硅氮化物纳米线-垂直碳纳米管/羟基磷灰石互锁网络增强聚醚醚酮复合材料在髋关节置换中的应用

针对聚醚醚酮(PEEK)在承重骨应用中机械稳定性和生物活性不足的问题，研究人员通过构建硅氮化物纳米线(SN)-垂直碳纳米管(V-CNT)/羟基磷灰石(HA)互锁网络(V-SCNT/HA)，显著提升PEEK复合材料的力学性能（拉伸强度提高194.17%）和生物摩擦学性能（摩擦系数降低70%），同时兼具优异骨整合能力，为髋关节置换材料开发提供新策略。

　　

研究背景与意义
髋关节损伤治疗面临巨大挑战，而传统聚醚醚酮(PEEK)植入材料因机械强度不足、生物活性差和摩擦磨损性能不佳，难以满足承重要求。尽管PEEK具有优异生物相容性，但其表面惰性导致骨整合能力弱，且熔融共混法添加生物活性填料易引发团聚问题。如何通过结构设计同步提升力学性能、耐磨性和成骨活性，成为骨科材料研究的核心难题。

西北工业大学的研究团队创新性地提出"互锁网络增强"策略，通过将垂直排列碳纳米管(V-CNT)与羟基磷灰石(HA)纳米片集成在硅氮化物纳米线(SN)骨架上，构建三维互锁网络结构(V-SCNT/HA)，并以此增强PEEK基体。该研究突破传统填料分散技术瓶颈，实现材料性能的协同优化，相关成果发表于《Polymer》。

关键技术方法
采用注射生长法在SN表面垂直生长V-CNT（对比组为弯曲CNT/C-CNT），通过脉冲电沉积在V-SCNT网络中原位生成HA纳米片，最终通过熔融共混将互锁网络嵌入PEEK基体。实验涉及结构表征（SEM/TEM）、力学测试（拉伸/硬度/模量）、摩擦磨损分析和细胞相容性评价。

研究结果

1. 结构调控机制
   V-CNT以90°角均匀锚定在SN表面，形成羽毛状拓扑结构（图2a-b），其垂直取向有效引导HA纳米片互锁生长，形成多孔网络；而C-CNT组HA呈现无序堆积。XRD证实V-SCNT/HA中HA的(002)晶面择优取向，结晶度提升37.6%。

2. 力学性能突破
   V-SCNT/HA-PK的拉伸强度达158 MPa（较C-SCNT/HA-PK提高194.17%），弹性模量提升113.32%。纳米压痕测试显示硬度提高113.04%，归因于V-CNT的应力传递效率和HA纳米片的裂纹偏转作用。

3. 生物摩擦学优化
   髋关节模拟试验表明，V-SCNT/HA-PK摩擦系数仅0.09，磨损率低至0.85×10^?14 m³(N·m)^?1，较对照组降低60.09%。SEM显示其磨损表面形成连续转移膜，而C-CNT组出现明显剥落坑。

4. 生物活性验证
   MG63细胞在V-SCNT/HA-PK表面增殖率提高2.3倍，ALP活性增强178%。动物实验显示植入4周后新骨形成量是对照组的2.7倍，证实其优异骨诱导性。

结论与展望
该研究通过V-SCNT/HA互锁网络设计，实现PEEK复合材料"力学-摩擦-生物"三重性能协同提升：①垂直CNT拓扑结构优化HA结晶取向与界面结合；②三维网络促进PEEK基体渗透，避免应力集中；③HA纳米片提供生物活性位点。这种"结构-性能"调控范式为新一代骨科植入物开发提供理论依据，尤其适用于高载荷髋关节假体。未来可通过调控CNT密度与HA结晶度进一步优化性能，推动临床转化。