醫(yī)用聚醚醚酮材料骨整合改性的研究進(jìn)展*

彭雨坪 孫兵 鄒東波 魏坤 楊雨婷 馬原*

聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）是一種半結(jié)晶型線性多環(huán)芳香族熱塑性塑料，具有優(yōu)異的機(jī)械性能、耐降解性、體內(nèi)良好的生物相容性，成為了金屬和陶瓷等骨科植入物的替代品。其彈性模量與人骨的彈性模量相當(dāng)，可以有效緩解手術(shù)部位的應(yīng)力遮擋問(wèn)題，降低骨質(zhì)疏松的風(fēng)險(xiǎn)[1]。目前，PEEK材料的椎間融合器及人工關(guān)節(jié)已作為骨科植入材料廣泛被應(yīng)用。同時(shí)采用3D打印的PEEK顱骨修補(bǔ)材料能與缺損部位完美契合，且術(shù)后組織相容性良好、并發(fā)癥少[2]。由于PEEK是一種生物惰性材料，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，植入體內(nèi)后骨整合率較低，容易與周?chē)墙M織形成纖維包裹，從而導(dǎo)致植入體松動(dòng)[1]。目前常見(jiàn)提高PEEK生物活性的方法主要有表面改性及制備復(fù)合物材料。為進(jìn)一步改善PEEK 的生物活性，使其具有更好的成骨特性成為當(dāng)前學(xué)者研究的熱點(diǎn)。本文主要總結(jié)和歸納了近年來(lái)能提高PEEK 骨整合性的材料及方法，旨在為研究者提供一定的參考。

1 化學(xué)物質(zhì)改性

化學(xué)物質(zhì)改性主要是在PEEK 表面通過(guò)物理、化學(xué)方式，將各種具有生物活性的成骨性材料沉積在PEEK 表面或制備復(fù)合材料的形式。一些生物陶瓷、金屬及生物因子，因具有良好的生物相容性，且在體外和體內(nèi)具有良好的骨整合性，而廣泛作為生物活性材料來(lái)提高骨整合性。

1.1 生物陶瓷

1.1.1 羥基磷灰石

羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）是骨的主要無(wú)機(jī)成分，是一種具有良好骨傳導(dǎo)性的碳酸鈣材料，在體內(nèi)不僅能增強(qiáng)細(xì)胞的黏附性，而且能與周?chē)墙M織結(jié)合，是一種重要的骨科植入材料。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)HA 表面涂層處理的人工關(guān)節(jié)植入體內(nèi)后，周?chē)墙M織能很快直接沉積在HA 表面，并與HA 中的鈣、磷離子形成化學(xué)鍵，結(jié)合緊密，中間無(wú)纖維膜[3]。由于HA 與天然的骨結(jié)合緊密，研究者在PEEK 植入物上涂層HA，通過(guò)更好的骨結(jié)合來(lái)改善成骨。Johansson 等[4]采用納米羥基磷灰石對(duì)PEEK 進(jìn)行修飾，在體內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)觀察到納米羥基磷灰石涂層種植體有更多的骨—種植體接觸和更大的骨面積，顯示出更好的骨整合性。Lee等[5]采用冷噴涂法在PEEK基底上形成一層厚厚的HA。在體外實(shí)驗(yàn)中觀察到羥基磷灰石涂層的PEEK 植入物上的人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的堿性磷酸酶活性、鈣產(chǎn)生量及骨鈣素產(chǎn)量均高于純PEEK 組；進(jìn)一步體內(nèi)動(dòng)物研究表明HAPEEK 復(fù)合種植體顯示具有良好的生物相容性和骨整合能力。Ma 等[6]采用復(fù)合注射成型技術(shù)制備的HA/PEEK 生物復(fù)合材料，具有良好的拉伸性能和彈性模量。且體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)表明與純PEEK相比均體現(xiàn)了較好的成骨活性。HA良好的生物相容性及成骨誘導(dǎo)性，使得經(jīng)HA修飾過(guò)的PEEK種植體的骨—種植體接觸良好，在體內(nèi)表現(xiàn)出更好的生物活性和骨整合性。

1.1.2 氮化硅

氮化硅（Si3N4）是一種人工合成的非氧化物生物陶瓷，具有良好的生物相容性和良好的成骨活性，其生物材料已被開(kāi)發(fā)應(yīng)用于脊柱融合器和牙齒修復(fù)。在體內(nèi)，Si和N 的存在可以刺激祖細(xì)胞分化，促進(jìn)成骨活性，最終加速新骨形成[7]。Dai 等[8]采用懸浮法和熔融粘結(jié)法在PEEK 表面制備了氮化硅涂層，改性后的PEEK 表面粗糙度、抗壓強(qiáng)度和吸水率均有所提高。實(shí)驗(yàn)表明經(jīng)氮化硅改性后的PEEK材料對(duì)MC3T3-E1細(xì)胞的黏附、增殖、分化及成骨相關(guān)基因的表達(dá)均有明顯的促進(jìn)作用。同時(shí)不僅在體內(nèi)促進(jìn)血管形成，還能促進(jìn)成骨和骨整合。

