英国人在1978年首次合成聚醚醚酮（polyetheretherketone,PEEK）材料[1],PEEK材料因具有良好的力学性能和生物相容性被逐步应用于骨科植入物中，PEEK材料以承重椎间融合器的形式用于脊柱融合手术已有15年，与金属材料相比，PEEK材料的力学性能还相对较低，因此在髋膝关节植入物中暂未应用。髋膝关节在运动过程中需承受较大的压力，目前钛合金和钴铬钼材料凭借其较好的强度和韧性，普遍应用于髋膝关节植入物[2]。钛合金和钴铬钼材料虽然是目前髋膝关节植入物应用比较普遍的材料，但长期的临床应用发现，在置换金属植入物患者组织中发现存在金属粒子，会对人体产生一定的毒害[3]。另外，金属材料的最大缺陷就是弹性模量远高于骨组织，容易造成应力遮挡，进而引起骨吸收，造成植入物假体松动[4]。因此，通过纤维增强等方法对PEEK材料进行改性处理以提高PEEK材料力学性能用于髋膝关节植入物成为国内外研究的重点。因碳纤维具有高强度、低密度、高耐磨性等优点，很多学者尝试采用不同的制备方法，将不同含量与形态的碳纤维融入PEEK材料生成各项性能获得提升的碳纤维增强聚醚醚酮（carbon fiber reinforced polyetheretherketone,CFPEEK）材料，并对其性能及临床应用效果进行研究。

本文主要论述制作CFPEEK材料常见的加工方法及优缺点，阐述CFPEEK材料在力学性能、磨损性能、生物相容性和生物活性方面表现出的优良特性，综述CFPEEK材料目前在脊柱和关节植入物中的临床实际应用现状，以为CFPEEK复合材料在骨科领域中的广泛应用提供理论基础。

1、CFPEEK材料制备方法

CFPEEK材料作为复合材料，目前常见的成型方法主要为模压成型、注塑成型和熔融沉积成型。无论采用哪种成型方法，制备阶段的基本流程包括预制件的编制或混合，复合材料的成型。预制件的编制或混合过程即为碳纤维增强PEEK材料的编制或混合过程[5]。目前常见的碳纤维与PEEK材料的混合方法主要有2种：一种为利用编织机将碳纤维进行90°交错编织，再与PEEK材料进行层叠混合（如图1所示），或者将碳纤维与PEEK纤维进行90°交错编织[6]；另一种是将PEEK材料溶解形成溶液，使其黏附在碳纤维的孔隙中，或者将PEEK材料做成超细的PEEK粉末，均匀分散于碳纤维的孔隙中[5,7-8]。模压成型的CFPEEK复合材料常采用碳纤维与PEEK纤维进行交错编织制作预制件，而注塑成型和熔融沉积成型的CFPEEK材料常采用碳纤维与PEEK材料混合方法制作预制件。

图1 CFPEEK复合材料排布方法[6]

模压和注塑作为传统的制造工艺，工艺已较成熟，制备过程中原材料损失较小，生产效率高，产品机械性能稳定，但该制造方法加工自由度较低，不适合复杂结构及个性化定制植入物产品的制作[9-10]。熔融沉积成型是针对热塑性材料进行增材制造的工艺，该工艺可进行复杂结构和个性化定制植入物的制作，但成型件的力学性能较差，影响其在骨科植入物中的广泛应用[11-12]。

