王 悅 劉 紅

聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）是一種高分子有機(jī)化合物，熔點(diǎn)為334℃，具有優(yōu)越的耐高溫性能，PEEK 的化學(xué)性能穩(wěn)定，彈性模量約為8.3GPa，接近人體皮質(zhì)骨（17.7GPa），遠(yuǎn)低于鈦合金（116GPa）和鈷鉻合金（210GPa），PEEK 的拉伸性能類似于骨、牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)[1]。PEEK 放射線顯影，核磁共振掃描不會(huì)產(chǎn)生偽影，無(wú)細(xì)胞毒性，拉伸強(qiáng)度為139MPa。有學(xué)者已經(jīng)成功地將PEEK 應(yīng)用于整形外科，包括關(guān)節(jié)成形術(shù)和創(chuàng)傷固定的植入體[2]。在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，PEEK 做為正畸弓絲，微種植體支抗，可摘局部義齒卡環(huán)，贗復(fù)體，種植體基臺(tái)，應(yīng)用于正畸，修復(fù)，種植領(lǐng)域，PEEK 可以作為新型的骨缺損修復(fù)材料，并且有望成為替代金屬的種植體[3]。然而PEEK 的生物活性較差且無(wú)明顯抗菌性，植入人體后易受細(xì)菌攻擊且不易與人體骨組織結(jié)合。因此，提高PEEK 的表面性能成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。學(xué)者們對(duì)PEEK 及其復(fù)合材料的改性方法進(jìn)行了多種探索，通過(guò)調(diào)整其表面結(jié)構(gòu)或者在其中添加生物活性成分，使得PEEK 及其復(fù)合材料在力學(xué)性能和生物學(xué)功能上更接近人類骨骼[4]。具體改性方法包括共混改性，表面涂層改性，輻照改性等。本文對(duì)PEEK及其復(fù)合材料表面改性的研究進(jìn)展作一綜述。

一、共混改性

共混改性是將生物活性組分與生物惰性的PEEK 進(jìn)行復(fù)合來(lái)提高PEEK 的生物活性，這種方法對(duì)PEEK 材料的力學(xué)性能也有一定的影響。

1.聚醚醚酮與納米硅酸鹽共混

納米硅酸鹽（nano-silicate，n-CS）的熔點(diǎn)高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，Ma 等[5]在研究中，利用復(fù)合和注塑工藝制備了一種納米硅酸鹽/聚醚醚酮（n-CS/PEEK）生物活性復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，通過(guò)加入n-CS，大大提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能和親水性。在細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，與PEEK 相比，n-CS/PEEK 復(fù)合材料促進(jìn)了細(xì)胞附著、增殖和擴(kuò)散。并且，在復(fù)合材料上生長(zhǎng)的細(xì)胞表現(xiàn)出更高的堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）活性，由于ALP 活性是成骨細(xì)胞分化的特征性指標(biāo)，由此可以推論改性后的材料可以促進(jìn)干細(xì)胞的早期骨向分化。

2.聚醚醚酮與碳纖維共混

碳纖維（carbon fiber，CF）作為一種新型的纖維材料，具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變等一系列優(yōu)點(diǎn)。Yan 等[6]采用選擇性激光燒結(jié)法（selective laser sintering，SLS）制備高強(qiáng)度CF/PEEK 復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)CF/PEEK 復(fù)合材料的抗拉伸強(qiáng)度達(dá)到109±1MPa，彈性模量為7365±468MPa，比未處理的PEEK 高85%。Zhao 等[7]采用真空熱壓法制備了CF/PEEK，并對(duì)其摩擦學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，與未處理的PEEK 相比，CF/PEEK 表面的水接觸角減小，表面潤(rùn)濕性提高，CF/PEEK 的硬度值明顯提高，摩擦系數(shù)有效降低，耐磨性增強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)影響CF/PEEK 摩擦性能的主要因素是碳纖維含量，對(duì)比所有CF/PEEK 試樣的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在PEEK 中加入15%的CF 可以得到最低的摩擦系數(shù)。由此可以推論：將PEEK 與CF 共混可以有效地提高材料表面的潤(rùn)濕性，改善材料的摩擦學(xué)性能。

