隨著人們對健康重視度的提高，生物醫用材料得到了高速發展。據統計，2020年全球醫療器械總銷售額達到4 774億美元，貿易額復合增長率達5.6%，已成為世界經濟的支柱性產業。而其中生物醫用材料及制品的整體市場份額為40%，達到1910億美元，且占比持續增長，是朝陽產業中的朝陽領域。

聚醚醚酮(PEEK)是英國帝國化學工業集團(ICI)于20世紀80年代初實現工業化的特種工程塑料。PEEK復合材料具有良好的生物相容性及生物惰性，不具有致敏性，也不會引起任何染色體畸變，在生物醫用領域應用前景廣闊。

作為最大的PEEK材料制造商，1989年威格斯公司的 KEMMISH DAVID JOHN團隊已開始進行PEEK醫用植入材料的研發 (相 關專利DE69032928D1)。

國內外眾多公司紛紛投入PEEK生物醫用材料的研究，經過多年發展，現已有多種PEEK生物醫用材料投入市場應用當中，例如 ：Victrex公司的子公司 Invibio生產的PEEK-OPTIMA?系列材料，下文將會分類詳細介紹。

索爾維同樣對PEEK具有較為深入的研究，并推出了一種名為Solviva的系列生物材料，提供一種與人體中的體液和組織永久接觸的產品，其中Zeniva具有高強度、剛度、韌度、耐疲勞性及生物穩定性，滿足ASTM F2026-07標準的對用于外科植入物的PEEK的要求；贏創公司的VESTAKEEP?植入級PEEK，在國內外測試結果表明具有優異的生物相容性，且沒有副作用。

PEEK專利分析

PEEK本身是生物惰性材料，PEEK植入體與骨組織之間的整合能力不強，這限制了PEEK在硬組織修復與替換領域的應用。尋求改性 是本領域的常規手段，而常規的生物活性陶瓷雖然能夠改善PEEK的生物活性，但降低了力學性能，如何在保持PEEK力學性能的同時提高其生物活性是目前的研究熱點。

本文重點關注以下3種改性的PEEK復合材料，包括碳纖維、磷灰石和玻璃纖維，這3種方法是目前應用最廣泛的改性手段。筆者在IN COPAT全球數據庫中對涉及這3 種PEEK復合材料、且應用于醫療領域的專利進行了檢索，并通過對2000年后至2021年12月31日的專利進行了篩查，篩選后結果如圖1所示。

通過對3種復合材料的申請量進行橫向的比較可知，涉及碳纖維和磷灰石改性的PEEK復合材料的申請量基本相當，分別有593和587項專利，遠超于使用玻璃纖維改性的PEEK復合材料的214項專利，從這一對比中可以看出碳纖維和磷灰石改性的PEEK復合材料的使用量更多，關注度和重視程度也更高。

圖2所示為3種PEEK復合材料申請趨勢的橫向對比。雖然碳纖維和磷灰石改性的PEEK復合材料的申請量相當，但是從圖2可以看出，在2014年之前，碳纖維改性PEEK的申請量均高于磷灰石改性PEEK復合材料，而從2015年開始，磷灰石改性的手段明顯更受重視，申請量出現高漲幅，顯示出強勁的發展態勢。

在 2016年，磷灰石改性PEEK申請量達到最高值，約有58項專利，而碳纖維改性PEEK的發展出現疲軟的態勢，在2019年申請量達到最高值，約有46項專利，發展情況不如磷灰石改性PEEK。而玻璃纖維改性PEEK復合材料的申請量一直低于另外2種改性手段，發展整體較為平緩。

圖3所示為3種PEEK復合材料全球專利布局的橫向對比情況，可以看出，3種復合材料的專利申請中，在美國和中國公開的專利數量都是遙遙領先的，其中碳纖維和玻璃纖維改性PEEK領域，美國市場是重點關注對象，而磷灰石改性PEEK復合材料，中國呈現出反超的態勢。除美國和中國外，歐洲等國、韓國、日本市場同樣很受重視。