2、CFPEEK材料性能研究

2.1 CFPEEK材料力学性能研究

考虑到碳纤维具有高强度的优良特性，将碳纤维与PEEK材料结合可提高CFPEEK复合材料的整体力学性能。李英[13]通过注塑成型方法制备了不同碳纤维含量的CFPEEK复合材料，并分别进行了力学性能研究测试，结果表明，碳纤维的加入明显提高了CFPEEK材料的拉伸强度、压缩强度、硬度和弯曲强度，但冲击强度随碳纤维质量分数的增加呈下降趋势，说明碳纤维的引入可提高CFPEEK复合材料的部分力学性能。另外，研究还表明碳纤维的加入较大程度上提高了CFPEEK复合材料的弹性模量，使其更接近人体皮质骨的弹性模量，与骨科用金属材料相比，更不容易造成应力遮蔽。Li等[14]研究了纤维长度差10倍以上的CFPEEK复合材料（短碳纤维长度为150～200μm，长碳纤维长度为2～3 mm）力学性能的差异，研究结果表明，长碳纤维的CFPEEK复合材料的力学强度（包括抗拉强度、抗弯强度和抗压强度）是短碳纤维的CFPEEK复合材料的2倍以上。同时，2种复合材料的弹性模量与人体皮质骨吻合良好。Qin等[15]制备了不同碳纤维质量分数（25%、30%、35%、40%）的CFPEEK复合材料并对其力学性能进行测试研究，结果发现碳纤维的加入大大提高了CFPEEK复合材料的抗弯强度，其中25CF（碳纤维）、30CF、35CF和40CF的抗弯强度分别比纯PEEK材料提高了87%、78%、75%和86%。此外，研究结果还发现，CFPEEK复合材料的抗弯强度（230.1～264.6 MPa）比纯PEEK材料（139.8 MPa）更接近人体骨的抗弯强度值（约225 MPa），抗压强度与抗拉强度表现出与抗弯强度几乎相同的规律[15]。于婉琦[16]通过模压成型的方法，按照碳纤维在复合材料中的不同质量分数（分别为10%、20%、30%、40%）制备了CFPEEK复合材料。该研究结果表明，随着碳纤维质量分数的增加，CFPEEK复合材料的弯曲强度、弯曲模量、弹性模量都随之升高，但断裂伸长率呈降低趋势，材料的韧性断裂逐渐转化为脆性断裂。当碳纤维的质量分数为30%时，CFPEEK复合材料具有最佳的极限拉伸强度。李振光等[17]通过模压成型法将氧化石墨烯（GO）-氧化锌（ZnO）混入CFPEEK复合材料中，制成PEEK/GO-ZnO/CF多元复合材料并对其力学性能进行测试，测试结果表明，具有不同GO-ZnO质量分数的PEEK/GO-ZnO/CF复合材料的拉伸强度与未添加GO-ZnO的CFPEEK材料相差不多，GO-ZnO用量的增加对PEEK/GO-ZnO/CF复合材料拉伸强度的影响不显著，拉伸模量虽然有所提高，但是提高的幅度并不大，证明了CFPEEK复合材料的拉伸强度和拉伸模量主要由碳纤维本身性能决定。纪志华等[4]将由CFPEEK复合材料加工而成的股骨头假体和钴铬钼合金股骨头假体分别植入8对新鲜成人尸体股骨，并对置换后2种材料假体的载荷-扭角与抗扭刚度进行测量比较，发现CFPEEK假体组在不同负荷下的载荷-扭角均显著小于钴铬钼合金假体组，差异有统计学意义（P<0.05），抗扭刚度均明显大于钴铬钼合金假体组，差异有统计学意义（P<0.05），说明与钴铬钼材料假体相比，CFPEEK假体具有更好的稳定性和扭转刚度，对骨界面产生的损伤会更小。

综上所述，将碳纤维引入PEEK材料制成CFPEEK复合材料，其整体力学性能得到较大提升，弹性模量更接近人体皮质骨。且碳纤维长度的增加可明显提高CFPEEK复合材料的力学性能，但碳纤维的添加量并非越多越好，适量添加碳纤维会使CFPEEK复合材料达到最优的力学性能。

