骨科植入材料聚醚醚酮的臨床應用

李莉 徐夢蘭

摘 要：針對聚醚醚酮樹脂（PEEK）為一特種新型熱塑性工程塑料，憑其摩擦性能優異、彈性模量和皮質骨相近、機械強度高、蠕變量低、耐化學腐蝕和生物相融性出色等特點，越來越廣泛地應用于創傷、關節外科及脊柱內植入物，就聚醚醚酮樹脂及其復合材料在骨科植入方面的應用進行了介紹，并對其發展前景進行了分析。

關鍵詞：骨科;植入材料;聚醚醚酮;應用

中圖分類號：R318.08 ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2022）02-0084-05

隨著現代醫學的不斷進步，骨科植入物所應用的材料種類越來越多，應用也越來越廣泛。傳統的用于制造骨科植入物的材料如不銹鋼、鈦等，它們的彈性模量與人骨的彈性模量相差太大，此外絕大部分高分子聚合物無法承受生理水平的載荷，因此他們無法用來作為長期承重的植入物。所以，為了解決這些臨床問題，必須研制力學性能結構能與和人骨相匹配的生物學材料。聚醚醚酮（PEEK）是一種彈性模量和皮質骨彈性模量十分接近的一種新型材料[1]。它還具有良好的放射線透過性和生物相容性，此外，經過磁共振掃描也不會出現偽影。聚醚醚酮的這些優良的特點，使其成為了近些年來材料學專家和各學科專家的重點研究對象。經過多年的研究，聚醚醚酮以及其復合材料已經逐漸被應用到臨床醫學領域，這里對聚醚醚酮（PEEK）作為骨植入物的應用研究進行了簡單的分析，希望聚醚醚酮及其復合材料能夠更好地應用于創傷和組織工程支架領域，成為最優良的骨植入材料。

1 聚醚醚酮樹脂的概述

聚醚醚酮（見圖1）是一種全芳香族的、半結晶特種熱塑性工程塑料，其具有模量高、溶點高、加工性能優良、強度大等優良特性。聚醚醚酮在各種不同的溫度、壓力、相對粗糙接觸面、速度的條件下，都可以保持優良的耐磨性質，尤其是對聚醚醚酮進行碳纖維增強后的復合材料，其耐磨性能顯著提高，十分優良。聚醚醚酮具有優良的加工性能和耐腐蝕性能，不溶于任何除濃硫酸外的所有溶劑和強改。正是由于聚醚醚酮的這些優良的特性，20世紀80年代，世界許多國家的專家都開始對聚醚醚酮產生了興趣，并開始考慮其作為骨科植入物材料的可能性，同時對其進行了大量的生物相容性研究，包括動物體內植入、體外細胞培養等多種實驗方法對聚醚醚酮材料的細胞增值率、細胞毒性、粘附性、致突變型以及細胞生物學功能等重要指標進行了測定，經過長期大量的試驗研究，經過證明聚醚醚酮具有穩定的化學特性和良好的生物相容性[2]。

現階段主要研究的是通過某些技術手段對聚醚醚酮表面結構進行修飾，或者增加各種活性材料，以達到提高聚醚醚酮生物活性的目的，使其具有更好的生物相容性，更適合作為骨科植入物的基礎材料，聚醚酮制備方法如圖2所示。

1.1 對聚醚醚酮表面結構的修飾

對材料表面結構進行修飾的一種最新方法就是等離子噴涂法，專家用成骨細胞和成纖細胞同表面等離子噴涂對聚醚醚酮進行表面處理，最后經過試驗證明，聚醚醚酮經過等離子修飾后其生物相容性顯著提高，這對促進骨與植入材料的結合十分有利。還有一些專家嘗試對聚醚醚酮表面粗糙度進行調節，然后使其與成骨細胞進行復合培養，最后證明，即使只改變材料的表面特征，不添加其他成分，也可以顯著提高聚醚醚酮材料的生物相容性，使成骨細胞與植入材料更容易結合。

