PEEK材料在口腔種植與修復領域的研究進展
魔猴君 知識堂 533天前
聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK）為線性芳香族高分子化合物，構成單位為氧-對亞苯基-羰-對亞苯基，是半結晶性、熱塑性塑料。自1978年面世后，PEEK憑借其卓越的力學性能和化學穩(wěn)定性（如耐高溫、化學腐蝕、輻射等優(yōu)異性能），被廣泛應用于航空航天、汽車和精密儀器制造等高科技領域。
此外，PEEK材料表面細菌定植量低于純鈦，具有可靠的生物安全性。其復合材料與人類骨組織彈性模量相近，這使得其在醫(yī)學領域得到廣泛應用。PEEK作為種植體、臨時基臺、固定義齒、活動義齒支架等研究逐漸增多，其在口腔醫(yī)學領域的應用引起了國內外學者密切關注。
PEEK的概述
未經改性的PEEK彈性模量為3~4GPa，經過改性后的PEEK彈性模量可達18~150GPa，與人類骨組織彈性模量十分接近。有學者認為：采用與骨組織彈性模量相近的種植體有利于減少應力遮擋（stress shielding）效應。
PEEK表面能較低，不利于細胞黏附，成骨效果欠佳，且用常規(guī)處理方法進行粘接時難以獲得理想效果。同時，PEEK顏色灰暗，直接用作口內修復體在一定程度上影響美觀，故需對其顏色進行調整。
為了克服上述缺點提高PEEK性能，不少學者通過基團引入、粒子填充、纖維增強、等離子噴涂、、旋涂等方式進行表面改性，以期獲得更好的臨床應用效果。
PEEK在口腔種植領域中的應用
20世紀60年代，骨內牙種植體多以金屬純鈦及鈦合金（如Ti-6Al-7Nb、Ti-6Al-4V等）為主。盡管鈦種植體受到大量實驗與臨床研究證據(jù)的支持，但其在臨床使用中仍存在一些問題。其一是鈦潛在的致敏性；其二，與人類骨組織相比，鈦彈性模量過高，易發(fā)生骨組織改建或喪失；其三，金屬種植體缺乏透光性，影響美觀。
1998年，英國Invibio公司推出了PEEK種植體。隨著商業(yè)化PEEK種植體問世，相關研究逐漸增多。PEEK及其改性材料具有良好的性能，有學者認為PEEK種植體或可避免應力遮擋效應發(fā)生，甚至可替代金屬種植體應用于整形外科、創(chuàng)傷外科等領域。
力學強度
PEEK種植體在應用時面臨的主要問題之一是其較差的抵抗應力能力，即力學強度不夠。玻璃纖維加強PEEK（GFR-PEEK）、碳纖維加強PEEK（CFR-PEEK）等加強材料的出現(xiàn)在一定程度上提高了PEEK力學強度。
Lee等對PEEK種植體的應力遮擋及疲勞極限進行了研究，結果顯示：4mm直徑的GFR-PEEK種植體的疲勞極限為310N，其靜態(tài)抗壓強度為256N；提示GFR-PEEK種植體足以承受前牙的循環(huán)咬合力（140-170N）。
骨整合
PEEK作為一種惰性材料，與周圍組織間相互作用較弱。一些學者對PEEK進行了一系列細胞實驗，結果顯示：在促進細胞增殖方面，與鈦相比，PEEK表面增殖細胞顯示出更強的炎性增生，其與骨組織之間纖維性相互作用更明顯。
Cook等對PEEK種植體與單層骨密質（unicorticalbone）間的結合力進行了研究，結果顯示：種植體植入4周與8周時，有鈦涂層的種植體均出現(xiàn)顯著增高的骨-種植體接觸率。
為提高PEEK種植體與周圍組織的相互作用，對PEEK進行表面處理是有效方法之一。增加表面粗糙度可促進細胞黏附；除鈦涂層外，PEEK表面涂布羥磷灰石或磷酸鈣等材料可促進成骨細胞增殖。
PEEK基臺
有學者對PEEK與鈦臨時基臺的力學性能進行了比較，結果顯示：PEEK臨時基臺折斷時的力為（329.4±103.6）N，雖遠低于鈦臨時基臺，但可以承擔前牙區(qū)的咬合力。鑒于PEEK良好的生物相容性，可作為愈合基臺使用。
Hahnel等對鈦、氧化鋯、PEEK與聚甲基丙烯酸甲酯（poly-methylmethacrylate，PMMA）等常用基臺材料的細菌黏附率進行了研究，結果顯示：PEEK表面的菌斑黏附率與鈦、二氧化鋯或PMMA基臺相近，甚至更低。
相對于鈦或氧化鋯基臺，PEEK基臺的修整更簡便。此外，PEEK還可用作種植修復上部支架材料，與齦色材料共同使用，可在減輕修復體重量的同時保證紅色美學效果。因此，對于種植體基臺來說，PEEK可作為金屬或瓷的替代材料。
