陈曦 于海洋（通信作者）
口腔疾病研究国家重点实验室 国家口腔疾病临床医学研究中心 四川大学华西口腔医院修复科 成都 610041
国际口腔医学杂志, 2018, 45(6): 657-665
[摘要] 聚醚醚酮（PEEK）为线性芳香族高分子化合物，自面世以来，凭借其卓越的力学性能和化学稳定性，广泛应用于航空航天、汽车制造以及精密仪器制造等高科技领域。此外，PEEK材料可靠的生物安全性、适宜的弹性模量、良好的表面性能等特性使得其在医学领域也得到了广泛应用。目前，PEEK在口腔医学领域中的应用正逐渐增多，如作为种植体、临时基台、固定及可摘义齿材料等越来越引起学者的关注。本文就PEEK材料在口腔种植与修复领域的研究进展作一综述。
聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）为线性芳香族高分子化合物，构成单位为氧-对亚苯基-羰-对亚苯基（图1），是半结晶性、热塑性塑料。自1978年面世后，PEEK凭借其卓越的力学性能和化学稳定性，如耐高温、耐化学腐蚀、耐辐射、易于加工成型等优异性能，广泛应用于航空航天、汽车制造以及精密仪器制造等高科技领域[1]。
图1 PEEK单体单元的化学结构
此外，PEEK材料具有可靠的生物安全性，其复合材料与人类骨组织具有相近的弹性模量[2]，且材料表面的细菌定植量低于纯钛，这使得其在医学领域也得到了广泛应用。骨科中，PEEK在关节替换、脊柱植入（spinalimplant）等领域的应用屡见不鲜；同时，PEEK在口腔医学领域的应用也得到了国内外学者的关注，PEEK作为种植体、临时基台、固定义齿、底冠、活动义齿支架等相关研究与应用也逐渐增多。
1 PEEK的概述
未经改性的PEEK的弹性模量为3~4 GPa[3-4]，经过改性后的PEEK的弹性模量可达18~150 GPa[2,5]，与人类骨组织的弹性模量十分接近（表1）。有学者[6]认为：采用与骨组织弹性模量相近的种植体有利于减少应力遮挡（stress shielding）效应。此外，PEEK材料的拉伸性能也与骨组织、釉质、牙本质相近[7-9]。因此，仅从力学性能方面考虑，PEEK 被认为是适宜的口腔修复材料。
表1 不同材料的弹性模量和拉伸强度
然而，PEEK也因其生物惰性而不可避免地存在一些缺陷。PEEK表面能较低，用常规处理方法进行粘接时难以获得理想的粘接效果[10]；同时，低的表面能不利于细胞黏附，成骨效果欠佳。此外，由于PEEK颜色灰暗，直接用作口内修复体可在一定程度上影响美观[1]，故往往需要对其颜色进行调整，调色后的PEEK可用于固定及活动修复体的制作[11]。为了克服上述缺点、提高PEEK的性能，不少学者通过引入基团、粒子填充、纤维增强[12]、等离子喷涂（plasmaspraying）、旋涂（spin-coating）等方式进行表面改性，以期获得更好的临床应用效果。
2 PEEK在口腔种植领域中的应用
种植成功的重要因素之一为形成有效的骨整合。骨整合的形成依赖于以下3个因素：种植体的材料、种植技术与愈合时间。此外，种植体的形状、表面形态、周围骨组织量以及患者的全身与口腔健康情况等均对其产生影响[13]。适宜的种植体材料应该具有适宜的结构[14]、较高的亲水性[15]、适当的表面粗糙度[16]，以及良好的生物相容性。
20世纪60年代，骨内牙种植体多以金属纯钛及钛合金（如Ti-6Al-7Nb、Ti-6Al-4V等）为主。尽管钛种植体受到大量实验与临床研究证据的支持，但其在临床使用中仍存在一些问题。其一是钛潜在的致敏性[17-21]。有临床研究显示：在接受种植手术的患者中，钛过敏者约占0.6%。其二，钛相对于人类骨组织而言，具有过高的弹性模量。悬殊的弹性模量将导致应力遮挡，从而发生骨组织改建或丧失[22]。其三，由于金属种植体缺乏透光性，可导致美观问题的产生[23]。此外，磨损产生的碎屑、离子渗漏[24]等问题也引起了学者的关注，加之越来越多的患者要求口内修复体使用非金属材料[25]，非金属种植体也成为研究热点之一。
1998年，英国Invibio公司推出了PEEK种植体，随着商业化的PEEK种植体问世，相关研究逐渐增多。由于PEEK及其改性材料良好的性能，有学者认为PEEK种植体或可避免应力遮挡效应的发生，甚至有学者称PEEK可替代金属种植体而应用于整形外科[26]、创伤外科[27-28]等领域。
2.1 力学强度