1.2 羥基磷灰石 - 聚醚醚酮復合材料

羥基磷灰石（HA）是一種鈣磷比和分子結構與骨骼中的無機成分十分相似的材料（見圖3），同時羥基磷灰石和骨的骨傳導性與生物相容性都十分良好，當其與成骨細胞一同陪養時，成骨細胞能夠聚集生長。

有學者將羥基磷灰石顆粒添加到聚醚醚酮粉劑中，以此制成體積分數不同的聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復合材料，然后將這里羥基磷灰石含量不同的聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復合材料在模擬體液匯總浸泡4周，最后的試驗結果證明，隨著羥基磷灰石含量的不斷增加，聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復合材料的生物活性也逐漸增強。還有一些學者進行了動物體內實驗，即在動物體內植入聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復合材料，然后對其組織化學染色切片進行觀察，發現在聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復合材料的孔隙中長出了成熟的骨組織，并且其界面和骨界面結合十分緊密，這項實驗結果證明聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復合物材料的生物活性功能十分優良[3]。通過學者們的大量研究證明聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復合材料具有優良的生物相容性，但是要作為骨植入材料應用到臨床醫學中首先還是要考慮材料的力學性能。經過一系列的體外力學實驗，發現聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復合材料的疲勞時間和拉伸強度都會隨著羥基磷灰石含量的增加而降低。在聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復合材料中羥基磷灰石含量不同時，其拉伸強度49～59 MPa，彈性模量5～7 GPa。盡管聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復合材料的力學性能與骨相近，但是因為其強度還無法同骨的強度相匹配，所以還需要更加深入的實驗研究才能判斷其是否能夠作為承受較大應力的骨科之物。

研究人員將羥基磷灰石晶須通過模壓工藝加入到聚醚醚酮中，成功制備了聚醚醚酮 - 羥基磷灰石晶須增強復合材料（HA-Whisker-PEEK）。在這種材料中羥基磷灰石僅需的排列和骨中的納米羥基磷灰石排列方向十分相似，這就使得聚醚醚酮羥基磷灰石晶須增強復合材料具備皮質骨所特有的力學性能，即在各軸向上的具有不同的力學性能[4]。當聚醚醚酮 - 羥基磷灰石晶須增強復合材料中羥基磷灰石的體積分數為10%、20%時，該復合材料的拉伸強度和皮質骨的縱向拉伸強度相似，其彈性模量7.3～10.3 GPa，當羥基磷灰石的體積分數為40%、50%時，該符合材料的彈性模量為17～23 GPa，當羥基磷灰石的體積分數為40%時，該復合材料的拉伸強度和皮質骨的橫向拉伸強度相當。這些實驗數據表明，在聚醚醚酮中加入任何形式的羥基磷灰石都能夠使聚醚醚酮的脆性提高，但是同時也會降低其剛度，致使材料的力學性能下降。但是通過對比我們可以發現，將羥基磷灰石通過晶須的方式比以顆粒方式加入聚醚醚酮更能增強材料的力學性能，所以聚醚醚酮 - 羥基磷灰石增強復合材料的生物學性能更接近骨的生物學性能。國內的專家將碳纖維（CF）引入到PEEK - HA復合材料中，成功制成了PEEK - HA - CF復合材料，很好地解決了聚醚醚酮 - 羥基磷灰石復合材料脆性較高的問題。與PEEK - HA復合材料相比，PEEK - HA - CF復合材料的力學性能更加優異。此外，通過將PEEK - HA - CF復合材料在模擬體液中的浸泡試驗發現這種材料具有十分優良的生物活性，具體的性能還需要進一步的實驗研究在證實。

