楊詩(shī)卉 于婉琦 周 哲 張靜潔 周延民 趙靜輝

作者單位：130021 長(zhǎng)春，吉林大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院種植中心（趙靜輝為通訊作者）

聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）因具有耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、耐輻射、易于加工成型等優(yōu)異性能，在聚芳醚家族中占據(jù)極其重要的地位，同時(shí)因其具有與人體皮質(zhì)骨接近的彈性模量、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、可靠的生物安全性、X 線透射性以及核磁共振時(shí)不影響成像等特性，而被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)各個(gè)領(lǐng)域[1]，如顱骨重建、椎間融合器和全關(guān)節(jié)置換裝置等[1，2]。在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，PEEK 常被應(yīng)用于修復(fù)體、種植體、愈合基臺(tái)、基臺(tái)螺絲、美觀正畸線等方面[3，4]。PEEK 作為一種生物惰性材料[5]，抗菌性能欠佳[6]，而口腔作為開(kāi)放的有菌環(huán)境，對(duì)材料的抗菌性能要求更高。因此，如何提高 PEEK 生物學(xué)活性，增強(qiáng)其抗菌性能，成為了研究熱點(diǎn)。本文就 PEEK 抗菌改性方法及其相關(guān)機(jī)制作一綜述。

一、PEEK 相關(guān)抗菌性能

鈦及鈦合金、氮化硅（Si3N4）、PEEK 都被視為有潛力的骨科植入物，但微生物粘附并形成生物膜的能力限制了這些生物材料的應(yīng)用。何等[6]經(jīng)試驗(yàn)證明在純鈦、PEEK 基納米級(jí)改性材料，如 PEEK 基納米氟羥基磷灰石（nFHA-PEEK）和 PEEK 基納米羥基磷灰石（nHA-PEEK），抗菌性能高于 純 PEEK 及純鈦。而 Bock[7]等學(xué)者比較了金黃色葡萄球菌和大腸桿菌在PEEK，鈦合金（Ti6Al4V-ELI）以及 Si3N4上形成生物膜的特性，結(jié)果表明在 48 小時(shí)時(shí)，PEEK表面的生物膜數(shù)量比 Ti6Al4V 表面大約高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，比所有 Si3N4的變體表面高出 2.5 到 3 個(gè)數(shù)量級(jí)，這與生物材料表面親水性、電動(dòng)勢(shì)和吸附蛋白的差異性息息相關(guān)[8，9]。由此可見(jiàn)，純 PEEK 抗菌能力較差，因此，如何對(duì) PEEK 進(jìn)行抗菌改性就成為了一道亟待解決的難題。

二、PEEK 抗菌改性

1.表面結(jié)構(gòu)改性

由于耐藥生物的增加，使抗生素在生物材料植入方面的應(yīng)用愈發(fā)受限，因此無(wú)機(jī)抗菌劑成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。材料表面納米結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、分布顯著地影響細(xì)菌生物行為[10]，使納米級(jí)表面可以在不使用藥物的情況下使生物材料產(chǎn)生抗菌性能[11]。經(jīng)分析可知，當(dāng)微米級(jí)的細(xì)菌細(xì)胞膜與納米級(jí)的材料表面紋理接觸時(shí)，納米級(jí)表面紋理的表面積遠(yuǎn)大于細(xì)菌細(xì)胞膜表面積，由此致使細(xì)菌細(xì)胞膜破裂[11]。因革蘭氏陽(yáng)性（G+）菌的細(xì)胞膜剛性高于革蘭氏陰性（G-）菌，故納米級(jí)表面對(duì) G-菌更佳有效。Wang 等[12]使用 3D 打印技術(shù)打印出具有納米級(jí)針狀結(jié)構(gòu)表面的 PEEK，并證實(shí) 其抗菌活性高于純 PEEK，且對(duì) G-菌抑制效果強(qiáng)于G+菌，但并未達(dá)到預(yù)期的抗菌效果。因此，學(xué)者們通過(guò)物理或化學(xué)方法改性，通過(guò)引入具有抗菌活性的物質(zhì)來(lái)解決這一問(wèn)題。

