李中杰， 潘宇， 吳曉敏， 潘曉華

廣東醫(yī)科大學(xué)深圳寶安臨床醫(yī)學(xué)院、深圳大學(xué)第二附屬醫(yī)院、深圳市寶安區(qū)人民醫(yī)院創(chuàng)傷外科及矯形骨科(廣東深圳 518100)

目前臨床常用的骨科植入物有金屬、鈦合金、陶瓷、高分子聚合物等，金屬及鈦合金雖然在機(jī)械強(qiáng)度、耐疲勞、生物相容性方面有一定的優(yōu)勢(shì)，但其因較高的彈性模量易在局部形成的應(yīng)力遮擋[1]以及在影像學(xué)上產(chǎn)生的偽影[2]不利于放射治療及術(shù)后觀察從而限制了其臨床應(yīng)用；生物活性陶瓷(如磷酸鈣、玻璃陶瓷等)具有耐腐蝕、無毒及良好的生物相容性，但其低的機(jī)械強(qiáng)度[3]及脆性[4]等缺點(diǎn)已無法滿足當(dāng)今臨床要求；聚合物如超高分子聚乙烯雖然廣泛用于關(guān)節(jié)置換手術(shù)中，但其不耐磨及易受液體浸出膨脹影響等缺點(diǎn)也影響了其進(jìn)一步的臨床應(yīng)用[5]。聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)作為一種熱塑性高分子材料，不僅生物穩(wěn)定性好：耐腐蝕、耐疲勞、易消毒加工且無生物毒性，而且其彈性模量與人體骨相當(dāng)[6]，此外它還具有影像學(xué)不產(chǎn)生偽影等優(yōu)點(diǎn)，有利于術(shù)后觀察及診療[7]。然而PEEK本身作為一種惰性高分子材料，對(duì)成骨細(xì)胞和組織的相容性并不出眾，不利于植入部位融合和誘導(dǎo)骨生長(zhǎng)，因此限制了其臨床應(yīng)用。材料的表面改性是解決上述難題非常有效的技術(shù)，它可以在不改變材料本身優(yōu)異特性的前提下提高材料與骨組織間的骨整合能力，目前對(duì)PEEK進(jìn)行直接表面改性主要分為物理、化學(xué)及涂層改性3種。本文對(duì)近年提高PEEK材料成骨效能的各種表面改性技術(shù)作一較為全面的評(píng)述并淺談各類改性技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為進(jìn)一步的臨床應(yīng)用提供參考。

1 物理表面改性在促成骨方面的研究

材料表面的物理、化學(xué)性質(zhì)如表面形貌、表面化學(xué)等因素對(duì)骨組織與植入物間的骨整合具有顯著影響[8]。物理改性主要包括氣體等離子體、加速中性原子束(ANAB)及輻射接枝表面改性技術(shù)，通過它們對(duì)PEEK表面進(jìn)行直接改性，不僅可以改變材料表面的物理、化學(xué)性質(zhì)，改善骨細(xì)胞在材料表面的行為并最終提高成骨效能，還可避免涂層改性易脫落及化學(xué)改性殘硫量過多等問題。

1.1 氣體等離子體 等離子體改性技術(shù)是通過電磁波產(chǎn)生的電離氣體與材料表面發(fā)生相互作用，在不改變材料本身性質(zhì)的情況下，改變材料的表面性能[9]。Poulsson等[10]用氧等離子體處理PEEK表面，改變了表面的形貌并使其表面濕潤(rùn)性增加，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與純PEEK相比，處理的材料表面顯著增加人初級(jí)成骨細(xì)胞黏附性和密度。植入綿羊皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨26周后，組織學(xué)及生物力學(xué)結(jié)果顯示與純PEEK相比，處理后的PEEK顯示出更優(yōu)的骨整合能力[11]。Waser-Althaus等[12]用氧和氨等離子體處理PEEK，引入了羧酸、酯及胺基官能團(tuán)增加了材料的親水性并改變了表面形貌，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示處理后的PEEK較純PEEK在脂肪來源的間充質(zhì)干細(xì)胞黏附、增殖和成骨分化顯著增強(qiáng)。這些數(shù)據(jù)表明，氧和氨等離子體處理的PEEK可通過改變其表面形貌和化學(xué)促進(jìn)成骨分化，他們認(rèn)為材料的表面化學(xué)可能占主導(dǎo)地位，因?yàn)椴煌入x子體處理的表面納米結(jié)構(gòu)高度和密度顯著不同，而且它們與蛋白質(zhì)吸附?jīng)]有直接關(guān)系。等離子體表面改性技術(shù)具有低成本、可重復(fù)并可用于復(fù)雜的幾何模型，但只能保持聚合物短暫的潤(rùn)濕性[13]。

