8455新澳门路线网址聚醚醚酮复合材料的相容性_论文精选_好文学网

 常用的种植体基台材料可划分为5个类别:?钛(机械加工、抛光、激光蚀刻)、外科级不锈钢、铸造金合金、氧化锆、聚醚醚酮(PEEK),那么临床中如何合理选择基台材料呢?笔者主要从一下几个方面进行考量。

聚醚醚酮复合材料的相容性

8455新澳门路线网址 1

 

时间:2017-05-21 15:17点击: 次来源:好文学作者:佚名评论:- 小 + 大

原创:王鹏医生

1、材料性能

通过KMnO_4、_2HPO_4和浓HNO_3对PAN基碳纤维进行表面改性,以聚醚醚酮/聚醚醚酮复合材料。下面是小编搜集整理的相关内容的论文,欢迎大家阅读参考。

审核:广州中医药大学第一附属医院 王海彬教授

 

聚醚醚酮生物复合材料具有良好的机械性能和生物活性,其在骨缺损修复、创伤修复和口腔固定修复及种植等领域的应用得到研究者的广泛关注,越来越多的聚醚醚酮生物复合材料得以开发和研制。本文就目前常见的医用聚醚醚酮复合材料的生物相容性研究做一综述。

文章所属:王海彬教授团队,转发请标明出处。

1.1钛

聚醚醚酮;复合材料;种植体;生物活性

地点:医生办公室

8455新澳门路线网址, 

作为聚芳醚酮家族的一员,聚醚醚酮是一种特种热塑性聚合物,具有高强度、高刚度、耐腐蚀、抗水解等良好的机械性能及生物相容性[1],在航空航天、石油化工、汽车及机械制造等领域成功的应用[2]。与钛相比,聚醚醚酮的弹性模量更接近于人体皮质骨,具有良好的塑性能力和射线半透射性,在临床检查和诊断时不需要拆除。20世纪90年代,作为金属植入物的替代品,聚醚醚酮复合材料越来越多的应用于骨科和创伤等领域[3]。1992年,聚醚醚酮首次在牙科中应用,主要用于制造正畸用咬合棒及种植体的临时基台和愈合帽[4]。

一因”左侧股骨头性坏死IV期”将行”左侧全髋关节置换+滑膜切除+下肢关节松解术”的患者,在术前晚签署相关同意书时问道:医生啊,咱们这放进去的东西是啥材料的啊,铁的么?会不会生锈啊?现在是不是有那种陶瓷的啊,哪种用的时间更久啊,你们这咱也不懂啊,能不能给我说说?

钛是唯一一种能够将韧性、轻质、良好的生物相容性及耐用性和高强度完美结合的材料。钛比任何已知的元素都具有较高的耐腐蚀性和最高的强度重量比。钛基台是由工业纯钛或钛合金制作的。工业纯钛被广泛用于医学,是因为其耐腐蚀性、强度高、生物相容性的特点。

一、PEEK生物复合材料的种类

回:您这就问到点子上了,这个假体的材料对咱们这个关节置换手术不是重要,那是太重要了,等我给你好好讲讲,这样才能更好地做出选择,保证假体的最大使用寿命。。。

 

随着材料科学、现代生命科学和尺度化学等学科的交互渗透,纳米改性技术的飞跃进步,复合材料合成、制备以及生物改性等关键技术的不断突破,PEEK生物复合材料的研究得到了迅猛发展,各类新型的PEEK基生物复合材料相继出现,提高了PEEK的力学性能,改善了其生物活性。下面,就目前常见的医用PEEK复合材料进行阐述。

病人:哦哦,好的,那您给我讲讲!