1.1.3 磷酸鎂

鎂離子（Mg2+）是動(dòng)物體內(nèi)含量豐富的離子，大部分存在于人體的牙齒和骨骼中。Mg2+參與多種細(xì)胞過(guò)程，如Na+和Ca2+離子通道的調(diào)節(jié)，細(xì)胞黏附、生長(zhǎng)和增殖，以及骨代謝等。Sikder等[9]通過(guò)熔融共混技術(shù)成功制備具有生物活性無(wú)定形磷酸鎂-聚醚醚酮（AMP-PEEK）復(fù)合材料。AMP的加入增強(qiáng)了PEEK的生物活性，顯著增加成骨前細(xì)胞的黏附和增殖，并且AMP-PEEK植入物骨整合增強(qiáng)，植入物周?chē)男鹿切纬娠@著增加。Ren 等[10]利用微波能量在聚醚醚酮表面形成骨可積非晶態(tài)磷酸鎂（AMP）涂層，在模擬體液（simulated body fluid，SBF）中誘導(dǎo)了大量的類(lèi)骨磷灰石涂層。并且在AMP涂層的PEEK樣品上培養(yǎng)的細(xì)胞中骨鈣素的高水平表達(dá)，表明AMP涂層可以促進(jìn)新骨形成，從而促進(jìn)骨整合。

1.1.4 石墨烯

石墨烯可以促進(jìn)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，同時(shí)具有良好的抗菌性能，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[11]。Yan 等[12]通過(guò)化學(xué)氣相沉積法，將石墨烯沉積在碳纖維增強(qiáng)的聚醚醚酮（CFR-PEEK）表面。體外通過(guò)細(xì)胞計(jì)數(shù)和成骨細(xì)胞特異性蛋白的分析，對(duì)大鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞在支架上的增殖和分化進(jìn)行定量檢測(cè)，結(jié)果表明石墨烯修飾的PEEK 顯著促進(jìn)了骨髓基質(zhì)細(xì)胞的增殖，并加速了成骨細(xì)胞系的誘導(dǎo)分化。

1.2 金屬及氧化物

1.2.1 鈦

鈦（Ti）是一種稀有金屬，因其耐腐蝕、耐熱性能好、無(wú)毒、可塑性較好的優(yōu)點(diǎn)，在臨床上廣泛作為植入物植入體內(nèi)。鈦合金在體內(nèi)外可以促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化及骨形成蛋白形成，表現(xiàn)出良好的成骨特性[13]。Cheng 等[14]利用等離子噴涂法將粗糙、多孔的鈦結(jié)合到聚醚醚酮的材料表面。Ti-PEEK 表面的成骨細(xì)胞樣細(xì)胞早期的骨形成活性增加。同時(shí)在體內(nèi)動(dòng)物模型中，Ti-PEEK植入物在12周和24周時(shí)新骨形成、骨質(zhì)貼合和拔出強(qiáng)度顯著增加。二氧化鈦（TiO2）表面在潮濕環(huán)境中能夠產(chǎn)生帶負(fù)電荷的—OH?基團(tuán)，然后與鈣離子和磷酸三氫鉀結(jié)合形成類(lèi)骨磷灰石，誘導(dǎo)成骨細(xì)胞附著和生長(zhǎng)[15]。Tsou 等[16]采用電弧離子鍍法，在聚醚醚酮基體上制備出與成骨細(xì)胞高度相容的二氧化鈦（TiO2）涂層。將二氧化鈦涂層聚醚醚酮（TiO2/PEEK）植入新西蘭大白兔股骨內(nèi)。結(jié)果顯示在兔體內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間植入后，TiO2/PEEK種植體新生骨形成更明顯，骨/種植體界面的剪切強(qiáng)度隨種植時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。

1.2.2 鋯

鋯（Zr）是一種無(wú)毒、無(wú)致癌性金屬，容易與氧氣結(jié)合，其金屬氧化物氧化鋯（ZrO2）具有良好的生物相容性，目前已廣泛應(yīng)用于牙科、骨修復(fù)等領(lǐng)域。研究發(fā)現(xiàn)納米ZrO2和ZrO2薄膜/涂層能夠增強(qiáng)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和成骨細(xì)胞的黏附、增殖和礦化反應(yīng)，證實(shí)了ZrO2具有良好的生物活性和細(xì)胞相容性[17]。Li 等[18]采用等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)，將鋯離子注入碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮中。力學(xué)測(cè)試表明，植入后其納米硬度、彈性模量和彈性阻力均有所提高。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明處理后的樣品可顯著增強(qiáng)大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附、鋪展和增殖，同時(shí)堿性磷酸酶活性、膠原分泌和細(xì)胞外基質(zhì)礦化也明顯增加。

