗(yàn)均表明，與原磺化PEEK相比，GO和Dex包覆的基質(zhì)能顯著促進(jìn)MC3T3細(xì)胞的增殖和成骨分化。此外，它在體外對(duì)E.coli和S. aureus表現(xiàn)出良好的抗菌活性。

圖6 氧化石墨烯涂層改性磺化PEEK流程及應(yīng)用[31]Fig.6 Process and application of modified sulfonated polyether ether ketone with GO coating[31]

可見，將石墨烯及其衍生物應(yīng)用于PEEK材料表面涂層，能顯著提高PEEK的生物相容性，促進(jìn)間充質(zhì)細(xì)胞黏附、增殖及成骨分化，同時(shí)還能起到殺菌的作用。其中氧化石墨烯因其帶有羧基和羥基等活性基團(tuán)，更易于與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，具有開發(fā)多種功能的可能性。

3.3 多巴胺仿生涂層

多巴胺在堿性介質(zhì)中自聚，可在材料表面形成一層均勻的聚多巴胺(PDA)仿生涂層。Giwan等[33]首先將PEEK浸入多巴胺的堿性溶液中，反應(yīng)一段時(shí)間后在材料表面形成一層均勻的PDA薄膜，然后利用PDA的活性基團(tuán)在材料表面接枝了一層膠原分子。體外實(shí)驗(yàn)表明，復(fù)合涂層改性促進(jìn)了PEEK表面細(xì)胞的黏附、增殖與成骨分化，改善了PEEK的生物活性。Xu等[34]利用PDA涂層將含地塞米松/米諾環(huán)素(Dex/Mino)的脂質(zhì)體固定在PEEK表面(見圖7)。研究結(jié)果表明，開發(fā)的Dex/Mino脂質(zhì)體修飾PEEK具有增強(qiáng)的抗菌、抗炎和骨整合能力，有很大的潛力作為骨科/牙科植入材料進(jìn)行臨床應(yīng)用。Zhu等[35]利用PDA表面的亞氨基活性基團(tuán)將三肽Arg?Gly?Asp(RGD)整合到磺化PEEK表面，并通過(guò)細(xì)胞增殖，實(shí)時(shí)逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)分析，茜素紅染色，免疫細(xì)胞化學(xué)染色和浸泡模擬體液等方面研究了表面特征(物理化學(xué)和生物性質(zhì))及成骨分化能力?？偟膩?lái)說(shuō)，與PEEK對(duì)照組相比，改性PEEK在體外促進(jìn)細(xì)胞增殖、成骨分化和骨樣磷灰石形成的能力顯著提高。這些結(jié)果表明，PEEK表面改性可以提高PEEK的生物活性和生物相容性，并誘導(dǎo)骨分化。

圖7 含地塞米松/米諾環(huán)素(Dex/Mino)的脂質(zhì)體固定在PEEK表面的示意圖及SEM圖[34]Fig.7 Schematic illustration and SEM images of liposomes containing dexamethasone/minocycline (Dex/Mino) were fixed on PEEK surface[34]

Zhang等[36]將摻鋰二氧化硅納米球和PDA復(fù)合生物活性復(fù)合材料涂覆在PEEK表面(LP-PEEK)，并在體外和體內(nèi)評(píng)價(jià)了復(fù)合材料的生物性能。結(jié)果表明，生物活性提高的LP-PEEK在模擬體液中比PDA包覆的PEEK(PPEEK)和PEEK顯著促進(jìn)磷灰石礦化。與PPEEK和PEEK相比，LP-PEEK對(duì)rBMSCs反應(yīng)有明顯的刺激作用。此外，與PPEEK和PEEK相比，LPPEEK顯著促進(jìn)體內(nèi)骨組織的反應(yīng)。這可能是由于LP-PEEK表面復(fù)合生物活性涂層而導(dǎo)致細(xì)胞和骨組織反應(yīng)的改善。

可見，在PEEK材料表面包覆PDA仿生涂層可以有效提高其生物相容性。由于PDA涂層表面富含?NH2或?COOH等活性基團(tuán)，可作為二次接枝的平臺(tái)，在材料表面引入生物活性分子或其他功能物質(zhì)，進(jìn)一步改善材料的生物相容性或賦予材料其他性能。

