国际医疗器械展览会Medtec解读PEEK材料在口腔修复医学领域的应用
2024-08-09
修复科面临的病种多为牙体缺损、牙列缺损、牙列缺失和颌骨缺损，相应的治疗基本上涵盖了冠修复、活动义齿修复、固定修复、种植修复和赝复体修复等方法。这也就意味着修复科的工作内容离不开修复材料。近些年来修复材料的发展极为迅速，基本上形成了较稳定的材料体系，如用于基托等的复合树脂、用于种植的钛金属、用于冠修复的烤瓷、全瓷材料等等。
虽说目前材料的选择基本固定，但当前所用的材料或多或少都存在着自己的缺点。比如：（1）树脂人工牙的硬度、耐磨性、颜色稳定度仍存在问题；（2）钛种植体弹性模量较高，容易产生应力遮挡，造成骨吸收；（3）钛基台色灰，对于美学区域的种植牙修复略显不足；（4）锆基台颜色美观，但弹性模量很高，会将最大咀嚼力直接转移至种植体及颌骨，不利于骨整合；（5）金属的X射线伪影、颜色、美观问题。但是近些年，还有一种材料，有着其他材料难以启迪的优势，国际医疗器械展览会Medtec下面就为大家详细介绍。
No.1 PEEK材料的基本性质及应用
1、PEEK材料的基本性质
随着材料学的发展，1978年英国帝国化学工业集团开发出一种高分子化合物——聚醚醚酮（polytheretherketone），也就是我们所说的PEEK材料。聚醚醚酮（polyetheretherketone，PEEK），是线性芳香族高分子化合物，构成单位为氧-对亚苯基-羰-对亚苯基（图1），是半结晶性、热塑性塑料。
Figure 1 PEEK单体单元的化学结构[1]
（1）从它的化学结构我们可以看出，PEEK有着很高的化学稳定性，它耐高温、耐化学腐蚀、耐辐射、且易于加工成型，因而广泛应用于航空航天、汽车制造以及精密仪器制造等高科技领域；
（2）X线透射性，在CT及MRI检查中均不必担心伪影；
（3）高生物安全性，细胞毒性较小，有学者将PEEK-Optima、超高分子量聚乙烯（ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE）与交联型UHMWPE（crosslinking ultra high molecular weight polyethylene，X-UHMWPE）分别制成不同大小的颗粒（0.7、2、10 μm），以每个细胞20个颗粒的剂量与单核细胞、巨噬细胞共培养24~48 h，结果显示：上述3种材料对细胞活性与增殖性能的改变差异无统计学意义；PEEK-Optima显示出最小的细胞毒性[2]；
（4）PEEK材料具有较高的耐磨性[3]；
（5）和人类骨组织具有相近的弹性模量（表1）
Figure 2 不同材料的弹性模量和拉伸强度[1]
国际医疗器械展览会Medtec将在现场同期举办技术论坛E：医疗器械诞生的助推器——创新医用材料/配件及精加工论坛，本次会议将结合生物医用材料、精密配件及生产中精密的加工工艺在医疗器械中的应用为器械生产商和供应商提供交流平台。现在预登记参观参会限时免费>>>
2、PEEK材料的常规临床应用[5-7]：
（1）PEEK在临床上已经被常规应用于脊柱外科，可作为椎间融合器植入。
（2）PEEK由于其优异的耐磨损性能，被认为是未来人工关节的理想替代材料。
（3）PEEK棒于2007年被美国FDA批准应用于脊柱后路固定。
（4）PEEK还可用于人工的椎间盘、关节镜缝合锚钉、接骨板等。
Figure 3 图源网络
（5）近几年来，PEEK还被应用于心血管外科领域，如PEEK制作的轴向转子泵可以代替心肺机从股动脉被植入，相比原始装置具有更低的扩散性。
3、PEEK材料在口腔临床的应用情况：
PEEK材料在口腔临床中的应用主要发生在口腔颌面外科、正畸科和修复科。
口腔颌面外科已报道使用3D打印的PEEK材料的颌骨支架用于修复患者颌骨缺损。正畸方面PEEK材料也有可能被用于制作正畸弓丝。
PEEK材料在修复科可用于制作活动义齿支架和修复体、固定义齿、赝复体、种植基台、甚至未来有可能用于制作种植体。
（1）活动义齿
传统卡环由合金制成，具有弹性好、固位力佳、可弯制、可铸造等优点，但由于金属与天然牙色区别较大，金属卡环在一定程度上影响美观。牙色卡环的出现在一定程度上减小了卡环对美观的影响，其通常由热塑性树脂制作而成，PEEK也是其中之一。