PEEK种植体在应用时面临的主要问题之一是其较差的抵抗应力的能力[29]，即力学强度不够。玻璃纤维加强PEEK（glassfiber-reinforced PEEK，GFR-PEEK）、碳纤维加强PEEK（carbonfiber-reinforced PEEK，CFR-PEEK）等加强材料的出现在一定程度上提高了PEEK的力学强度。Lee等[6]对PEEK种植体的应力遮挡及疲劳极限进行了研究，结果显示：4 mm直径的GFR-PEEK种植体的疲劳极限为310N，其静态抗压强度为256N；提示GFR-PEEK种植体足以承受前牙的循环咬合力（140~170N[30]）。此外，他们还对不同材料、不同直径的种植体周围应力分布进行了有限元分析，结果显示：直径较大、材质较硬的种植体周围应力遮挡与边缘骨吸收更为明显；相对于无PEEK涂层的种植体，颈部涂PEEK的种植体周围可见骨沉积，故在使用较大直径的种植体时，对其进行PEEK涂层或可减少边缘骨吸收。
有限元研究[31]对30%CFR-PEEK种植体周围应力分布进行了分析，结果显示：30%CFR-PEEK种植体-骨界面的应力峰值大于钛种植体，且钛种植体周围的应力分布更加均一。另一项研究[32]对60%连续碳纤维加强的种植体周围应力进行分析，结果发现：其应力分布与钛种植体类似。研究提示：CFR-PEEK虽然具有良好的力学强度，但用作骨内种植体时其强度似乎过大，反而达不到降低周围应力的效果，因此，用于种植体的加强PEEK材料强度与骨组织相近为好。
2.2 骨整合
PEEK作为一种惰性材料，与周围组织间相互作用较弱[33]。一些学者[34-36]对PEEK进行了一系列的细胞实验，结果显示：尽管PEEK可以促进细胞增殖，但与钛相比，在PEEK表面增殖的细胞显示出较弱的骨引导性、更强的炎性增生，并且PEEK与骨组织之间显示出更明显的纤维性相互作用。Cook等[37]对PEEK种植体与单层骨密质（unicorticalbone）间的结合力进行了研究，结果显示：种植体植入4周与8周时，有钛涂层的种植体均显示出显著增高的骨-种植体接触率，即钛涂层的种植体骨整合效果更佳。为了提高PEEK种植体与周围组织的相互作用，对PEEK进行表面处理[38-39]是有效的方法之一。增加表面粗糙度可以促进细胞黏附[16]；除钛涂层外，PEEK表面涂布羟磷灰石（hydroxyapatite，HA）或磷酸钙等材料可促进成骨细胞的增殖[40-41]。
Wu等[42]将PEEK与nano-TiO2加强的PEEK（n-TiO2/PEEK）植入比格犬胫骨，4周后检测种植体周围新骨形成的情况，结果显示：PEEK种植体周围骨形成量仅为n-TiO2/PEEK种植体的一半。该研究提示：在PEEK中加入一定比例的生物活性材料同样有利于提高PEEK的骨整合效果。除了上述n-TiO2外，加入碳纤维可提高PEEK种植体促进细胞增殖与分化的能力，使其与钛种植体相近[43]。
2.3 变态反应与生物相容性
Katzer等[44]在动物体内对PEEK的诱变性与细胞毒性进行了研究，结果发现：PEEK及其乙醇、氯仿溶液对人类细胞均无诱变性与细胞毒性；与此类似，CFR-PEEK也未发现不良反应的产生。Wenz等[45]对PEEK及其复合物细胞毒性的研究也显示：无直接证据证明其有细胞毒性、诱变性、致癌性及免疫原性。有学者[46]将PEEK-Optima、超高分子量聚乙烯（ultrahigh molecular weight polyethylene，UHMWPE）与交联型UHMWPE（crosslinkingultra high molecular weight polyethylene，X-UHMWPE）分别制成不同大小的颗粒（0.7、2、10μm），以每个细胞20个颗粒的剂量与单核细胞、巨噬细胞共培养24~48h，结果显示：上述3种材料对细胞活性与增殖性能的改变差异无统计学意义；PEEK-Optima显示出最小的细胞毒性。
Webster等[47]对钛、PEEK与Si3N4共3种种植体进行了抗感染研究。他们将上述种植体分别植入96只大鼠颅骨缺损处，注射1×104表皮葡萄球菌，以检测不同时间点种植体周围骨形成量与细菌生长的情况，结果显示：细菌对种植体新骨形成有不良影响，其中，细菌对PEEK种植体周围新骨形成的影响较另外2种材料小。