3.聚醚醚酮與納米羥基磷灰石共混

羥基磷灰石（hydroxylapatite，HA）是一種鈣磷比與天然骨相似的生物活性物質(zhì)，它能與骨組織良好地結(jié)合，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。然而HA 的力學(xué)性能存在明顯不足，如脆性大、韌性差等，因此為了提高HA 的綜合性能，將其與韌性較好的聚合物復(fù)合，得到力學(xué)性能優(yōu)異的生物復(fù)合材料，Zhao 等[8]制備含有高含量（40%）納米羥基磷灰石（n-HA）的PEEK 復(fù)合材料，采用人成骨肉瘤細(xì)胞（MG-63）進(jìn)行細(xì)胞相容性試驗(yàn)，研究MG-63 細(xì)胞的附著和增殖情況，發(fā)現(xiàn)附著在n-HA/PEEK 表面的細(xì)胞數(shù)量明顯高于附著在PEEK 表面的細(xì)胞數(shù)量。這可能與n-HA/PEEK 較高的親水性有關(guān)。

綜上所述，PEEK 與其他生物活性材料相混合可以提高材料的生物活性和生物相容性，增加材料表面的細(xì)胞粘附能力。

二、表面涂層改性

很多種類的材料可以通過(guò)多種噴涂、沉積等表面改性的方法附著在PEEK 的表面，形成具有生物功能性的涂層。

1.磁控濺射技術(shù)

磁控濺射技術(shù)（magnetron sputtering technology，MST）是在高真空充入適量的氬氣，在陰極（柱狀靶或平面靶）和陽(yáng)極（鍍膜室壁）之間施加直流電壓，在鍍膜室內(nèi)產(chǎn)生磁控型異常輝光放電，使氬氣發(fā)生電離。Liu 等[9]采用磁控濺射技術(shù)對(duì)PEEK 進(jìn)行改性，成功地制備了致密均勻的納米銀涂層。CCK-8 細(xì)胞毒性試驗(yàn)結(jié)果表明，改性后的材料沒(méi)有顯示細(xì)胞毒性。抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米銀涂層可以顯著提高PEEK 的抗菌活性和抗細(xì)菌附著能力。黃金霞等[10]利用非平衡磁控濺射方法在PEEK 表面成功制備了類石墨碳基薄膜，研究金屬元素（Nb、Mo、Zn）摻雜對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響并進(jìn)行生物相容性測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)，在PEEK 表面沉積類石墨碳基薄膜可以降低其接觸角，表現(xiàn)為親水性，而且提高了細(xì)胞在其表面的增殖和粘附。

2.脈沖激光沉積技術(shù)

脈沖激光沉積技術(shù)（pulsed laser deposition，PLD）是通過(guò)將材料暴露于激光中，在基體表面形成一個(gè)非常薄的納米粗糙層，并將其沉積下來(lái)。類金剛石薄膜（diamond-like carbon films，DLC）是一種非晶態(tài)薄膜，由于具有高硬度和高彈性模量、低摩擦系數(shù)、耐磨損以及良好的摩擦學(xué)特性，很適合于作為耐磨涂層。Johnny 等[11]使用超輕型脈沖激光將一個(gè)2 微米厚的DLC 沉積在有特定結(jié)構(gòu)的PEEK 表面。通過(guò)激光表面紋理（Laser surface texture，LST）對(duì)PEEK 表面的力學(xué)性能和摩擦性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，在拉伸試驗(yàn)中，LST 并沒(méi)有顯著影響DLC 對(duì)PEEK 的附著力。Akkan[12]使用PLD 在PEEK 表面涂上一層薄的氧化鋁層，以獲得每個(gè)基體相同的表面化學(xué)性質(zhì)。研究了氧化鋁涂層對(duì)PEEK 表面潤(rùn)濕性的影響，證明其表面具有增強(qiáng)潤(rùn)濕性、生物相容性和低彈性模量等優(yōu)點(diǎn)。