改性PEEK復合材料技術進展與專利分析

一、碳纖維增強PEEK復合材料

PEEK是極佳的骨關節材料，其生物相容性和光滑性是其他材料無法替代的。但PEEK力學強度不足，不能為骨骼生長提供一個穩定的環境。碳纖維(CF) 具備熱膨脹系數極小、摩擦系數小等優點，目前碳纖維增強 PEEK(CFR-PEEK)的國內外研究焦 點是摩擦腐蝕耦合性能及影響因素 (如表面粗糙度)、磨屑的生物相容性等方面。

王克軍等研究了一種短碳纖維增強聚醚醚酮，實驗表明，改性后的聚醚醚酮與血液相容性較好，無任何毒性，組織相容性好。應力測試顯示短碳纖維增強聚醚醚酮材料能夠滿足復合全髖假體材料對生物相容性及力學性能的需求。

由于CF與PEEK基體結合時，二者之間的結合強度較弱，進而對復合材料的耐摩擦性能不利。因此，為了提高纖維與基體間的界面結合力，從而改善CFR-PEEK復合材料的生物摩擦學性能，對CF進行表面改性處理是該領域的有效手段。

Sharma等研究了經氮氧 等離子體處理的CF(質量分數為67%~68％) 增強PEEK復合材料的生物摩擦學性能。結果表明，摩擦系數改性處理前的0.32，下降至處理后的0.21，磨損率則從1.4×10-15m 3 ／(N ·m) 降到1×10-15m 3/(N ·m)。進一步探討了 經臭氧處理后CFR-PEEK復合材料的生物摩擦學性能，結果顯示處理后的摩擦磨損性能提高了60%。主要原因在于臭氧處理增加了CF表面的羧基含量，增加了界面結合力，從而提高了復合材料的耐磨損性。

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2006年Invibio公司在PEEK- OPTIMA生物材料的基礎上研發成功其碳纖維增強材料CRF/ PEEK-OPTIMA(相關專利 W O2007099307A1)，? 由PEEK - OPTIMA 聚合物材料和分布于其中的短切碳纖維復合而成。該CRF/ PEEK-OPTIMA聚合物用作關節材料時，顯示出了優異的耐磨性能，與金屬-UHMWPE關節相比，相同條件下其磨損因子降低了 60%以上，與金屬-金屬關節相比，其磨損因子降低 了40%以上。

CFR/PEEK-OPTIMA 的撓曲剛度與人體骨骼更接近，因此 由其制備的關節材料允許更好的負荷分擔，減少了應力遮擋的影響。2012 年Invibio公司開發的碳纖維增強材料被用于德國Aesculap公司生產的 EnduRo膝關節修復系統，大大增強 了植入材料的使用壽命并降低了后續修復手術的必要性。

筆者對CFR-PEEK復合材料的應用方向進行了統計，結果如圖4所示，可以看出，目前CFR-PEEK復合材料主要應用在脊骨相關領域，例如脊椎骨、脊椎盤，關節、脊柱定位器或穩定器、骨骼、植入血管、外板、銷釘或螺釘等方面，其中脊骨相關方面的應用是最多的。

圖5所示為CFR-PEEK復合材料的主要申請人，圖6所示為CFR- PEEK復合材料全球專利的主要申請國家/地區布局。

可以看出，排名前10的申請人中，國外申請人占9位，中國申請人僅上海交通大學榜上有名，而在全球布局中，美國、中國以較大優勢領先其他國家/地區。可見，目前在該領域，專利技術更多地掌握在國外大公司手中，而國內申請人申請數量多但分布分散，缺少深度研發該領域的實力強勁的申請人。

