骨科植入材料聚醚醚酮的臨床應(yīng)用

李莉 徐夢(mèng)蘭

摘 要：針對(duì)聚醚醚酮樹脂（PEEK）為一特種新型熱塑性工程塑料，憑其摩擦性能優(yōu)異、彈性模量和皮質(zhì)骨相近、機(jī)械強(qiáng)度高、蠕變量低、耐化學(xué)腐蝕和生物相融性出色等特點(diǎn)，越來越廣泛地應(yīng)用于創(chuàng)傷、關(guān)節(jié)外科及脊柱內(nèi)植入物，就聚醚醚酮樹脂及其復(fù)合材料在骨科植入方面的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：骨科;植入材料;聚醚醚酮;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：R318.08 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2022）02-0084-05

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的不斷進(jìn)步，骨科植入物所應(yīng)用的材料種類越來越多，應(yīng)用也越來越廣泛。傳統(tǒng)的用于制造骨科植入物的材料如不銹鋼、鈦等，它們的彈性模量與人骨的彈性模量相差太大，此外絕大部分高分子聚合物無法承受生理水平的載荷，因此他們無法用來作為長(zhǎng)期承重的植入物。所以，為了解決這些臨床問題，必須研制力學(xué)性能結(jié)構(gòu)能與和人骨相匹配的生物學(xué)材料。聚醚醚酮（PEEK）是一種彈性模量和皮質(zhì)骨彈性模量十分接近的一種新型材料[1]。它還具有良好的放射線透過性和生物相容性，此外，經(jīng)過磁共振掃描也不會(huì)出現(xiàn)偽影。聚醚醚酮的這些優(yōu)良的特點(diǎn)，使其成為了近些年來材料學(xué)專家和各學(xué)科專家的重點(diǎn)研究對(duì)象。經(jīng)過多年的研究，聚醚醚酮以及其復(fù)合材料已經(jīng)逐漸被應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這里對(duì)聚醚醚酮（PEEK）作為骨植入物的應(yīng)用研究進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，希望聚醚醚酮及其復(fù)合材料能夠更好地應(yīng)用于創(chuàng)傷和組織工程支架領(lǐng)域，成為最優(yōu)良的骨植入材料。

1 聚醚醚酮樹脂的概述

聚醚醚酮（見圖1）是一種全芳香族的、半結(jié)晶特種熱塑性工程塑料，其具有模量高、溶點(diǎn)高、加工性能優(yōu)良、強(qiáng)度大等優(yōu)良特性。聚醚醚酮在各種不同的溫度、壓力、相對(duì)粗糙接觸面、速度的條件下，都可以保持優(yōu)良的耐磨性質(zhì)，尤其是對(duì)聚醚醚酮進(jìn)行碳纖維增強(qiáng)后的復(fù)合材料，其耐磨性能顯著提高，十分優(yōu)良。聚醚醚酮具有優(yōu)良的加工性能和耐腐蝕性能，不溶于任何除濃硫酸外的所有溶劑和強(qiáng)改。正是由于聚醚醚酮的這些優(yōu)良的特性，20世紀(jì)80年代，世界許多國(guó)家的專家都開始對(duì)聚醚醚酮產(chǎn)生了興趣，并開始考慮其作為骨科植入物材料的可能性，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行了大量的生物相容性研究，包括動(dòng)物體內(nèi)植入、體外細(xì)胞培養(yǎng)等多種實(shí)驗(yàn)方法對(duì)聚醚醚酮材料的細(xì)胞增值率、細(xì)胞毒性、粘附性、致突變型以及細(xì)胞生物學(xué)功能等重要指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，經(jīng)過長(zhǎng)期大量的試驗(yàn)研究，經(jīng)過證明聚醚醚酮具有穩(wěn)定的化學(xué)特性和良好的生物相容性[2]。

現(xiàn)階段主要研究的是通過某些技術(shù)手段對(duì)聚醚醚酮表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，或者增加各種活性材料，以達(dá)到提高聚醚醚酮生物活性的目的，使其具有更好的生物相容性，更適合作為骨科植入物的基礎(chǔ)材料，聚醚酮制備方法如圖2所示。