1.2 加速中性原子束 ANAB表面改性技術(shù)是改善材料生物活性并提高成骨效能的有用方法之一，它采用中性氣體原子對(duì)材料表面進(jìn)行納米級(jí)的可控性改性操作[14]。Khoury等[15]用ANAB處理PEEK材料表面引入-OH和-COOH官能團(tuán)，增加了其親水性并改變表面的粗糙度，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)顯示與純PEEK相比，處理后的PEEK顯著增加人成骨樣細(xì)胞的增殖及成骨相關(guān)基因的表達(dá)，將其植入綿羊長(zhǎng)骨區(qū)域一段時(shí)間后，組織學(xué)評(píng)價(jià)及生物力學(xué)結(jié)果顯示ANAB處理的PEEK植入物較純PEEK的骨骼接觸強(qiáng)度及推出力顯著增加，并在4周和12周均表現(xiàn)出良好的骨整合。與氣體等離子體及輻射接枝等表面改性技術(shù)相比，ANAB對(duì)材料表面的可控性操作在2～3 nm[14]，對(duì)材料整體性質(zhì)影響小且具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性，但成本較高且操作難度大。

1.3 輻射接枝 輻射接枝是通過紫外線、伽馬射線等高能電子束破壞材料表面的化學(xué)鍵，并將活化的單體接枝在待反應(yīng)的材料表面，從而改變材料表面的物理或化學(xué)性質(zhì)。Liu等[16]利用紫外線輻射誘導(dǎo)甲基丙烯酸化的透明質(zhì)酸(MeHA)和二氧化鈦(TiO2)納米纖維在PEEK表面上制備PEEK-MeHA-TiO2，改變了材料表面的粗糙度。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示與純PEEK相比，修飾后的PEEK顯著增加大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞黏附、增殖和成骨分化水平。Zheng等[17]通過紫外線輻射接枝將磷酸基團(tuán)引入PEEK表面，使得表面親水性增加，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示小鼠胚胎成骨細(xì)胞前體細(xì)胞(MC3T3-E1)在輻射改性后的PEEK上的增殖、黏附、成骨分化增強(qiáng)，植入兔脛骨模型12周后，組織學(xué)分析結(jié)果表明表面磷酸化的PEEK顯著提高了骨與植入物間的骨整合。紫外線輻射接枝具有操作簡(jiǎn)單、快速及廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)材料的穿透性較差，只能處理材料的表面或亞表面，不適合用于復(fù)雜的材料模型。

2 化學(xué)表面改性在促成骨方面的研究

化學(xué)表面改性主要包括濕化學(xué)表面改性和磺化處理，通過改變材料表面的化學(xué)及形貌可顯著改善骨組織與植入物間的骨整合能力。此外，將物理改性和化學(xué)改性結(jié)合不僅使材料具有一定的成骨效能，還有一定的免疫調(diào)節(jié)能力。

