王 悅 劉 紅

聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）是一種高分子有機化合物，熔點為334℃，具有優(yōu)越的耐高溫性能，PEEK 的化學性能穩(wěn)定，彈性模量約為8.3GPa，接近人體皮質骨（17.7GPa），遠低于鈦合金（116GPa）和鈷鉻合金（210GPa），PEEK 的拉伸性能類似于骨、牙釉質和牙本質[1]。PEEK 放射線顯影，核磁共振掃描不會產(chǎn)生偽影，無細胞毒性，拉伸強度為139MPa。有學者已經(jīng)成功地將PEEK 應用于整形外科，包括關節(jié)成形術和創(chuàng)傷固定的植入體[2]。在口腔醫(yī)學領域，PEEK 做為正畸弓絲，微種植體支抗，可摘局部義齒卡環(huán)，贗復體，種植體基臺，應用于正畸，修復，種植領域，PEEK 可以作為新型的骨缺損修復材料，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明顯抗菌性，植入人體后易受細菌攻擊且不易與人體骨組織結合。因此，提高PEEK 的表面性能成為當今的研究熱點。學者們對PEEK 及其復合材料的改性方法進行了多種探索，通過調整其表面結構或者在其中添加生物活性成分，使得PEEK 及其復合材料在力學性能和生物學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PEEK及其復合材料表面改性的研究進展作一綜述。

一、共混改性

共混改性是將生物活性組分與生物惰性的PEEK 進行復合來提高PEEK 的生物活性，這種方法對PEEK 材料的力學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）的熔點高，化學性質穩(wěn)定，Ma 等[5]在研究中，利用復合和注塑工藝制備了一種納米硅酸鹽/聚醚醚酮（n-CS/PEEK）生物活性復合材料。研究結果表明，通過加入n-CS，大大提高了復合材料的力學性能和親水性。在細胞培養(yǎng)實驗中，與PEEK 相比，n-CS/PEEK 復合材料促進了細胞附著、增殖和擴散。并且，在復合材料上生長的細胞表現(xiàn)出更高的堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）活性，由于ALP 活性是成骨細胞分化的特征性指標，由此可以推論改性后的材料可以促進干細胞的早期骨向分化。

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，具有高強度、耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變等一系列優(yōu)點。Yan 等[6]采用選擇性激光燒結法（selective laser sintering，SLS）制備高強度CF/PEEK 復合材料，研究發(fā)現(xiàn)CF/PEEK 復合材料的抗拉伸強度達到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，并對其摩擦學性能進行評價。結果表明，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。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，對比所有CF/PEEK 試樣的摩擦學性能，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濕性，改善材料的摩擦學性能。

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，它能與骨組織良好地結合，廣泛應用于生物醫(yī)學領域。然而HA 的力學性能存在明顯不足，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合，得到力學性能優(yōu)異的生物復合材料，Zhao 等[8]制備含有高含量（40%）納米羥基磷灰石（n-HA）的PEEK 復合材料，采用人成骨肉瘤細胞（MG-63）進行細胞相容性試驗，研究MG-63 細胞的附著和增殖情況，發(fā)現(xiàn)附著在n-HA/PEEK 表面的細胞數(shù)量明顯高于附著在PEEK 表面的細胞數(shù)量。這可能與n-HA/PEEK 較高的親水性有關。

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，增加材料表面的細胞粘附能力。

二、表面涂層改性

很多種類的材料可以通過多種噴涂、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

磁控濺射技術（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）和陽極（鍍膜室壁）之間施加直流電壓，在鍍膜室內產(chǎn)生磁控型異常輝光放電，使氬氣發(fā)生電離。Liu 等[9]采用磁控濺射技術對PEEK 進行改性，成功地制備了致密均勻的納米銀涂層。CCK-8 細胞毒性試驗結果表明，改性后的材料沒有顯示細胞毒性?？咕鷮嶒灲Y果表明，納米銀涂層可以顯著提高PEEK 的抗菌活性和抗細菌附著能力。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）摻雜對薄膜結構和性能的影響并進行生物相容性測試。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，而且提高了細胞在其表面的增殖和粘附。

2.脈沖激光沉積技術

脈沖激光沉積技術（pulsed laser deposition，PLD）是通過將材料暴露于激光中，在基體表面形成一個非常薄的納米粗糙層，并將其沉積下來。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2 微米厚的DLC 沉積在有特定結構的PEEK 表面。通過激光表面紋理（Laser surface texture，LST）對PEEK 表面的力學性能和摩擦性能進行評價。結果表明，在拉伸試驗中，LST 并沒有顯著影響DLC 對PEEK 的附著力。Akkan[12]使用PLD 在PEEK 表面涂上一層薄的氧化鋁層，以獲得每個基體相同的表面化學性質。研究了氧化鋁涂層對PEEK 表面潤濕性的影響，證明其表面具有增強潤濕性、生物相容性和低彈性模量等優(yōu)點。