2.表面物理沉積改性

（1）硒改性：硒是動(dòng)物和人體的必需微量元素，具有抗癌、抗氧化、增強(qiáng)免疫力等多種重要生理作用。有研究表明，經(jīng)共價(jià)結(jié)合的硒能夠促進(jìn)超氧化物自由基（O2-）的形成，從而抑制細(xì)菌附著在材料表面上。同時(shí)，硒對(duì)成骨細(xì)胞生長(zhǎng)和粘附具有積極作用[13]。Wang 等[14]使用快速沉淀法使紅色硒納米顆粒附著在 PEEK 表面，之后 100℃熱處理 6 天，使部分紅色硒納米顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)榛疑?。已知灰色納米硒顆粒是紅色的穩(wěn)定形式，灰色納米硒表面呈針棒狀納米顆粒，而紅色則為均質(zhì)納米顆粒，結(jié)果顯示，PEEK紅色硒涂層表面細(xì)菌生長(zhǎng)少于灰色硒涂層。由此可知，硒涂層也是一種有潛力的預(yù)防植入感染的抗菌涂層。

（2） 氧 化石墨烯改性：氧 化石墨烯（graphene oxide，GO）是一種重要的石墨烯衍生物，是一種具有致密的蜂窩結(jié)構(gòu)的單原子納米片，具有大量的活性氧功能組，能夠誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)，主要通過(guò)ROS及GO尖銳邊緣作用于細(xì)菌細(xì)胞膜產(chǎn)生抗菌活性[15]。Ouyang 等[16]經(jīng)簡(jiǎn)單浸漬法將石墨烯氧化物涂布在多孔的 SPEEK 表面后檢測(cè)到硫含量顯著下降，降低了磺化對(duì)細(xì)胞增殖的負(fù)面影響，同時(shí)也表現(xiàn)出良好的抗菌活性，且抗大腸桿菌的活性要高于抗金黃色葡萄球菌。隨后，Ouyang 等[17]在 GO-SPEEK 基礎(chǔ)上引入了脂質(zhì)包裹的地塞米松，使材料在具有良好的抗菌性能同時(shí)表現(xiàn)出了更加優(yōu)異成骨特性。

（3）金屬沉積：金屬離子目前作為無(wú)機(jī)抗菌劑被廣泛的研究。鎂、銅經(jīng)氣相沉積法對(duì) PEEK 表面進(jìn)行改性，表現(xiàn)出良好的抗菌性能。鎂（Mg）是一種新型可生物降解的耐腐蝕的金屬生物材料，純鎂在230℃條件下的，經(jīng)氣相沉積法均勻的涂布在 PEEK表面，不僅顯示出良好的生物活性和抗菌活性，且較鈦合金表面的鎂涂層顯示出更低的降解效率，即能夠表現(xiàn)出更持久的抗菌活性[18]。Kratochvíl 等[19]經(jīng)氣體沉積法 將納米銅（CuNPs）沉 積 于 PEEK 表面，之后經(jīng)射頻濺射法在其表面制備聚四氟乙烯薄膜（C：F），形成一個(gè)擴(kuò)散的屏障，使水分子可以穿透 C：F 膜并促進(jìn) Cu2+釋放，從而產(chǎn)生抗菌活性。

3.表面化學(xué)改性

（1）磺化：PEEK 能夠溶于濃硫酸中產(chǎn)生磺化反應(yīng)。經(jīng)磺化的 PEEK（SPEEK）表面的硫成分對(duì)糞腸球菌形成生物膜具有良好的抑制作用，但變形鏈球菌的細(xì)胞外基質(zhì)能夠削弱含硫成分產(chǎn)生的抗菌作用[20]。同時(shí)，磺化也能夠使 PEEK 形成多孔的 3D 網(wǎng)格狀表面，形成納米級(jí)表面，產(chǎn)生抗菌活性[21～23]。Ouyang 等[21]證明對(duì) SPEEK 進(jìn)行熱液處理后能夠有效降低 SPEEK 表面硫濃度并形成 3D 網(wǎng)格狀表面，尤其是經(jīng) 120℃熱液處理的 SPEEK，不僅表現(xiàn)出對(duì)金黃色葡萄球菌的良好抗菌活性，而且能夠促進(jìn)細(xì)胞增殖和成骨分化。Wang 等[22]經(jīng)氬氣等離子體浸入式離子注入使 SPEEK 表面形成分層微 / 納米級(jí)表面結(jié)構(gòu)，與純 PEEK 及 SPEEK 相比，其抗菌性能更佳，但依舊對(duì) G-菌的抗菌活性欠佳，因此，也有學(xué)者將 SPEEK 與內(nèi)酰胺類物質(zhì)相結(jié)合，經(jīng)群體效應(yīng)抑制細(xì)菌生物膜產(chǎn)生，達(dá)到其增強(qiáng)抗菌活性的目的[23]。