1.1 對(duì)聚醚醚酮表面結(jié)構(gòu)的修飾

對(duì)材料表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾的一種最新方法就是等離子噴涂法，專家用成骨細(xì)胞和成纖細(xì)胞同表面等離子噴涂對(duì)聚醚醚酮進(jìn)行表面處理，最后經(jīng)過試驗(yàn)證明，聚醚醚酮經(jīng)過等離子修飾后其生物相容性顯著提高，這對(duì)促進(jìn)骨與植入材料的結(jié)合十分有利。還有一些專家嘗試對(duì)聚醚醚酮表面粗糙度進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后使其與成骨細(xì)胞進(jìn)行復(fù)合培養(yǎng)，最后證明，即使只改變材料的表面特征，不添加其他成分，也可以顯著提高聚醚醚酮材料的生物相容性，使成骨細(xì)胞與植入材料更容易結(jié)合。

1.2 羥基磷灰石 - 聚醚醚酮復(fù)合材料

羥基磷灰石（HA）是一種鈣磷比和分子結(jié)構(gòu)與骨骼中的無機(jī)成分十分相似的材料（見圖3），同時(shí)羥基磷灰石和骨的骨傳導(dǎo)性與生物相容性都十分良好，當(dāng)其與成骨細(xì)胞一同陪養(yǎng)時(shí)，成骨細(xì)胞能夠聚集生長(zhǎng)。

有學(xué)者將羥基磷灰石顆粒添加到聚醚醚酮粉劑中，以此制成體積分?jǐn)?shù)不同的聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復(fù)合材料，然后將這里羥基磷灰石含量不同的聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復(fù)合材料在模擬體液匯總浸泡4周，最后的試驗(yàn)結(jié)果證明，隨著羥基磷灰石含量的不斷增加，聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復(fù)合材料的生物活性也逐漸增強(qiáng)。還有一些學(xué)者進(jìn)行了動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，即在動(dòng)物體內(nèi)植入聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復(fù)合材料，然后對(duì)其組織化學(xué)染色切片進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復(fù)合材料的孔隙中長(zhǎng)出了成熟的骨組織，并且其界面和骨界面結(jié)合十分緊密，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復(fù)合物材料的生物活性功能十分優(yōu)良[3]。通過學(xué)者們的大量研究證明聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復(fù)合材料具有優(yōu)良的生物相容性，但是要作為骨植入材料應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)中首先還是要考慮材料的力學(xué)性能。經(jīng)過一系列的體外力學(xué)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復(fù)合材料的疲勞時(shí)間和拉伸強(qiáng)度都會(huì)隨著羥基磷灰石含量的增加而降低。在聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復(fù)合材料中羥基磷灰石含量不同時(shí)，其拉伸強(qiáng)度49～59 MPa，彈性模量5～7 GPa。盡管聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復(fù)合材料的力學(xué)性能與骨相近，但是因?yàn)槠鋸?qiáng)度還無法同骨的強(qiáng)度相匹配，所以還需要更加深入的實(shí)驗(yàn)研究才能判斷其是否能夠作為承受較大應(yīng)力的骨科之物。