三、輻照改性

輻照改性主要包括等離子處理、紫外輻照、電子束輻照、加速中性原子束輻照等，其機(jī)理主要包括表面蝕刻、分子鏈交聯(lián)以及表面官能團(tuán)改變等。

1.等離子處理

等離子處理可以向PEEK 表面引入氨基、羥基、羧基等官能團(tuán)，這些含氧官能團(tuán)能增加材料表面的潤(rùn)濕性并且促進(jìn)良好的細(xì)胞粘附，使其具有很好的生物相容性。等離子體浸入式離子注入（PIII）是一種既包括等離子表面改性又包括等離子注入的全方位三維立體的表面改性技術(shù)，可以在基體材料表面獲得呈梯度分布的表面改性層。利用PⅢ技術(shù)可以改變高聚物表面的親水性和化學(xué)惰性，提高材料的抗氧化性和耐腐蝕性[13]。Gan 等[14]探討氮?dú)獾入x子體注入（N2-PIII）對(duì)PEEK 粘接強(qiáng)度的影響，采用掃描電鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）和X 射線光電子能譜（XPS）對(duì)改性后的PEEK 表面進(jìn)行觀察。通過(guò)觀察在PEEK 上培養(yǎng)的MG63 細(xì)胞的附著、增殖和分化情況，評(píng)價(jià)其生物活性。用平板菌落計(jì)數(shù)法測(cè)定了樣品對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌性能。生物評(píng)價(jià)和抗菌結(jié)果表明，N2-PIII 處理能顯著提高PEEK 的生物活性，樣品對(duì)金黃色葡萄球菌有抗菌性能。N2-PIII 表面改性對(duì)PEEK 的納米級(jí)形貌和表面化學(xué)性質(zhì)有顯著影響，增強(qiáng)其生物活性和抗菌性能。Lu 等[15]將鉭離子通過(guò)PIII 植入到PEEK 表面，納米壓痕顯示，鉭離子植入后的PEEK 表面的彈性模量更接近于人類皮質(zhì)骨。通過(guò)體外細(xì)胞粘附和實(shí)時(shí)PCR 分析，揭示了大鼠骨間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）在Ta-PⅢ改性PEEK 上的附著力、增殖和成骨分化得到顯著改善。以上研究表明，PEEK 可以通過(guò)等離子體技術(shù)進(jìn)行改性，以提高材料的生物相容性。

2.加速中性原子束技術(shù)

加速中性原子束技術(shù)（accelerating neutral atomic beam technology，ANAB）可以對(duì)PEEK 材料表面5nm 以內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行改性，經(jīng)過(guò)ANAB 處理后的PEEK 表面可以促進(jìn)細(xì)胞增殖，通過(guò)增加局部骨形成蛋白的釋放而增強(qiáng)骨誘導(dǎo)能力。Joseph 等[16]使用ANAB 技術(shù)來(lái)處理PEEK，與未處理的PEEK 相比，人類成骨細(xì)胞樣細(xì)胞在經(jīng)過(guò)ANAB 處理后的PEEK 上顯著增強(qiáng)了增殖，并且細(xì)胞增加了ALP 的骨化表達(dá)。通過(guò)將ANAB 處理后的PEEK 植入綿羊的脛骨，采用MicroCT 觀察骨結(jié)合界面，并且進(jìn)行生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)，證明經(jīng)過(guò)處理的PEEK 植入物使骨結(jié)合增加了3.09 倍（P＜0.014）。Khoury 等[17]將處理后的PEEK 植入大鼠顱骨缺損模型并進(jìn)行體內(nèi)研究，發(fā)現(xiàn)ANAB 表面處理的PEEK 與骨的結(jié)合能力得到改善。以上表明：ANAB 處理可以增強(qiáng)PEEK 的生物活性，促進(jìn)骨形成，顯著降低骨結(jié)合的時(shí)間。

3.紫外輻照

紫外輻照是在氧氣的參與下通過(guò)光致氧化作用使材料表面性質(zhì)由生物惰性轉(zhuǎn)變?yōu)樯锘钚?，通過(guò)紫外輻照可以有效地改變PEEK 表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)，提高PEEK 的潤(rùn)濕性[18]。Okada 等[19]采用接觸角和ATR-FTIR 測(cè)量方法對(duì)172nm 氙準(zhǔn)分子紫外線照射后材料的表面特征進(jìn)行評(píng)價(jià)。發(fā)現(xiàn)紫外線照射后PEEK 表面的水接觸角顯著下降（P＜0.05），證明其親水性的改善。SEM 觀察到紫外線照射后的PEEK表面對(duì)MC3T3 細(xì)胞具有良好的附著力。由于二氧化鈦具有優(yōu)越的生物活性和光引發(fā)性，Liu 等[20]在紫外線照射的條件下，將透明質(zhì)酸甲基丙烯酸修飾在PEEK 表面，與此同時(shí)，長(zhǎng)鏈透明質(zhì)酸甲基丙烯酸也會(huì)與二氧化鈦靜電紡絲作用，將PEEK 與二氧化鈦靜電紡絲兩者鏈接起來(lái)，從而在PEEK 表面構(gòu)建仿骨表面纖維結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，修飾后的PEEK 表面具有很好的生物相容性，并且其表面具有很好的促干細(xì)胞成骨分化能力。由此可以推論：在紫外線照射下，PEEK 與二氧化鈦靜電紡絲和透明質(zhì)酸基團(tuán)結(jié)合，提高了生物相容性，可以用于骨科植入物和醫(yī)療設(shè)備。

