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聚醚醚酮(PEEK)在医疗上的应用

2018-01-23 16:01:45 一迈智能 阅读

摘要:聚醚醚酮(PEEK)是一种线性芳族半结晶的热塑性聚合物,其机械性能非常适用于生物医学应用,目前已应用于不同的外科领域:脊柱外科、矫形外科、颌面外科等。PEEK复合材料的合成拓展了PEEK材料的物理化学和机械性能。为了改善骨诱导和抗菌能力,PEEK表面需要进行不同类型的功能化,内部结构也要加以改变。基于PEEK材料越来越多的成为骨和软骨的代替品,并在许多不同的医学领域得到应用。白皮书描述了PEEK材料结构的改变和表面功能化,及这种材料最常见的生物医学应用。近年来,这种材料可用3D打印技术进行加工,引起了科学界的兴趣,它未来的发展前景也愈加光明了。

1、介绍

聚醚醚酮(PEEK)是一种线性芳族半结晶的热塑性聚合物,化学公式为(—C6H4—O—C6H4—O—C6H4—CO—n),商业化于1980年,1998年将其用于医学应用,同年推出可以长期植入人体的PEEK材料,在描述PEEK材料的属性时,我们应该将纯PEEK生物材料和PEEK复合材料区分开来。

基于PEEK复合材料的植入已经可以替代传统金属的陶瓷植入物,PEEK聚合设备首次被报道用于骨折固定术是在PEEK 材料中加入了碳,对其进行了强化。改变PEEK材料的结构是为了加强它的生物力学性能和生物属性。如今,医学应用的PEEK材料在几个外科领域中很常见。下面是根据PEEK材料在临床上的应用暨植入的进行分类:

1、1 PEEK植入物在临床上的分类

(1)骨骼替代物——颌面和颅骨植入体

(2)脊柱手术——脊椎笼

(3)矫形外科

(a)骨头和臀部替代物——关节植入体

(b)骨科设备:固定板和螺丝

(4)牙齿替代物——牙科植入体,义齿,根内固位

(5)心脏手术——心脏泵和瓣膜

白皮书旨在描述一些更为重要的PEEK临床应用和基于PEEK的材料。在第一部分我们将描述所有PEEK材料的结构及其表面的改性,以及相应的机械性能和生物相容性上的改变。第二部分,我们将展示实验室如何将一种基于PEEK的材料开发用于不同的外科和医疗领域的临床。

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图1在老鼠尾椎骨植入PEEK(一种新的老鼠模型,用于改善生物材料骨植体):a第一个尾椎的空腔准备;b PEEK植入体;c 注入一个月之后的显微CT图像。因为射线透射性,植入PEEK的部位用星号标记。

2、PEEK的物理性能和FEEK复合材料

PEEK是一种具有化学惰性的合成物,在室温下不能容与所有传统的溶剂,除了98%的硫酸。水溶性(室温下)是0.5w/w%。其弹性系数接近但不完全等于人的密质骨,PEEK的熔点是334℃,结晶峰温度为343℃,玻璃化转变温度145℃,它的热特性使得他在人体内很稳定。PEEK在耐伽马射线和电子束辐射方面表面非常好,研究者发现由PEEK辐射(600kGray)产生的自由基的生命周期少于20分钟,PEEK及其复合材料具有天然射线透射性和核磁共振兼容性,图1展示了在一只老鼠尾巴里植入了PEEK,ICT扫描显示出射线可以透过鼠尾椎里的PEEK植入物(图1C).