PEEK在活動義齒修復中的應用
卡環(huán)是活動義齒不可或缺的組成部分，活動義齒的固位主要依靠卡環(huán)對基牙的彈性卡抱力。傳統(tǒng)卡環(huán)由合金制成，具有彈性好、固位力佳、可彎制等優(yōu)點。牙色卡環(huán)相較于金屬卡環(huán)，前者在一定程度上減小了卡環(huán)對美觀的影響，其通常由熱塑性樹脂制作而成，PEEK也是其中之一。
有學者對不同樹脂材料卡環(huán)的固位力進行了研究。分別使用PEEK、聚醚酮酮[poly(ether-ketone-ketone)，PEKK]和聚甲醛（polyformaldehyde，POM）制成三臂卡環(huán)，咀嚼模擬機在液態(tài)環(huán)境下對每個卡環(huán)進行1.5萬次就位-脫位循環(huán)。
研究結果顯示：PEEK卡環(huán)的固位力高于另外2種材料，且隨著摘戴并無明顯降低，但其固位力遠低于鈷鉻合金卡環(huán)；另外，掃描電子顯微鏡下可見鈷鉻合金卡環(huán)對基牙模型表面的磨損，而樹脂卡環(huán)則未見磨損基牙。
Zoidis等報道了1例由于患者對金屬的味道、重量及金屬卡環(huán)顏色不滿從而使用PEEK作為支架材料制作而成的下頜局部可摘義齒。他們將熔融的PEEK材料通過真空壓鑄方式制成支架，在此基礎上進一步排牙、制作樹脂基托。
與傳統(tǒng)鈷鉻合金支架的活動義齒相比，PEEK支架活動義齒的重量減少了27.5%。由于PEEK具有較好的彈性，卡環(huán)配合近中支托的設計方式有利于減輕肯氏Ⅰ類基牙所受的遠中應力。因此，對于金屬敏感、不能夠接受口內有金屬的患者而言，PEEK可作為金屬支架的替代材料。
PEEK在固定義齒修復中的應用
Stawarczyk等對不同制作工藝（CAD/CAM切削、球形PEEK壓鑄、顆粒狀PEEK壓鑄）的3單位PEEK復合材料固定橋的斷裂強度進行了研究。結果顯示：CAD/CAM切削方式制成的固定橋具有最高的抗折性，斷裂載荷為2354N；顆粒狀壓鑄成型的修復體斷裂載荷最低，為1738N。
無論直接作為修復體還是底冠，PEEK及其復合物都面臨著與基牙或表面材料之間的粘接問題。因此，許多學者或對PEEK進行表面處理，或應用不同粘接系統(tǒng)，從增加機械固位力與化學相互作用兩個角度入手，以期改善其粘接性能。
有學者在粘接前對PEEK表面進行預處理并同時應用預處理劑，結果顯示：經噴砂（50μm、0.2MPa）處理后，Visio.link和Signum PEEK BondⅠ+Ⅱ這兩種預處理劑可顯著增加樹脂與PEEK之間的結合強度，分別可達40.0~69.0 MPa與41.3~57.5 MPa。
Uhrenbacher等針對不同表面處理方式對PEEK單冠固位力的影響進行了研究。結果顯示：未經任何處理的PEEK單冠[使用的粘接劑為自粘接樹脂（RelyX Unicem，3M ESPE）]與天然基牙之間的固位強度為（0.43±0.24）MPa，噴砂并使用Signum PEEK Bond粘接系統(tǒng)后，固位強度增加至（2.97±0.92）MPa。
目前，牙科常用的PEEK及其改性材料多為灰色或白色，無透光性，因此不適用于前牙區(qū)等美學要求較高部位的修復體。出于這一原因，往往需要在PEEK底冠上進行飾面。報道較多的PEEK飾面為復合樹脂。
結語
PEEK憑借其與口腔硬組織相近的理化特性，可作為傳統(tǒng)牙科材料的替代材料應用于修復與種植等領域。目前PEEK的應用多處于實驗室研究階段，且大量研究致力于改善其力學強度、生物相容性、粘接性能等，PEEK修復體廣泛應用于臨床還需要更多動物實驗與臨床試驗的研究數(shù)據(jù)支持。
部分參考文獻：
[1] Korabi R , Shemtov-Yona K , Rittel D . On stress/strain shielding and the material stiffness paradigm for dental implants[J]. Clinical Implant Dentistry & Related Research, 2017.