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，其機理主要包括表面蝕刻、分子鏈交聯(lián)以及表面官能團改變等。

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，這些含氧官能團能增加材料表面的潤濕性并且促進良好的細胞粘附，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，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技術可以改變高聚物表面的親水性和化學惰性，提高材料的抗氧化性和耐腐蝕性[13]。Gan 等[14]探討氮氣等離子體注入（N2-PIII）對PEEK 粘接強度的影響，采用掃描電鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）和X 射線光電子能譜（XPS）對改性后的PEEK 表面進行觀察。通過觀察在PEEK 上培養(yǎng)的MG63 細胞的附著、增殖和分化情況，評價其生物活性。用平板菌落計數(shù)法測定了樣品對金黃色葡萄球菌的抗菌性能。生物評價和抗菌結果表明，N2-PIII 處理能顯著提高PEEK 的生物活性，樣品對金黃色葡萄球菌有抗菌性能。N2-PIII 表面改性對PEEK 的納米級形貌和表面化學性質有顯著影響，增強其生物活性和抗菌性能。Lu 等[15]將鉭離子通過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骨。通過體外細胞粘附和實時PCR 分析，揭示了大鼠骨間充質干細胞（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 可以通過等離子體技術進行改性，以提高材料的生物相容性。

2.加速中性原子束技術

加速中性原子束技術（accelerating neutral atomic beam technology，ANAB）可以對PEEK 材料表面5nm 以內的區(qū)域進行改性，經(jīng)過ANAB 處理后的PEEK 表面可以促進細胞增殖，通過增加局部骨形成蛋白的釋放而增強骨誘導能力。Joseph 等[16]使用ANAB 技術來處理PEEK，與未處理的PEEK 相比，人類成骨細胞樣細胞在經(jīng)過ANAB 處理后的PEEK 上顯著增強了增殖，并且細胞增加了ALP 的骨化表達。通過將ANAB 處理后的PEEK 植入綿羊的脛骨，采用MicroCT 觀察骨結合界面，并且進行生物力學實驗，證明經(jīng)過處理的PEEK 植入物使骨結合增加了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行體內研究，發(fā)現(xiàn)ANAB 表面處理的PEEK 與骨的結合能力得到改善。以上表明：ANAB 處理可以增強PEEK 的生物活性，促進骨形成，顯著降低骨結合的時間。

3.紫外輻照

紫外輻照是在氧氣的參與下通過光致氧化作用使材料表面性質由生物惰性轉變?yōu)樯锘钚?，通過紫外輻照可以有效地改變PEEK 表面的化學結構，提高PEEK 的潤濕性[18]。Okada 等[19]采用接觸角和ATR-FTIR 測量方法對172nm 氙準分子紫外線照射后材料的表面特征進行評價。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MC3T3 細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，將透明質酸甲基丙烯酸修飾在PEEK 表面，與此同時，長鏈透明質酸甲基丙烯酸也會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，從而在PEEK 表面構建仿骨表面纖維結構，經(jīng)過生物學實驗表明，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酸基團結合，提高了生物相容性，可以用于骨科植入物和醫(yī)療設備。

四、化學改性

化學改性是指通過引入不同的分子鏈或一定性能基團來改進聚合物的整體分子結構以達到增強復合材料各種性能的方法。然而PEEK 的化學性質十分穩(wěn)定，除了濃硫酸外，PEEK 幾乎耐受其他任何化學藥品。Oliver 等[21]通過實驗證明硫酸酸蝕可以改善樹脂對PEEK 表面的粘接強度。未酸蝕的PEEK 與樹脂復合材料之間沒有粘結強度。最優(yōu)的酸蝕時間隨復合樹脂材料種類而變化：PEEK 經(jīng)過60s 的酸蝕與RelyX ARC 粘接強度可達1537.2MPa，以及經(jīng)120s 的酸蝕與Clearfil SA 的粘接強度達645.9MPa。然而，與傳統(tǒng)的復合樹脂材料相比，自酸蝕復合樹脂材料的剪切強度值明顯較低。以上實驗結果證明酸蝕可以增加PEEK 表面的粗糙度，提高PEEK 表面的自由能和潤濕性。雖然許多化學表面改性技術已經(jīng)應用于PEEK 以提高其性能，但這些技術往往需要很長的加工時間和特定的化學物質，因此現(xiàn)在的研究更多將化學改性與其他改性方法結合。