PEEK复合材料在生物医学领域的应用基于PEEK 材料,其中首个用于生物医学应用的是PEEK复合材料碳增强PEEK复合材料(CFR-PEEK).随着碳纤维比例的提高,PEEK材料的弹性系数和抗拉强度也得以增加。

另一类PEEK复合材料是玻璃纤维增强PEEK复合材料(GFR-PEEK),一种聚醚醚酮的高分子复合材料,含有10%的随机的E玻璃纤维屑(GFR-PEEK),其弹性系数和骨密质相似。

为了增加PEEK材料的生物特性,让骨诱导更精确,需要在β-磷酸三钙(b-TCP)/羟基灰石(HA)和PEEK之间制造出无机复合材料,从生物力学的角度来看这些复合材料使得弹性系数显著增加。和添加碳纤维和玻璃纤维相比,HA可能稍逊于b-TCP,没有表现出PEEK基体很强的机械亲和力。在PEEK中加入40%的HA减少了45%的极限坑拉强度,为44Mpa,堪比骨密质,但是HA-PEEK的康骨折能力没那么好。

还有一种制造PEEK复合材质的方法是在PEEK 材料中加入30%CaO-70%SiO的球状粒子,也就是硅酸钙PEEK复合材料(CS-PEEK)。作者改变了整个PEEK复合材料体系的无机粒子浓度,从0到50%,发现当CS为10%的时候,弯曲强度为116.6MPa,增加到20VOl%的时候弯曲强度略有增加,然后随着CS含量增加强度急剧下降,CS增加到20VOl%时,杨氏弹性模量也增加了,随后在随着CS含量增加而降低。CS粒子从30到50VOl%时,复合材料的断裂表面有所强化,将CS集合到一期主要是便于观察。

3、PEEK和PEEK复合材料的生物属性和表面改性

很多研究人员评估过PEEK材料,CFR-PEEK以及GFR-PEEK支撑上成纤维细胞和成骨的生长和反应情况。敏化和基因毒性测试显示没有染色体畸变。PEEK表面被认为是生物惰性表面,植入物的生物相容性强烈地受到其表面特征的影响,包括表面粗糙度、湿润性和化学成分,PEEK的表面疏水性既不能让蛋白质吸收,也不能让细胞粘附。细胞连接和细胞增殖是PEEK和CFR-PEEK化合物相互矛盾的结果。有研究者(1995年)检查过PEEK、钛、和钴铬钼合金之间的成骨细胞粘附和增殖,报告了三种材料表面的同类细胞行为。研究者没有发现人类成骨细胞和小鼠巨噬细胞对CFR-PEEK聚合物以及钛合金(Ti6AI4V)的体外生物反应有显著的差异。新闻曾报道了碳纤维增强PEEK促进成骨细胞的分化与未机加工的PEEK的水平类似。但是两种材料表面的细胞粘附和细胞增值与控制Ti的表面类似。CFR-PEEK促进了成骨细胞增殖,为骨钙素的持续生产提供了有利的环境。

有研究者对n-TiO2/PEEK复合材料的生物活性进行了评估,在PEEK复合材料表面演示了n-TiO2的一个特定生物效应,在体外测试中,没有出现细胞毒性或干扰到细胞的周期进展,n-TiO2改善了PEEK复合材料的生物活性,它促进了细胞粘附力,提高了成骨细胞的扩散。

在体内研究中,n-TiO2增强了植入物周围的骨再生能力。

为了确定抗菌性和骨整合特性,研究人员用表面光滑和粗糙的纳米氟羟磷灰石(n-fha)/PEEK生物复合植入物做了体外和体内研究,表面粗糙的n-FHA/PEEK拥有细胞兼容性,具有良好的抗菌活性,并且遵循骨生成的时间规律在体外触发一系列的事件(ALP活跃和细胞分化)。

为了提高他们的生物性能,提出了对PEEK和PEEK复合材料进行表面改性,表1根据生物医学应用总结了最常见的基于PEEK的材料组。

本身PEEK 材料
未经处理的PEEK材料
结构改变了的PEEK材料:PEEK复合材料
(A)微小尺寸的PEEK复合材料(B)纳米尺寸的PEEK复合材料
CFR-PEEK( 碳纤维增强聚醚醚酮)n-SiO2/PEEK(纳米二氧化硅带电体)
GFR-PEEK(玻璃纤维增强聚醚醚酮) n-AI2O3/PEEK(纳米尺寸的氧化铝导电聚醚醚酮)
HA-PEEK(羟磷灰石-聚醚醚酮)n-TiO2/PEEK(纳米尺寸的二氧化钛导电聚醚醚酮)
b-TCP-PEEK(β-磷酸三钙-聚醚醚酮)CNF/PEEK(碳纳米纤维聚醚醚酮)
CS-PEEK(硅酸钙-聚醚醚酮)n-FHA/PEEK(纳米氟化羟基磷灰石聚醚醚酮)
Mg-PEEK(PEEK复合镁)
表面改性的PEEK 材料(使用各种物理化学方法进行生物活性涂层)
经化学处理的PEEK 材料:SPEEK(磺化PEEK材料)
用于制备三维和多孔纳米结构细胞支架的SPEEK