Zoidis等研究[8]报道了1例由于患者对金属的味道、重量及金属卡环颜色不满，从而使用PEEK作为支架材料制作而成的下颌局部可摘义齿。他们将熔融的PEEK材料通过真空压铸方式制成支架，在此基础上进一步排牙、制作树脂基托。
Figure 4 下颌PEEK支架可摘局部义齿[8]
有学者对不同树脂材料卡环的固位力进行了研究，分别使用PEEK、聚醚酮酮[poly(etherketone-ketone)，PEKK]和聚甲醛（polyformaldehyde，POM）制成三臂环，咀嚼模拟机在液态环境下对每个卡环进行1.5万次就位-脱位循环。研究结果显示：PEEK卡环的固位力高于另外2种材料，且随着摘戴并无明显降低，但其固位力远低于钴铬合金卡环；另外，扫描电子显微镜下可见钴铬合金卡环对基牙模型表面的磨损，而树脂卡环则未见磨损基牙[9]。
Figure 5 PEEK卡环[9]
北大口腔叶红强教授的团队对利用数字化辅助设计和数字化辅助制作切割制作而成的可摘活动义齿不同形态组件在石膏模型上的适合性进行评价，通过定量和定性分析，他们认为该义齿适合性良好[4]。但该研究仅为口外试验，在患者口内环境的适合性还未有研究。
Figure 6 完整的可摘局部义齿三维数据（A）
与PEEK一体化可摘局部义齿（B）[4]
Figure 7 不同三维组件的三维偏差分析[4]
因此，对于金属敏感、不能够接受口内有金属的患者而言，PEEK或许可以作为金属支架的替代材料。对于肯氏I类义齿，还减少了远中转矩，减轻基牙的压力。
（2）固定义齿
PEEK材料的加工方法主要分三种:a、真空压铸; b、CAD/CAM；c、3D打印。
由于固定义齿用聚醚醚酮的力学性能较低，采用压铸法加工能否取得较高的成功率尚待验证。而CAD/CAM 切削成形制作的聚醚醚酮固定义齿支架的抗断裂性能较好，主要用于制作固定义齿支架和基底冠。
Figure 8 不同材料3单位固定修复体的断裂载荷[1]
Panagiotis Zoidis[10]发现PEEK可以作为髓腔固位冠的支架来进行大面积牙体缺损的修复。采取改性后的PEEK(20％的陶瓷填充物)为支架，复合树脂间接做贴面。体外实验证明此髓腔固位冠的抗折性能优于传统的冠修复以及桩核修复。
Figure 9 PEEK髓腔固位冠支架[10]
马里兰桥在个别前牙缺失修复中对基牙牙体组织磨切量少，美观效果好，患者易于接受，常用于前牙缺失的美容修复。文献报道使用压铸法制作的瓷增强型聚醚醚酮马里兰桥支架结合树脂饰面分别对1例上颌侧切牙缺失的唇腭裂患者进行修复［11］，以及对1例下前牙区即刻种植术后患者进行过渡义齿修复［12］。结果显示，1年随访修复体固位良好，无微渗漏发生，舒适度和美观性较高，未出现义齿脱落、染色等并发症（3图）。
Figure 10 PEEK马里兰桥支架结合树脂饰面修复上颌侧切牙缺失[11]
Figure 11 PEEK马里兰桥支架过渡修复1例下前牙区即刻种植术后患者[12]
研究认为聚醚醚酮及其复合材料马里兰桥支架联合饰面树脂因较低的弹性模量，可有效降低粘接界面的应力，降低修复体脱落概率，有助于延长使用寿命。
全瓷固定修复在临床应用中有较高的成功率，但全瓷固定修复对基牙牙体组织的磨切量较多，部分患者难以接受。相比而言，聚醚醚酮及其复合材料固定桥支架临床应用的最小厚度为0.6 mm，患者更易接受，适应证更广。
研究认为聚醚醚酮及其复合材料固定桥支架在临床应用中具有优良的生物相容性和力学性能，可用于三单位及三单位以上的固定桥修复，患者咀嚼功能恢复效果良好，舒适度高、美观性好，初步临床效果值得肯定。
国外一篇病例报道使用聚醚醚酮固定桥支架粘接纳米树脂饰面进行修复，文章指出2、3、6个月随访时仅观察到极少量的菌斑聚集[13]。
无牙颌种植固定桥一般设计为纯钛等金属支架联合饰面材料和人工牙。聚醚醚酮及其复合材料种植固定桥支架的出现改变了这一现状。
Maló等对聚醚醚酮All‑on‑4种植固定桥支架联合丙烯酸树脂饰面修复方案的37例患者进行前瞻性研究[14]，12个月后随访显示，仅1例下颌聚醚醚酮支架断裂，种植体和修复体存留率分别为 100% 和 98%，其中6例饰面粘接不良、2例螺丝松动和1例树脂牙断裂。这提示聚醚醚酮种植固定桥支架的结构设计仍需优化。
