聚醚醚酮(PEEK)是一種半晶態(tài)高性能聚合物材料，由于其穩(wěn)定的化學性能、高的結構強度和符合骨力學性能，已于2013年被美國食品和藥物管理局（FDA）納入骨科植入材料。目前PEEK材料已廣泛應用于骨科領域的機械支撐應用，如脊柱、胸椎、腰椎和頸椎、骨科和創(chuàng)傷植入物，被認為是未來最有希望取代鈦合金材料。
如何提高PEEK植入材料的生物安全性、生物相容性、成骨效果等生物活性，是進一步擴大該材料應用的重要突破。明尼蘇達橡塑集團秉持秉持把醫(yī)療創(chuàng)新更快帶入生活，即將參加2022medtec中國國際醫(yī)療器械展覽會，屆時我們將攜各種最新的醫(yī)療器械領域的創(chuàng)新技術和產品與大家現場溝通交流。
近日，了解到第四軍醫(yī)大學的郭征、李小康聯合北京大學的鄭玉鋒通過3D打印技術，在鎂金屬表面構建了多孔的聚醚醚酮（PEEK）支架，并通過體內外實驗共同驗證了該材料的促血管生成和成骨能力。相關論文“Magnesium surface-activated 3D printed porous PEEK scaffolds for in vivo osseointegration by promoting angiogenesis and osteogenesis”發(fā)表在Bioactive Materials雜志上。
1、本文的總體思路是通過熔融成型沉積技術制備3D打印多孔聚醚醚酮植入物，在其表面沉積聚多巴胺（PDA）涂層，并用PDA螯合生物活性鎂離子。作者設計了三個實驗組：純聚醚醚酮支架（PP）、PDA表面修飾聚醚醚酮支架（PPD）和PDA-mg2表面修飾聚醚醚酮支架（PPDM），并在每個實驗中進行比較。用MC3T3-E1和人臍靜脈內皮細胞評價peek多孔支架的生物毒性、成骨和血管生成。將該支架植入兔股骨髁內，評價該材料在體內修復骨缺損過程中的骨整合能力和生物活性
2、多孔peek支架3D打印技術研究作者對3D打印獲得的支架材料進行了力學測試，如孔隙率、孔徑、孔連通性、應力應變、壓縮模量等，證明其力學性能與松質骨相似（圖2）。然后通過掃描電鏡、原子力顯微鏡和水接觸角測試，發(fā)現各組支架的表面形貌沒有顯著差異，經PDA修飾后支架的親水性顯著提高。Mg2釋放實驗表明，該支架可以在兩周內連續(xù)釋放生物活性金屬離子。
圖1 多孔聚醚醚酮支架的表征和表面
3、多孔Ke支架的生物安全性和生物活性。其次，進行了材料的生物安全性和細胞粘附實驗。通過CCK-8細胞增殖實驗和流式細胞術檢測MC3T3-E1和HUVECs的凋亡，發(fā)現PDA和PDA-mg2修飾的支架可以促進細胞增殖，各組之間的凋亡水平沒有顯著差異，證明該材料沒有生物毒性。在細胞粘附實驗中，通過電鏡、纖維肌動蛋白和粘著蛋白的免疫熒光染色，發(fā)現修飾后的MC3T3-E1和HUVECs細胞的表面形態(tài)比未修飾材料的鋪展面積和粘附相關蛋白的表達量增加。本組實驗證明，Mg2和PDA表面修飾不會抑制細胞增殖或增加細胞凋亡率，并且可以改善細胞在PEEK材料表面的粘附。Mg2可促進MC3T3-E1細胞和HUVEC的增殖，并增加MC3T3-E1和HUVEC中vinculin蛋白的表達。
圖2 與多孔peek支架共培養(yǎng)的細胞增殖和凋亡
4、多孔peek支架的體外成骨作用。再次，進行了MC3T3-E1支架的成骨分化實驗。首先，在轉錄水平上，直接接觸共培養(yǎng)后，PPDM和PPD組中Runx2、col1和ALP基因的表達顯著上調，而間接接觸共培養(yǎng)PPDM組中Runx2、col1、ALP和OPN基因的表達與其他兩組相比上調。其次，灰度圖顯示，PPDM中col1、OPN、osterix和Runx2的相對蛋白表達水平高于其他兩組。最后，堿性磷酸酶和茜素紅染色顯示，PPDM組的ALP表達和礦化結節(jié)含量高于其他兩組。從那時起，作者證明該材料可以從成骨細胞形成的三個主要階段（成骨細胞粘附和增殖、成骨細胞分化和細胞外基質礦化）促進成骨細胞分化和礦化。
5、研究改性peek支架的體外血管生成作用，并進行HUVEC的遷移和血管生成實驗。細胞劃痕實驗和血管生成實驗表明，與其他樣品相比，PPDM組具有促進細胞遷移和血管生成的作用。在蛋白質水平實驗中，對血管標記物CD31和EMCN進行了westernblotting和免疫熒光染色實驗。發(fā)現PPDM相關蛋白的表達量明顯高于其他樣品。已證明PPDM有助于血管生成。
圖3：不同支架對血管內皮細胞遷移和血管生成的影響
6、改性聚醚醚酮支架的體內血管生成研究最終在動物實驗中驗證了PPDM支架的成骨和血管生成作用。從血管生成的角度來看，微CT顯示PPDM支架內的血管更加成熟和連續(xù)，PPDM組的bvv/tv、血管直徑和血管密度高于其他樣本。在硬組織切片的血管密度和血管直徑測量中也觀察到類似情況，但植入8周后PPDM組和PPD組之間的血管密度沒有顯著差異。
7、改性聚醚醚酮支架的體內成骨從體內骨整合實驗的角度來看，多孔聚醚醚酮支架中骨向內生長的三維重建結果表明，在植入的早期（4周），PPDM組的骨體積分數顯著高于其他組，12周后PPD和PPDM顯著高于PP組；雖然在植入早期，三組之間的小梁骨厚度沒有顯著差異，但12周后，PPDM組的厚度顯著高于其他組。硬組織切片顯示，在所有時間點，PPD組和PPDM組骨組織與植入物的接觸始終高于PP組。結合PPDM組的Mg2釋放曲線和體外血管生成，可以得出結論，PPDM組支架可以通過在植入后早期釋放鎂離子促進多孔peek支架中的血管生長。
圖4：各組多孔聚醚醚酮支架的體內骨整合
總之，作者證明了3D打印多孔peek結構并在其表面構建pda-mg2生物活性涂層是改善生物惰性材料生物相容性的簡單方法。含鎂生物活性涂層改性聚醚醚酮多孔支架具有良好的生物學功能，如促進細胞增殖和粘附、成骨分化和血管生成。在體內實驗中，PDA涂層顯著改善了多孔peek支架的界面骨結合能力，而鎂離子通過促進早期血管的向內生長增強了多孔peek支架的骨向內生長能力。該方法為聚醚醚酮材料的臨床應用提供了一種新方法。
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