2.1 濕化學(xué) 濕化學(xué)表面改性主要通過與材料發(fā)生還原、偶聯(lián)、水解等反應(yīng)形成一系列表面官能化的PEEK如PEEK-COOH、PEEK-NH2及PEEK-PO3H聚合物。國(guó)內(nèi)有團(tuán)隊(duì)[18-19]用硼氫化鈉處理PEEK表面得到羥基化預(yù)處理樣品，然后進(jìn)行硅烷化反應(yīng)獲得表面官能化PEEK，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，-COOH、-NH2基團(tuán)均能顯著促進(jìn)MC3T3-E1的增殖、黏附及鋪展。Mahjoubi等[20]通過重氮化學(xué)將-PO3H基團(tuán)鍵合到噴砂處理過的PEEK表面，降低了其表面的疏水性。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示含磷酸基團(tuán)的表面顯著提高M(jìn)C3T3-E1細(xì)胞的活力、代謝活性及細(xì)胞外基質(zhì)礦化水平。植入鼠顱骨缺損模型3個(gè)月后，與被纖維組織包裹的純PEEK植入物相比，表面磷酸化的PEEK植入物周圍呈現(xiàn)礦物沉積且未出現(xiàn)任何纖維組織，這表明-PO3H基團(tuán)可顯著增強(qiáng)PEEK植入物的骨整合能力。濕化學(xué)表面改性具有簡(jiǎn)單實(shí)用低成本等優(yōu)點(diǎn)，但目前可進(jìn)行的表面改性手段非常有限。

2.2 磺化處理 磺化處理主要通過濃硫酸磺化及后續(xù)的水浸漬改變材料的表面形貌，并形成表面含有磺酸基的PEEK樣品。Zhao等[21]用濃硫酸處理PEEK表面，形成了表面含有3D納米結(jié)構(gòu)及磺酸基團(tuán)的SPEEK-W(磺化后的浸水漂洗)與SPEEK-WA(SPEEK-W進(jìn)一步用丙酮漂洗)，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，SPEEK-WA比SPEEK-W更能誘導(dǎo)MC3T3-E1的早期增殖、黏附及成骨分化，植入鼠股骨遠(yuǎn)端8周后SPEEK-WA表現(xiàn)出更顯著的骨整合能力，這一原因可能與SPEEK-W表面過多含硫量造成的低pH值環(huán)境進(jìn)而抑制了骨細(xì)胞的生長(zhǎng)有關(guān)。此外磺化處理還可以結(jié)合磁控濺射等物理改性技術(shù)進(jìn)一步提高PEEK材料的優(yōu)勢(shì)性能，Liu等[22]將利用磁控濺射技術(shù)將鋅離子結(jié)合到磺化處理的PEEK(SPEEK)材料上，結(jié)果顯示鋅離子涂層造成的組織微環(huán)境使得非活化的巨噬細(xì)胞激活為抗炎表型，分泌抗炎和成骨細(xì)胞因子，增強(qiáng)了骨髓基質(zhì)細(xì)胞的成骨分化能力，提高了鋅涂層SPEEK的骨整合。當(dāng)然，復(fù)合改性究竟是優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)還是劣勢(shì)疊加，這是一個(gè)值得討論的問題。

3 涂層表面改性在促成骨方面的研究

涂層技術(shù)是獲得材料表面改性簡(jiǎn)單且直觀的方法，利用各種技術(shù)手段在PEEK表面制備鈦(Ti)、TiO2及羥基磷灰石(HA)等改性涂層可以顯著提高PEEK表面的成骨效能。

3.1 鈦相關(guān)涂層表面改性 Ti具有優(yōu)異力學(xué)和生物學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于牙科和骨科的的植入物中，因此，使用Ti作為PEEK材料的涂層是合適的候選材料。近年來，Ti涂層技術(shù)通過使用等離子噴涂、電子束沉積等技術(shù)改變材料的表面化學(xué)、表面形貌從而提高其成骨效能。

