剖析碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的植入性能

　　在治疗创伤性损伤和关键疾病时，骨科植入物是非常常见的一种手术方式。过去的几十年里，广泛使用的是金属植入物，其冰冷感以及负载产生的应力，给患者带来不好的体验，而如今更高性能的碳纤维增强聚醚醚酮骨科植入物正在慢慢取缔它，来看看碳纤维增强聚醚醚酮(CFRPEEK)在植入上的潜在优势。

　　医疗植入物能够给我们患者快速的改善现有身体状况，更为有效的进行身体恢复，过去主要是以金属元件来承载负荷，这种材质能够带来强度，保证其实际的安全性，但也有一定的负担，在机械磨损、产生应力导致骨质流失、植入部位强度变弱等多方面还存在瑕疵，这时候就需要更为接近真实骨质的材料。慢慢发展下来的新型的金属合金就是技术的升级，比如钴铬合金、钛合金植入物相比较下来，就能够减少应力屏蔽和骨吸收的问题出现。而本文说到的这种碳纤维增强聚醚醚酮材质相对来说就能够匹配出跟骨骼模量，则能够更好的应用到身体植入，避免出现上诉的问题。

　　常见假体的使用寿命最终是有限的，在置换的假体上就特别需要关注，因为机械磨损、无菌性松动、感染、不稳定和假体周围骨折是膝关节置换术翻修的原因。因此，很大一部分患者需要在初次手术后10 年内接受第二次膝关节置换术。因此，由创新材料CFPEEK制成的新型植入物正在被引入和评估，目的是提高植入物的存活率并减少修复手术的重要材料。

　　碳纤维增强聚醚醚酮复合材料

　　碳纤维增强聚醚醚酮复材提供了金属材料难以比拟的设计自由度，PEEK基体下的材料具有优秀的机械性和生物学相容性耐久性，并且不同于金属材料，在成像设备兼容，尤其是核磁共振成像，再通过碳纤维增强下，使得该材料的强度、刚度和冲击性能优异，能够媲美金属材料。

　　这种碳纤维增强聚醚醚酮复材聚合物产品，能够通过材料设计到产品布局，使得其弹性模量跟骨质非常接近，能够更有效的实现应力传递，同时能够满足植入物反复消毒的耐用性、韧性以及优异的生物相容性。智上新材料科技生产的CF PEEK复合材料中增强体纤维可以控制在55%-65%左右，能够提供更好的强度性能还能够通过内部的纤维方向来使得CFPEEK制品的性能跟我们的骨质相似。

　　上图是CFPEEK相对于常见金属植入材料的相对刚度性能。

　　身体的皮质骨刚度大约在15-20GPa,在CRPEEK中，应力方向是纤维轴向，那就可以通过多角度平面配资，在实际的后续层中进行一定的偏移，比如45°、90°，从而获得更加好的均衡性，能够使得CFPEEK复合材料的刚度与骨质相似，远胜于例如钛合金。

　　CFPEEK复合材料的一大优势在于它为医疗设备制造商提供了灵活的设计空间。纤维取向、浓度和成分，以及X射线造影剂的使用，都可以根据特定医疗设备应用的需求进行调整。例如，为了获得最大强度或刚度，纤维可以沿着平行于主应力的方向排列，纤维成分和浓度可以优化以达到期望的性能。另外，可以选择纤维成分、浓度和取向，使强度或刚度更接近人骨，并实现各向同性的机械性能。

　　CFPEEK复合材料在植入中还具有成像兼容性的显著优点，由于其放射透性，CFPEEK使得术后能够实现无伪影成像，并借助CT和X射线成像技术观察组织和骨骼生长修复情况。由于是非金属材质，CFPEEK复合材料也提供了近乎无伪影的MRI兼容性，从而清晰呈现临床研究图像。

　　那在检测的时候还需要看到植入物的情况，但由CFPEEK复合材料制成的零件通常具有放射透性，几乎无法通过X射线检测。就通过添加诸如钽丝之类的X射线散射材料，可以使植入物变得可见。可以看下图展示了一个固定骨折骨头的骨愈合板。可以看出，通过设计已对放射密度进行了定制，以便在尽量减少对骨折部位遮挡的同时可视化组件。重要的是，实现X射线可见性的同时也能保持清晰的MRI图像。

　　生物相容性、毒理学与灭菌

　　对于任何潜在的植入材料，考虑其生物相容性至关重要。CFPEEK复合材料不释放溶出物，因此不会影响患者的生命安全。PEEK聚合物已被全面验证并通过审批，用作长期植入材料。碳纤维作为植入材料增强组件在临床上已使用超过20年，未出现明显的与溶出物相关的生物不相容性反应。其碳纤维的毒理学特性已经充分明确。

　　此外对于植入材料来说，还需要确保材料不具备溶解性，能够在灭菌过程中不受损，整体的性能不发生变化。CFPEEK复合材料在经过高剂量伽马射线(最高达73 kGy)照射和多次蒸汽循环后，再进行机械性能和生物相容性测试的时候发现，CFPEEK具有抵抗灭菌的能力，其机械性能几乎不变。经过溶剂萃取后的细胞毒性研究和化学分析表明，该材料未释放出细胞毒性浓度的物质，在灭菌后被视为安全。也因此该材料也被列入美国FDA清单中。

　　CFPEEK材料在骨科植入物中的使用，它既能紧密匹配天然骨的模量，同时保持高强度、良好的抗疲劳性能和耐用性能，并与MRI、CT和X射线技术兼容。现如今CFPEEK材料以及在脊柱、髋关节、膝关节以及骨折固定中的假体部件中得以应用，极好的融合率能够进一步的减轻患者疼痛也改善着他们的生活质量。