少量添加氧和铁会影响工业纯钛的机械性能。通过严格控制这些成分的添加,可以生产出各种等级(1级-4级)的工业纯钛来满足不同的应用(图2)。氧、铁含量最低的工业纯钛最易加工成形,而逐步增加氧含量可以提高材料强度。

1.1纳米活性粒子充填PEEK复合材料

制作人工全髋关节的材料,首先应有很好的生物相容性。

 

不同种类的纳米无机活性粒子充填PEEK可明显改善PEEK的表面活性。目前,常用的PEEK无机填料主要包括羟基磷灰石、纳米TiO2等。

生物相容性好的材料必须满足两方面的条件,一方面是材料本身及其降解物所引起机体局部或全身的负面反应必须能为机体所接受,如高分子聚乙烯、骨水泥等;另一方面又可引起机体的正面反应,如机体骨长入假体表面,产生骨性结合等。

钛合金(Ti-6Al-4V、Ti6Al4V、或者Ti-6-4)。钛合金也称为五级钛。钛合金包含
6%
铝、4%钒、0.25%(最大值)铁、0.2%(最大值)氧气,其余成分均为钛。Ti-6Al-4V
合金强度显着强于工业纯钛,能提供更高的抗拉强度和抗断裂性能。

1.1.1纳米羟基磷灰石PEEK复合材料人体骨组织主要是由纳米级的羟基磷灰石晶体和胶原构成。将HA与PEEK共混制备HA/PEEK复合材料,能显着提高PEEK的生物活性。Yu等[5]将HA/PEEK复合材料浸泡在模拟体液中4周。研究发现,各组复合材料表面均出现一层类骨磷灰石膜,成骨效能良好,生物活性随着HA体积分数的增加而增加。Gabriel等[6]对制备的体积分数为0~50%HA晶须增强HA/PEEK复合材料进行纹理分析和拉伸测试后得出,HA晶须和PEEK基体间有较强的界面连接,10%和20%的HA晶须增强PEEK复合材料分别具有90MPa和75MPa的抗拉强度,与人皮质骨的纵向拉伸强度相近,是具有优良的力学性能和生物活性的骨科植入材料。

常用的全髋关节置换术植入材料有:1.金属合金;2.高分子材料;3.陶瓷材料。

 

1.1.2纳米氟磷灰石PEEK复合材料氟离子具有抑菌作用,能够减少细菌对复合材料的黏附,较少炎症的发生。纳米氟磷灰石中的氟离子基团较HA中的羟基小,取代羟基后其晶体结构比HA更紧密,提高了材料的稳定性。因此,将纳米级的氟磷灰石晶体与PEEK进行共混改性也是制备新型医用PEEK复合材料的一个不错选择。周聪颖等[7]将柱状纳米FA/PEEK和PEEK种植体各10颗分别植入6只犬的下颌前磨牙区,术后第8周和12周各随机处死3只实验犬。测试结果显示:与PEEK相比,纳米FA/PEEK种植体8周末和12周末的MAR和BIC值较高,周围新生骨的形成和成熟较快。研究表明,纳米FA/PEEK与骨床结合较佳,成骨效能较好,有利于新骨生长。Li等[8]通过将喷砂和未喷砂纳米FA/PEEK种植体植入Beagle犬的前磨牙区的实验表明,喷砂组的纳米FA/PEEK种植体周围骨体积和骨小梁数量明显高于未喷砂组,生物相容性和成骨性能更优良。可能是由于纳米晶体尺寸减小,增加了材料表面的粗糙度,从而使成骨细胞的成骨功能和代谢活动增强。

1、 常用植入金属材料

由于独特的物理特性,后牙种植修复首选钛基台(图3)。这些基台可以是预成的成品基台或
CAD/CAM 研磨的个性化基台。

1.1.3纳米二氧化钛PEEK复合材料二氧化钛具有良好的生物相容性、生物活性和亲水性,将纳米TiO2和PEEK共混制备纳米TiO2/PEEK复合材料能显着提高PEEK的生物活性。Tsou等[9]进行了纳米TiO2/PEEK和PEEK的细胞实验,结果表明,纳米TiO2/PEEK比纯PEEK具有更好的成骨细胞相容性。Wu等[10]通过将合成的纳米TiO2/PEEK复合材料进行体内外研究发现:纳米TiO2能促进细胞附着和新骨的再生,改善了PEEK的生物学性能;纳米TiO2/PEEK植入物的周围新生骨体积大约是PEEK的两倍。可见,纳米TiO2提高了植入物周围的骨再生能力,显着地提高了PEEK的生物活性。

