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引言

聚醚醚酮（PEEK）是一种半结晶热塑性聚合物，具有良好的可加工性、化学稳定性、耐高温和非生物降解等特性，在骨损伤手术治疗中显示出极大的应用潜能。碳纤维增强PEEK复合材料（CF/PEEK）兼具PEEK的生物相容性与射线可透性，还拥有突出的力学性能和接近骨骼的力学模量，有望替代金属材料成为脊柱融合、关节置换和骨折治疗中更安全有效的新选择。

CF/PEEK植入材料面临生物活性不足的核心挑战：骨整合不佳和微生物侵入所导致的临床并发症，严重限制了其进一步实际应用。目前表面修饰策略主要包括化学接枝、生物分子涂层和无机离子改性3种，其中等离子浸没离子注入（PIII）操作简单、绿色环保，既保留基底机械性能，注入元素又不与基底产生界面层，是最具工业化前景的方法。文章基于东华大学张辉教授团队研究成果及上海市科委“科技创新行动计划”项目支持。

本研究以短碳纤维增强PEEK（SCF/PEEK）为基底，采用PIII技术构建锆/银（Zr/Ag）双离子功能涂层，具有以下创新：

（1）双元素协同设计：Zr促进骨整合与成骨分化，Ag发挥高效广谱抗菌作用，实现"促骨+抗菌"双功能一体化。

（2）力学性能优化：筛选出40%（质量分数）SCF含量时拉伸模量达17 GPa、弯曲模量达24 GPa，接近人体皮质骨模量（3～30 GPa），有效降低应力屏蔽效应。

（3）离子持续释放机制：Ag在7 d内释放总量达191 ng/mL，Zr促进Ag释放约两倍；Zr离子释放极低，保证长期安全性。

（4）表面亲水性显著提升：水接触角从101.1°降至68.6°，有利于细胞早期粘附铺展。

图1 不同SCF含量SCF/PEEK复合材料的弹性模量：(a) 拉伸模量；(b) 弯曲模量 (n=5)

Fig.1 The elastic modulus of SCF/PEEK composites with different SCF contents: (a) tensile modulus; (b) flexural modulus (n=5)

图2 原始 SCF/PEEK 及 Zr/Ag 修饰 SCF/PEEK 复合材料样品表面的 SEM 低倍和高倍图像

Fig.2 Low and high magnification SEM images of the surfaces of original SCF/PEEK and Zr/Ag modified SCF/PEEK composite material samples

图3 (a) Zr/Ag 修饰 SCF/PEEK 复合材料的 XPS 谱图; (b)、(c) 不同样品的 Ag 3d 分峰拟合图; (d)、(e) 不同样品的 Zr 3d 分峰拟合图

Fig.3 (a) XPS spectra of Zr/Ag modified SCF/PEEK composites; (b),(c) Ag 3d peak fitting plots for different samples; (d),(e) Zr 3d peak fitting plots for different samples

图4 从 Zr/Ag 修饰 SCF/PEEK 复合材料样品中释放的离子浓度：(a) Ag⁺；(b) Zr⁴⁺

Fig.4 Ion concentrations released from SCF/PEEK composite material samples modified with Zr/Ag: (a) Ag⁺; (b) Zr⁴⁺

图8 不同样品表面培养 MC3T3-E1 的ALP活性：(a) ALP 染色图片；(b) ALP 定量分析结果 (n=4)

Fig.8 ALP activity of MC3T3-E1 cultured on different sample surfaces: (a) ALP staining images; (b) quantitative analysis results of ALP (n=4)

4、结论

（1）SCF的加入显著提升了复合基材的力学性能，40%（质量分数）SCF时模量最优，适配人体皮质骨要求，有效发挥力学承载作用。

（2）Zr/Ag双离子成功负载形成致密涂层，Ag实现持续释放（7 d 191 ng/mL），Zr显著改善亲水性（接触角降至25.4°），为骨整合创造有利表面环境。

（3）MC3T3-E1细胞在改性材料上正常增殖，Zr修饰组ALP活性最高，表明Zr有效促进早期成骨分化；Zr/Ag共注入组对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑菌率分别高达99.9%和99.5%，展现优异抗菌性能。

综上，Zr/Ag修饰SCF/PEEK复合材料兼具良好细胞相容性与强效抗菌活性，为骨科植入材料的长期使用和骨损伤治愈提供了新思路。

文章发表于《功能材料》2026年第57卷第5期，欢迎引用本文：    

鲁俊杰,张宪明,蒋帅琪,等.锆/银修饰SCF/PEEK热塑性复合材料制备及结构与性能研究[J].功能材料,2026,57(5):126-134.

LU J J,ZHANG X M,JIANG S Q,et al.Preparation, structure, and properties of zirconium/silver modified SCF/PEEK thermoplastic composites[J].Journal of functional materials,2026,57(5):126-134.