医用聚醚醚酮复合材料改性方法研究进展

医用聚醚醚酮复合材料改性方法研究进展

吕㊀美ꎬ王利涛

(济宁医学院药学院ꎬ山东日照２７６８２６)

摘要:综述了医用聚醚醚酮复合材料改性方法的研究进展ꎬ重点分析讨论了纤维改性㊁纳米粒子填充㊁表面涂层以及等离子体表面处理对聚醚醚酮复合材料的生物相容性㊁生物活性㊁力学性能以及生物摩擦学性能的影响ꎬ并对其未来的发展方向进行了展望ꎬ为今后设计制备生物环境适应性的聚合物复合材料提供一定的指导ꎮ关键词:医用材料ꎻ聚醚醚酮ꎻ生物摩擦学ꎻ生物相容性ꎻ改性

中图分类号:ＴＱ３２５㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００９－７９６１(２０１９)０３－０００１－０５

ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｎＭｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＭｅｄｉｃａｌＰＥＥＫＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ

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收稿日期:２０１９－０４－０１

基金项目:山东省自然科学基金(ＺＲ２０１７ＭＥＥ０５９)

作者简介:吕美(１９８０－)ꎬ女ꎬ山东蒙阴人ꎬ讲师ꎬ博士ꎬ主要从事聚合物复合材料的生物摩擦学研究ꎮ

０㊀引言

㊀㊀聚醚醚酮材料(ＰＥＥＫ)最早是由英国帝国化学工业公司(ＩＣＩ)在１９７７年研发成功ꎬ并于８０年代初期由英国Ｖｉｃｔｒｅｘ公司实现工业化生产的一种具有超高性能的特种工程塑料ꎬ被称为塑料工业的金字塔尖ꎮＰＥＥＫ是由一个酮键和两个醚键的重复单元所构成的ꎬ属于半晶态芳香族热塑性聚合物ꎮ一方面ꎬＰＥＥＫ的大分子链结构规整ꎬ且分子链上含大量的刚性芳环及柔性醚键ꎻ另一方面ꎬ大分子中含有可促进分子间作用力的极性羰基ꎮ因此ꎬ其具有耐热等级高㊁耐化学药品腐蚀㊁耐蠕变㊁自润滑㊁优异的力学性能㊁自然透亮等特点ꎬ在航空航天㊁汽车工业㊁电子电气㊁食品加工工业㊁医疗器械等领域可以替代金属㊁陶瓷等传统材料ꎮ除此之外ꎬＰＥＥＫ凭借其优异的耐磨性能㊁良好的磁穿透性能㊁抗氧化性能㊁生物相容性㊁易加工成

型㊁质轻及弹性模量接近皮质骨等优点ꎬ在生物医

用材料领域表现出强有力的发展势头[１－２]ꎮ生物医用材料是指在医学上能够植入生物体内ꎬ具有诊断㊁治疗㊁修复和置换等功能的材料ꎮ生物医用材料与一般工业材料的最大区别在于它们的使用环境不同ꎬ生物医用材料是在生物环境内工作ꎬ这就要求其首先具备良好的生物相容性ꎬ从而提高医用材料在临床应用上的安全性和可靠性ꎮ随着经济的发展和医疗技术的进步ꎬ人类寿命延长ꎬ对生物医用材料的性能提出了更高的要求ꎮ结合聚醚醚酮材料在生物医用领域的主要应用ꎬ详细地阐述了不同改性方法对聚醚醚酮基医用复合材料相关性能的影响ꎬ并对其未来的发展方向进行了展望ꎬ为今后设计制备生物环境适应性的聚合物

复合材料提供一定的指导ꎮ

１㊀聚醚醚酮在医疗领域的主要应用

㊀㊀Ｋｕｒｔｚ等[３]对ＰＥＥＫ在创伤骨科㊁整形外科以

第２８卷第３期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀淮阴工学院学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.２８Ｎｏ.３２０１９年６月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｕａｉｙｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｊｕｎ.２０１９