作为全髋关节置换的金属可分为钛基、钴基和铁基3类。

 

1.2纤维增强PEEK复合材料

不锈钢 为铁-碳基合金。主要成为为Cr,Ni,Mo,Mn,C。

1.2 外科不锈钢

纤维是指一些直径仅为几微米至几十微米的具有特殊尺寸效应的线性材料。很多纤维均与PEEK有较好的亲和性,将其与PEEK制备成高性能复合材料,可以提高PEEK的弹性模量、机械强度和尺寸稳定性等。目前常用碳纤维与PEEK制备复合材料。

目前常用的316不锈钢耐腐性较差,多用于骨折内固定器材。

 

1.2.1碳纤维增强PEEK复合材料30%碳纤维增强聚醚醚酮复合材料,其弹性模量与骨组织相似,在骨科领域得到了广泛的临床应用。适量CF的加入可以降低材料的摩擦系数和磨损量。刘瑞[11]将CFR-PEEK植入物植入大耳白兔的下颌骨缺损处,于术后8周、12周和16周处死,获取骨组织标本。CFR-PEEK植入物与宿主骨组织交界处骨痂形成量均明显多于对照组,且CFR-PEEK与骨组织结合牢固,具有良好的成骨效能和生物相容性。石志才等[12]将CFR-PEEK植入物植入犬的L6~7椎间,研究发现,复合材料的小孔内有新的骨组织长入,具有良好的成骨效能。此外,有学者在此基础上对CFR-PEEK进行了表面改性,制备出钛/羟基磷灰石双涂层CFR-PEEK复合材料和铜镍镀层碳纤维增强聚醚醚酮复合材料,并对其性能进行了研究分析。Stübinger等[13]通过将制备的CFR-PEEK、Ti/CFR-PEEK和Ti/HA/CFR-PEEK种植体植入羊骨盆的研究发现,与未涂层CFR-PEEK相比,Ti/CFR-PEEK或Ti/HA/CFR-PEEK具有较好的生物力学性能和更高的种植体-骨结合率,成骨效能较好。Di等[14]用Cr2O3/H2SO4溶液化学蚀刻CFR-PEEK,然后化学镀铜电镀镍在其表面制备CU/Ni镀层CFR-PEEK复合材料。研究发现,化学蚀刻后CFR-PEEK复合材料的C=O键增多,表面的亲水性能增加,在CFR-PEEK复合材料的表面出现裂隙和部分碳纤维,黏结强度增加。当Cu作为填料时,材料的表面形成薄的、均匀的转移膜,能大大降低材料的磨损率,提高其耐磨性[15]。

钴基合金常用的钴基合金有钴铬钼及钴镍格钼等。

外科不锈钢是一种用于医学领域的特殊类型不锈钢,含有铬、镍、钼等合金元素。不锈钢易清洁和消毒,强度高,耐腐蚀。镍
-铬 –
钼合金有时用于种植体基台,但免疫系统对镍有潜在的过敏反应。外科级不锈钢可作为临时基台使用,但不是修复基台的理想材料。

1.2.2玻璃纤维增强聚醚醚酮复合材料玻璃纤维具有弹性模量高、强度高、热稳定性好及膨胀系数稳定等特点。顾有伟等[16]将玻璃纤维经上胶剂处理后与PEEK复合制备成GFR-PEEK复合材料,并对其力学性能进行测试。结果显示复合材料的力学性能和抗冲击韧性得到提高。经上胶剂处理后,玻璃纤维表面与PEEK的黏结强度提高,而且对材料因外力而产生的裂纹有阻止作用。

钴基合金的特点书高强度、高硬度、并有很强的耐磨特性,特别适合做关节交界面材料。

 