目前，金属材料的种植体，尤其是钛及钛合金，凭借其良好的生物相容性、骨整合效果和力学强度，仍然是种植体材料的首选。但针对金属种植体的缺点，非金属材料又具有其特殊的优势。PEEK作为种植体的相关研究大多为理论与模型研究，目前尚无足够的动物实验和临床试验，故其广泛应用于临床前仍需要进行更多的体内研究。
2.4 PEEK基台
种植基台可由钛、金、氧化铝、氧化锆等材料制成[48]（表2）。
表2 不同种植基台材料对比
有学者[49]对PEEK与钛临时基台的力学性能进行了比较，结果显示：PEEK临时基台折断时的力为（329.4±103.6）N，虽远低于钛临时基台，但可以承担前牙区的咬合力。鉴于PEEK良好的生物相容性，可作为愈合基台使用。Koutouzis等[50]对16名接受种植手术的患者进行了随机临床对照试验，分别于术后使用钛与PEEK愈合基台，3个月后观察种植体周围骨水平与软组织的情况，结果显示：PEEK与钛基台周围的骨吸收与软组织感染状况无明显差异。Hahnel等[51]对钛、氧化锆、PEEK与聚甲基丙烯酸甲酯（poly-methylmethacrylate，PMMA）等常用基台材料的细菌黏附率进行了研究，结果显示：PEEK表面的菌斑黏附率与钛、二氧化锆或PMMA基台相近，甚至更低。
相对于钛或氧化锆基台，PEEK基台的修整更简便；由于其透射性，牙冠粘接后的残余粘接剂更容易及时发现和清理。此外，PEEK还可用作种植修复上部支架材料，与龈色材料共同使用，可在减轻修复体重量的同时保证红色美学效果。因此，对于种植体基台来说，PEEK可作为金属或瓷的替代材料。
2.5 PEEK中央螺丝
种植牙并发症中，螺丝连接失效占种植牙总失败率的2%~45%[52]。中央螺丝折断后的取出在一定程度上困扰着临床医生，随之出现了一些螺丝取出器械。有学者[53]认为：PEEK中央螺丝与传统钛螺丝相比，可凭借其较好的弹性而在折断时更易于取出。Neumann等[54]对PEEK中央螺丝固位的外连接UCLA基台进行了压断实验，结果显示：PEEK、30% CFR-PEEK中央螺丝的抗折断性能均低于钛螺丝，并且所有折断均发生在螺丝颈部。Schwitalla等[53]对不同加强类型PEEK中央螺丝进行了拉伸实验，结果显示：直径1.6 mm的50%多向连续CFR-PEEK中央螺丝的拉伸强度为（191.69±36.33）MPa，可用于临床实践。
3 PEEK在活动义齿修复中的应用
PEEK作为高性能塑料，在口腔修复中的应用涉及多个方面。卡环是活动义齿不可或缺的组成部分，活动义齿的固位主要依靠卡环对基牙的弹性卡抱力，此外，卡环还有稳定、支持等作用。传统卡环由合金制成，具有弹性好、固位力佳、可弯制、可铸造等优点，但由于金属与天然牙色区别较大，金属卡环在一定程度上影响美观。牙色卡环的出现在一定程度上减小了卡环对美观的影响，其通常由热塑性树脂制作而成[55]，PEEK也是其中之一。
有学者对不同树脂材料卡环的固位力进行了研究。分别使用PEEK、聚醚酮酮[poly(ether-ketone-ketone)，PEKK]和聚甲醛（polyformaldehyde，POM）制成三臂卡环（图2），咀嚼模拟机在液态环境下对每个卡环进行1.5万次就位-脱位循环。研究结果[55]显示：PEEK卡环的固位力高于另外2种材料，且随着摘戴并无明显降低，但其固位力远低于钴铬合金卡环；另外，扫描电子显微镜下可见钴铬合金卡环对基牙模型表面的磨损，而树脂卡环则未见磨损基牙。
图2 PEEK卡环
Zoidis等[56]报道了1例由于患者对金属的味道、重量及金属卡环颜色不满从而使用PEEK作为支架材料制作而成的下颌局部可摘义齿。他们将熔融的PEEK材料通过真空压铸方式制成支架，在此基础上进一步排牙、制作树脂基托（图3）。
图3 下颌PEEK支架可摘局部义齿
与传统钴铬合金支架的活动义齿相比，PEEK支架活动义齿的重量减少了27.5%；由于PEEK具有较好的弹性，PEEK卡环配合近中支托的设计方式有利于减轻肯氏Ⅰ类基牙所受的远中应力；PEEK可通过加入改色材料而改变颜色，美观问题可通过选择与患者基牙颜色相近的PEEK材料而解决，且高度抛光的PEEK支架不易着色、变色，长期美观效果较好。因此，对于金属敏感、不能够接受口内有金属的患者而言，PEEK可以作为金属支架的替代材料。但由于卡环的固位力较小，PEEK支架活动义齿的设计就显得尤为重要。
4 PEEK在固定义齿修复中的应用