及脊柱植入等方面做了详细的研究和总结ꎮ聚醚醚酮在高温高压环境下可承受上千次循环灭菌ꎬ而且在生理盐水中具有耐蠕变性能㊁耐水解性㊁耐腐蚀性㊁良好的耐磨性和力学性能ꎬ并保持其稳定的溶胀性ꎬ因此ꎬＰＥＥＫ可制造各种手术器械ꎮ近年来ꎬ随着３Ｄ打印技术的发展ꎬＰＥＥＫ在口腔修复领域的研究也越来越受到国内外科学家的关注ꎬ主要应用包括种植材料㊁愈合帽㊁愈合基台㊁牙桥㊁牙冠等ꎮ研究发现ꎬ与常用的金属㊁氧化锆和氧化铝等材料相比ꎬ陶瓷增强的ＰＥＥＫ口腔材料精确度高㊁密度低ꎬ能防止牙龈过敏ꎬ生物相容性好ꎬ而且质地柔和ꎬ在咬合过程中具有减震作用ꎮ此外ꎬ聚醚醚酮的另一个重要作用是替代金属制造人造骨ꎬ临床上常见的应用包括腰椎融合㊁缝线铆钉㊁颅骨植入体㊁人工置换关节等ꎮ１９９６年９月ꎬ美国

ＦＤＡ正式批准脊柱椎体间融合器用于临床腰椎融合ꎮ科研工作者最先研究并且最早用于临床的是钛合金融合器ꎮ由于ＰＥＥＫ具有较低的弹性模量ꎬ可避免引起植入体融合的延迟ꎬ并且ＰＥＥＫ能够兼容Ｘ光拍照和核磁共振成像ꎬ因此ꎬ近年来钛合金融合器逐渐被ＰＥＥＫ融合器所取代ꎮ而且ꎬ与钛制颅骨板相比ꎬ聚醚醚酮制成的颅颌面植入体具有超低热导性质ꎬ避免了患者因环境温度的变化而带来的疼痛和不适ꎮ

虽然ＰＥＥＫ基生物医用材料在医疗领域具有深远的意义和价值ꎬ但是ＰＥＥＫ医用材料仍然存在许多问题ꎮ聚醚醚酮属于生物惰性材料ꎬ自身的生物活性欠佳ꎬ严重阻碍了其作为医用植入材料在临床上的广泛应用ꎬ因此在实际应用中ꎬ需要在

聚醚醚酮中引入生物活性材料ꎮ生物活性材料作

为植入材料植入人体之后ꎬ能够形成具有生物活

性的活性层ꎬ可以明显提高材料的细胞相容性和

生物活性[４－５]ꎮ由于植入材料长期处于人体复杂的生理环境中ꎬ外力和体液的共同侵蚀对ＰＥＥＫ的

耐腐蚀性㊁力学性能㊁耐磨性能等提出了更高的要

求ꎮ因此需要对聚醚醚酮的性能进行改进ꎬ以制

备具有生物环境适应性的聚醚醚酮复合材料ꎮ

２㊀改性方法对聚醚醚酮植入材料性能的影响

２.１㊀纤维增强改性

㊀㊀基于聚醚醚酮自身特点ꎬ通过引入增强改性剂可以有效提升聚醚醚酮材料的整体性质ꎮ国内外研究者通过纤维增强的方法已成功将生物惰性的碳纤维㊁玻璃纤维与聚醚醚酮共混制成人工植入材料ꎬ结果表明碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料表现出极好的力学性能和减摩抗磨性能[６－７]ꎮ碳纤维作为一种高性能纤维ꎬ因其具有高比强度㊁高比模量㊁抗疲劳性㊁抗蠕变㊁良好的生物相容性㊁自润滑性㊁耐磨损㊁可设计性强㊁破损安全性好等特性ꎬ在生物医用领域得到了广泛的应用ꎮＳｏｎｇ等[８]通过纳米压痕试验研究了碳纤维增强ＰＥＥＫ复合材料在生物医用领域的纳米机械和纳米摩擦学性能ꎬ发现碳纤维增强了ＰＥＥＫ的纳米硬度和弹性模量ꎬ降低了其摩擦系数和磨损率ꎮ

图１㊀恒定载荷下ＰＥＥＫ和ＣＦＲ－ＰＥＥＫ在纳米划痕实验中的平均摩擦系数:(ａ)１０ｍＮꎬ(ｂ)３０ｍＮ和(ｃ)６０ｍＮ[８]２㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀淮阴工学院学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０１９年