研究人員將羥基磷灰石晶須通過模壓工藝加入到聚醚醚酮中，成功制備了聚醚醚酮 - 羥基磷灰石晶須增強(qiáng)復(fù)合材料（HA-Whisker-PEEK）。在這種材料中羥基磷灰石僅需的排列和骨中的納米羥基磷灰石排列方向十分相似，這就使得聚醚醚酮羥基磷灰石晶須增強(qiáng)復(fù)合材料具備皮質(zhì)骨所特有的力學(xué)性能，即在各軸向上的具有不同的力學(xué)性能[4]。當(dāng)聚醚醚酮 - 羥基磷灰石晶須增強(qiáng)復(fù)合材料中羥基磷灰石的體積分?jǐn)?shù)為10%、20%時(shí)，該復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和皮質(zhì)骨的縱向拉伸強(qiáng)度相似，其彈性模量7.3～10.3 GPa，當(dāng)羥基磷灰石的體積分?jǐn)?shù)為40%、50%時(shí)，該符合材料的彈性模量為17～23 GPa，當(dāng)羥基磷灰石的體積分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，該復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和皮質(zhì)骨的橫向拉伸強(qiáng)度相當(dāng)。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在聚醚醚酮中加入任何形式的羥基磷灰石都能夠使聚醚醚酮的脆性提高，但是同時(shí)也會(huì)降低其剛度，致使材料的力學(xué)性能下降。但是通過對(duì)比我們可以發(fā)現(xiàn)，將羥基磷灰石通過晶須的方式比以顆粒方式加入聚醚醚酮更能增強(qiáng)材料的力學(xué)性能，所以聚醚醚酮 - 羥基磷灰石增強(qiáng)復(fù)合材料的生物學(xué)性能更接近骨的生物學(xué)性能。國(guó)內(nèi)的專家將碳纖維（CF）引入到PEEK - HA復(fù)合材料中，成功制成了PEEK - HA - CF復(fù)合材料，很好地解決了聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復(fù)合材料脆性較高的問題。與PEEK - HA復(fù)合材料相比，PEEK - HA - CF復(fù)合材料的力學(xué)性能更加優(yōu)異。此外，通過將PEEK - HA - CF復(fù)合材料在模擬體液中的浸泡試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種材料具有十分優(yōu)良的生物活性，具體的性能還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究在證實(shí)。

1.3 其他聚醚醚酮復(fù)合材料

鈣磷比為1.5的三磷酸鈣（TCP），與正常骨組織的鈣磷比十分接近，此外三磷酸鈣還可以在生物體內(nèi)降解。在聚醚醚酮中加入三磷酸鈣，將其制成聚醚醚酮 - 三磷酸鈣（PEEK - TCP）復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性能顯著提高，與骨的力學(xué)性能十分接近。但是經(jīng)過體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚醚醚酮 - 三磷酸鈣對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)有抑制作用[5]。將活性玻璃45S5添加到PEEK - TCP復(fù)合材料中，能夠很大程度地提高材料的生物相容性。要成為骨的最理想的替代材料，必須使其生物活性和力學(xué)性能兩個(gè)方面都能和骨相匹配。

2 聚醚醚酮的臨床應(yīng)用

現(xiàn)階段，以聚醚醚酮材料制成的骨植入物，主要是作為頸部、腰部椎間融合器，也有研究人員將聚醚醚酮材料制成接骨板和骨組織工程支架。

2.1 聚醚醚酮椎間融合器

PEEK制成的椎間融合器最早的應(yīng)用到臨床中是在1991年。后來，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者開始對(duì)聚醚醚酮椎間融合器進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究。椎間盤突出、鉤突或終板關(guān)節(jié)形成骨贅等頸椎病的常見治療方式是前路頸椎椎間盤切除椎體融合（ACDF）。采用ACDF進(jìn)行治療時(shí)，都會(huì)采用自體骨植入融合，為了減少供骨區(qū)的感染、疼痛、髂骨骨折、血腫形成等并發(fā)癥的發(fā)生，一般不會(huì)在ACDF中單純的植入自體骨，通常都會(huì)與Cage聯(lián)合應(yīng)用。研究人員采用43段頸椎融合Cage技術(shù)對(duì)36例退行性頸椎病變患者進(jìn)行了平均18個(gè)月的隨訪，最后發(fā)現(xiàn)PEEK - Cage的應(yīng)用使手術(shù)過程更加簡(jiǎn)化，手術(shù)時(shí)間和術(shù)后住院時(shí)間也大大縮短。并且所有的36例患者在訪問期間都沒有出現(xiàn)吞咽困難、聲音嘶啞等并發(fā)癥[6]。手術(shù)后進(jìn)行X射線檢查，發(fā)現(xiàn)術(shù)后6個(gè)月椎體融合60%，12個(gè)月椎體完全融合，并且沒有出現(xiàn)下陷、斷裂、畸形、坍塌、突出等現(xiàn)象。除此之外，PEEK - Cage相鄰椎體附近的組織也都沒有出現(xiàn)病理性壞死、溶解或者感染，沒有一例患者需要2次手術(shù)。后來其他研究人員的隨訪研究中也證明了PEEK - Cage具有較高的融合率（圖4），也不會(huì)出現(xiàn)上述的各種并發(fā)癥。