1.3多元共混PEEK复合材料

因此,钴基合金是人工关节中唯一可用作金属之间滑动连接的材料。

1.3 铸造金合金

虽然PEEK与纳米HA或FA共混制备的复合材料均能使其成骨活性明显提高,但其脆性较大,力学性能降低。采用多元共混的方法在HA/PEEK复合材料中添加氟离子、碳纤维或微量元素锶,不仅能弥补上述缺点,同时也改善了PEEK的生物活性。

而钴镍格钼组合有很优良的机械性能,有较高屈服强度及疲劳强度,但其耐腐蚀性较差,只适合做人工关节柄部。

 

1.3.1纳米氟化羟基磷灰石PEEK复合材料由于表面粗糙的结构和纳米FHA晶体的协同效应,粗糙表面的纳米FHA/PEEK种植体的生物活性得到提高。Wang等[17]将通过多元共混制备的纳米FHA/PEEK复合材料进行体内外实验。体外实验结果显示,纳米FHA/PEEK复合材料的初始细胞黏附和增殖能力均得到提高且抗菌性能较佳。与光滑组相比,粗糙组的碱性磷酸酶活性和细胞矿化较高,成骨效能较好。体内试验发现,纳米FHA/PEEK组的新生骨体积显着高于纯PEEK组。研究表明,纳米FHA/PEEK复合材料的体外生物相容性和抗菌活性均得到提高,并促进其在体内的骨整合,具有应用于牙组织工程的潜力。

钛和钛合金钛是指纯钛。特点是抗拉强度、疲劳强度及耐腐蚀性好,密度低,弹性模量为钴基合金的一半。

用于种植体的基台的铸造金合金成分为:60%~65% 的金,20%~25%
的钯,19%铂和 1%
铱。种植体制造商认识到早期的“成品基台”具有局限性,开发了一种可铸造基台,称为
UCLA 基台。

1.3.2碳纤维增强聚醚醚酮纳米羟基磷灰石生物复合材料刘学勇等[18]制备了不同HA体积分数的PEEK/n-HA/CF复合材料,并将其浸提液与大鼠成骨细胞进行体外培养。研究表明,各组复合材料均无细胞毒性作用,具有良好的细胞相容性和成骨效能,当HA质量分数为20%时,生物活性强,有望成为一种新型的骨科植入物。Xu等[15]将未处理、喷砂、等离子体处理的PEEK/n-HA/CF种植体分别植入6只比格犬的下颌双侧第三、第四前磨牙牙槽窝内。研究显示,喷砂和等离子体处理的PEEK/n-HA/CF三元复合材料具有促进MG-63细胞增殖分化以及骨整合作用,新生骨体积显着高于PEEK/n-HA/CF组。有学者指出,适度的表面粗糙度能显着增加细胞附着和增殖,促进碱性磷酸酶的生产活性和钙结节的形成,增强PEEK/n-HA/CF种植体的生物活性[19]。

低弹性模量的钛合金对应力传递至骨和减少应力集中、减少骨吸收具有好处。

 

1.3.3含锶羟基磷灰石增强聚醚醚酮复合材料锶是一种生物活性元素,能促进成骨细胞的附着和矿化,诱导骨生成,降低骨折风险。Wong等[20]首先制备了含锶羟基磷灰石,然后将其与PEEK进行共混,制备Sr/HA/PEEK复合材料。力学性能测试显示Sr/HA体积分数为25%和30%的复合材料的弯曲模量分别为9.6GPa和10.6GPa,弯曲强度分别为93.8MPa和89.1MPa,显着高于PEEK,力学性能优异。模拟体液中进行的MG-63细胞实验显示,Sr/HA/PEEK复合材料表面磷灰石的形成和细胞矿化均较HA/PEEK和PEEK高。可见,Sr/HA/PEEK复合材料具有良好的力学性能和成骨效能。

