宗倩穎，葉 霖，張愛英，馮增國(guó)（北京理工大學(xué)材料學(xué)院，北京市 100081）

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聚醚醚酮及其復(fù)合材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用

宗倩穎，葉 霖，張愛英*，馮增國(guó)
（北京理工大學(xué)材料學(xué)院，北京市 100081）

摘 要：綜述了聚醚醚酮及其復(fù)合材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景。聚醚醚酮及其復(fù)合材料的耐蠕變性良好、耐熱等級(jí)高，已成功應(yīng)用于醫(yī)療器械領(lǐng)域；抗疲勞性和X射線可穿透性優(yōu)良，可用于制造創(chuàng)傷植入體和人工骨材料；耐摩擦、耐磨損性能優(yōu)異，可用于制造人工置換關(guān)節(jié)；優(yōu)異的耐化學(xué)藥品腐蝕性以及潛在的抑菌性使其在口腔修復(fù)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。對(duì)聚醚醚酮及其復(fù)合材料進(jìn)行改性，改善其綜合性能，以進(jìn)一步開拓其在生物醫(yī)用領(lǐng)域的其他應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：聚醚醚酮 復(fù)合材料 生物相容性 醫(yī)用材料

*通信聯(lián)系人。E-mail：zhay@bit.edu.cn。

聚醚醚酮（PEEK）是英國(guó)ICI公司于1977年開發(fā)成功，在20世紀(jì)80年代初期由英國(guó)Victrex公司實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的一種高性能特種工程塑料。PEEK主要是以4，4'-二氟二苯甲酮、對(duì)苯二酚、無水碳酸鈉為原料，二苯砜為溶劑，在無水條件下于300～340 ℃進(jìn)行親核縮聚合制得。由于PEEK的大分子鏈結(jié)構(gòu)規(guī)整，且含有剛性的苯環(huán)、柔性的醚鍵及可促進(jìn)分子間作用力的羰基。因此，具有耐熱等級(jí)高、耐輻射、耐化學(xué)藥品腐蝕、耐蠕變，抗沖擊性能、抗疲勞性能好等特點(diǎn)，在許多特殊領(lǐng)域可以替代金屬、陶瓷等傳統(tǒng)材料，成為當(dāng)今最熱門的高性能特種工程塑料之一，在航空航天、電子電氣、化工與機(jī)械工業(yè)、汽車制造業(yè)、食品加工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并成為不可或缺的關(guān)鍵材料。PEEK及其復(fù)合材料具有良好的生物相容性，得到了美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的認(rèn)可；PEEK還具有生物惰性，根據(jù)ISO 10993-10：1995，證明其不具有致敏性，基因毒性測(cè)試結(jié)果顯示其不會(huì)引起任何染色體畸變。因此，PEEK及其復(fù)合材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。本文主要綜述了聚醚醚酮及其復(fù)合材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用。

1　醫(yī)療器械

作為一種半結(jié)晶型的熱塑性聚合物，PEEK具有良好的生物相容性，而且經(jīng)過傳統(tǒng)的蒸汽、γ-射線和環(huán)氧乙烷反復(fù)殺毒除菌后，均可保持其力學(xué)強(qiáng)度。在生理鹽水的作用下，對(duì)耐磨性、光滑性和剛性等物理性能沒有明顯影響，而且溶脹率變化也很小。這些優(yōu)良特性使其在醫(yī)療器械領(lǐng)域（如手術(shù)器械和口腔器械）廣泛應(yīng)用。同時(shí)，利用PEEK的耐蠕變性，可以制造各種需要高溫蒸汽滅菌的醫(yī)療器械。