张勇和陈溯应用三维有限元法对聚醚醚酮、树脂和钛制作的All‑on‑4种植固定桥支架在模拟牙合力加载状态下的受力情况进行对比分析[15]，实验显示聚醚醚酮的力学性能优于树脂、却低于钛，认为聚醚醚酮更适用于即刻种植修复的过渡义齿。但三维有限元分析与实际情况存在偏差，仅能作为临床应用的参考，远期临床应用效果尚待观察。
种植基台可由钛、金、氧化铝、氧化锆等材料制成。从表中我们可以看到，PEEK临时基台断裂韧性远低于钛临时基台，但可以承担前牙区的咬合力。鉴于PEEK良好的生物相容性，可作为愈合基台使用。
Figure 12 不同种植基台材料对比[1]
种植牙并发症中，螺丝连接失效占种植牙总失败率的2%~45%。中央螺丝折断后的取出在一定程度上困扰着临床医生，随之出现了一些螺丝取出器械。PEEK中央螺丝与传统钛螺丝相比，可凭借其较好的弹性而在折断时更易于取出。分别对PEEK中央螺丝固位的外连接UCLA基台进行压断实验，以及对不同加强类型PEEK中央螺丝进行了拉伸实验，结果显示：PEEK、30% CFR-PEEK中央螺丝的抗折断性能均低于钛螺丝，并且所有折断均发生在螺丝颈部。直径1.6 mm的50%多向连续CFR-PEEK中央螺丝的拉伸强度为（191.69±36.33） MPa[16,17]。
No.2 PEEK材料的不足之处
（1）PEEK有很强的生物惰性，这导致它成骨效果欠佳
学者对PEEK进行了一系列的细胞实验，结果显示：尽管PEEK可以促进细胞增殖，但与钛相比，在PEEK表面增殖的细胞显示出较弱的骨引导性、更强的炎性增生，并且PEEK与骨组织之间显示出更明显的纤维性相互作用[1]。
由于成骨性能不佳的缺点，目前还未能将PEEK种植体用于临床。但有研究对不同材料、不同直径的种植体周围应力分布进行了有限元分析，结果显示：直径较大、材质较硬的种植体周围应力遮挡与边缘骨吸收更为明显；相对于无PEEK涂层的种植体，颈部涂PEEK的种植体周围可见骨沉积，故在使用较大直径的种植体时，对其进行PEEK涂层或可减少边缘骨吸收。表面改性研究认为nano-TiO2（纳米氧化钛）的加强、碳纤维的加入或表面涂布羟磷灰石或磷酸钙等材料，均可在一定程度上提高PEEK材料的骨整合效果
（2）美观性较低
牙科常用的PEEK材料多为灰色或白色，无透光性且表面粗糙抛光效果不佳，长期使用易出现色素沉着，不适用于前牙区等美学要求较高部位的修复体。出于这一原因，往往需要在PEEK底冠上进行饰面。报道较多的PEEK饰面为复合树脂。
（3）未经表面处理的PEEK与树脂粘接剂间几乎无结合
有学者对树脂饰面的3单位固定桥进行了断裂测试，结果显示：PEEK表面的粘接及预处理均会使饰面更易折裂，该学者认为，传统的树脂饰面方法不适合用于PEEK固定修复体。于是聚醚醚酮及其复合材料固定桥修复中还存在如饰面树脂崩脱、折裂等问题。
（4）学者们对聚醚醚酮及其复合材料的粘接展开了研究，结果提示：PEEK冠在粘接前进行表面清洁、粗化处理、喷砂或硫酸酸蚀等预处理，并配合丙酮基或磷酸基的甲基丙烯酸处理剂以及含有甲基丙烯酸甲酯（methyl methacrylate，MMA）单体的粘接系统（如Visio.link、Signum PEEK Bond等），更有利于获得高的粘接强度，有助于获得成功粘接。
（5）较差的抵抗应力的能力，针对这一问题，玻璃纤维加强聚醚醚酮、碳纤维加强聚醚醚酮等加强材料的出现在一定程度上提高了PEEK的力学强度。
现在，PEEK材料已经被广泛的应用于不同的临床医学领域中，包括脊柱、心血管外科等领域。
在口腔医学方面，PEEK由于其出色的机械性能、化学稳定性、生相相容性、X线透射性、弹性模量与牙体组织相似等优点，使替代陶瓷和金属冠成为可能。
国际医疗器械展览会Medtec认为尽管PEEK的表面性能及其改性方法被大量实验所研究，然而PEEK的应用多处于实验室研究阶段，目前仍需长期的临床实践以及随访来验证其实用性、以及远期临床效果的评价。
想要真正将PEEK材料广泛用于口腔修复临床，可能还需要一段时间的等待。
参考文献：
略
文章来源：珞珈晨修