1.3 其他聚醚醚酮復合材料

鈣磷比為1.5的三磷酸鈣（TCP），與正常骨組織的鈣磷比十分接近，此外三磷酸鈣還可以在生物體內降解。在聚醚醚酮中加入三磷酸鈣，將其制成聚醚醚酮 - 三磷酸鈣（PEEK - TCP）復合材料，發現其力學性能顯著提高，與骨的力學性能十分接近。但是經過體外實驗發現，聚醚醚酮 - 三磷酸鈣對細胞的生長有抑制作用[5]。將活性玻璃45S5添加到PEEK - TCP復合材料中，能夠很大程度地提高材料的生物相容性。要成為骨的最理想的替代材料，必須使其生物活性和力學性能兩個方面都能和骨相匹配。

2 聚醚醚酮的臨床應用

現階段，以聚醚醚酮材料制成的骨植入物，主要是作為頸部、腰部椎間融合器，也有研究人員將聚醚醚酮材料制成接骨板和骨組織工程支架。

2.1 聚醚醚酮椎間融合器

PEEK制成的椎間融合器最早的應用到臨床中是在1991年。后來，國內外諸多學者開始對聚醚醚酮椎間融合器進行大量的實驗研究。椎間盤突出、鉤突或終板關節形成骨贅等頸椎病的常見治療方式是前路頸椎椎間盤切除椎體融合（ACDF）。采用ACDF進行治療時，都會采用自體骨植入融合，為了減少供骨區的感染、疼痛、髂骨骨折、血腫形成等并發癥的發生，一般不會在ACDF中單純的植入自體骨，通常都會與Cage聯合應用。研究人員采用43段頸椎融合Cage技術對36例退行性頸椎病變患者進行了平均18個月的隨訪，最后發現PEEK - Cage的應用使手術過程更加簡化，手術時間和術后住院時間也大大縮短。并且所有的36例患者在訪問期間都沒有出現吞咽困難、聲音嘶啞等并發癥[6]。手術后進行X射線檢查，發現術后6個月椎體融合60%，12個月椎體完全融合，并且沒有出現下陷、斷裂、畸形、坍塌、突出等現象。除此之外，PEEK - Cage相鄰椎體附近的組織也都沒有出現病理性壞死、溶解或者感染，沒有一例患者需要2次手術。后來其他研究人員的隨訪研究中也證明了PEEK - Cage具有較高的融合率（圖4），也不會出現上述的各種并發癥。

通常情況下在進行多節段頸椎椎間盤切除是需要用到螺釘和鋼板來固定使頸椎保持其生理彎曲曲線，但是使用螺釘和鋼板固定存在一定的缺陷，如螺釘脫落、螺釘斷裂、神經根和脊髓受損、食道穿孔等。而以PEEk - Cage替代螺釘鋼板應用到多節段頸椎融合器中可以看到明顯的優勢[7]。研究人員隨機選取了患有多節段頸椎退行性疾病患者，并對它們進行了對照研究，最后發現應用了PEEK - Cage組的患者在手術出血量、融合時間以及術后并發癥等方面都要比其他組患者低，Prolo評分也比其他組高。后來又有研究人員對18例融合應用了PEEk - Cage的多節段頸椎椎間盤切除患者進行了隨訪，隨訪時長為18個月，最后發現，這些患者的融合率高達90，5%，并且期間沒有需要二次手術的患者。以日本骨科學會（JOA）評分評定標準進行評定，評分從術前的（13.70±1.34） 分，到隨訪后期的（16.4±0.97） 分，從這些數據可以看出患者的癥狀得到顯著改善。從上面這些研究結果可以得出結論：對多節段頸椎椎間盤切除融合的首選方法之一就是聯合應用PEEK - Cage。有學者進行了大量的對比研究，并且比較其各自術后的JOA評分、椎間隙高度、頸椎生理弧度、融合情況等多項指標，最后證明在頸椎前路融合術中聚醚醚酮材料制成的椎體間融合器是較理想的自體骨骼移植替代物。有學者進行了大量的體外生物力學試驗，發現以鈦制成的Cage和單純PEEK - Cage的作用相近，都能夠作為承力部位骨骼的替代材料;另外PEEK - Cage和骨的力學性能相似，十分利于骨的融合。對聚醚醚酮腰椎融合器應用有限元進行分析，證實聚醚醚酮植入腰椎后的穩定性和以鈦制作的椎間融合器的穩定性是一樣的，并且PEEK - Cage還顯著降低了對鄰近終板的壓力，使上，下腰椎與融合器之間的融合更為順利。