PEEK凭借良好的力学性能可作为固定修复体或底冠材料。PEEK修复体的制作可通过真空压铸或计算机辅助设计和计算机辅助制造（computer aided design and computer aided manufacturing，CAD/CAM）切削这2种方式进行[57]。Stawarczyk等[57]对不同制作工艺（CAD/CAM切削、球形PEEK压铸、颗粒状PEEK压铸）的3单位PEEK复合材料固定桥的断裂强度进行了研究，结果显示：CAD/CAM切削方式制成的固定桥具有最高的抗折性，其断裂载荷为2 354 N；颗粒状压铸成型的修复体断裂载荷最低，为1 738 N；不同制作工艺的PEEK复合材料固定桥其断裂载荷均高于全瓷修复体（表3）。
表3 不同材料3单位固定修复体的断裂载荷 
类似地，另一研究对CAD/CAM切削的3单位PEEK固定桥底冠的断裂载荷进行了检测，每单位间的连接区域面积为7.36 mm2。实验测得固定桥底冠的断裂载荷为1 383 N，载荷约1 200 N时底冠发生变形[61]。2项研究结果[61-62]提示：连接区面积增加或可提高PEEK固定桥的抗折强度。
无论直接作为修复体还是底冠，PEEK及其复合物都面临着与基牙或表面材料之间的粘接问题。由于其表面能低、在几乎所有有机或无机化合物作用下均可保持稳定的特点[63]，未经表面处理的PEEK与树脂粘接剂间几乎无结合[64]。因此，许多学者或对PEEK进行表面处理，或应用不同粘接系统，从增加机械固位力与化学相互作用2个角度入手，以期改善其粘接性能。有研究[64-65]显示：用硫酸等对PEEK表面进行酸蚀可有效增加其与树脂粘接剂间的粘接强度（21.4 MPa）。有学者[66]在粘接前对PEEK表面进行预处理并同时应用预处理剂，结果显示：经喷砂（50 μm、0.2 MPa）处理后，Visio.link和Signum PEEK Bond Ⅰ+Ⅱ这2种预处理剂可显著增加树脂与PEEK之间的结合强度，分别可达40.0~69.0 MPa与41.3~57.5 MPa（表4）。类似的研究[67-68]发现：应用含有甲基丙烯酸甲酯（methyl methacrylate，MMA）单体的粘接系统（如Visio.link、Signum PEEK Bond等）更有利于获得高的粘接强度。
表4 不同材料表面喷砂后与树脂粘接剂间的拉伸粘接强度 
Uhrenbacher等[72]针对不同表面处理方式对PEEK单冠固位力的影响进行了研究，结果显示：未经任何处理的PEEK单冠[使用的粘接剂为自粘接树脂（RelyX Unicem，3M ESPE）]与天然基牙之间的固位强度为（0.43±0.24） MPa，喷砂并使用Signum PEEK Bond粘接系统后，固位强度增加至（2.97±0.92）MPa。这就提示：PEEK冠在粘接前进行喷砂或硫酸酸蚀等预处理，并配合特定粘接系统可增加其固位力。Rosentritt等[73]的研究也指出：PEEK粘接前的表面清洁与粗化处理十分必要，随后使用丙酮基或磷酸基的甲基丙烯酸处理剂有助于获得成功粘接。
目前，牙科常用的PEEK及其改性材料多为灰色或白色，无透光性，因此不适用于前牙区等美学要求较高部位的修复体。出于这一原因，往往需要在PEEK底冠上进行饰面。报道较多的PEEK饰面为复合树脂。有学者[74]对树脂饰面的3单位固定桥进行了断裂测试，结果显示：PEEK表面的粘接及预处理均会使饰面更易折裂，因此，该学者认为，传统的树脂饰面方法不适合用于PEEK固定修复体，适宜的树脂饰面方法仍有待继续研究。
除此之外，有报道[75]将改性的PEEK（Bio-HPP，Bredent公司）作为支架，在其上粘接树脂牙，再将其整体黏固于天然牙舌侧，用以修复个别前牙缺失（图4）。根据不同学者[76-77]报道：树脂粘接固定义齿（resin-bonded fixed dentalprosthesis，RBFDP）的临床失败率为10%~54%，这种PEEK作为支架材料的RBFDP相对于固定桥更有利于牙体组织的保存，戴牙1年后，义齿完好且固位良好，但仍需长期的追踪观察。
图4 PEEK树脂粘接固定义齿颊面观
5 总结
PEEK凭借其与口腔硬组织相近的理化特性，可作为传统牙科材料的替代材料应用于修复与种植等领域。然而，目前PEEK的应用多处于实验室研究阶段，且大量研究致力于改善其力学强度、生物相容性、粘接性能等，PEEK修复体广泛应用于临床还有待于更多的动物实验与临床试验研究的证据支持。