2.2 CFPEEK材料磨损性能研究

磨损性能能否满足要求是CFPEEK材料在骨科植入物领域应用的关键，考虑到碳纤维具有较高耐磨性的优良特性，将碳纤维与PEEK材料结合可提高CFPEEK复合材料的磨损性能。李振光等[17]为提高CFPEEK复合材料的磨损性能，将石墨烯（GO）与氧化锌（ZnO）混合后进行长时间高温处理，成功对石墨烯改性，并将改性后的石墨烯加入CFPEEK复合材料中，通过模压成型方法制造出磨损性能较高的PEEK/GO-ZnO/CF多元复合材料。通过测量其磨损率发现，与未添加GO-ZnO的CFPEEK复合材料相比，PEEK/GO-ZnO/CF多元复合材料的磨损性能提高了60%左右，PEEK/GO-ZnO/CF多元复合材料的磨损率随GO-ZnO质量分数的增加呈先下降后升高的趋势，在GO-ZnO用量为1.5%时，复合材料的磨损性能达到最高。薛成龙等[6]采用模压成型方法制备了碳纤维质量分数为60%的CFPEEK复合材料，以探究复合材料的截面微动摩擦学性能，研究结果表明，CFPEEK复合材料的摩擦系数随法向载荷的增加呈下降趋势，随位移幅值的增加呈上升趋势，磨损体积随法向载荷和位移幅值的增加而增大。其进一步探究发现，CFPEEK复合材料的磨损机制主要为磨粒磨损和疲劳磨损[17]。逢显娟等[18]利用模压成型方法制备了不同碳纤维质量分数的CFPEEK复合材料，对复合材料的抗摩擦磨损性能和抗摩擦静电性能进行分析和探究，分析结果表明，随着复合材料中碳纤维质量分数的增加，材料的磨损率、摩擦系数和摩擦静电电压呈先下降后升高的趋势，在碳纤维质量分数为20%时，复合材料的磨损率、摩擦系数和摩擦静电电压均达到最小值，说明碳纤维质量分数为20%的CFPEEK复合材料的磨损性能和抗静电性能最优，进一步的微观研究表明，复合材料的磨损机理以粘着磨损为主，伴随轻微的磨粒磨损发生。

综上所述，将碳纤维引入PEEK材料制成CFPEEK复合材料，其磨损性能得到明显提升。碳纤维的添加量并非越多越好，随着CFPEEK复合材料中碳纤维质量分数的增加，其磨损性能呈先下降后上升的趋势，即适量碳纤维的添加会使CFPEEK复合材料达到最优的磨损性能。碳纤维的引入使CFPEEK复合材料的磨损机制主要表现为磨粒磨损、疲劳磨损和粘着磨损。

2.3 CFPEEK材料生物相容性研究

骨科植入物假体能获取长期安全使用的一大关键因素是植入物材料的生物相容性，CFPEEK复合材料在提高力学性能的基础上继承了PEEK良好生物相容性的优点。纪志华等[4]将CFPEEK复合材料与培养液混合，分为实验组、阴性对照组和阳性对照组，探究CFPEEK复合材料的血液相容性。实验结果表明，CFPEEK复合材料溶血率为3.23%（小于5%），符合国家医疗器械生物学评价标准。Li等[14]分别对PEEK材料和CFPEEK复合材料进行细胞毒性试验、血液相容性评估和全身毒性试验，研究结果表明，PEEK材料和CFPEEK复合材料的溶血率均小于5%，不会引起溶血反应，生物相容性良好，但CFPEEK复合材料的溶血率显著高于PEEK材料，说明碳纤维的引入会提高CFPEEK复合材料的溶血率。另外，细胞毒性试验和血液相容性评估结果表明，CFPEEK复合材料对细胞具有轻微毒性，但全身毒性试验的组织病理学切片显示，CFPEEK复合材料对生物体无明显的急性毒性。Qin等[15]为了探究CFPEEK复合材料的细胞相容性，采用CCK-8(cell counting kit-8）法测定了纯PEEK和CFPEEK复合材料对提取物的细胞毒性。该研究结果显示，添加碳纤维后，CFPEEK复合材料组的细胞活力明显低于纯PEEK材料，说明碳纤维的添加在短时间内会对细胞产生不良影响，而且随着碳纤维质量分数的增加，细胞活性降低。在细胞培养第7天时发现，CFPEEK复合材料的活力值与纯PEEK材料之间比较，差异无统计学意义（P>0.05），证明碳纤维的添加在长时间内对细胞没有影响。