2　創(chuàng)傷植入物

早在19世紀(jì)，可植入性生物材料就被應(yīng)用于骨折治療中。1895年，Lane［1］第一次將金屬薄板應(yīng)用于骨折內(nèi)固定當(dāng)中。盡管后來不銹鋼的出現(xiàn)解決了易腐蝕的問題，但近年來，應(yīng)力遮蔽效應(yīng)的影響備受關(guān)注。高彈性模量的金屬骨板遮擋了所必需的足夠的外界應(yīng)力，不利于骨折的愈合，在沒有足夠應(yīng)力刺激下形成的骨骼質(zhì)地疏松，性能變差。當(dāng)拆除固定骨板后，愈合的部位承受負(fù)重時(shí)不能適應(yīng)周圍應(yīng)力環(huán)境的變化，容易發(fā)生再次斷裂［2］。因此，金屬骨折內(nèi)固定裝置在相鄰骨板固定中的使用有所減少。高性能熱塑性塑料［如聚對(duì)苯二甲酸丁二酯（PBT），聚苯乙烯（PS），PEEK］被作為良好的替代品應(yīng)用于骨折固定術(shù)中?？蒲泄ぷ髡呦Ｍ眠@類材料的熱成型性能，使固定板能更加準(zhǔn)確地貼合到患者的骨組織中。Brown等［3］對(duì)比了分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%聚丙烯腈基碳纖維增強(qiáng)的PBT，PEEK，PS的彎曲疲勞性能和熱成型性能。被測(cè)樣條經(jīng)過反復(fù)蒸汽滅菌并在生理鹽水中預(yù)浸泡3周，以及在熱成型前后均將其加熱至高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，隨后經(jīng)過外科彎板機(jī)變形，且經(jīng)過反復(fù)彎曲后將樣條恢復(fù)原樣。結(jié)果表明，PEEK表現(xiàn)出更好的彎曲韌性和彎曲疲勞強(qiáng)度，并且不受預(yù)處理和熱成型的影響，說明PEEK與碳纖維的相容性更好，有助于解釋其抗疲勞性更加優(yōu)異的原因。王克軍等［4］對(duì)短碳纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料的生物相容性進(jìn)行了生物學(xué)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：細(xì)胞相對(duì)存活率大于75%，溶血率低于5%，說明該復(fù)合材料與血液的相容性良好；將用其制備的接骨板植入兔體內(nèi)，未引起明顯炎癥反應(yīng)，周圍肌肉組織始終保持正常結(jié)構(gòu)，說明其組織相容性好；對(duì)該短碳纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)符合人體髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)強(qiáng)度的需要。

PEEK應(yīng)用于關(guān)節(jié)鏡縫合錨釘治療肩袖撕裂或者其他關(guān)節(jié)內(nèi)損傷疾病時(shí)，耐周期性壓力及最大負(fù)荷強(qiáng)度均大于可吸收錨釘［5］，并且具有X射線可穿透性，手術(shù)后計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）及核磁共振檢查不必?fù)?dān)心金屬偽影，其彈性模量介于皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨之間，可以減少應(yīng)力遮擋，促進(jìn)骨愈合。植入位置不佳時(shí)不必取出錨釘，只需在原位重新鉆孔并植入新的錨釘即可，極大降低了翻修手術(shù)難度［6］。

近年來，三維（3D）打印技術(shù)被應(yīng)用到人工骨骼的制造領(lǐng)域，該方法利用計(jì)算機(jī)模型和CT數(shù)據(jù)可快速準(zhǔn)確地定制所需任意形狀和結(jié)構(gòu)的植入體。Chrzan等［7］針對(duì)19例顱骨部分缺損患者制造了個(gè)性化假體并成功植入。張玨［8］利用熔融沉積成型原理進(jìn)行PEEK仿生人體內(nèi)踝的3D打印制造，打印前后PEEK未發(fā)生明顯化學(xué)變化且與細(xì)胞相容性較好。3D打印技術(shù)能夠根據(jù)不同患者需要，制備適合不同患者的個(gè)性化生物醫(yī)用材料，同時(shí)可精確控制材料的微觀結(jié)構(gòu)，憑借這種獨(dú)特優(yōu)勢(shì)將在未來的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域占據(jù)重要地位［9］。