圖7所示為CFR-PEEK復合材料的技術功效分布情況，從該圖中可以看出，專利技術重點關注的改進方向，例如，降低成本、提高穩定性、降低復雜性是改進最多的技術功效，這與其申請人多為企業有關，企業申請人對控制成本是放在首位的；而提高強度、安全性、耐磨性及便利性是第2梯隊，這一方面，無論是從企業角度還是研發角度，都是重要的改進點，是本領域一直追求的改進方向。

2004年，BENOIST GIRARD SAS公司研發了一種假體髖臼杯 (GB0422666D0)，包括由復合材料制成的軸承表面層，該復合材料包括PEEK樹脂和至少20%至40%的短碳纖維，以及一個或多個背襯層以提供 屏障孔隙率、粗糙度。背襯層可以涂覆有生物活性材料。

同年，上海交通大學研發了一種用于生物醫療技術領域的全髖股骨頭假體(C N1593356A)，假體由內層及外層構成，內層為連續碳纖維增強PEEK層，外層為短切碳纖維增強PEEK層，通過芯棒模具和假體模具把兩種復合材料層熱壓合模。

制備方法為將PEEK樹脂溶于二氯乙烷配置成膠液，刷涂在碳纖維或碳纖維布上，刷涂前稱量，涂膠液后，溶劑揮發再稱量，得含膠量，將碳纖維或碳纖維布按芯棒或假體形狀剪裁，再捆扎，模具加熱后開模，將捆扎好的復合材料放入模具內合模，加壓成形，保壓保溫一段時間使聚醚醚酮樹脂充分流動，卸壓后冷卻開模并取出。

該材料能與股骨緊密結合、增加股骨近端應力傳遞。2010年，Hai H Trieu研發了一種用于插入椎間盤空間以穩定椎間盤的脊柱植入物 (US13010569)，該植入物包括與不透射線和骨傳導性骨固定部件耦合的 射線可透聚合物基底，該聚合物基底為植入物提供相鄰椎骨之間的牢固固定。

植入物包括植入物基底和耦合 到植入物基底的固定部件。植入物優選包括:與不透射線的鈦(Ti)或鈦(Ti) 合金固定部件耦合的碳纖維增強的PEEK基底。該專利已于2011年轉讓給華沙整形外科公司。

二、磷灰石增強 PEEK 復合材料

羥基磷灰石(HA)是人體硬組織 (如骨、牙齒等)的主要礦物相，具有良好的骨傳導性，能夠與人體骨組織形成牢固的化學鍵性結合，且能刺激新骨骼生長，不引起毒性、炎癥或異物反應，其對PEEK基體的生物活性改善有顯著提高。

21世紀初期，Abu Bakar等采用熔融共混、擠出造粒、注塑成型的方法將微米球形HA添加到PEEK基體中，制備了PEEK/ μ -HA復合材料，并對不同HA含量的系列材料進行了測試。

經測試，含30%(體積分數) HA的PEEK復合材料的斷裂應變、彈性模量和拉伸強度與皮質骨相近，且具有較高的疲勞強度。但微結構分析發現PEEK與HA之間是很弱的機械結合,導致其在受到拉伸時，HA顆粒容易受集中應力從而導致從基體中剝離，引起基體變形。改善增強材料與基體PEEK間的界面鍵合強度成為研究的關鍵。

與微米球形HA相比，納米HA 具有更高的比表面積和更高的生物活性。Ma等采用相同的加工方式制備了一系列不同HA含量的復合材料，測試結果表明，材料的拉伸強度隨納米HA含量增加而降低，但彈性模量和壓縮強度呈先增加再降低的趨勢。