综上所述，CFPEEK复合材料继承了PEEK材料良好的生物相容性特性，对生物体无急性毒性，符合国家医疗器械生物学评价标准，但CFPEEK复合材料在一定程度上对生物细胞具有轻微毒性，其在临床上对生物体的长期影响有待进一步验证。

2.4 CFPEEK材料生物活性研究

骨科植入物假体的生物活性是影响假体固定效果及长期稳定性的关键因素，PEEK材料由于具有生物惰性，与周围组织的整合度和反应活性较低，使其无法在骨科领域得到较大范围的使用。常规的碳纤维材料引入虽能较好地提高CFPEEK复合材料的强度，但生物活性远不及金属材料，因此，通过对CFPEEK复合材料进行表面改性或引入第三方元素提高其生物活性成为目前很多学者研究的重点。李英[13]对PEEK材料和CFPEEK复合材料进行浓硫酸氧化处理（磺化处理），发现2种材料均呈现多孔结构，且CFPEEK复合材料因碳纤维的加入呈现出比PEEK材料更大的孔径，这种孔状结构有利于细胞的黏附和增殖。在经过磺化处理后的CFPEEK复合材料中加入氧化石墨烯后，发现CFPEEK复合材料的多孔磺化层外覆盖了氧化石墨烯层状结构，有利于细胞的黏附。该研究结果表明，磺化处理和氧化石墨烯的引入均能提高CFPEEK复合材料的生物活性和骨结合力[13]。Yu等[19]采用等离子体增强化学气相沉积表面改性技术制备了CFPEEK复合材料，研究结果表明改性后的CFPEEK表面成功结合了氨基基团，亲水性显著提高；体外研究试验证明MG-63细胞在氨基修饰的CFPEEK复合材料表面的黏附、增殖和成骨分化均高于非氨基修饰的CFPEEK材料，等同于纯钛。上述研究结果进一步说明，氨基修饰的CFPEEK具有更强的生物活性和成骨性能。

综上所述，单纯碳纤维的引入还无法明显提高CFPEEK复合材料的生物活性，若要保证CFPEEK复合材料具有足够高的生物活性，临床上能达到良好的骨整合效果，还需要通过引入第三方活性因素或对CFPEEK复合材料进行表面活化处理的方法来实现。

3、CFPEEK材料在骨科植入物中的临床应用

CFPEEK材料因具有良好的力学性能和生物相容性，其弹性模量接近人体骨皮质骨，能有效地避免应力遮蔽现象，临床上正逐渐用于脊柱和关节植入物的置换。

3.1 CFPEEK材料在脊柱植入物中的临床应用

PEEK材料作为脊柱融合器常用材料已在临床中应用多年，将碳纤维引入PEEK材料中制成CFPEEK复合材料，在保持良好生物相容性的前提下，其力学性能和磨损性能等多项性能得到明显提升，另外，与脊柱用金属螺钉植入物相比，CFPEEK材料表现出良好的放射性能，不存在CT或MRI成像伪影，更便于放射治疗[20-22]。目前的临床研究表明[23],CFPEEK复合材料正逐渐应用在常规脊柱植入物置换手术和脊柱肿瘤手术中，均获得了良好的临床效果，如图2所示。因此，以下针对CFPEEK复合材料在常规脊柱植入物置换手术和脊柱肿瘤手术2个方面的临床表现分别进行研究综述。