3.1.1 等離子噴涂 等離子噴涂是一種比較經(jīng)濟(jì)、商業(yè)化的熱噴涂技術(shù)。Cheng等[23]利用等離子噴涂技術(shù)在PEEK表面沉積Ti層，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示含Ti涂層的PEEK比純PEEK的成骨樣細(xì)胞的成骨活性更強(qiáng)，植入綿羊體內(nèi)12和24周后，與PEEK相比，Ti涂層的PEEK在新骨形成、骨附著和拔出強(qiáng)度方面顯著增強(qiáng)，這一原因可能與涂層改變了材料的粗糙度有關(guān)。然而，有臨床研究[24]顯示，在行椎間融合術(shù)時(shí)使用或者不使用含Ti涂層的PEEK籠作為椎體融合器，其放射性結(jié)果和臨床療效短期隨訪無明顯差異。等離子噴涂技術(shù)雖然是鈦涂層植入物的常用方法之一。但該方法存在一定缺點(diǎn)[25]：(1)該技術(shù)涉及的高溫可能會(huì)損壞PEEK的原有結(jié)構(gòu)；(2)涂層存在一定的松脫。

3.1.2 電子束沉積 電子束沉積可在低溫下制備出致密均勻的材料表面涂層。Elschner等[26]用電子束沉積在低溫下在PEEK表面沉積Ti涂層，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示Ti涂層的PEEK較純PEEK顯著改善了人間充質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞的增殖、成骨分化及礦物沉積，并且Ti涂層未對(duì)PEEK的MRI相容性產(chǎn)生影響。Han等[27]同樣利用電子束沉積技術(shù)在PEEK表面沉積了均勻致密的Ti涂層，改變了表面化學(xué)及濕潤(rùn)性，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示Ti涂層的PEEK較純PEEK顯著提高M(jìn)C3T3-E1的增殖、擴(kuò)散及成骨分化水平。植入兔脛骨4周后，組織學(xué)染色顯示Ti涂層的PEEK具有更高的骨接觸(bone-in-contact，BIC)率。電子束沉積具有精度高等優(yōu)點(diǎn)，但其效率低且成本較高。

3.2 二氧化鈦相關(guān)涂層表面改性 TiO2是一種具有耐腐蝕及良好生物活性的生物材料。近年來，TiO2涂層通過使用高功率脈沖磁控濺射(HIPIMS)及溶膠凝膠、電弧離子鍍(AIP)技術(shù)改變材料的表面化學(xué)、表面形貌從而提高其成骨效能。

3.2.1 高功率脈沖磁控濺射及溶膠凝膠 HIPIMS是一種涂層改性新技術(shù)，它比直流磁控濺射具有更高的電離率和離子轟擊能量。Yang等[28]使用其在PEEK基片上沉積TiO2涂層，形成了-OH-官能團(tuán)，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明含有TiO2涂層PEEK比純的PEEK具有更好的成骨細(xì)胞相容性，更有效地促進(jìn)成骨細(xì)胞的黏附和生長(zhǎng)。HIPIMS技術(shù)制備的涂層更為致密，熱穩(wěn)定性及力學(xué)性能更好，但高能的離子轟擊難免會(huì)對(duì)表面造成損傷。

溶膠凝膠法作為低溫條件下合成有機(jī)或無機(jī)化合物的方法，在TiO2涂層的合成中占有重要地位。Shimizu等[29]用溶膠凝膠法在PEEK表面制備TiO2涂層，改變了材料表面的粗糙度，植入小獵犬的頸椎間隙中3個(gè)月后，結(jié)果顯示涂覆TiO2的PEEK植入物骨與植入物融合率及BIC顯著優(yōu)于純PEEK。溶膠凝膠法在低溫下可進(jìn)行，不會(huì)破壞材料原有表面結(jié)構(gòu)，但成本高、整體反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)且不適合工業(yè)化生產(chǎn)。

