近年來，隨著生物醫用材料的發展，碳纖維增強聚醚醚酮(CFR-PEEK)復合材料因其優異的力學性能和生物相容性，逐漸成為骨科和牙科植入物領域的研究熱點。PEEK本身具有優良的化學穩定性和生物相容性，但是其機械強度相對較低，限制了其在某些高應力環境下的應用。通過加入碳纖維(CF)，不僅可以大幅提高PEEK的機械性能，還能使其彈性模量與人骨更為匹配，從而減輕因應力屏蔽效應導致的骨質吸收等問題。本文就來探討CF-PEEK復合材料作為植入材料時的機械性能與細胞毒性。
機械性能的提升
碳纖維作為一種高性能的增強材料，其在PEEK基體中的引入顯著提升了復合材料的機械性能，這里從下圖來看。當碳纖維含量增加時，CF-PEEK復合材料的力學性能隨之提高。如含有30%碳纖維的CFR-PEEK復合材料，其硬度和模量均大于純PEEK。特別值得一提的是，65%碳纖維含量的CFR-PEEK復合材料，其橫向壓縮強度達到了185.69 MPa，接近人骨的壓縮強度(約208.2 MPa)，遠高于純PEEK的136.9 MPa。這表明通過調整碳纖維的含量，可以有效改變復合材料的力學性能，使之更適合于作為骨科植入物使用。
彈性模量匹配
彈性模量的匹配對于植入材料來說也非常重要。如果植入物的彈性模量與周圍骨骼相差太大，則可能會引發應力屏蔽效應，導致骨質吸收。CF-PEEK復合材料的彈性模量能夠很好地匹配人骨的彈性模量，這對于減輕植入物周圍骨質吸收問題非常有利。在不斷的科研中發現含有25%碳纖維的CF-PEEK復合材料(25CF-PEEK)，其彎曲強度為264.6 ± 15.7 MPa，彎曲模量為9.4 ± 1.1 MPa，這些值與人皮質骨的彎曲強度(約225.0 MPa)和彈性模量(6-30 MPa)非常接近。
細胞毒性評估
除了力學性能織物，CF-PEEK復合材料的細胞毒性也是評估其作為植入材料可行性的重要因素。無論是短切碳纖維還是長碳纖維增強的PEEK復合材料，其細胞毒性水平都非常低，屬于輕微毒性。細胞存活率在75%-100%之間，這表明PEEK及CF-PEEK復合材料具有良好的生物相容性。在進行倒置熒光顯微鏡觀察到的細胞形態也證實了這一點：在培養1天、3天、5天和7天后，細胞仍然保持著飽滿的狀態，沒有明顯的萎縮或死亡現象。
短期來看，添加碳纖維會略微增加細胞毒性(其他材料也有該情況，這里可以查看對應的材質細胞毒性研究報告)，但長期影響幾乎可以忽略不計。這是由于碳纖維碎片在復合材料表面容易進入提取液中，從而影響細胞生長。然而，隨著時間的推移，細胞的增殖并不受明顯影響。這也說明了CF-PEEK復合材料在植入體內后不會對細胞造成持續的危害。
碳纖維增強聚醚醚酮復合材料作為一種新型的植入材料，其在機械性能上的顯著提升以及與人骨相近的彈性模量，使其在臨床應用中展現出巨大的潛力。此外，CF-PEEK復合材料的細胞毒性水平低，具有良好的生物相容性，這使得它成為一種理想的骨科和牙科植入物材料。作為國內自主完成CF/PEEK的智上新材料在跟行業客戶深度探討之后，將進一步探索如何通過優化碳纖維含量和改善碳纖維與PEEK基體之間的界面結合，來進一步提升CFR-PEEK復合材料的綜合性能，以滿足更多高要求的醫療應用。