Cofano等[24]随访了78例进行脊柱植入物置换的患者，其中36例采用CFPEEK复合材料制成的脊柱植入物进行置换手术，42例采用钛合金脊柱植入物进行置换手术，研究结果发现，2组不同材料植入物的患者均获得功能恢复，通过随访记录中患者的疼痛和神经状态发现2组术后临床并发症及植入物相关并发症差异不明显。Ghermandi等[25]研究了CFPEEK复合材料制成的脊柱植入物在腰椎退行性疾病中的临床应用效果，28例患者接受了CFPEEK复合材料制成的脊柱植入物置换手术，术后对患者进行了12个月的随访与影像检查，结果表明，89%的患者实现完全融合，Brantigan评分为D或E，所有临床指标均得到显著改善，且未观察到与植入物相关的并发症。

图2 CFPEEK椎弓根螺钉与矫形棒植入人体脊柱示意图[23]

Boriani等[26]对34例接受CFPEEK复合材料制成的胸腰椎固定植入物的肿瘤患者随访6～36个月，平均13个月。收集了关于患者手术后并发症、患者负重稳定性和功能恢复等相关数据，发现CFPEEK复合材料胸腰椎制成的植入物的临床表现与常规用钛合金植入物的临床表现相当，进而说明临床使用CFPEEK复合材料制成的胸椎和腰椎固定植入物可能是安全的。Ringel等[27]对携带脊柱肿瘤的患者使用CFPEEK材料制成的椎弓根螺钉进行后路稳定置换手术，35例脊柱肿瘤患者共植入251个CFPEEK材料制成的椎弓根螺钉，除1个螺钉出现偏移外，其余椎弓根螺钉均正确安装于相应位置，与钛合金植入物相比，CFPEEK材料制成的椎弓根螺钉在CT和MRI图像上的伪影明显减少，更有利于肿瘤患者术后的放射治疗。Pipola等[23]对1名42岁男性脊柱肿瘤患者实施双入路（前路+后路）整体切除手术，颈椎固定采用CFPEEK棒与椎板进行联合连接固定，术后患者进行9个周期的化疗。对术后患者随访2年，未发现局部肿瘤复发，植入物整体稳定，未发现与植入物相关的并发症。

综上所述，CFPEEK复合材料凭借其多方面的性能优势，在常规脊柱植入物置换手术和脊柱肿瘤手术中得到广泛应用，取得了良好的临床效果，且未发现与植入物相关的并发症。在脊柱肿瘤患者中，碳纤维的放射性有助于术后肿瘤监测或复发成像，能有效监测骨愈合状况。

3.2 CFPEEK材料在关节植入物中的临床应用

考虑到关节植入物会承担人体较大的质量载荷，关节植入物需要有足够的强度才能保证其长期使用的安全有效性，目前用于制作关节植入物的材料基本为钛合金、钴铬钼、不锈钢等金属材料。与金属材料相比，CFPEEK复合材料具有更接近人体骨的弹性模量，能有效地避免应力遮蔽现象，另外CFPEEK复合材料在力学性能和磨损性能等方面也得到了较大的提升。目前，根据很多学者临床研究可知，由CFPEEK复合材料制成的关节植入物正逐渐应用于动物临床试验中，由CFPEEK复合材料制成的髓内钉和螺钉也在尝试用于人体关节置换手术的辅助治疗，如图3所示[28]。因此，以下针对CFPEEK复合材料在动物临床试验手术和人体关节置换手术2个方面的临床表现分别进行综述。

Nakahara等[29]将4个CFPEEK复合材料加工而成的股骨柄植入成年绵羊体内，将其中2个CFPEEK材料股骨柄植入6个月后取出，另外2个股骨柄在植入12个月后取出，4个取出的CFPEEK材料股骨柄均保持完整，没有任何分层、微骨折或颗粒迁移的迹象。在绵羊体内没有观察到任何磨损碎片或周围软组织炎症反应的现象。Wang等[30]将钛等离子体注入CFPEEK植入物进行改性处理，获得独特的多层纳米结构和表面活性位点。然后，引入聚多巴胺（polydopamine,PDA）纳米颗粒来构建具有改善成骨性能和优异抗菌性能的多功能表面，将改性后的CFPEEK植入物植入大鼠的股骨髁。该研究结果表明，改性后CFPEEK植入物表现出更强的抗菌性和骨整合性。