（2）銀（Ag）：Ag+作為一種廣譜抗菌 物質(zhì)，是 常用的金屬抗菌劑，主要通過(guò)以下幾種機(jī)制作用達(dá)到抑菌殺菌的作用。首先，Ag+可以錨定于細(xì)菌細(xì)胞壁上，損傷細(xì)胞壁，使其失去抵抗?jié)B透壓的作用，或直接導(dǎo)致細(xì)胞膜損傷，從而抑制細(xì)菌增殖。其次，Ag+還可以通過(guò)滅活呼吸鏈脫氫酶等方式，使細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧簇（ROS），以抑制細(xì)菌呼吸及生長(zhǎng)過(guò)程。最后，Ag+還可以作用于核酸，使嘌呤和嘧啶之間的氫鍵斷裂，DNA 裂解，從而殺滅細(xì)菌。除此之外，納米銀顆粒（AgNPs）還具有尺寸依賴的抗菌作用，不僅與細(xì)菌的接觸面積更大，并且能在特定區(qū)域保持較高的 Ag+濃度并緩慢釋放，因此抗菌效果更佳[24]。而且，細(xì)菌對(duì) Ag+毒性敏感性遠(yuǎn)高于哺乳動(dòng)物細(xì)胞，因此銀被廣泛的用于植入生物材料的抗菌改性中。通過(guò)低溫磁控濺射納米銀改性PEEK 表面[25]，或由含銀的沸石 L（Ag-ZL）作為 PEEK 的無(wú)機(jī)填料制備復(fù)合膜[26]等改性方法均能獲得良好的抗菌活性。然而由于 Ag+具有一定的細(xì)胞毒性，故獲得具有更高生物安全性的含銀涂層成為了進(jìn)一步需要解決的問(wèn)題。

含兒茶酚的胺類物質(zhì)，如多巴胺，經(jīng)過(guò)聚合可以粘附于 PEEK 表面，并將 Ag 固定在 PEEK 表面，同時(shí)，聚多巴胺還可以將銀氨離子還原為 AgNPs，使AgNPs 的細(xì)胞毒性降低[27]，故利用多巴胺的自聚合能力以及聚多巴胺的還原性，能夠在 PEEK 材料表面制備出尺寸均勻的 AgNPs 涂層[27]，或經(jīng)多巴胺粘合將 AgNPs 均勻的沉積于 3D 打印的 PEEK 支架表面[28]，均能夠在保持良好的生物學(xué)活性的同時(shí)產(chǎn)生出色的抗菌活性。

而 Ag+聯(lián)合其他物質(zhì)進(jìn)行功能性改性，也能夠達(dá)到降低細(xì)胞毒性、提高抗菌活性的目的，甚至還可以通過(guò)設(shè)計(jì)緩釋涂層達(dá)到控制 Ag+釋放率，如在二氧化鈦和聚二甲基硅氧烷（PDMS）的混合涂層上摻入 Ag+，根據(jù)銀的摻雜水平以及二氧化鈦和 PDMS的比率調(diào)節(jié)銀的釋放率[29]?；蛲ㄟ^(guò)聚多巴胺在 PEEK表面構(gòu)建 AgNPs/ 絲素蛋白 / 慶大霉素涂層，通過(guò)pH 值的變化，調(diào)節(jié) Ag+ 和慶大霉素的釋放，形成細(xì)菌觸發(fā)的智能自我防御涂層[30]。Sikder 等[31]通過(guò)微波輻 射在PEEK上制造單相、含銀三鎂磷水合物（Ag-TMPH） 的納米薄片涂料，使 Ag+可以持續(xù)釋放。Gümüs 等[32]使用鈦?zhàn)鳛榛A(chǔ)層，鎂作為的中間層以獲得良好的骨傳導(dǎo)性能及生物活性，使用銀作為抗菌的頂層摻雜少許鉑的復(fù)合涂層，但由于鉑使能夠使銀鈍化，降低了 Ag+的抗菌活性。

