陈井春雨 综述 蓝菁 审校

聚醚醚酮(PEEK)弹性模量接近骨皮质(14 GPa)，可减轻金属植入物的应力遮蔽现象。但是光滑PEEK的骨结合能力有限，在材料表面增加表面形态，包括具有微观粗糙度的二维(2D)纹理和多孔特征的三维(3D)结构，能促进表面成骨作用和机械嵌合作用。对该材料表面形态的加工方式缺乏系统性归纳，且骨结合原理尚存争议，故本文就PEEK的表面形态加工方式、表征以及其促进骨结合原理进行综述，以期对该材料的骨结合性能深入研究，促进其作为植体材料的应用。

1 PEEK表面形态加工方式和表征

1.1 酸蚀

与95%～98%的浓硫酸进行磺化反应，室温下反应3～5 min，产生3D多孔网络结构，孔径在0.1～5 μm之间，孔层厚度随反应时间缩短而减少，反应后材料表面湿润性和粗糙度增加。经120 ℃水热处理4 h，可有效去除残留余酸。磺化反应产生的多孔结构和增大的表面积利于锚定和缓释加载生物化学物质，抑制其突然释放，从而维持其长期效果：通过冻干技术、静电引力、磺酸根共价结合等方式实现对重组人骨形态发生蛋白2、β防御素-14、丁酸钠等物质的加载，促进表面细胞的成骨分化；通过多巴胺在其表面聚合反应形成聚多巴胺层，进而固定银元素、丝素蛋白，并为接枝的肽提供氨基位点[1-4]；表面交联形成的水凝胶加载生物肽[5]；经水热反应结合锶或镍等物质，促进成骨细胞增殖和表面矿化成核[1，6]。与发烟硝酸在16 ℃下搅拌反应1 min或与混合的多种酸反应10～30 min，使表面粗糙度降低，形成了分层的微米和纳米级多孔结构，并通过浸入和旋涂的方式加载辛伐他汀、妥布霉素微球等物质，促进成骨分化[7-8]。

1.2 氯化钠(NaCl)晶体浸出

将晶体与PEEK或其混合物按照一定质量分数(1 ∶10)比混合，在一定压力下(4～40 MPa)压模，经高温(350～363 ℃)烧结，也可一次性压模(260 MPa)烧结。在上述过程后，将材料浸入去离子水中，溶解晶体使材料表面形成多孔结构。有实验直接将晶体颗粒撒在材料一侧，用340 ℃热板在10 MPa下压10 min，同时在材料另一侧用冷板冷却，室温下蒸馏水浸出晶体颗粒。孔形态多为立方形，通过晶体的直径和盐颗粒数量来控制材料表面的孔径，其范围在200～450 μm之间，具有高连通性，孔隙率在61%～89%之间。配合其他加工方式形成的不同尺寸孔径，促进细胞粘附、增殖和成骨分化的同时，使骨组织向内长入。

1.3 喷砂

用粒径在50～250 μm的Al2O3颗粒，在0.1～0.8 MPa的压力下，喷砂10～60 s，使材料形成粗糙表面，表面粗糙度随颗粒增大而增加。在一定范围内，越粗糙的表面亲水性越大，亲水性材料表面利于蛋白和大分子吸附，表面积增大为蛋白提供更多结合位点，进而促进细胞附着[9-12]。通过碳酸氢钠苏打喷砂形成粗糙表面，促进细胞增殖和成骨分化[13-14]。使用粒径110～150 μm的TiO2颗粒喷砂60 s，使材料表面粗糙[15]。

1.4 3D打印

选择性激光烧结通过CO2激光烧结薄层PEEK粉末，激光点直径500 μm，在一定速率下进行扫描。扫描前可用相关软件设计，制成复杂的几何形状。熔融长丝制造或熔融沉积建模是以PEEK丝为原料，通过喷嘴加热至420～450 ℃超过PEEK熔点，使材料以液态形式挤出至温度为130～160 ℃的基板上迅速冷却，喷嘴以20～60 mm/s速度移动。可依据设计，使材料形成微粗糙的表面形貌以及不同尺寸的孔径，促进软组织和硬组织的向内生长[9，16-18]。

1.5 其他方法

磺化反应后，在氩气流速0.7 L/min，脉冲电压1500 V的条件下，等离子处理5～10 min，形成微米级和纳米级孔，促进蛋白吸附于表面，在体内实验中对骨骼向内生长起促进作用[15，19]；以纯钛为阴极，负压脉冲120 min，等离子注入材料表面，形成直径沿主材方向逐渐减小的倒圆锥形纳米孔，孔径150～200 nm，促进细胞粘附、增殖和成骨分化[20]；在30 kV的高电势下加速中性原子束，处理后材料表面具有10～50 nm范围内纳米级形貌，增加材料生物活性[21]；等离子喷涂钛使材料表面微观粗糙度提高，形成微米级和纳米级孔径，促进成骨细胞粘附[14，22]；将氮化硅在低温下以36 nm/min的速率进行化学气相沉积，在材料表面形成分层的纳米结构，体外实验使成骨细胞伸出更多伪足，促进其成骨相关基因表达[23]；激光束以2 W/cm2的输出能量密度照射材料30 min，将CaP涂覆于材料表面，通过该激光辅助仿生工艺使材料表面骨传导性增强[24]。在PEEK上以0.05 nm/s速率电子束蒸发形成钛层，置于阳极，钛板做阴极直流电阳极氧化20 min，形成表面纳米多孔，能有效加载骨形态发生蛋白2，促进表面形成新骨[25]。

