碳纤维增强聚醚醚酮复合材料作为植入材料的机械性能与细胞毒性解读

　　近年来，随着生物医用材料的发展，碳纤维增强聚醚醚酮(CFR-PEEK)复合材料因其优异的力学性能和生物相容性，逐渐成为骨科和牙科植入物领域的研究热点。PEEK本身具有优良的化学稳定性和生物相容性，但是其机械强度相对较低，限制了其在某些高应力环境下的应用。通过加入碳纤维(CF)，不仅可以大幅提高PEEK的机械性能，还能使其弹性模量与人骨更为匹配，从而减轻因应力屏蔽效应导致的骨质吸收等问题。本文就来探讨CF-PEEK复合材料作为植入材料时的机械性能与细胞毒性。

　　机械性能的提升

　　碳纤维作为一种高性能的增强材料，其在PEEK基体中的引入显著提升了复合材料的机械性能，从上图来看。当碳纤维含量增加时，CF-PEEK复合材料的力学性能随之提高。如含有30%碳纤维的CFR-PEEK复合材料，其硬度和模量均大于纯PEEK。特别值得一提的是，65%碳纤维含量的CFR-PEEK复合材料，其横向压缩强度达到了185.69 MPa，接近人骨的压缩强度(约208.2 MPa)，远高于纯PEEK的136.9 MPa。这表明通过调整碳纤维的含量，可以有效改变复合材料的力学性能，使之更适合于作为骨科植入物使用。

　　弹性模量匹配

　　弹性模量的匹配对于植入材料来说也非常重要。如果植入物的弹性模量与周围骨骼相差太大，则可能会引发应力屏蔽效应，导致骨质吸收。CF-PEEK复合材料的弹性模量能够很好地匹配人骨的弹性模量，这对于减轻植入物周围骨质吸收问题非常有利。在不断的科研中发现含有25%碳纤维的CF-PEEK复合材料(25CF-PEEK)，其弯曲强度为264.6 ± 15.7 MPa，弯曲模量为9.4 ± 1.1 MPa，这些值与人皮质骨的弯曲强度(约225.0 MPa)和弹性模量(6-30 MPa)非常接近。

　　细胞毒性评估

　　除了力学性能织物，CF-PEEK复合材料的细胞毒性也是评估其作为植入材料可行性的重要因素。无论是短切碳纤维还是长碳纤维增强的PEEK复合材料，其细胞毒性水平都非常低，属于轻微毒性。细胞存活率在75%-100%之间，这表明PEEK及CF-PEEK复合材料具有良好的生物相容性。在进行倒置荧光显微镜观察到的细胞形态也证实了这一点：在培养1天、3天、5天和7天后，细胞仍然保持着饱满的状态，没有明显的萎缩或死亡现象。

　　短期来看，添加碳纤维会略微增加细胞毒性(其他材料也有该情况，这里可以查看对应的材质细胞毒性研究报告)，但长期影响几乎可以忽略不计。这是由于碳纤维碎片在复合材料表面容易进入提取液中，从而影响细胞生长。然而，随着时间的推移，细胞的增殖并不受明显影响。这也说明了CF-PEEK复合材料在植入体内后不会对细胞造成持续的危害。

　　碳纤维增强聚醚醚酮复合材料作为一种新型的植入材料，其在机械性能上的显著提升以及与人骨相近的弹性模量，使其在临床应用中展现出巨大的潜力。此外，CF-PEEK复合材料的细胞毒性水平低，具有良好的生物相容性，这使得它成为一种理想的骨科和牙科植入物材料。作为国内自主完成CF/PEEK的智上新材料在跟行业客户深度探讨之后，将进一步探索如何通过优化碳纤维含量和改善碳纤维与PEEK基体之间的界面结合，来进一步提升CFR-PEEK复合材料的综合性能，以满足更多高要求的医疗应用。