納米HA增加了材料的表面潤濕性和粗糙度，納米HA-PEEK復合材料組成骨細胞的黏附、鋪展、增殖、堿性磷酸酶(ALP)活性、鈣結節形成和成骨相關基因的表達均優于純PEEK組及超高分子量聚乙烯(UHMWPE)組。Invibio公司于2013年開發出了PEEK-OPTIMA?和羥基磷灰石的復合物“H強化型PEEK-OPTIM?聚合物”，該植入型生物材料獨特地整合了2種已經得到臨床驗證的先進生物材料，保證HA覆蓋植入物的全部表面，相比于PEEK-OPTIMA?，HA強化型PEEK-OPTIM?聚合物能夠使得新骨骼在6周內形成，并在6 ~12周內為新生骨骼高質量的附著于材料上提供一個更為適宜的環境。

HA強化型PEEK-OPTIM?聚合物在脊柱融合術中顯示出巨大潛力，該材料于2015年底在中國成功通過生物兼容性測試，并通過骨移植 26周測試，已在中國成功授權應用。

氟磷灰石(F-HA)比磷灰石更為穩定，氟磷灰石擁有較高的成骨活性，能夠促進骨細胞增殖和分化，具有更好的骨整合能力。且F-HA釋放的氟離子可以作為抗菌劑，抑制細菌感染，從而防止感染造成的植入失敗。

圖8所示為HA-PEEK復合材料的主要應用領域，包括應用于脊骨、關節、骨骼和多孔/微孔材料。

圖9所示為涉及HA-PEEK復合材料的主要申請人。圖中可見，在申請人方面，申請量最高的為日本的特殊陶業株式會社，相較于CFR-PEEK復合材料的申請人排名情況，HA-PEEK復合材料的主要申請人中，中國申請人更多，包括南寧越洋科技有限公司(以下簡稱“南寧越洋”)、上海交通大學、江蘇奧康尼醫療科技發展有限公司(以下簡稱“江蘇奧康 尼”)、清華大學和吉林大學，占據 5 席。

圖10所示為HA -PEEK復合材料全球專利的主要申請國家/地區布局。在申請國家方面，中國以較大優勢領先美國，而中美兩國仍然是領跑國家，相對其他國家/地區占有較大優勢。

圖11所示為HA-PEEK復合材料的技術功效分布，其反映了HA- PEEK復合材料改性的重點方向。從 HA-PEEK復合材料總體改進趨勢可以看出高穩定性、低復雜性、高強度、高相容性是本領域最主要的改進方向。

2007年，日本特殊陶業株式會社研發了一種生物-植入物 (JP2009061104A)，其力學性能接近于骨骼或牙齒的機械性能，并具有植入體內后與骨骼結合的功能，在表面具有多孔層的基材(PEEK)和通過聚集分布在基材的部分或全部表面上的生物活性物質(β -羥基磷灰石)的晶體形成的多個晶體聚集體。制造表面具有多孔層的基材的步驟包括將基材在含有至少3.75mmol鈣離子和至少 1.5mmol磷酸離子的水溶液中進行水熱處理。

2017年，南寧越洋科技有限公司研發了一種具有PLLA/nHA表面活性涂層的仿人工骨人工牙的制備方法(CN106178105A)，包括PEEK復合材仿人工骨人工牙坯的制備、PLLA/ nHA復合材料的制備和涂覆、表面降解處理 3個步驟，采用PEEK樹脂與玻璃纖維復合材料制作人工牙坯，將 PLLA/nHA復合材料牢固涂附在人工牙坯植入部分的表面上，再利用左旋聚乳酸比納米羥基磷灰石降解快的特點，使涂層表面的左旋聚乳酸降解掉一部分，讓涂層表面的納米羥基磷灰石微粒更多地裸露出來，更有利于骨誘導和骨結合。

該仿人工骨人工牙可充分發揮PEEK復合材料和PLLA/ nHA復合材料的優秀特性，楊氏彈性模量與人體骨相近，可以避免遮擋現象，涂層穩定性好，降解時間與骨的生長周期相符，可長期使用。