3.4 表面沉積技術(shù)

3.4.1 等離子體浸沒(méi)離子注入

等離子體浸沒(méi)離子注入(PIII)是一種非視線的表面改性方法，在微電子、航空航天、精密制造、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。通過(guò)引入不同的元素和官能團(tuán)，可以選擇性地調(diào)整表面特性，如細(xì)胞相容性、抗菌活性和機(jī)械性能。此外，在適當(dāng)?shù)臈l件下，可以選擇性地形成不同尺寸的獨(dú)特結(jié)構(gòu)[37]，如圖8所示。

Wang等[38]采用了鈦等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)對(duì)CFR-PEEK表面進(jìn)行修飾，構(gòu)建了一個(gè)獨(dú)特的多層TiO2納米結(jié)構(gòu)，納米尺度的表面可以極大地影響人牙齦成纖維細(xì)胞的細(xì)胞外基質(zhì)合成，調(diào)節(jié)整合素的表達(dá)，同時(shí)對(duì)變形鏈球菌(S. mutans)、核梭桿菌(F.nucleatum )和人牙齦卟啉單胞菌(P. gingivalis)有著穩(wěn)定的抗菌活性。Chen等[8]通過(guò)在PEEK表面等離子體注入氬氣，然后經(jīng)過(guò)氫氟酸處理，前者的納米表面與后者引入氫元素協(xié)同作用，氟化PEEK與初始PEEK相比，能增強(qiáng)細(xì)胞黏附、細(xì)胞擴(kuò)散、增殖和堿性磷酸酶活性，并且含氟PEEK表面對(duì)P. gingivalis有良好的抑菌作用，為牙科移植材料提供了良好的選擇。Wang等[39]采用水蒸氣為等離子體源，氬為電離輔助氣體，采用PIII技術(shù)對(duì)PEEK表面進(jìn)行了改性。在PEEK樣品上培養(yǎng)MC3T3-E1和rBMSCs細(xì)胞。結(jié)果表明，水PIII改性PEEK表面形成了羥基和“撕裂結(jié)構(gòu)”。與純PEEK相比，水PIII處理的PEEK更有利于成骨細(xì)胞的黏附、擴(kuò)散和增殖，堿性磷酸酶活性所指示的早期成骨分化也被上調(diào)。Lu等[40]通過(guò)采用雙鋅氧等離子體浸沒(méi)離子注入對(duì)CFR-PEEK表面進(jìn)行了改性，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Zn/O-CFRPEEK復(fù)合材料的MC3T3-E1細(xì)胞的黏附和增殖得到明顯促進(jìn)，而rBMSCs在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面的骨分化得到增強(qiáng)。

圖8 PIII 構(gòu)建 PEEK 表面結(jié)構(gòu)的機(jī)理[37]Fig.8 Mechanism of PIII to construct PEEK surface structure[37]

Lu等[41]利用鈣等離子體浸沒(méi)離子注入將鈣引入PEEK表面。結(jié)果表明，PEEK表面形成了不同鈣含量的改性層。水接觸角測(cè)量顯示，兩種Ca-PIII處理表面的疏水性都在增加。體外細(xì)胞黏附、活性測(cè)定、堿性磷酸酶活性和膠原分泌分析顯示，rBMSCs在Ca-PIII處理表面的黏附、增殖和成骨分化均有改善。結(jié)果表明，鈣摻入可以制備成骨活性增強(qiáng)的PEEK表面。

Gan等[42]通過(guò)氮?dú)獾入x子體浸沒(méi)離子注入成功將氮官能團(tuán)引入PEEK表面。生物評(píng)價(jià)和抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，N2-PIII處理能顯著提高PEEK的生物活性，樣品對(duì)S. aureus表現(xiàn)出一定的抗菌性能。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證明，柱狀結(jié)構(gòu)比顆粒狀結(jié)構(gòu)更有利于細(xì)胞的成骨分化。