图3 CFPEEK髓内钉（左）与钛合金髓内钉（右）对比图[28]

Takashima等[28]为了评价CFPEEK材料髓内钉在诊断骨折愈合方面的优势，随访了20例采用CFPEEK髓内钉治疗股骨粗隆间骨折患者和20例金属髓内钉治疗股骨粗隆间骨折患者，进行了X射线片和CT检查。结果发现，CFPEEK组可见骨折部位率明显高于金属组。与金属组相比，CFPEEK组CT图像上的散射存在程度及散射对周围骨诊断的影响程度均明显降低，从而证实了CFPEEK髓内钉在评估骨折复位和骨形成方面的优势。Yeung等[31]对1名63岁的左膝内侧疼痛的软骨肿瘤患者行股骨内侧髁大范围切除手术，采用CFPEEK板和螺钉固定，进行异体骨关节移植重建。术后MRI显示，易感伪影明显减少，可监测后期局部疾病的复发。随访12个月，发现无局部复发迹象。

综上所述，CFPEEK复合材料在关节植入物领域也得到一定应用，但由于人体关节会承担人体较大的质量载荷，目前关于CFPEEK复合材料关节植入物的临床研究较多地存在于动物试验研究和人体关节置换手术的辅助治疗中。

4、CFPEEK材料在骨科植入物中应用的不足与发展展望

考虑到CFPEEK复合材料的弹性模量比较接近人体骨，与金属材料相比，可有效地避免应力遮蔽现象的发生。CFPEEK复合材料是未来替代金属和塑胶材料应用于骨科植入物比较好的选择。CFPEEK复合材料虽然在力学性能、磨损性能和生物活性等方面得到明显提升，但想要在骨科领域得到更广泛的应用，依然存在许多问题亟待解决。具体如下：（1）关节植入物产品承载人体负荷较大，对关节植入物产品的力学性能和磨损性能要求较高，目前研究出的CFPEEK复合材料无法像金属和塑胶产品一样满足关节植入物的使用需求，因此，CFPEEK复合材料无法在关节植入物中得到广泛应用。（2)CFPEEK材料在关节接触面具有较高曲面一致性时表现出良好的磨损性能，但具有低一致性接触面的关节产品存在磨损率较高的问题[32-33]。（3)CFPEEK复合材料对人体细胞具有轻微毒性，对人体长期临床的影响还未知。因此，未来CFPEEK复合材料应向以下3个方面发展：（1）通过改变CFPEEK复合材料中碳纤维的显微结构或引入高强度金属元素，将CFPEEK复合材料力学性能提高至等同或优于钛合金等金属材料，在关节植入物中进行普遍应用。（2）引入更耐磨的第三方元素以进一步提高CFPEEK复合材料的整体磨损性能，满足各种结构形态关节植入物的磨损需求。（3）通过添加第三方元素，使CFPEEK复合材料对细胞完全无毒性，避免可能出现的长期临床应用隐患。

5、结语

目前CFPEEK复合材料不仅具有接近人体骨的弹性模量，还具有较好的力学性能、磨损性能、生物相容性和生物活性。CFPEEK复合材料也正逐渐应用于骨科领域，由于人体不同部位的骨骼承受人体质量载荷不同，因此，对不同部位植入物的性能要求不同，CFPEEK复合材料想要应用于人体各部位植入物的制造，无论是在力学性能、磨损性能，还是在生物相容性和生物活性方面，都需要进一步改进和提升。

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文章来源:陈帅帅.碳纤维增强聚醚醚酮材料性能研究及其在骨科植入物中的应用综述[J].医疗卫生装备,2024,45(09):109-114.