通常情況下在進(jìn)行多節(jié)段頸椎椎間盤切除是需要用到螺釘和鋼板來固定使頸椎保持其生理彎曲曲線，但是使用螺釘和鋼板固定存在一定的缺陷，如螺釘脫落、螺釘斷裂、神經(jīng)根和脊髓受損、食道穿孔等。而以PEEk - Cage替代螺釘鋼板應(yīng)用到多節(jié)段頸椎融合器中可以看到明顯的優(yōu)勢(shì)[7]。研究人員隨機(jī)選取了患有多節(jié)段頸椎退行性疾病患者，并對(duì)它們進(jìn)行了對(duì)照研究，最后發(fā)現(xiàn)應(yīng)用了PEEK - Cage組的患者在手術(shù)出血量、融合時(shí)間以及術(shù)后并發(fā)癥等方面都要比其他組患者低，Prolo評(píng)分也比其他組高。后來又有研究人員對(duì)18例融合應(yīng)用了PEEk - Cage的多節(jié)段頸椎椎間盤切除患者進(jìn)行了隨訪，隨訪時(shí)長(zhǎng)為18個(gè)月，最后發(fā)現(xiàn)，這些患者的融合率高達(dá)90，5%，并且期間沒有需要二次手術(shù)的患者。以日本骨科學(xué)會(huì)（JOA）評(píng)分評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定，評(píng)分從術(shù)前的（13.70±1.34） 分，到隨訪后期的（16.4±0.97） 分，從這些數(shù)據(jù)可以看出患者的癥狀得到顯著改善。從上面這些研究結(jié)果可以得出結(jié)論：對(duì)多節(jié)段頸椎椎間盤切除融合的首選方法之一就是聯(lián)合應(yīng)用PEEK - Cage。有學(xué)者進(jìn)行了大量的對(duì)比研究，并且比較其各自術(shù)后的JOA評(píng)分、椎間隙高度、頸椎生理弧度、融合情況等多項(xiàng)指標(biāo)，最后證明在頸椎前路融合術(shù)中聚醚醚酮材料制成的椎體間融合器是較理想的自體骨骼移植替代物。有學(xué)者進(jìn)行了大量的體外生物力學(xué)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以鈦制成的Cage和單純PEEK - Cage的作用相近，都能夠作為承力部位骨骼的替代材料;另外PEEK - Cage和骨的力學(xué)性能相似，十分利于骨的融合。對(duì)聚醚醚酮腰椎融合器應(yīng)用有限元進(jìn)行分析，證實(shí)聚醚醚酮植入腰椎后的穩(wěn)定性和以鈦制作的椎間融合器的穩(wěn)定性是一樣的，并且PEEK - Cage還顯著降低了對(duì)鄰近終板的壓力，使上，下腰椎與融合器之間的融合更為順利。

2.2 聚醚醚酮人造骨關(guān)節(jié)