四、化學(xué)改性

化學(xué)改性是指通過(guò)引入不同的分子鏈或一定性能基團(tuán)來(lái)改進(jìn)聚合物的整體分子結(jié)構(gòu)以達(dá)到增強(qiáng)復(fù)合材料各種性能的方法。然而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。Oliver 等[21]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明硫酸酸蝕可以改善樹脂對(duì)PEEK 表面的粘接強(qiáng)度。未酸蝕的PEEK 與樹脂復(fù)合材料之間沒(méi)有粘結(jié)強(qiáng)度。最優(yōu)的酸蝕時(shí)間隨復(fù)合樹脂材料種類而變化：PEEK 經(jīng)過(guò)60s 的酸蝕與RelyX ARC 粘接強(qiáng)度可達(dá)1537.2MPa，以及經(jīng)120s 的酸蝕與Clearfil SA 的粘接強(qiáng)度達(dá)645.9MPa。然而，與傳統(tǒng)的復(fù)合樹脂材料相比，自酸蝕復(fù)合樹脂材料的剪切強(qiáng)度值明顯較低。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明酸蝕可以增加PEEK 表面的粗糙度，提高PEEK 表面的自由能和潤(rùn)濕性。雖然許多化學(xué)表面改性技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于PEEK 以提高其性能，但這些技術(shù)往往需要很長(zhǎng)的加工時(shí)間和特定的化學(xué)物質(zhì)，因此現(xiàn)在的研究更多將化學(xué)改性與其他改性方法結(jié)合。

五、復(fù)合改性方法

復(fù)合改性是指綜合采用多種方法（物理、化學(xué)和機(jī)械等）改變材料的表面性質(zhì)以滿足應(yīng)用需要的改性方法。

1.表面涂層改性結(jié)合輻照改性

激光聚焦的高能量使材料表面瞬間融化而形成直徑大小均勻的孔隙，其表面形貌及理化性質(zhì)與激光特性參數(shù)密切相關(guān)，電子束還能將必要的元素添加融入于材料表面。Zheng 等[22]使用了一種復(fù)合改性方法，即結(jié)合了激光和等離子體處理。激光在PEEK表面上構(gòu)建微孔結(jié)構(gòu)，等離子體處理將羧基引入到PEEK 表面。與未處理的PEEK 和單獨(dú)處理的PEEK相比，雙重改性后的PEEK 更有利于MC3T3 細(xì)胞粘附和擴(kuò)散。并且細(xì)胞偽足突出在微孔中，有利于形成更牢固的骨整合。