3　椎體間融合器

融合器用于穩(wěn)定腰椎或者頸椎前路，是一種治療由退變性腰椎間盤疾病或脊柱不穩(wěn)引起的頑固性背部疼痛的手段。1996年9月，美國(guó)FDA正式批準(zhǔn)脊柱椎體間融合器用于臨床腰椎融合，1997年，批準(zhǔn)腹腔入路的腰椎椎體間融合器手術(shù)。PEEK椎體間融合器能夠兼容X光拍照和核磁共振成像，并且彈性模量較低，可避免自體移植物的并發(fā)癥以及同種異體移植物的缺陷。張蒲等［10］采用PEEK制作的椎體間融合器及自體三面皮質(zhì)髂骨移植進(jìn)行頸椎融合，并比較了手術(shù)前后頸椎生理弧度、椎間隙高度及頸椎融合效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用PEEK制作的椎體間融合器在頸椎前路融合術(shù)中是一種較好的自體髂骨移植替代物。韓成龍等［11］研究了PEEK椎體間融合器結(jié)合納米人工骨在脊髓型頸椎病前路間盤切除后椎體間的融合效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用PEEK椎體間融合器的并發(fā)癥較低，是治療脊髓型頸椎病的一種良好選擇。目前，國(guó)內(nèi)常見的椎體間融合器主要為鈦合金融合器和PEEK融合器。由于鈦合金的彈性模量較高，手術(shù)后更容易出現(xiàn)由于應(yīng)力遮擋而引起融合的延遲，近年來逐漸被PEEK融合器取代，但是兩者在臨床療效對(duì)比上一直存在爭(zhēng)議。段文等［12-13］分別對(duì)比了鈦合金融合器、PEEK融合器用于頸前路減壓椎體間融合和單節(jié)段腰椎后路減壓椎體間植骨融合內(nèi)固定的療效，發(fā)現(xiàn)PEEK融合器的臨床效果與鈦合金融合器相當(dāng)，并沒有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。因此，進(jìn)一步增加其融合率的關(guān)鍵是通過選擇合適的改性手段增加PEEK融合器的表面粗糙度以及提高其生物相容性。

4　人工置換關(guān)節(jié)

人工關(guān)節(jié)置換術(shù)是20世紀(jì)最成功的骨科手術(shù)之一，讓無數(shù)患有終末期骨關(guān)節(jié)疾病的病人重新恢復(fù)了正常生活。目前，膝關(guān)節(jié)置換和髖關(guān)節(jié)置換是人工關(guān)節(jié)置換術(shù)中最常見的兩類手術(shù)，其10年的成功率已經(jīng)超過90%。PEEK及其復(fù)合材料的耐磨損性能和耐化學(xué)藥品腐蝕性能為其成為高壽命人工關(guān)節(jié)的替代品奠定了基礎(chǔ)。近年來，人們一直致力于研究和進(jìn)一步改善PEEK復(fù)合材料的耐摩擦、磨損性能。Sharma等［14］研究了等離子體改性后的碳纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)在低振幅下，復(fù)合材料的振蕩耐磨性提高了26%，材料綜合性能提高了22%，并且具有較好的表面形貌。Wang Zhiqiang等［15］研究發(fā)現(xiàn)，在潤(rùn)滑條件下，與純PEEK相比，碳纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料的粗糙度明顯下降，材料更加光滑平坦。氧化鋯、氮化硅、碳化硅等顆粒填充PEEK復(fù)合材料的摩擦、磨損性能需要確定顆粒的最佳填充量，從而綜合評(píng)估摩擦因數(shù)和磨損率［16-17］。為得到綜合性能更加優(yōu)異的人工關(guān)節(jié)材料，在改性PEEK的過程中需要考慮不同實(shí)驗(yàn)方法的對(duì)比和材料配比的設(shè)計(jì)，深入研究在人體或接近人體等復(fù)雜生理環(huán)境下的摩擦、磨損性能。

5　口腔生物材料

PEEK具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，可以耐受絕大多數(shù)化學(xué)試劑的腐蝕。在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，基于PEEK的口腔生物材料的研究越來越受到國(guó)內(nèi)外科研工作者的關(guān)注［18］。Stawarczyk等［19］采用PEEK加工成三單元固定橋修復(fù)體，其平均斷裂強(qiáng)度為1 383 N，初始變形壓力約為1 200 N；而文獻(xiàn)報(bào)道的前牙區(qū)修復(fù)體承受強(qiáng)度為300 N左右，后牙區(qū)的咬合力為500～600 N［20］，說明PEEK的力學(xué)強(qiáng)度完全滿足種植修復(fù)材料的要求。Lee等［21］證明了用玻璃纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料制作的種植體疲勞強(qiáng)度為310 N，滿足ISO 14801：2003中前牙對(duì)種植體材料疲勞強(qiáng)度的要求，并且其彈性模量接近皮質(zhì)骨的彈性模量，用作口腔種植體時(shí)可以減小應(yīng)力遮擋效應(yīng)。Rochford等［22］發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于采用注塑加工成型的醫(yī)用級(jí)PEEK表面，金黃色葡萄球菌和表皮葡萄球菌更易黏附在采用機(jī)械加工的PEEK表面；此外，也對(duì)氧等離子體改性PEEK復(fù)合材料在手術(shù)前的生理鹽水中以及手術(shù)后的人體血清中的細(xì)菌黏附情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)盡管改性后的PEEK復(fù)合材料表面形狀和化學(xué)成分發(fā)生了改變，但并不會(huì)引起細(xì)菌黏附量的增加。魏世成等［23-24］研究含氟納米羥基磷灰石改性PEEK復(fù)合材料表面變形鏈球菌的黏附情況和不同時(shí)間點(diǎn)生物膜的形成情況發(fā)現(xiàn)，與磷灰石相比，含氟磷灰石可降低PEEK表面的細(xì)菌黏附量，增加生物膜內(nèi)死菌數(shù)量。這說明該復(fù)合材料具有潛在的抑菌作用，可作為一種理想的植入型口腔修復(fù)材料。