2.2 聚醚醚酮人造骨關節

在治療膝關節、髖關節等疾病領域中人工關節置換已經十分常見。目前的相關數據表明在老年患者中植入體內的人工假體10年的存活率高達90%。但是近年來，年輕患者中的全關節置換變得越來越多，這就要求延長假體在體內的存活時間，同時要盡可能地減少關節置換術后的二次手術，使患者的生存質量得到提升。影響人工關節的遠期療效的主要因素就是無菌性松動。傳統的骨移植物是金屬假體，其彈性模量遠大于骨的彈性模量，是骨的十幾倍甚至幾十倍;二者的結合，由于力學性能的差異很難相容，從而會產生應力遮擋，進而會引發骨萎縮、骨吸收、假體松動等并發癥，這也給后面的二次翻修手術造成一定程度的困難。超高分子量聚乙烯是目前使用最為廣泛的，但是其抗磨損性能較差，使假體的使用壽命大大降低，同時磨損顆粒會致使骨質溶解，造成無菌性關節松動。研究人員對聚醚醚酮使用聚丙烯腈基碳纖維制成增強材料，然后將其與氧化鋁對偶，再在雙相銷盤式的磨損實驗機中實施磨損實驗，并將其磨損可以進行細胞體外培養，最后發現聚醚醚酮復合材料的磨損顆粒沒有細胞毒性，這也表明聚醚醚酮復合材料的生物相容性良好[8]。為了證明聚醚醚酮磨損顆粒在體內的相容性，有PEEK - CF復合材料制成的ABG全髖骨置換系統于2001年投入臨床使用，并對治療的患者進行了為期3年的隨訪，結果沒有一例患者因出現無菌性松動而進行二次手術，并且此項試驗還在進行中。聚醚醚酮磨損顆粒的生物相容性還需要進一步的實驗研究來判定。

2.3 聚醚醚酮的其他應用研究

在100多年的時間里一直都是用金屬接骨板在治療骨折，但是由于金屬與骨的生物力學性能差異過大，導致其很難與骨相容，同時其存在放射線不可透性的缺點。為了彌補這些缺陷，近些年來研究人員一直考慮用聚醚醚酮材料來代替金屬材料做接骨板的材料，有學者通過微編法制成了CF增強聚醚醚酮編制型接骨板，并對其不同編織厚度和角度的接骨板進行彎曲試驗，最后表明厚度為2.6 mm的聚醚醚酮接骨板更適用于固定肱骨，而脛腓骨骨折的固定則更適合用3.2 mm后的聚醚醚酮接骨板。此外有研究人員制成了PEEK-HA組織工程支架，通過分析其顯微結構、支架孔隙度、生物活性等，這種支架很可能成為組織工程中的理想支架。

3 結語

聚醚醚酮憑借其高強度、耐摩擦、射線可透性好等優點，已經成為一種重要的骨植入材料，并且在關節、脊柱方面得到了廣泛的應用。經過國內外諸多學者、專家研究發現，聚醚醚酮材料很有希望應用于創傷和組織工程支架領域。現代科學技術的迅猛發展，也極大地推動了材料科學的發展，聚醚醚酮的力學性能和生物活性也在不斷地進行改進，可見聚醚醚酮的應用前景十分廣闊。當然這必然需要一個長期的過程，需要大量的臨床試驗，長期的隨訪，針對出現的問題、缺陷進行相應的改進，這樣才能使聚醚醚酮材料的生物相容性和力學性能等方面得到更好的提升，使其成為最理想的骨植入材料。

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