1.2.3 鋅

鋅（Zn）是人體內(nèi)微量元素之一，可通過(guò)促進(jìn)細(xì)胞增殖、分化和骨相關(guān)基因的表達(dá)來(lái)促進(jìn)成骨行為和刺激骨形成[19]。Deng等[20]采用Ag/ZnO共修飾磺化的PEEK，并研究證實(shí)經(jīng)Ag/ZnO共修飾磺化PEEK材料具有更好的生物相容性及促進(jìn)成骨分化和成熟。Lu等[21]采用雙鋅氧等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)對(duì)碳纖維增強(qiáng)的聚醚醚酮進(jìn)行改性。在體外細(xì)胞黏附、活性測(cè)定和實(shí)時(shí)定量PCR分析顯示，小鼠成骨細(xì)胞（MC3T3-E1）和大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在材料表面的黏附、增殖和成骨分化增強(qiáng)。

1.2.4 鉭

鉭（Ta）是一種具有良好生物相容性的金屬，同時(shí)具有優(yōu)異的強(qiáng)度和防腐性能。Lu等[22]采用等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)將鉭離子注入PEEK，在表面形成Ta2O5納米粒子。納米壓痕顯示Ta離子注入PEEK的表面彈性模量更接近人類(lèi)皮質(zhì)骨的彈性模量。研究證實(shí)大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞在鉭修飾的PEEK 上黏附、增殖和成骨分化增強(qiáng)。同時(shí)植入動(dòng)物體內(nèi)后明顯改善了骨整合性。

1.3 生物因子

1.3.1 抗菌肽

抗菌肽（antimicrobial peptides）是一類(lèi)具有抗菌活性的堿性多肽物質(zhì)，具有廣譜的抗菌活性，其中KR-12是最短的且具有抗菌活性的抗菌肽。研究發(fā)現(xiàn)KR-12可以通過(guò)BMP/Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方式促進(jìn)人骨髓基質(zhì)細(xì)胞成骨分化[23]。Meng 等[24]在聚多巴胺（polydopamine，PDA）的輔助下，將抗菌肽KR-12 固定在PEEK 種植體表面。經(jīng)KR-12 修飾的PEEK 的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞具有更好的黏附、增殖和成骨分化能力。此外，Micro-CT 掃描和組織學(xué)分析表明，KR-12涂層促進(jìn)了大鼠股骨體內(nèi)的骨整合。

1.3.2 骨形成蛋白

骨形成蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）是一種存在于骨基質(zhì)中的小分子量酸性多肽類(lèi)物質(zhì)，具有無(wú)排斥反應(yīng)和較強(qiáng)的誘導(dǎo)成骨作用。Guillot 等[25]在PEEK 表面涂層骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2（bone morphogenetic protein-2，BMP-2），在體內(nèi)兔股骨髁實(shí)驗(yàn)研究表明，涂層后的PEEK表現(xiàn)出良好的成骨特性。Sun 等[26]采用冷凍干燥技術(shù)將BMP-2固定在磺化聚醚醚酮（SPEK）上。并證實(shí)了BMP-2固定化樣品明顯增強(qiáng)了大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（rBMSCs）的黏附和鋪展能力。同時(shí)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 促進(jìn)了rBMSCs 的成骨分化。

1.3.3 氨基

氨基（Amino，—NH2）因具有化學(xué)反應(yīng)活性和表面帶正電荷而被廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)中，它能使蛋白質(zhì)和其他生物分子在水環(huán)境中發(fā)生共價(jià)偶聯(lián)，經(jīng)氨基修飾后的材料具有良好的成骨性能。Yu等[27]對(duì)碳纖維增強(qiáng)的聚醚醚酮行表面氨基修飾，顯著提高了材料的親水性。體外細(xì)胞黏附、增殖、堿性磷酸酶活性、細(xì)胞外基質(zhì)礦化、熒光定量PCR 分析和ELISA 分析表明，氨基修飾的PEEK 表面MG-63細(xì)胞的黏附、增殖和成骨分化能力均顯著提高。

2 表面物理修飾

表面物理修飾是通過(guò)模仿骨的層次結(jié)構(gòu)來(lái)提高植入物生物學(xué)性能的另一種直接而重要的途徑。通過(guò)改變材料表面的物理性質(zhì)，不僅能保護(hù)材料本身的力學(xué)性能，而且能有效提高生物活性。表面物理修飾改變了材料的表面形貌，改善植入物與骨接觸及周?chē)M織的相互作用，使材料整體原有性能保持不變，進(jìn)而提高了材料的成骨活性。