2.化學(xué)改性結(jié)合輻照改性

O2等離子體處理PEEK 是一種穩(wěn)定的改性方法，可以增強(qiáng)人類成骨細(xì)胞在體外的粘附、增殖與礦化。Yabutsuka 等[23]通過(guò)硫酸酸蝕處理，在PEEK 表面形成松質(zhì)細(xì)孔，之后進(jìn)行O2等離子體處理，并在模擬體液（SBF）中浸泡，在其表面的孔隙中沉積磷酸鈣顆粒，F(xiàn)T-IR、TF-XRD、FE-SEM、EDX 等測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)SBF 中的PrA 誘導(dǎo)HA 形成，并且覆蓋PEEK 表面。O2等離子體處理有利于提高HA 和PEEK 表面的粘結(jié)強(qiáng)度，改善PEEK 的親水性，成功制備了具有生物活性的PEEK。SBF 中HA 的形成能力是預(yù)測(cè)骨傳導(dǎo)率最重要的因素之一，因此可以推論等離子體處理結(jié)合酸蝕處理可以改善PEEK 表面的骨結(jié)合能力。王賀瑩等[24]將氬氣PIII 和氫氟酸浸泡處理相結(jié)合，在PEEK 表面構(gòu)建了一種淺孔洞狀納米結(jié)構(gòu)，并將氟元素引入PEEK 表面，表面氟含量在9.01%左右。BMSCs 在改性后的材料表面能夠很好地黏附、鋪展、增殖并向成骨細(xì)胞方向分化，表面氟化的PEEK 對(duì)金黃色葡萄球菌具有一定的抑菌效果。原彈性蛋白是一種細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，具有很強(qiáng)的細(xì)胞信號(hào)傳遞特性。Edgar 等[25]在PIII 處理過(guò)的PEEK 上，通過(guò)固定原彈性蛋白來(lái)特異性誘導(dǎo)骨結(jié)節(jié)的生長(zhǎng)和發(fā)育。發(fā)現(xiàn)在改性后的PEEK 表面上，成骨細(xì)胞樣骨肉瘤細(xì)胞（SAOS-2）的細(xì)胞粘附性、增殖和成骨活性顯著增加，從而增強(qiáng)了骨基質(zhì)的成熟和礦化。Kuroda[26]等通過(guò)硫酸酸蝕和紫外線輻照處理PEEK，經(jīng)過(guò)改性后的PEEK 的水接觸角達(dá)到20°。將其在蛋白質(zhì)吸附前后均植入大鼠脛骨14 天，用光學(xué)顯微鏡觀察植入體與皮質(zhì)骨的界面，證明改性后的PEEK 改善了骨結(jié)合性。與拋光后的PEEK 相比，表面處理后的PEEK 可以抑制細(xì)菌的粘附。以上證明改性后的材料具有較高的生物活性和良好的力學(xué)性能，是一種具有應(yīng)用前景的材料。

3.表面涂層改性結(jié)合化學(xué)處理

BMP-2 是骨形態(tài)發(fā)生蛋白家族中最具潛力的促骨生長(zhǎng)因子，能促進(jìn)骨缺損的愈合和修復(fù)，然而BMP-2 的半衰期很短，并且會(huì)發(fā)生不同程度的降解。Sun 等[27]利用磺化反應(yīng)在PEEK 表面制備了三維網(wǎng)絡(luò)，并利用冷凍干燥技術(shù)成功地將BMP-2 結(jié)合到磺化PEEK（SPEEK）表面。利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)材料表面形貌進(jìn)行分析，通過(guò)能譜儀（EDS）對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析。用人BMP-2 ELISA 試劑盒檢測(cè)BMP-2 的釋放量。結(jié)果表明，SPEEK 的三維網(wǎng)絡(luò)能夠使BMP-2 可控、持久釋放。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，其顯著增強(qiáng)了BMSCs 的粘附性和增殖能力。有利于BMSCs 的ECM 礦化，ECM 礦化是BMSCs 向成骨細(xì)胞分化的高級(jí)標(biāo)志，這些結(jié)果表明，BMP-2 能促進(jìn)BMSCs 早期在SPEEK 上的成骨分化。Fukuda[28]等用氧化鋁顆粒在0.5MPa 壓力下噴砂10s 對(duì)PEEK 表面進(jìn)行粗化處理，之后制備磷酸基修飾的PEEK，將其植入兔脛骨，4、8 周后測(cè)定骨與種植體接觸比和骨-種植體結(jié)合強(qiáng)度。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)表面粗糙處理和化學(xué)處理后的PEEK 種植體在一定程度上改善了骨整合能力，這對(duì)種植體與骨結(jié)合的穩(wěn)定性至關(guān)重要。綜上所述，復(fù)合表面處理方法可以結(jié)合多種改性方法的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步改善PEEK 的生物相容性，現(xiàn)已成為研究熱點(diǎn)，改性后的PEEK 在硬組織工程中具有很大的應(yīng)用潛力。

以上對(duì)多種PEEK 的表面改性方法進(jìn)行了闡述，每種改性方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，相信隨著表面改性技術(shù)的進(jìn)步和研究的深入，能夠綜合利用多種改性方法，進(jìn)一步改善PEEK 的力學(xué)性能，摩擦學(xué)性能和生物相容性，使其更加有利于作為人體植入材料。目前在國(guó)內(nèi)外的研究中，尚缺乏對(duì)改性后的PEEK生物材料的體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)研究，其生物相容性改善的臨床效果也尚待研究。隨著對(duì)PEEK 及其復(fù)合材料的深入研究，相信在不久的將來(lái)能夠進(jìn)一步擴(kuò)大PEEK 及其復(fù)合材料的應(yīng)用。