雖然含銀涂層已被廣泛的用于 PEEK 表面，提高其抗菌活性，但其生物安全性仍需進(jìn)一步的體內(nèi)研究與長(zhǎng)期觀察。

（3）氧化鋅（ZnO）：作為金屬氧化物，ZnO 納 米顆粒在正常的光照條件下，具有尺寸依賴的廣泛的抗菌活性，即越小的 ZnO 納米顆?？咕钚栽綇?qiáng)[33]，其原理可能與納米顆粒導(dǎo)致的細(xì)菌細(xì)胞膜破 壞 有關(guān)。除此之外，ZnO 納米顆粒主要通過(guò)活性氧（ROS）產(chǎn)生抗菌活性，即 ZnO 相互定位導(dǎo)致的細(xì)胞膜損傷，膜通透性增加，從而使溶解的 Zn2+進(jìn)入細(xì)胞產(chǎn)生毒性。除此之外，ZnO 納米顆粒能夠?qū)е戮€粒體膜破裂，氧化應(yīng)激基因表達(dá)，最終導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)抑制和死亡[34]。M 等[35]使用具有羥基末端的 ZnO 納米顆粒經(jīng)酯化反應(yīng)嫁接至羧化 PEEK 上形成新的納米級(jí)復(fù)合物，該材料抗菌活性與 ZnO 納 米顆粒含量成正比。Deng 等[36]在經(jīng)磺化的具有 3D 微米 / 納米級(jí)孔的PEEK 表面引入逐層自組裝的 Ag+和氧化鋅雙層植入涂層，能夠綜合發(fā)揮 Ag+及氧化鋅的生物相容性及抗菌活性。當(dāng)然，使用硅烷偶聯(lián)劑處理納米 ZnO粒子后，經(jīng)球磨后模壓成型的方法，也可以制備氧化鋅改性的聚醚醚酮復(fù)合物，并能夠表現(xiàn)出良好的抗菌性能[37～38]。

4.等離子體浸入式離子注入

等離子體浸入式離子注入（plasma immersion ion implantation，PIII）是通過(guò)離子注入的方式能夠在 PEEK表面形成多孔的微/納米級(jí)的多極化表面。例如，使用氧等離子體對(duì) PEEK 表面進(jìn)行 PIII 改性，可以改變 PEEK 表面形貌及含氧量[39]，從而減弱細(xì)菌對(duì)細(xì)胞粘附的競(jìng)爭(zhēng)性抑制，但其表現(xiàn)出的抗菌活性有限，不能達(dá)到理想的預(yù)防植入感染的目的[40]。使用二氧化鈦（TiO2）對(duì) PEEK 進(jìn)行改性能夠顯著提高 PEEK 生物學(xué)活性[41]，Lu 等[42]通過(guò)PIII將TiO2注入到碳纖維增強(qiáng)的聚醚醚酮 （CFR-PEEK） 中，在CFR-PEEK表面形成嵌入二氧化鈦納米顆粒的納米孔樣多極化表面，對(duì)金黃色葡萄球菌具有良好的抗菌活性，但對(duì)大腸桿菌幾乎不起作用。而 Wang等[43]應(yīng)用同樣方法構(gòu)造獨(dú)特的多級(jí)納米級(jí) TiO2結(jié)構(gòu)表面，并證明該表面對(duì)鏈球菌、梭桿菌和卟啉單胞菌類等口腔常見(jiàn)致病菌具有可持續(xù)的抗菌性能，同時(shí)還能夠增強(qiáng)軟組織整合，促進(jìn)牙齦袖口粘附，減少細(xì)菌在粘附。但在該表面未檢測(cè)出游離的鈦離子，由此猜測(cè)其抗菌活性主要來(lái)自于多極化納米級(jí)表面對(duì)細(xì)菌的直接接觸，而與鈦離子無(wú)關(guān)[43]。

5.熔融共混

氮化硅作為十分具有前景的骨科植入物，已被證明具有良好的生物活性及抗菌性能[9～10]。Pezzotti等[44]經(jīng)熔融共混的方法將 Si3N4顆粒合并至 PEEK矩陣中制造出一種新型混合材料，其中 Si3N4生物相容性極佳的硅 / 氮表面和緩慢的洗脫率是其產(chǎn)生抗菌活性的基礎(chǔ)。新型復(fù)合材料表面表皮葡萄球菌活菌數(shù)量與純 PEEK 相比低一個(gè)數(shù)量級(jí)，顯示出優(yōu)秀的抗菌活性。這提示我們，將 Si3N4 和 PEEK 這兩種優(yōu)秀的具有潛力的骨科植入物經(jīng)熔融共混的方式結(jié)合，也不失為一種簡(jiǎn)單有效的在保持 PEEK 機(jī)械性能的同時(shí)提高其抗菌活性的方法。