其重要缺点为钛合金耐磨性差,故只宜做人工关节柄部。

这种基台由机械加工的金合金基底和与之相连的塑料套管组成;金合金基底与种植体相匹配;塑料套管可以切割和修改,制作蜡型用于金合金铸造(图4)。自
20 世 纪 90 年 代 末 以 来, 有 一 个 共 识
认为:与氧化铝(过时的全瓷材料)和钛相比,金和 烤 瓷 的 软 组 织 反 应
较 差。这 些 观 点 来 自 于Abrahamsson 等 1998
年的动物学研究。由于该研究的结果,许多临床医生完全拒绝使用金合金铸造基台。Abrahamson与
Welander 在后期的研究(Welander 等,2008
年)中再次强调,与金相比,钛和氧化锆有更优越的软组织反应。

二、展望

2、 高分子材料

 

超高分子聚乙烯称为高密度聚乙烯是不正确的,因为超高分子聚乙烯的分子质量、抗压性能耐能都比高密度聚乙烯高得多。

对于不同基台材料,我们会关注它们形成和维持“种植体封闭”的能力;从这一点而言,金合金与钛、氧化锆相比存在劣势,临床尽量不要选用。

其具有坚韧、化学惰性、生物相容性好,在体内耐降解性好。

 

但以超高分子聚乙烯做的髋臼假体,每年可产生100万个微米和微米以下大小的超高分子聚乙烯颗粒,这些颗粒不能降解,将长期处于体内。

1.4 氧化锆

故其碎屑所引起的骨溶解是人工关节晚期无菌性松动的主要原因。

 

甲基丙烯酸甲酯 俗称骨水泥或骨粘固剂。

氧化锆是一种白色晶体氧化锆。自然界存在的主要形式是单斜晶体结构的矿物斜锆石。生
物 材 料 学 和 陶 瓷 制 造 技 术 的 进 步 使 强
度高、生物相容性好的氧化锆用于生物医学设备和种植体基台。氧化钇部分稳定四方相多晶氧化锆(Y-TZP)、粉末喷射成型(PIM)、热等静压技术(HIP)的应用是氧化锆发展的标志。其他的发展如氧化铝增韧氧化锆和铈掺杂氧化锆的应用,可阻止氧化锆老化的进展,并将其影响范围控制到最小。

甲基丙烯酸甲酯自1958年起以自固化的形式应用于人工髋关节柄部,40年来骨水泥仍然是常用的人工关节内固定材料。

 

在临床应用骨水泥的早期,人们担心骨水泥中残留的单体在体内释放而产生对人体的损坏。

由于其优越的材料性能和强度,不论是美学的考虑,还是高负荷的要求,均可使用氧化锆材料(例如美学区病例,后牙固定修复桥、种植体基台、多单位种植修复)。氧化锆有很高的抗弯强度和断裂韧度、杨氏模量,与钢类似。除了强度之外,氧化锆最大的优势是卓越的组织整合能力。各种研究已证实氧化锆基台在保持软组织和边缘骨的稳定性方面的成功。结果表明,基台材料类型影响着周围组织的量和质地(氧化锆和铸造金合金对比)。此外,氧化锆基台能大大降低细菌和菌斑的附着,防止软组织炎症。

但经过百万病例实践后并未见明显单体的毒性反应。

 

3、 陶瓷材料

需要特别注意的是调改和打磨氧化锆给牙医和技师带来了挑战。调改烧结后的氧化锆部件会显着增加产生微裂纹的风险,这可能导致后面行使咀嚼功能时出现破裂;之前曾用于临床的基台-种植体连接部为氧化锆的基台已基本被淘汰,目前,常推荐氧化锆基台与Ti-base结合使用,常规用于美学区种植修复。

假体表面涂层增强改善假体-骨交界面条件,达到骨性附着及一体化。

 

陶瓷材料涂布于金属假体表面与骨质接触,惰性生物陶瓷如Al2O3与骨的连接主要靠假体的粗糙面。

1.5  聚醚醚酮(PEEK)