2.1 表面粗糙度

改變材料的表面粗糙度是常用的一種改性方法，它在不引入其他任何物質(zhì)的同時(shí)提高了材料表面的生物活性，保護(hù)了材料原有的特性。粗糙度的改變主要通過(guò)增大材料表面與周?chē)M織的接觸面積，使材料的親水性增加，有利于細(xì)胞的黏附和增殖。Deng等[28]通過(guò)表面粗糙化成功地制備了表面粗糙度可變的碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮-納米羥基磷灰石三元復(fù)合材料（PEEK/n-HA/CF）。隨著復(fù)合材料表面粗糙度的增加，材料表面的親水性和表面鈣離子含量顯著提高。細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)顯示細(xì)胞增殖率和細(xì)胞成骨分化程度與表面粗糙度大小呈正相關(guān)。表面粗糙度適中的復(fù)合材料顯著增加了細(xì)胞的附著、增殖，促進(jìn)了堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）活性的產(chǎn)生和鈣結(jié)節(jié)的形成。同時(shí)表面粗糙度中的種植體在動(dòng)物體內(nèi)表現(xiàn)出顯著的生物活性和骨整合性。

2.2 調(diào)整空隙率

骨植入材料為模仿人骨的結(jié)構(gòu)引入多孔結(jié)構(gòu)。多孔結(jié)構(gòu)可以為新生骨組織的生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)、氧氣和廢物的運(yùn)輸提供空間。Li 等[29]通過(guò)磺化和硝化反應(yīng)在PEEK 表面形成了直徑為200 ～300 nm的不規(guī)則單層納米孔。研究表明，經(jīng)處理后的PEEK成骨特性明顯提高。Feng等[30]采用熔融沉積法制備不同孔徑的全孔PEEK支架，證實(shí)了孔徑在450 μm時(shí)最有利于細(xì)胞黏附、增殖和成骨分化。Cai等[31]在PEEK基體中引入介孔透輝石（MD），采用冷壓燒結(jié)和鹽析的方法制備了孔大尺寸為300 ～400 μm 的介孔聚醚醚酮/MD（PM）復(fù)合材料。結(jié)果表明隨著MD含量的增加，多孔PM復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度、孔隙率和吸水率均顯著提高。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明改性后的材料能顯著促進(jìn)MC3T3-E1 細(xì)胞的黏附、增殖和成骨分化。且隨MD 含量的增加復(fù)合材料的體內(nèi)成骨性能隨著增強(qiáng)。

2.3 采用納米結(jié)構(gòu)

納米結(jié)構(gòu)包括納米孔、納米管、納米坑、納米球、納米棒、納米顆粒等，納米結(jié)構(gòu)在細(xì)胞行為的改變中起著重要的作用。與光滑的種植體相比，微/納米結(jié)構(gòu)植入物更有利于細(xì)胞的早期固定，增強(qiáng)了成骨細(xì)胞的附著和分化。Ouyang等[32]在PEEK表面構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)。并研究表明納米結(jié)構(gòu)表面的細(xì)胞黏附、膠原分泌和細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）沉積均得到增強(qiáng)。Zhao等[33]制備PEEK表面三維多孔納米網(wǎng)絡(luò)。由于多孔結(jié)構(gòu)的影響，在體內(nèi)外均表現(xiàn)出顯著的生物活性、細(xì)胞相容性、骨整合和骨—種植體結(jié)合強(qiáng)度。

3 小結(jié)與展望

PEEK 是一種特種高分子材料，具有優(yōu)異的化學(xué)特性及良好的生物相容性，其相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)廣泛的應(yīng)用臨床。因生物活性較差、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，PEEK 材料作為骨植入材料時(shí)，很難促進(jìn)及誘導(dǎo)周?chē)羌?xì)胞的增殖與分化，從而出現(xiàn)骨不整合而導(dǎo)致植入后出現(xiàn)松動(dòng)，最終導(dǎo)致植入材料取出。提高PEEK 材料表面的成骨活性成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。雖然現(xiàn)在已經(jīng)通過(guò)各種改性技術(shù)在一定程度上提高了骨整合性，但大多數(shù)還停留在體外實(shí)驗(yàn)或體內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上，將各種改性方式后的復(fù)合材料應(yīng)用于臨床還需要進(jìn)一步的研究。在提高PEEK成骨特性方面，保證PEEK材料原有特性的同時(shí)引入無(wú)毒、穩(wěn)定性可靠且具有成骨特性的材料成為今后研究的熱點(diǎn)。同時(shí)需要對(duì)現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)的改性方法及材料進(jìn)一步研究，有望在不久的將來(lái)應(yīng)用于臨床。