五、復合改性方法

復合改性是指綜合采用多種方法（物理、化學和機械等）改變材料的表面性質以滿足應用需要的改性方法。

1.表面涂層改性結合輻照改性

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與激光特性參數(shù)密切相關，電子束還能將必要的元素添加融入于材料表面。Zheng 等[22]使用了一種復合改性方法，即結合了激光和等離子體處理。激光在PEEK表面上構建微孔結構，等離子體處理將羧基引入到PEEK 表面。與未處理的PEEK 和單獨處理的PEEK相比，雙重改性后的PEEK 更有利于MC3T3 細胞粘附和擴散。并且細胞偽足突出在微孔中，有利于形成更牢固的骨整合。

2.化學改性結合輻照改性

O2等離子體處理PEEK 是一種穩(wěn)定的改性方法，可以增強人類成骨細胞在體外的粘附、增殖與礦化。Yabutsuka 等[23]通過硫酸酸蝕處理，在PEEK 表面形成松質細孔，之后進行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 等測試結果，發(fā)現(xiàn)SBF 中的PrA 誘導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 表面的粘結強度，改善PEEK 的親水性，成功制備了具有生物活性的PEEK。SBF 中HA 的形成能力是預測骨傳導率最重要的因素之一，因此可以推論等離子體處理結合酸蝕處理可以改善PEEK 表面的骨結合能力。王賀瑩等[24]將氬氣PIII 和氫氟酸浸泡處理相結合，在PEEK 表面構建了一種淺孔洞狀納米結構，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、增殖并向成骨細胞方向分化，表面氟化的PEEK 對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胞外基質蛋白，具有很強的細胞信號傳遞特性。Edgar 等[25]在PIII 處理過的PEEK 上，通過固定原彈性蛋白來特異性誘導骨結節(jié)的生長和發(fā)育。發(fā)現(xiàn)在改性后的PEEK 表面上，成骨細胞樣骨肉瘤細胞（SAOS-2）的細胞粘附性、增殖和成骨活性顯著增加，從而增強了骨基質的成熟和礦化。Kuroda[26]等通過硫酸酸蝕和紫外線輻照處理PEEK，經(jīng)過改性后的PEEK 的水接觸角達到20°。將其在蛋白質吸附前后均植入大鼠脛骨14 天，用光學顯微鏡觀察植入體與皮質骨的界面，證明改性后的PEEK 改善了骨結合性。與拋光后的PEEK 相比，表面處理后的PEEK 可以抑制細菌的粘附。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性能，是一種具有應用前景的材料。

3.表面涂層改性結合化學處理

BMP-2 是骨形態(tài)發(fā)生蛋白家族中最具潛力的促骨生長因子，能促進骨缺損的愈合和修復，然而BMP-2 的半衰期很短，并且會發(fā)生不同程度的降解。Sun 等[27]利用磺化反應在PEEK 表面制備了三維網(wǎng)絡，并利用冷凍干燥技術成功地將BMP-2 結合到磺化PEEK（SPEEK）表面。利用場發(fā)射掃描電鏡對材料表面形貌進行分析，通過能譜儀（EDS）對其化學成分進行分析。用人BMP-2 ELISA 試劑盒檢測BMP-2 的釋放量。結果表明，SPEEK 的三維網(wǎng)絡能夠使BMP-2 可控、持久釋放。體外細胞實驗表明，其顯著增強了BMSCs 的粘附性和增殖能力。有利于BMSCs 的ECM 礦化，ECM 礦化是BMSCs 向成骨細胞分化的高級標志，這些結果表明，BMP-2 能促進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PEEK 表面進行粗化處理，之后制備磷酸基修飾的PEEK，將其植入兔脛骨，4、8 周后測定骨與種植體接觸比和骨-種植體結合強度。結果表明，經(jīng)過表面粗糙處理和化學處理后的PEEK 種植體在一定程度上改善了骨整合能力，這對種植體與骨結合的穩(wěn)定性至關重要。綜上所述，復合表面處理方法可以結合多種改性方法的優(yōu)勢，進一步改善PEEK 的生物相容性，現(xiàn)已成為研究熱點，改性后的PEEK 在硬組織工程中具有很大的應用潛力。

以上對多種PEEK 的表面改性方法進行了闡述，每種改性方法都有其優(yōu)缺點，相信隨著表面改性技術的進步和研究的深入，能夠綜合利用多種改性方法，進一步改善PEEK 的力學性能，摩擦學性能和生物相容性，使其更加有利于作為人體植入材料。目前在國內外的研究中，尚缺乏對改性后的PEEK生物材料的體內植入實驗研究，其生物相容性改善的臨床效果也尚待研究。隨著對PEEK 及其復合材料的深入研究，相信在不久的將來能夠進一步擴大PEEK 及其復合材料的應用。