陶瓷在假体表面的涂层可以增强假体与骨之间骨性结合达到一体化。

 

其工作基础是由于其生物活性可允许骨长入,通过溶解-沉积相互作用造成骨之间的微小的交锁连结,同时发生化学或生物学基础的骨性结合。

PEEK
已成为最流行的临时基台材料。它是一种米黄色或白色的有机聚合物和结晶热塑性塑料,具有优良的机械性能和耐腐蚀性能。杨氏模量是3.6?GPa,抗张强度
90~100?MPa。它具有很高的耐热降解性,以及抵抗有机物和潮湿环境侵蚀的能力。

陶瓷关节面在体内及体外的实验中,氧化铝及氧化锆的人工关节面的磨损率均明显减低,陶瓷-陶瓷关节面磨损的降低与关节面光滑度、压痕硬度和划痕硬度的增加及关节液降低摩擦系数有关。

 

Al2O3有优良的耐磨性,制成股骨头后无论与超高分子聚乙烯或陶瓷对磨,其摩擦系数均很低。

这些强有力的特性使 PEEK 成为临时基台的完美材料。早在 1987 年,Williams
等进行的动物研究证明 PEEK 材料具有生物相容性。1995 年,Hunter 等将
PEEK、钛、铬钴(CoCr)用于整形手术,并进行比较;发现三者在成纤维细胞或成骨细胞的附着方面没有差异。

由于氧化铝表面的可湿润性优良,所以有关节液存在时,其润滑作用明显。

 

但氧化铝存在脆性高的缺点,故不适合制作股骨柄,只能用作制造股骨头球。

在口腔领域中,PEEK 聚合物被用于修复基台和愈合基台;PEEK
基台是临时修复基台或愈合基台的首选。尽管目前,PEEK
聚合物的研究有限,但它的应用是有前途的。

氧化锆股骨头与超高分子聚乙烯配伍其耐磨性很好,但氧化锆-氧化锆或其他陶瓷对磨则不佳。

 

2、基台位置

 

钛基台表面可以处理为金色涂层。在基台表面的金色涂层称为氮化钛。氮化钛涂层是由钛和氮以等离子体形式形成,然后以分子形式结合在基台钛表面。

 

20 世纪 80
年代,氮化钛首次使用在医疗器械行业。氮化钛的生物相容性检测已经进行了多年,这些检测以及随后的临床应用,证明氮化钛具有生物相容性,可以应用于与骨、皮肤、组织或血液相接触的植入式医疗器械中。

 

3、基台形成软组织封闭的能力

 

选择种植体基台的关键因素之一是它的清洁性能,菌斑的形成开始于糖蛋白附着在釉质和种植体表面,形成很薄的一层称之为薄膜。虽然薄膜本身是无害的,但是它提供了一个细菌附着的环境。生物膜是一种多种有机成分聚集形成的集合体。最初,革兰阳性需氧球菌吸附在这个薄糖蛋白层或薄膜上。随着这些细菌菌落的繁殖,创造了一个厌氧环境。该环境为更具危害的革兰阴性杆菌的侵入聚集提供有利条件。生物膜形成了一个导致牙齿龋坏的酸性环境,同时也会导致牙周疾病。

 

种植体周围黏膜封闭的破坏是由薄膜和生物膜的产生发展及随后炎症导致的骨吸收造成的。因此,基台材料与软组织形成并维持组织封闭的能力是我们关注的要点。

 

各种不同基台材料形成并维持软组织封闭的能力见表1,优先推荐钛与氧化锆基台。

 

小结

 

综上所述,选择种植体基台的临床建议是:后牙区种植修复首选钛基台,美学区薄龈生物型或穿龈部位软组织厚度不足(小于3mm)时,首选氧化锆基台或者氮化钛涂层的钛基台,临时修复基台或愈合基台首选PEEK
基台;慎重选择铸造金合金制作修复基台,不使用不锈钢材料制作修复基台。

标签:

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注