3.2.2 電弧離子鍍 AIP技術(shù)具有高的離子能、電離度及低反應(yīng)溫度等優(yōu)點(diǎn)，因此在涂層工業(yè)中廣泛應(yīng)用。Tsou等[30]用AIP法在PEEK表面制備TiO2涂層，改變了表面的粗糙度并引入-OH-官能團(tuán)，這些基團(tuán)會(huì)產(chǎn)生親水的表面并形成磷灰石層，為骨細(xì)胞生長(zhǎng)提供良好的環(huán)境，植入雄兔的股骨12周后，組織學(xué)形態(tài)顯示沒有任何炎癥跡象產(chǎn)生，推出試驗(yàn)顯示相較于純PEEK，TiO2-PEEK植入物新生骨顯著增加且骨黏合性能更優(yōu)，隨著植入時(shí)間的增加，骨與植入物界面的剪切強(qiáng)度增加，這一研究表明含TiO2涂層PEEK在體內(nèi)具有良好的成骨效能。AIP技術(shù)雖然具有高效低成本的優(yōu)點(diǎn)，但反應(yīng)過程中產(chǎn)生大顆粒會(huì)嚴(yán)重降低涂層的性能。

3.3 羥基磷灰石相關(guān)涂層表面改性 人體骨骼和牙齒的主要無機(jī)成分是HA，其在體內(nèi)通常表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性、骨傳導(dǎo)性及良好的生物活性。近年來，HA涂層通過使用旋轉(zhuǎn)涂布、冷噴涂技術(shù)改變材料的表面化學(xué)、表面形貌從而提高其成骨效能。

3.3.1 旋轉(zhuǎn)涂布 厚的HA涂層在體內(nèi)長(zhǎng)期植入容易從植入物表面脫落并引起一些并發(fā)癥，旋轉(zhuǎn)涂布技術(shù)可解決上述難題并改善涂層穩(wěn)定性。Barkarmo等[31]采用旋涂法技術(shù)在PEEK表面制備厚的納米級(jí)HA涂層，改變了材料的表面形貌及表面化學(xué)，植入兔股骨6周后，組織學(xué)結(jié)果顯示納米HA涂層PEEK比純PEEK具有更大的骨接觸面積及BIC，這一數(shù)據(jù)表明HA涂層具有改善PEEK植入物與骨組織間骨整合能力。旋轉(zhuǎn)涂布技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、涂層均勻等優(yōu)點(diǎn)，是HA涂層常用的方法之一，但涂液使用率過低且旋轉(zhuǎn)速度受大尺寸基板限制。

3.3.2 冷噴涂 冷噴涂能在較低的溫度下在制備出厚度均一且具有較強(qiáng)黏合力的表面涂層，Lee等[32]利用冷噴涂技術(shù)在PEEK上涂覆HA涂層，改變了材料的親水性和粗糙度，細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示表面HA涂層顯著提高了人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的黏附、增殖、堿性磷酸酶活性及成骨相關(guān)基因的表達(dá)。植入兔髂骨模型8周后，組織學(xué)染色和生物力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，HA涂層顯著增加PEEK植入體與骨組織之間的接觸面積和骨整合強(qiáng)度。冷噴涂具有快捷、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，但成本高且安全性較低。

4 展望

綜上所述，各種表面改性技術(shù)可通過改變材料表面的形貌、表面化學(xué)等因素提高PEEK植入物的成骨效能，但各種表面改性技術(shù)又存在一定的缺點(diǎn)，如何優(yōu)化其劣勢(shì)是目前亟待解決的問題，近年來已有單一表面改性技術(shù)向復(fù)合改性技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，其意義在于取長(zhǎng)補(bǔ)短更大程度地改善材料的生物活性，如在氬等離子體改性與金涂層組合可進(jìn)一步增強(qiáng)小鼠胚胎成纖維細(xì)胞黏附、擴(kuò)散[33]。然而，無論是物理、化學(xué)還是涂層表面改性對(duì)PEEK骨整合能力的影響，其具體的作用機(jī)制仍未闡明，因此它們?cè)隗w內(nèi)的安全性和有效性仍需要進(jìn)一步研究及觀察，相信隨著相關(guān)核心技術(shù)的突破和發(fā)展可以制備出生物活性更優(yōu)的PEEK材料。