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医学界的人体植入材料新宠儿——PEEK

所周知,人体对植入材料的要求很高。在之前,钛合金一直是医学植入材料的首选,现在,随着全球材料科学的迅速发展,高分子材料在医学领域的应用越来越广泛、用量越来越大。而PEEK凭借其自身的优异特性在众多医用材料中脱颖而出,作为一种新型医用植入材料,越来越多地应用于牙科、人工脊椎等多个领域。


到底PEEK在生物方面具备了什么样优秀的性能,才使得它能够在众多的医学材料中脱颖而出?今天我们来详细了解一下!



一、优异的性能



1. 生物相容性--无毒,安全不过敏


首先,PEEK具有优良的生物相容性,而生物相容性就是衡量一种材料是否适合人体植入的最基本要素,材料必须无细胞毒性、诱变性、致癌性,且不引发过敏。植入级PEEK在国外独立测试机构严格按照ISO10993的要求,进行了完整的生物相容性测试。结果表明,植入级PEEK具有优异的生物相容性,没有任何副作用。


2. 弹性模量--无应力屏蔽,周围骨骼更健康


“骨在需要的地方就生长,不需要的地方就吸收,即骨的生长、吸收、重建都与骨的受力状态有关。”--沃尔夫定律


而采用金属植入人体时,由于其弹性模量远超出骨骼,所以在金属周围的骨骼承受的负荷就会减小,形成了应力遮蔽效应。根据沃尔夫定律,植入金属可能造成的后果就是降低了骨骼的愈合速度,而且长此以往,骨骼还有可能变得疏松,甚至退化。


而PEEK的弹性模量与骨骼非常接近,骨骼所受的应力并不完全由植入体承担,不存在所谓的应力屏蔽现象,使周围的骨骼更健康。


3. 可视性--术后跟踪观察更方便


想必大家体检时应该都做过胸透和X光,进行这些项目的时候,大家都要把衣物中的金属制品拿出,否则会影响医生观察,这是因为金属不具有X光穿透性,而PEEK则具有X射线穿透性,有良好的可视性。X光片无伪影,可以实现在CT扫描或核磁共振成像辅助下进行手术,帮助医生在手术过程中调整植入体的位置,术后轻松跟踪愈合过程,对骨生长和愈合进行有效监控。



二、人体植入的应用



1. 牙齿


人体内口腔环境复杂,不仅有各种分泌液,还有食物残渣等残留。而PEEK因其优异的化学稳定性和可耐受绝大多数化学试剂腐蚀的性能,越来越多地被应用于口腔医学领域。


主要应用于口腔种植牙的配件,例如临时基台、愈合帽、愈合基台等。与常用的金属、氧化锆和氧化铝等材料相比,PEEK无需烧结,更加精确;密度低、质轻,患者佩戴舒适;质地柔和,对咬合起到减震作用。且PEEK材料不会释放出金属或单体等与人体不相容的物质,避免牙龈过敏和着色。而且,改性后的PEEK能发出自然的白色光泽,美观耐用。


2. 颅骨修复


为了能更好地让患者恢复颅骨的完整性,有效保护脑组织,神经外科的研究人员一直在寻找一种与颅骨更为相近的修补材料。研究人员发现,PEEK是目前性能最接近人体骨骼的临床颅骨修补材料。


与常用的钛合金相比,PEEK的物理性能接近人体骨骼,质地坚固,不会出现受力凹陷的风险;隔热性好,能避免冬冷夏热。PEEK摒弃了有机玻璃、骨水泥、钛合金等常规颅骨修补材料排异反应强、塑形效果差、隔热效果差、舒适性差、术后X线透性差等缺陷,避免了温差引起的不适感;利用3D打印技术成型,嵌入后严丝合缝,外形完美,具有良好的组织相容性;力学性能接近人骨。可以预见,这种新型材料将是颅骨修补术的首选材料。



3. 脊柱修复


近年来,我国腰椎、颈椎疾病发病率逐年升高,且趋于年轻化。我国腰椎病患者已突破2亿人,颈椎的患病人群也有2亿人。如果患者有脊柱退行性病变,医生会建议取出病变的椎间盘,然后植入被称为“椎间融合器”的修复体替代。


目前,国内常见的椎体间融合器主要为钛合金融合器和PEEK融合器。由于钛合金的弹性模量较高,手术后更容易出现由于应力遮蔽而引起融合的延迟,近年来正逐渐被PEEK融合器取代。PEEK材料制成的椎体间融合器能够兼容X光拍照和核磁共振成像,且弹性模量低,可避免自体移植物的并发症以及同种异体移植物的缺陷。



4. 骨折治疗


1895年,人类第一次将金属薄板应用于骨折内固定,但会出现易腐蚀的问题,尽管后来不锈钢的出现解决了该问题,随之出现的应力遮蔽效应也引起广泛关注。高弹性模量的金属骨板遮挡了所必需的外界应力,在没有足够应力刺激下形成的骨骼质地疏松,性能变差。当拆除固定骨板后,愈合的部位承受负重时不能适应周围应力环境的变化,就会容易发生再次断裂。PEEK则表现出更好的弯曲疲劳强度,并且不受预处理和热成型的影响,组织相容性好,使固定板能更加准确地贴合到患者的骨组织中。


PEEK缝线铆钉在运动医学上得到了广泛的应用,主要用于治疗肩袖、韧带撕裂或其他关节内损伤。传统的金属铆钉易出现松动、拔出和软骨损伤等并发症,且高强度缝线的出现,增加了缝线铆钉结合处的负荷,从而增加了结合处切割的风险。PEEK缝线铆钉可以避免这些问题的产生。同时,与可吸收铆钉相比,PEEK又具有更高的强度和X射线可穿透性,手术后检查不必担心金属伪影,其弹性模量介于皮质骨和松质骨之间,可以减少应力遮蔽,促进骨骼愈合。


三、部分案例



2011年7月到2013年6月,约翰霍普金斯医学院已经成功做了50例头皮间植入颅骨修补术。


2014年,湘雅医院神经外科副主任刘劲芳副教授领衔的手术团队,采用新型颅骨修补材料“聚醚醚酮材质”,成功为一名颅骨缺损患者进行了个体化修补手术。为国内第一例。


9月20日播出的《走近科学》材料新说节目中,西安交大第一附属医院神经外科的王茂德教授为患者老唐用聚醚醚酮颅骨修补材料进行颅骨修补手术。


今年5月,西安第四军医大学唐都医院胸腔外科为一位胸壁肿瘤患者成功完成了3D打印PEEK肋骨的植入手术,属国际首例。


1999年,第一个用于在脊柱手术中替代金属材料的PEEK产品就是椎间联合器


总结

PEEK是很成熟的材料,但国内我们做的不多,目前国内大多采用的是是塑形钛网或者3D打印钛网,原因有二:首先peek对材料的质量严,其次是价格高,而且英国威格丝现在算是龙头企业,一直处于垄断地位。而国内某些公司正在打破行业垄断,希望在不久的将来这种造福人类的材料能够尽早普及,而价格也在众多百姓的接受之内。


以上素材来自中国化工报,艾邦高分子编辑整理。


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