医用聚醚醚酮复合材料简介

聚醚醚酮（PEEK）是一种具有超高性能的特种工程塑料，其1977年由英国帝国化学工业公司研发成功；到了80年代初英国Victrex公司聚醚醚酮材料实现了工业化生产，目前在多个领域均得到运用。

聚醚醚酮结构

聚醚醚酮结构图

聚醚醚酮结构如图所示，其重复单元由一个酮键和两个醚键构成，属于半晶态芳香族热塑性聚合物。

       由于聚醚醚酮大分子链结构规整、分子链上含大量的刚性芳环及柔性醚键，并且大分子中含有可促进分子间作用力的极性羰基，使得聚醚醚酮有极高的耐热性、耐腐蚀性、耐蠕变以及优秀的力学性能。

       因此，聚醚醚酮被广泛应用于电子电气、航空航天、汽车制造、医疗器械以及食品加工等领域。

聚醚醚酮的生物医用

聚醚醚酮拥有极好的生物相容性、抗氧化性、刺穿透性、耐磨性以及其弹性模量非常接近皮质骨等优点，近年来聚醚醚酮广泛用于生物医用领域。

目前，聚醚醚酮在生物医用方向主要有以下几种应用：

①骨科、整形外科、脊柱植入

由于聚醚醚酮"等弹性"的特点，其刚度可以和骨媲美，因此人们对其在骨科领域发展越来越感兴趣。

1990年代后期，聚醚醚酮已成为替代金属植入物组件的领先的高性能热塑性材料候选者，其能抵抗模拟的体内降解和因脂质暴露引起的破坏，从1998年4月开始，PEEK作为植入物的生物材料在商业上出售。

② 制造手术器械

聚醚醚酮在高温高压下可承受上千次循环灭菌并且在生理盐水中具有耐蠕变性能、耐水解性、耐腐蚀性、良好的耐磨性和力学性能，从而聚醚醚酮可以用于制造手术器械。

③口腔修复

聚醚醚酮经过陶瓷增强，与目前常用的金属等材料相比，其精确度高密度低、生物相容性高，质地柔和、能有效防止牙龈过敏而且在要和过程中可以达到减震的作用。

④人造骨

聚醚醚酮具有较低的弹性模量，可以避免引起植入体融合的延迟；加上其超低热导的性质，也可以避免因环境温度变化对人体造成的不适。

聚醚醚酮的改性

生物医用的聚醚醚酮材料长期处于人体复杂的生理环境中，外力和体液的共同侵蚀对其的耐腐蚀性、力学性能、耐磨性能等提出了更高的要求。因此需要对聚醚醚酮的性能进行改进，以制备具有生物环境适应性的聚醚醚酮复合材料。

纤维增强改性

碳纤维作为一种高性能纤维，因其具有高比强度、高比模量、抗疲劳性、抗蠕变、良好的生物相容性、自润滑性、耐磨损、可设计性强、破损安全性好等特性，在生物医用领域得到了广泛的应用。

目前，人们通过纤维增强的方法将生物惰性的碳纤维、玻璃纤维与聚醚醚酮共混制成人工植入材料，结果表明碳纤维增强的聚醚醚酮（CFR-PEEK）复合材料的纳米硬度和弹性模量得到增强，摩擦系数和磨损率降低、其表现出较好的抗疲劳性和热成型性。

还有研究表示：短碳纤维增强聚醚醚酮材料无任何毒性，组织相容性好并且符合人体髋关节的生物力学强度需要。

恒定载荷下PEEK和碳纤维增强的PEEK在纳米划痕实验中的平均摩擦系数

不忘初心，勿忘使命

纳米粒子的小尺寸效应、表面效应特殊性质常常赋予聚合物复合材料优异特性，使得聚合物纳米复合材料受到研究者的广泛关注。

实验发现纳米 ZrO2 的加入能够改善复合涂层在25%牛血清中的润湿性，5wt.% ZrO2 填充的聚醚醚酮复合涂层具有最佳的摩擦学性能；在聚醚醚酮中共混引入纳米 TiO2 可以提高材料的生物活性，可以用作为植牙的首选生物材料。

表面涂层处理

羟基磷灰石与人体骨和牙齿中的无机成分相同，具有骨传导、骨诱导等性能，生物相容性好，成为了目前研究最多的生物材料之一。

目前科研人员通过动物实验将钛和羟基磷灰石等离子喷涂在聚醚醚酮和碳纤维增强的聚醚醚酮上，结果发现与未涂覆材料相比，喷涂的材料表面显示出非常有利的生物力学和生物学特性，也就是说等离子喷涂钛及羟基磷灰石对聚醚醚酮骨结合有明显改善作用。

还有实验用不同的材料进行表面涂层表明二氧化硅涂层的表面表现出最高的润湿性；硫酸酸蚀的样品达到最高的剪切结合强度，并且在聚醚醚酮作为贴面材料时应采用酸蚀处理；TiO2涂层的聚醚醚酮是种植牙的首选生物材料。

等离子表面处理

离子辐照有定位准确、无污染、离子类型多样、辐照深度可控、辐照剂量可控等许多优点，在改性制备新材料、医用杀菌、肿瘤治疗等领域备受关注。

其原理是：带电的高速离子可以引发聚合物链断裂而产生自由基，而这些自由基相互结合，使得材料表面形成复杂的交联结构，能够改变材料在生理环境中的各种性能。

目前为止，不同的研究中发现：

（1）在紫外光辐射和氮等离子体注入的协同作用下，聚醚醚酮杨氏模量、弹性恢复及生物活性明显提高；

（2）在水等离子处理后，聚醚醚酮更有利于成骨细胞的黏附、铺展和增殖；

（3）在混合气体等离子处理后聚醚醚酮的材料表面能和材料表面的细胞粘附性均有提高；

（4）在氢离子等离子作用下，聚醚醚酮材料表面硬度和弹性回复都增加，从而提高耐磨性和抗冲击性能。

（5）在氧、氩、氢和氘的等离子体作用下可以改善聚醚醚酮的生物医学应用性能并且与氢和氩等离子体处理相比，氧等离子体处理后其表面表现出更好的润湿性、更高的电阻率和良好透光性。

未来发展

目前，大多数研究都集中在聚醚醚酮的单一改性技术。我认为，未来的应充分利用多重改性技术，从而让聚醚醚酮材料有更好的力学性能、生物相容性和耐磨性能等性能，对目前所使用的医用材料进行改善甚至取代，从而使得生物医用材料有着更好的发展和更长足的进步。

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