3.4.2 電子束蒸鍍

電子束蒸鍍(EBE)技術(shù)是在電磁場(chǎng)的配合下，精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)高能電子轟擊坩堝內(nèi)靶材，使之融化進(jìn)而沉積在基材上。Wen等[9]首次嘗試電子束蒸鍍技術(shù)在生物惰性PEEK表面涂覆一層高純度生物活性硅酸鹽涂層。研究結(jié)果表面，合適的沉積時(shí)間具有良好的成骨誘導(dǎo)潛力，Micro-CT、熒光標(biāo)記和組織學(xué)的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蒸鍍時(shí)間8 min組能更好地促進(jìn)骨質(zhì)疏松動(dòng)物模型的骨整合。

3.4.3 磁控濺射

磁控濺射技術(shù)(MST)是在電場(chǎng)作用下氬離子加速飛向陰極靶材，并且以足夠高的能量轟擊靶材表面，使靶材發(fā)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基體表面形成薄膜。在構(gòu)建生物功能涂層中，常用的是金屬靶材，如Ag、Cu、Mg和Zn等。大多數(shù)金屬離子會(huì)具有多種抗菌機(jī)制[43]，其主要的抗菌機(jī)理包括活性氧(Reactive Oxide Species, ROS)導(dǎo)致細(xì)菌氧化損傷，破壞細(xì)菌壁和質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，影響細(xì)菌膜的正常功能，破壞細(xì)菌 DNA結(jié)構(gòu)，破壞細(xì)菌蛋白質(zhì)活性以及特殊酶的結(jié)構(gòu)等(見圖9)。Liu等[44]通過(guò)磁控濺射技術(shù)在PEEK表面成功地制備了致密均勻的納米銀(Ag)修飾層。改性PEEK植入物表現(xiàn)出增強(qiáng)的抗菌活性和細(xì)菌黏附能力，而不表現(xiàn)出細(xì)胞毒性。Liu等[45]通過(guò)特定的磁控濺射技術(shù)將銅(Cu)納米粒子固定在磺化聚醚醚酮(SPEEK)表面。體外抗菌和免疫學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，Cu摻雜的SPEEK可以通過(guò)“陷阱殺滅”和“接觸殺滅”相結(jié)合的方式對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄糖球菌(Methicillin-resistant Staphylococcus Aureus,MRSA)產(chǎn)生理想的殺菌效果，在含Cu納米粒子的SPEEK上培養(yǎng)的巨噬細(xì)胞可被激活并極化為促炎表型，同時(shí)提高M(jìn)RSA的吞噬能力。進(jìn)一步的體內(nèi)植入相關(guān)感染模型證明了Cu納米粒子修飾的SPEEK具有優(yōu)越的抗菌活性。

可見，通過(guò)多種表面沉積技術(shù)不僅可以在PEEK表面引入Zn、Ca、Ag、Cu、Mg等元素和活性官能團(tuán)，還能形成生物活性涂層，賦予PEEK生物相容性及抗菌活性等性能。

圖9 抗菌機(jī)理示意圖[43]Fig.9 Schematic diagram of antibacterial mechanism[43]

4 結(jié)論與展望

近十年來(lái)，PEEK基植入物表面改性的研究取得了許多進(jìn)展，包括從簡(jiǎn)單的物理改性、化學(xué)改性到涂層改性。雖然很多表面處理方法進(jìn)入臨床是有希望的，但還存在一些挑戰(zhàn)，特別是植入期間和植入后的磨損，長(zhǎng)期儲(chǔ)存的表面穩(wěn)定性以及滅菌效果需要進(jìn)行評(píng)估，以確保表面處理在整個(gè)生命周期內(nèi)不會(huì)退化或磨損正常組織。另外還需進(jìn)一步的體內(nèi)試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證植入體在不傷害成骨細(xì)胞的前提下的抵御細(xì)菌的能力，并且表面處理對(duì)骨整合的細(xì)胞機(jī)制的影響需要進(jìn)一步的研究，以揭示PEEK植入體在植入體內(nèi)時(shí)每一階段身體所做出的反應(yīng)。