閆鵬濤等［25］以PEEK/鋇玻璃粉復(fù)合材料為基體，采用硅烷偶聯(lián)劑，在復(fù)合材料表面構(gòu)建具有生物活性的納米羥基磷灰石和甲基丙烯酸酯基的光固化樹脂復(fù)合涂層，通過檢測(cè)大鼠成骨細(xì)胞總蛋白含量和堿性磷酸酶表達(dá)水平，對(duì)新型光固化復(fù)合涂層的生物活性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，納米羥基磷灰石填充的光固化復(fù)合材料在掃描電子顯微鏡下可觀察到很多突起的粗糙表面，隨著填充量提高，涂層表面生物學(xué)活性增強(qiáng)。郭晶等［26］發(fā)現(xiàn)，PEEK/納米氟磷灰石復(fù)合材料和PEEK/納米二氧化鈦復(fù)合材料均可提高成骨效能。PEEK經(jīng)過表面噴砂、等離子噴涂、激光輻照、電弧離子鍍層、化學(xué)酸蝕刻、生長(zhǎng)因子促進(jìn)和生物涂層改性后，可以有效提高材料的生物活性和成骨效能，為口腔修復(fù)和種植治療帶來新的可能。

6　結(jié)語

PEEK及其復(fù)合材料憑借其優(yōu)異的綜合性能在生物醫(yī)用領(lǐng)域占有重要地位。良好的耐蠕變性和耐熱等級(jí)高的特點(diǎn)使PEEK及其復(fù)合材料被應(yīng)用于制造需要高溫蒸汽滅菌的醫(yī)療器械；PEEK及其復(fù)合材料具有優(yōu)良的抗疲勞性和X射線可穿透性，并可減少應(yīng)力遮擋，利用3D打印技術(shù)可定制任意形狀和結(jié)構(gòu)的植入體和人工骨；PEEK及其復(fù)合材料的耐磨損性能和耐化學(xué)藥品腐蝕性使其成為高壽命人工關(guān)節(jié)的替代品；其潛在的抑菌性在口腔修復(fù)的臨床治療中發(fā)揮了重要作用。隨著科學(xué)研究的深入，科研工作者應(yīng)不斷研發(fā)新型PEEK復(fù)合材料，有效提高材料的生物活性和成骨效能，進(jìn)一步研究其在人體或接近人體等復(fù)雜生理環(huán)境下的綜合性能，積極開拓其在生物醫(yī)用領(lǐng)域的其他應(yīng)用。

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Applications of polyether ether ketone and its composites in biomedical field

Zong Qianying，Ye Lin，Zhang Aiying，F(xiàn)eng Zengguo
（School of Materials Science and Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Abstract：Application and prospect of polyether ether ketone（PEEK）and its composites in the biomedical field are reviewed. PEEK and its composites，which exhibit high thermal stability and creep resistance，have been used in production of medical equipment. It can be used as implantable material for spinal，trauma and orthopedic applications. thanks to fatigue resistance and penetrating of X-rays. Excellent wear resistance shows great superiority in artificial joint replacement. The stable chemical resistance and potential antimicrobial activity make it play an important role in dental restorations as well. Modification of PEEK and its composites can improve their comprehensive performance，so as to explore further applications in biomedical field.

Keywords：polyether ether ketone； composite； biocompatibility； medical material

作者簡(jiǎn)介：宗倩穎，女，1987年生，在讀博士，主要從事功能高分子的合成與研究工作。聯(lián)系電話：15210519208；E-mail：z_qianying@163.com。

收稿日期：2016-02-15；修回日期： 2016-03-19。

中圖分類號(hào)：TQ 34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-1396（2016）03-0093-04