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图2在眶颧上颌面修复中的PEEK LT1 optima 植入物;a CAD/CAM PEEK LT1 眶颧上颌骨植入体;b PEEK 植入物植入后的状态。


4、PEEK和PEEK复合材料的临床应用

4.1用于面部和颅重建的PEEK植入物

颌面解刨和颅部前额、眶壁修复非常复杂,要求对称完美、功能良好、形态符合审美。通常、生物材料如钛网或甲基丙烯酸甲酯只要用于颅骨缺损,用于眶壁修复是不适合的。同样,肋骨或髂骨移植在眶额颞受损修复手术中也同样难以塑性。骨吸收也经常发生。近年来,PEEK材料经常用于颌面部和头盖骨修复,因为计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)技术可以精确地制造出形状非常复杂的植入物。图2展示了一个临床案例,在上颌骨面部创伤后为眶颧骨和上颌骨修复植入的PEEK 材料植入物,由CAD/CAM技术制成。

其中首例PEEK 材料在颅骨重建中应用案例是在2007年公布的,描述了一个非常复杂的眶额颞修复案例,使用的是计算机设计的PEEK定制植入物。两年后(2009年)公布了一系列的案例,四个病人使用了定制化的PEEK植入物,作者在手术后的16到20个月内对病人进行了跟踪,没有一个病人出现与植入相关的并发症,例如感染、排斥、异位等,而且术后的形态和功能都非常完美。另外一个非常复杂的案例,成功使用了两块PEEK植入物来对眼眶破裂的边缘和顶部以及一个复杂的扁平的颧骨进行修复。在2014年,有一个案例在进行额眶骨大病灶切除手术时,使用的也是定制的PEEK植入物。得出的结论是,植入物的功能和形态都非常完美,并且减少了手术时间,避免了供区的发病率。

此外,还有一些用CAD/CAM制造PEEK假肢进行颅骨重建案例也有报道,定制的植入体可以让严重受损或大范围组织切除(超过6平方厘米的面积,甚至适合在前额没长头发的部位进行)的手术顺利进行,甚至完整厚度的颅骨切除术。在这些案例中,颅骨修补,除了明显有的美容优势外,还修复了颅骨原有的保护功能,曾经连续对12个病人进行了手术,其中七个病人植入了定制的钛合金植入物,四个病人植入了PEEK植入物,另一个则植入了电子激光束熔融的钛合金植入物,这项临床研究表明,PEEK的机械适于颅骨缺损的重建。PEEK的弹性和吸能特性比钛金属更接近人骨,能够为做过颅骨修补术的病人提供更好的保护。2015年,研究者回顾了过去六年19个颅骨修补术病例,共22例基于CT的PEEK头颅成型术,其中10个患者是因为外部创伤、6个患者因为肿瘤、2个患者是因为血管方面的疾病、1个患者因为中风,PEEK板在这四种手术中都需要进行修改,有3个病人在PEEK板重建后进行了手术,得出结论是,使用CAD/CAM PEEK板颅骨重建有几个优点:植入轻松、精确,植入后形状也很完美;在手术中可以节约时间;在手术室对植入板进行修改也很轻松。

最常见的头颅成形手术并发症是感染和暴露,有人做了一个回顾性的研究,观察132名患者在颅骨修补术中分别植入定制的PEEK假肢和预制网后的结果,PEEK和钛金属颅形成术的总体并发症发生率分别为25.0%和27.8%。24个植入PEEK假体案例中有3个失败案例(12.5%),然而植入钛金属假体的108个案例中有27个失败案例(25%),并合头颅成形术并发症率为27.3%。















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