硫酸处理的PEEK，在材料表面引入磺酸根，干扰了对表面形态促进骨结合的研究；NaCl晶体对孔径的分布、孔间距和孔形状较难控制；经喷砂处理的样品通过调节喷砂粒径，形成不同微米级的粗糙表面，但较多应用于产生二维表面粗糙度，较少应用于实现三维孔结构；等离子处理、等离子喷涂、离子注入、化学气象沉积、激光辅助仿生工艺、电子束蒸发沉积后阳极氧化出TiO2等方法在实现表面形态时，材料表面化学成分发生改变；通过3D打印较难制成纳米级孔，且孔径变化会引起孔隙率发生改变，较难对单一参数控制变量。

1.6 表征方式

扫描电子显微镜可观测PEEK表面孔径、孔隙率、横截面积、互连性和壁厚的估计值。场发射电子显微镜为高分辨率扫描电子显微镜，获得PEEK表面超微形貌结构信息；激光共焦显微镜可观察PEEK粗糙度、表面积和孔容等，多用于检测PEEK表面形态以及粗糙度；原子力显微镜的探针以半接触模式或非接触模式扫描表面多孔结构，检测PEEK纳米级形貌。轮廓仪可测量PEEK微观粗糙度，精度为亚微米和纳米级；微型计算机断层扫描成像用于表征PEEK多孔结构，测量孔形态，计算得出支撑杆间距离、孔隙率和孔互联性。

2 表面形态促进骨结合原理

骨结合包括种植体与牙槽骨之间的机械嵌合和种植体周围骨组织的新生和改建，表面形态在此过程中起着关键作用。由NaCl晶体浸出和3D打印制造的表面形貌，其尺寸在数百微米范围内，为骨组织长入提供空间；当磺化等反应形成的形貌尺寸大于10 μm时，对骨细胞形态产生影响；丝状伪足大小为100～300 nm，可感知8 μm表面形貌[26]。多孔形态使材料比表面积增大，促进材料与骨组织接触，材料与骨组织形成机械嵌合，减少材料与骨组织的相对位移，促进骨结合。

喷砂制造的粗糙表面，材料亲水性随粗糙度增加而增加，亲水表面促进蛋白吸附且增大的表面积利于蛋白锚定，纳米级孔使蛋白被困于孔中，促进蛋白质多层形成，从而促进蛋白质成核和聚集，利于骨原细胞锚定和调节细胞分化。由血小板促进纤维蛋白基质形成，成为细胞迁移附着的桥梁。在经历对坏死组织清除和血凝块分解后，形成血管、骨组织。活化血小板释放的生长因子和细胞因子，从而加速骨原细胞迁入锚定[27-29]。探究多孔PEEK成骨作用时，发现其调节巨噬细胞表型，通过增加M2表型比例，上调生长因子表达，促进成骨[30-33]。

通过PEEK与硝酸反应、阳极氧化等其它加工方式使表面形成纳米结构，细胞接触该结构，通过带有整合素的薄膜突出感知形态，检测有利于附着的部位，使之沿着形态(如沟槽的长轴)进行定位，并发生细胞迁移。这种接触指导通过对细胞核周围细胞骨架施加压力，导致核变形和染色体重组，进而影响细胞增殖和分化[24]。

变化形状的细胞对细胞内部产生机械信号，机械信号诱导蛋白构象变化，使细胞骨架重塑，利用生物分子对细胞核进行信号传递，指导间充质干细胞成骨分化[34]。经过细胞骨架元件向细胞核传递力，使肌动蛋白应力纤维的张力发生变化，使核变形，染色体、核仁和其他核成分空间排列发生变化，DNA表观遗传发生变化[35-36]，调节核孔的开放，从而确定mRNA转运进入细胞质并进一步影响蛋白质翻译[37-38]。细胞骨架的重组可能导致细胞膜的拉伸，从而控制离子通道的转换，调节细胞增殖分化以及成骨相关基因表达，从而进一步影响细胞过程。

3 小 结

通过不同加工方式形成表面形态，促进PEEK成骨作用和机械嵌合过程。但在加工过程中，表面化学成分变化以及多种特征参数的改变，使表面形态的骨结合作用和原理尚未完全明确。未来需设计合适的加工方式，在不改变材料化学成分的前提下，对形态参数进行控制变量，以完善表面形态对骨结合作用的探究。