[2] Al-Rabab'Ah M , Hamadneh W , Alsalem I , et al. Use of High Performance Polymers as Dental Implant Abutments and Frameworks: A Case Series Report[J]. Journal of Prosthodontics, 2017, 28(Suppl 11).
[3] Wen H , Xing L , Wei C . Review on Modification Research and Application of PEEK Composites[J]. Engineering Plastics Application, 2017.
[4] Al-Rabab'Ah M , Hamadneh W , Alsalem I , et al. Use of High Performance Polymers as Dental Implant Abutments and Frameworks: A Case Series Report[J]. Journal of Prosthodontics, 2017, 28(Suppl 11).
PEEK單體單元的化學結構
此外，PEEK材料表面細菌定植量低于純鈦，具有可靠的生物安全性。其復合材料與人類骨組織彈性模量相近，這使得其在醫(yī)學領域得到廣泛應用。PEEK作為種植體、臨時基臺、固定義齒、活動義齒支架等研究逐漸增多，其在口腔醫(yī)學領域的應用引起了國內外學者密切關注。
PEEK的概述
未經改性的PEEK彈性模量為3~4GPa，經過改性后的PEEK彈性模量可達18~150GPa，與人類骨組織彈性模量十分接近。有學者認為：采用與骨組織彈性模量相近的種植體有利于減少應力遮擋（stress shielding）效應。
不同材料的彈性模量和拉伸強度
PEEK表面能較低，不利于細胞黏附，成骨效果欠佳，且用常規(guī)處理方法進行粘接時難以獲得理想效果。同時，PEEK顏色灰暗，直接用作口內修復體在一定程度上影響美觀，故需對其顏色進行調整。
為了克服上述缺點提高PEEK性能，不少學者通過基團引入、粒子填充、纖維增強、等離子噴涂、、旋涂等方式進行表面改性，以期獲得更好的臨床應用效果。
等離子噴涂概述圖
PEEK在口腔種植領域中的應用
20世紀60年代，骨內牙種植體多以金屬純鈦及鈦合金（如Ti-6Al-7Nb、Ti-6Al-4V等）為主。盡管鈦種植體受到大量實驗與臨床研究證據(jù)的支持，但其在臨床使用中仍存在一些問題。其一是鈦潛在的致敏性；其二，與人類骨組織相比，鈦彈性模量過高，易發(fā)生骨組織改建或喪失；其三，金屬種植體缺乏透光性，影響美觀。
1998年，英國Invibio公司推出了PEEK種植體。隨著商業(yè)化PEEK種植體問世，相關研究逐漸增多。PEEK及其改性材料具有良好的性能，有學者認為PEEK種植體或可避免應力遮擋效應發(fā)生，甚至可替代金屬種植體應用于整形外科、創(chuàng)傷外科等領域。
力學強度
PEEK種植體在應用時面臨的主要問題之一是其較差的抵抗應力能力，即力學強度不夠。玻璃纖維加強PEEK（GFR-PEEK）、碳纖維加強PEEK（CFR-PEEK）等加強材料的出現(xiàn)在一定程度上提高了PEEK力學強度。
未填充，碳纖維填充，玻璃纖維填充PEEK屬性表
Lee等對PEEK種植體的應力遮擋及疲勞極限進行了研究，結果顯示：4mm直徑的GFR-PEEK種植體的疲勞極限為310N，其靜態(tài)抗壓強度為256N；提示GFR-PEEK種植體足以承受前牙的循環(huán)咬合力（140-170N）。
骨整合
PEEK作為一種惰性材料，與周圍組織間相互作用較弱。一些學者對PEEK進行了一系列細胞實驗，結果顯示：在促進細胞增殖方面，與鈦相比，PEEK表面增殖細胞顯示出更強的炎性增生，其與骨組織之間纖維性相互作用更明顯。