三、玻璃纖維增強PEEK復合材料

圖12所示為玻璃纖維增強PEEK 復合材料的主要應用領域，包括用于脊骨、植牙、骨骼、植入血管中的濾器、假體、支架等、關節以及多孔或微孔材料等。

圖13所示為涉及玻璃纖維增強PEEK復合材料的主要申請人，與前2種復合材料不同的是，涉及玻璃纖維增強PEEK復合材料的申請人中，申請量最高的為南寧越洋科技有限公司，但排名前 10的申請人中，也僅有 2個申請人為國內申請人，即南寧越洋科技有限公司和上海交通大學。

綜合對比前2種復合材料，上海交通大學均榜上有名，可以看出上海交通大學在針對PEE K改性的領域具有很強的研發實力。而涉及玻璃纖維增強PEE K復合材料的申請人中，排名前10的仍以國外申請人為主，其中包括A .M .surgical、柯惠有限合伙公司、賀利氏醫療有限公司、索爾維特殊聚合物美國有限責任公司。

圖 14所示為玻璃纖維增強PEEK 復合材料的技術功效分布。3種材料增強PEEK的總體趨勢可以看出高穩定性、低成本、高安全性始終是本領域的普遍追求，而對于玻璃纖維增強 PEEK復合材料，降低復雜性并提高強度是該領域重點改進方向。

2009年，英威寶(Invibio) 公司開發 了一種制PEEK-活性玻璃多孔植入材料的方法(相關專利 EP2300516A，US20110230590A1)，詳細過程為：選擇具有中等粘度的未填充PEEK(例如PEEK LT2)，將其在擠出機中熔化為流體態，然后與活性玻璃共混擠出成粒料(共混擠出時活性玻璃不熔)，將粒料注塑成材料塊，該材料塊可熔融加工成各種植入部件，最后選擇性除去活性玻璃。

該方法首次實現了PEEK與活性玻璃通過傳統的擠出機進行熔融共混，而在此之前的廣泛認知是PEEK無法與活性玻璃一起熔融處理，活性玻璃會與PEEK在熔化處理溫度下發生反應。擠出共混的方式使得PEEK與活性玻璃的復合更為簡便，而且更具有通用性，擠出形成的粒料可以方便的熔融加工成各種植入部件。

2016年，南寧越洋科技有限公司研發了一種用于修復骨缺損的高韌性超耐磨人工骨 (CN105816917A)，所述人工骨采用內外2層結構，其中內層為人工骨支架，采用PEEK樹脂制成，并加入鋇玻璃纖維和碳酸鈣晶須進行復合 ；所述人工骨支架外層包裹有一層增硬的生物活性玻璃陶瓷燒結形成的致密層，致密層表面還附有一層生物活性玻璃陶瓷形成的孔隙層。

由于生物活性玻璃陶瓷與骨的結合比羥基磷灰石強度高，PEEK樹脂與生物活性玻璃陶瓷的結合性也比碳纖維與羥基磷灰石之間的結合要好，人工骨既有足夠的力學性能，又有很好的生物相容性，其力學性能、生物相容性和骨結合強度均優于常規人工骨產品。

PEEK及其復合材料憑借其優異的綜合性能在生物醫用領域占有重要地位。國外現已有多家公司在醫用 PEEK材料領域占領了領先的地位，從前述內容中可以看出，國外公司對于PEEK醫用材料領域專利申請以及技術研發的重視，而國內在這一領域中的研究仍停留在實驗研究階段，缺少能夠實際投入應用的產品牌號以及醫用產品。

在技術發展方向方面，一方面，針對PEEK生物相容性、力學性能等方面的改性是今后的研究重點，另 一方面，隨著CAD/CAM數字加工和 3D打印技術的飛速發展，在不久的將來，勢必會使產品的制備更加的精確和便捷，這種發展趨勢將促進PEEK醫用材料的廣泛應用。

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參考資料：PEEK復合材料在醫用材料領域的研究進展，王遠等

原文始發于微信公眾號（艾邦醫用高分子）：PEEK復合材料在醫用材料領域的研究進展