近年來(lái)，隨著生物醫(yī)用材料的發(fā)展，碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮(CFR-PEEK)復(fù)合材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能和生物相容性，逐漸成為骨科和牙科植入物領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。PEEK本身具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性，但是其機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較低，限制了其在某些高應(yīng)力環(huán)境下的應(yīng)用。通過加入碳纖維(CF)，不僅可以大幅提高PEEK的機(jī)械性能，還能使其彈性模量與人骨更為匹配，從而減輕因應(yīng)力屏蔽效應(yīng)導(dǎo)致的骨質(zhì)吸收等問題。本文就來(lái)探討CF-PEEK復(fù)合材料作為植入材料時(shí)的機(jī)械性能與細(xì)胞毒性。
機(jī)械性能的提升
碳纖維作為一種高性能的增強(qiáng)材料，其在PEEK基體中的引入顯著提升了復(fù)合材料的機(jī)械性能，這里從下圖來(lái)看。當(dāng)碳纖維含量增加時(shí)，CF-PEEK復(fù)合材料的力學(xué)性能隨之提高。如含有30%碳纖維的CFR-PEEK復(fù)合材料，其硬度和模量均大于純PEEK。特別值得一提的是，65%碳纖維含量的CFR-PEEK復(fù)合材料，其橫向壓縮強(qiáng)度達(dá)到了185.69 MPa，接近人骨的壓縮強(qiáng)度(約208.2 MPa)，遠(yuǎn)高于純PEEK的136.9 MPa。這表明通過調(diào)整碳纖維的含量，可以有效改變復(fù)合材料的力學(xué)性能，使之更適合于作為骨科植入物使用。
彈性模量匹配
彈性模量的匹配對(duì)于植入材料來(lái)說也非常重要。如果植入物的彈性模量與周圍骨骼相差太大，則可能會(huì)引發(fā)應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，導(dǎo)致骨質(zhì)吸收。CF-PEEK復(fù)合材料的彈性模量能夠很好地匹配人骨的彈性模量，這對(duì)于減輕植入物周圍骨質(zhì)吸收問題非常有利。在不斷的科研中發(fā)現(xiàn)含有25%碳纖維的CF-PEEK復(fù)合材料(25CF-PEEK)，其彎曲強(qiáng)度為264.6 ± 15.7 MPa，彎曲模量為9.4 ± 1.1 MPa，這些值與人皮質(zhì)骨的彎曲強(qiáng)度(約225.0 MPa)和彈性模量(6-30 MPa)非常接近。
細(xì)胞毒性評(píng)估
除了力學(xué)性能織物，CF-PEEK復(fù)合材料的細(xì)胞毒性也是評(píng)估其作為植入材料可行性的重要因素。無(wú)論是短切碳纖維還是長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)的PEEK復(fù)合材料，其細(xì)胞毒性水平都非常低，屬于輕微毒性。細(xì)胞存活率在75%-100%之間，這表明PEEK及CF-PEEK復(fù)合材料具有良好的生物相容性。在進(jìn)行倒置熒光顯微鏡觀察到的細(xì)胞形態(tài)也證實(shí)了這一點(diǎn)：在培養(yǎng)1天、3天、5天和7天后，細(xì)胞仍然保持著飽滿的狀態(tài)，沒有明顯的萎縮或死亡現(xiàn)象。
短期來(lái)看，添加碳纖維會(huì)略微增加細(xì)胞毒性(其他材料也有該情況，這里可以查看對(duì)應(yīng)的材質(zhì)細(xì)胞毒性研究報(bào)告)，但長(zhǎng)期影響幾乎可以忽略不計(jì)。這是由于碳纖維碎片在復(fù)合材料表面容易進(jìn)入提取液中，從而影響細(xì)胞生長(zhǎng)。然而，隨著時(shí)間的推移，細(xì)胞的增殖并不受明顯影響。這也說明了CF-PEEK復(fù)合材料在植入體內(nèi)后不會(huì)對(duì)細(xì)胞造成持續(xù)的危害。
碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料作為一種新型的植入材料，其在機(jī)械性能上的顯著提升以及與人骨相近的彈性模量，使其在臨床應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛力。此外，CF-PEEK復(fù)合材料的細(xì)胞毒性水平低，具有良好的生物相容性，這使得它成為一種理想的骨科和牙科植入物材料。作為國(guó)內(nèi)自主完成CF/PEEK的智上新材料在跟行業(yè)客戶深度探討之后，將進(jìn)一步探索如何通過優(yōu)化碳纖維含量和改善碳纖維與PEEK基體之間的界面結(jié)合，來(lái)進(jìn)一步提升CFR-PEEK復(fù)合材料的綜合性能，以滿足更多高要求的醫(yī)療應(yīng)用。