SEM觀察PEEK-HA-CF復合材料表面細胞成骨情況
（A：24h 75PEEK/20HA/5CF，B：24h 75PEEK/05HA/20CF）
Cook等對PEEK種植體與單層骨密質（unicorticalbone）間的結合力進行了研究，結果顯示：種植體植入4周與8周時，有鈦涂層的種植體均出現(xiàn)顯著增高的骨-種植體接觸率。
為提高PEEK種植體與周圍組織的相互作用，對PEEK進行表面處理是有效方法之一。增加表面粗糙度可促進細胞黏附；除鈦涂層外，PEEK表面涂布羥磷灰石或磷酸鈣等材料可促進成骨細胞增殖。
羥基磷灰石的晶體結構及（0001）面的投影
PEEK基臺
有學者對PEEK與鈦臨時基臺的力學性能進行了比較，結果顯示：PEEK臨時基臺折斷時的力為（329.4±103.6）N，雖遠低于鈦臨時基臺，但可以承擔前牙區(qū)的咬合力。鑒于PEEK良好的生物相容性，可作為愈合基臺使用。
Hahnel等對鈦、氧化鋯、PEEK與聚甲基丙烯酸甲酯（poly-methylmethacrylate，PMMA）等常用基臺材料的細菌黏附率進行了研究，結果顯示：PEEK表面的菌斑黏附率與鈦、二氧化鋯或PMMA基臺相近，甚至更低。
種植基臺可由鈦、金、氧化鋁、氧化鋯等材料制成
相對于鈦或氧化鋯基臺，PEEK基臺的修整更簡便。此外，PEEK還可用作種植修復上部支架材料，與齦色材料共同使用，可在減輕修復體重量的同時保證紅色美學效果。因此，對于種植體基臺來說，PEEK可作為金屬或瓷的替代材料。
PEEK在活動義齒修復中的應用
卡環(huán)是活動義齒不可或缺的組成部分，活動義齒的固位主要依靠卡環(huán)對基牙的彈性卡抱力。傳統(tǒng)卡環(huán)由合金制成，具有彈性好、固位力佳、可彎制等優(yōu)點。牙色卡環(huán)相較于金屬卡環(huán)，前者在一定程度上減小了卡環(huán)對美觀的影響，其通常由熱塑性樹脂制作而成，PEEK也是其中之一。
有學者對不同樹脂材料卡環(huán)的固位力進行了研究。分別使用PEEK、聚醚酮酮[poly(ether-ketone-ketone)，PEKK]和聚甲醛（polyformaldehyde，POM）制成三臂卡環(huán)，咀嚼模擬機在液態(tài)環(huán)境下對每個卡環(huán)進行1.5萬次就位-脫位循環(huán)。
PEEK卡環(huán)
研究結果顯示：PEEK卡環(huán)的固位力高于另外2種材料，且隨著摘戴并無明顯降低，但其固位力遠低于鈷鉻合金卡環(huán)；另外，掃描電子顯微鏡下可見鈷鉻合金卡環(huán)對基牙模型表面的磨損，而樹脂卡環(huán)則未見磨損基牙。
Zoidis等報道了1例由于患者對金屬的味道、重量及金屬卡環(huán)顏色不滿從而使用PEEK作為支架材料制作而成的下頜局部可摘義齒。他們將熔融的PEEK材料通過真空壓鑄方式制成支架，在此基礎上進一步排牙、制作樹脂基托。
下頜PEEK支架可摘局部義齒
與傳統(tǒng)鈷鉻合金支架的活動義齒相比，PEEK支架活動義齒的重量減少了27.5%。由于PEEK具有較好的彈性，卡環(huán)配合近中支托的設計方式有利于減輕肯氏Ⅰ類基牙所受的遠中應力。因此，對于金屬敏感、不能夠接受口內有金屬的患者而言，PEEK可作為金屬支架的替代材料。
PEEK在固定義齒修復中的應用
Stawarczyk等對不同制作工藝（CAD/CAM切削、球形PEEK壓鑄、顆粒狀PEEK壓鑄）的3單位PEEK復合材料固定橋的斷裂強度進行了研究。結果顯示：CAD/CAM切削方式制成的固定橋具有最高的抗折性，斷裂載荷為2354N；顆粒狀壓鑄成型的修復體斷裂載荷最低，為1738N。
不同材料單位固定修復體的斷裂載荷
無論直接作為修復體還是底冠，PEEK及其復合物都面臨著與基牙或表面材料之間的粘接問題。因此，許多學者或對PEEK進行表面處理，或應用不同粘接系統(tǒng)，從增加機械固位力與化學相互作用兩個角度入手，以期改善其粘接性能。