三、PEEK 復(fù)合物抗菌改性

1.PEEK- 生物活性玻璃復(fù)合物改性

為對(duì)抗 PEEK 本身的生物惰性，在植入物和骨之間獲得穩(wěn)定快速的連接，生物活性玻璃（bioactive glass，BG）常被用于提高 PEEK 生物活性。生物 活性玻璃除了能夠促進(jìn)和誘導(dǎo)骨生成外，其還能夠溶解形成針狀碎片破壞細(xì)菌細(xì)胞膜，從而達(dá)到抗菌效果[45]。但單純使用 BG 產(chǎn)生的抗菌效果有限，故 Seuss等[45]使用 AgNPs 對(duì) BG-PEEK 復(fù)合物進(jìn)行改性以 提高其抗菌活性。Zhang 等[46]使用納米級(jí) BG 與 PEEK合成具有微孔狀表面的 BG-PEEK 復(fù)合物后，再將檜木醇裝入其中，通過(guò)檜木醇緩釋增強(qiáng)其抗菌作用。檜木醇作為一種抗菌物質(zhì)，能夠在不產(chǎn)生細(xì)胞毒性的前提下，使細(xì)菌細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)退化，細(xì)菌裂解死 亡。Rehman 等[47]使電泳沉積法制造了殼聚糖/BG/PEEK 混合涂層并將 指甲花醌（lawsone）加入 其中，通過(guò)指甲花醌的緩釋及生物氧化過(guò)程達(dá)到抗菌目的，但其藥物的緩釋效應(yīng)及細(xì)胞毒性仍需進(jìn)一步研究。由此可知，生物活性玻璃與 PEEK 結(jié)合后，不僅能夠提高PEEK生物學(xué)活性外，而且能夠使PEEK 表面形成富有微孔的形貌，這種表面有利于其載荷其他具有抗菌活性的物質(zhì)，是一種具有潛能的抗菌改性發(fā)展方向。

2.PEEK- 羥基磷灰石復(fù)合物改性

羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）改性的 PEEK復(fù)合物被認(rèn)為能夠有效提高PEEK的成骨性能[48]，學(xué)者希望能夠在此基礎(chǔ)上載荷抗菌劑，以提升其抗菌性能。Sanpo 等[49]利用冷噴涂技術(shù)使金屬離子改性PEEK-HA 復(fù)合物，比較鎳（Ni）、銅（Cu）、鋅（Zn）、銀（Ag）改性的 PEEK-HA 復(fù)合物對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌性能，結(jié)果顯示其抗 菌 性能由低到高排 列 為：Ni＜Cu＝Zn-＜Ag。Kakinuma 等[50]利用磷酸肌醇的螯合能力將 Ag+結(jié)合于 PEEK-HA 表面，并認(rèn)為在1mmol·dm-3硝酸銀溶液中進(jìn)行鰲合的涂層，能夠 同時(shí)兼顧的抗菌與成骨性能。

氟化物是常用的抗菌劑，通過(guò)影響細(xì)菌代謝，產(chǎn)生抗菌活性。首先，它可以作為酶抑制劑，例如，以不可逆的方式抑制糖酵解酶烯醇酶和含氟血紅素結(jié)合的血基過(guò)氧化物酶。其次，金屬氟化復(fù)合物，如AlF4-，能夠抑制并損害F型質(zhì)子泵的輸出質(zhì)子功能，從而誘導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)酸化和糖酵解酶的酸抑制[51]?？偠灾?，氟化物可以降低細(xì)菌的耐酸性，在酸性條件下抗菌活性最佳。Wang 等[52]制備的 nFHA-PEEK 在變形鏈球菌的黏附實(shí)驗(yàn)中，nFHA-PEEK 表面生物膜死菌率顯著高于 nHA-PEEK 和純 PEEK[7]。當(dāng)然，氟離子也可以被直接引入 PEEK 表面。Chen 等[53]將經(jīng)氬氣行 PIII 和氫氟酸浸泡處理相結(jié)合，在材料表面構(gòu)建一種淺孔洞狀納米結(jié)構(gòu)，在材料表面引入羥基官能團(tuán)，增加氟的引入量，對(duì)牙周病的主要致病菌—牙齦卟啉單胞菌具有明顯抑制效果。