在治療膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等疾病領(lǐng)域中人工關(guān)節(jié)置換已經(jīng)十分常見。目前的相關(guān)數(shù)據(jù)表明在老年患者中植入體內(nèi)的人工假體10年的存活率高達(dá)90%。但是近年來，年輕患者中的全關(guān)節(jié)置換變得越來越多，這就要求延長(zhǎng)假體在體內(nèi)的存活時(shí)間，同時(shí)要盡可能地減少關(guān)節(jié)置換術(shù)后的二次手術(shù)，使患者的生存質(zhì)量得到提升。影響人工關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)期療效的主要因素就是無菌性松動(dòng)。傳統(tǒng)的骨移植物是金屬假體，其彈性模量遠(yuǎn)大于骨的彈性模量，是骨的十幾倍甚至幾十倍;二者的結(jié)合，由于力學(xué)性能的差異很難相容，從而會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力遮擋，進(jìn)而會(huì)引發(fā)骨萎縮、骨吸收、假體松動(dòng)等并發(fā)癥，這也給后面的二次翻修手術(shù)造成一定程度的困難。超高分子量聚乙烯是目前使用最為廣泛的，但是其抗磨損性能較差，使假體的使用壽命大大降低，同時(shí)磨損顆粒會(huì)致使骨質(zhì)溶解，造成無菌性關(guān)節(jié)松動(dòng)。研究人員對(duì)聚醚醚酮使用聚丙烯腈基碳纖維制成增強(qiáng)材料，然后將其與氧化鋁對(duì)偶，再在雙相銷盤式的磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)中實(shí)施磨損實(shí)驗(yàn)，并將其磨損可以進(jìn)行細(xì)胞體外培養(yǎng)，最后發(fā)現(xiàn)聚醚醚酮復(fù)合材料的磨損顆粒沒有細(xì)胞毒性，這也表明聚醚醚酮復(fù)合材料的生物相容性良好[8]。為了證明聚醚醚酮磨損顆粒在體內(nèi)的相容性，有PEEK - CF復(fù)合材料制成的ABG全髖骨置換系統(tǒng)于2001年投入臨床使用，并對(duì)治療的患者進(jìn)行了為期3年的隨訪，結(jié)果沒有一例患者因出現(xiàn)無菌性松動(dòng)而進(jìn)行二次手術(shù)，并且此項(xiàng)試驗(yàn)還在進(jìn)行中。聚醚醚酮磨損顆粒的生物相容性還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究來判定。

2.3 聚醚醚酮的其他應(yīng)用研究

在100多年的時(shí)間里一直都是用金屬接骨板在治療骨折，但是由于金屬與骨的生物力學(xué)性能差異過大，導(dǎo)致其很難與骨相容，同時(shí)其存在放射線不可透性的缺點(diǎn)。為了彌補(bǔ)這些缺陷，近些年來研究人員一直考慮用聚醚醚酮材料來代替金屬材料做接骨板的材料，有學(xué)者通過微編法制成了CF增強(qiáng)聚醚醚酮編制型接骨板，并對(duì)其不同編織厚度和角度的接骨板進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，最后表明厚度為2.6 mm的聚醚醚酮接骨板更適用于固定肱骨，而脛腓骨骨折的固定則更適合用3.2 mm后的聚醚醚酮接骨板。此外有研究人員制成了PEEK-HA組織工程支架，通過分析其顯微結(jié)構(gòu)、支架孔隙度、生物活性等，這種支架很可能成為組織工程中的理想支架。

3 結(jié)語

聚醚醚酮憑借其高強(qiáng)度、耐摩擦、射線可透性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為一種重要的骨植入材料，并且在關(guān)節(jié)、脊柱方面得到了廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者、專家研究發(fā)現(xiàn)，聚醚醚酮材料很有希望應(yīng)用于創(chuàng)傷和組織工程支架領(lǐng)域?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，也極大地推動(dòng)了材料科學(xué)的發(fā)展，聚醚醚酮的力學(xué)性能和生物活性也在不斷地進(jìn)行改進(jìn)，可見聚醚醚酮的應(yīng)用前景十分廣闊。當(dāng)然這必然需要一個(gè)長(zhǎng)期的過程，需要大量的臨床試驗(yàn)，長(zhǎng)期的隨訪，針對(duì)出現(xiàn)的問題、缺陷進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，這樣才能使聚醚醚酮材料的生物相容性和力學(xué)性能等方面得到更好的提升，使其成為最理想的骨植入材料。

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