有學者在粘接前對PEEK表面進行預處理并同時應用預處理劑，結果顯示：經噴砂（50μm、0.2MPa）處理后，Visio.link和Signum PEEK BondⅠ+Ⅱ這兩種預處理劑可顯著增加樹脂與PEEK之間的結合強度，分別可達40.0~69.0 MPa與41.3~57.5 MPa。
不同材料表面噴砂后與樹脂粘接劑間的拉伸粘接強度
Uhrenbacher等針對不同表面處理方式對PEEK單冠固位力的影響進行了研究。結果顯示：未經任何處理的PEEK單冠[使用的粘接劑為自粘接樹脂（RelyX Unicem，3M ESPE）]與天然基牙之間的固位強度為（0.43±0.24）MPa，噴砂并使用Signum PEEK Bond粘接系統(tǒng)后，固位強度增加至（2.97±0.92）MPa。
目前，牙科常用的PEEK及其改性材料多為灰色或白色，無透光性，因此不適用于前牙區(qū)等美學要求較高部位的修復體。出于這一原因，往往需要在PEEK底冠上進行飾面。報道較多的PEEK飾面為復合樹脂。
PEEK樹脂粘接固定義齒頰面觀
結語
PEEK憑借其與口腔硬組織相近的理化特性，可作為傳統(tǒng)牙科材料的替代材料應用于修復與種植等領域。目前PEEK的應用多處于實驗室研究階段，且大量研究致力于改善其力學強度、生物相容性、粘接性能等，PEEK修復體廣泛應用于臨床還需要更多動物實驗與臨床試驗的研究數(shù)據(jù)支持。
部分參考文獻：
[1] Korabi R , Shemtov-Yona K , Rittel D . On stress/strain shielding and the material stiffness paradigm for dental implants[J]. Clinical Implant Dentistry & Related Research, 2017.
[2] Al-Rabab'Ah M , Hamadneh W , Alsalem I , et al. Use of High Performance Polymers as Dental Implant Abutments and Frameworks: A Case Series Report[J]. Journal of Prosthodontics, 2017, 28(Suppl 11).
[3] Wen H , Xing L , Wei C . Review on Modification Research and Application of PEEK Composites[J]. Engineering Plastics Application, 2017.
[4] Al-Rabab'Ah M , Hamadneh W , Alsalem I , et al. Use of High Performance Polymers as Dental Implant Abutments and Frameworks: A Case Series Report[J]. Journal of Prosthodontics, 2017, 28(Suppl 11).
[5] AD Schwitalla, Abou-Emara M , Zimmermann T , et al. The applicability of PEEK-based abutment screws[J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2016, 63:244-251.
來源：3D打印網
本文提到的3D打印材料簡介
具有良好的生物兼容性，適合做義齒等植入物
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