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(xué)性能、高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和符合骨力學(xué)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(yīng)用于骨科領(lǐng)域的機(jī)械支撐應(yīng)用，如脊柱、胸椎、腰椎和頸椎、骨科和創(chuàng)傷植入物，被認(rèn)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(jìn)一步擴(kuò)大該材料應(yīng)用的重要突破。明尼蘇達(dá)橡塑集團(tuán)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(huì)，屆時(shí)我們將攜各種最新的醫(yī)療器械領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)和產(chǎn)品與大家現(xiàn)場溝通交流。
近日，了解到第四軍醫(yī)大學(xué)的郭征、李小康聯(lián)合北京大學(xué)的鄭玉鋒通過3D打印技術(shù)，在鎂金屬表面構(gòu)建了多孔的聚醚醚酮（PEEK）支架，并通過體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)共同驗(yàn)證了該材料的促血管生成和成骨能力。相關(guān)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(shù)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(shè)計(jì)了三個(gè)實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行比較。用MC3T3-E1和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞評價(jià)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(nèi)，評價(jià)該材料在體內(nèi)修復(fù)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(shù)研究作者對3D打印獲得的支架材料進(jìn)行了力學(xué)測試，如孔隙率、孔徑、孔連通性、應(yīng)力應(yīng)變、壓縮模量等，證明其力學(xué)性能與松質(zhì)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(xiàn)各組支架的表面形貌沒有顯著差異，經(jīng)PDA修飾后支架的親水性顯著提高。Mg2釋放實(shí)驗(yàn)表明，該支架可以在兩周內(nèi)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(jìn)行了材料的生物安全性和細(xì)胞粘附實(shí)驗(yàn)。通過CCK-8細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)和流式細(xì)胞術(shù)檢測MC3T3-E1和HUVECs的凋亡，發(fā)現(xiàn)PDA和PDA-mg2修飾的支架可以促進(jìn)細(xì)胞增殖，各組之間的凋亡水平?jīng)]有顯著差異，證明該材料沒有生物毒性。在細(xì)胞粘附實(shí)驗(yàn)中，通過電鏡、纖維肌動(dòng)蛋白和粘著蛋白的免疫熒光染色，發(fā)現(xiàn)修飾后的MC3T3-E1和HUVECs細(xì)胞的表面形態(tài)比未修飾材料的鋪展面積和粘附相關(guān)蛋白的表達(dá)量增加。本組實(shí)驗(yàn)證明，Mg2和PDA表面修飾不會(huì)抑制細(xì)胞增殖或增加細(xì)胞凋亡率，并且可以改善細(xì)胞在PEEK材料表面的粘附。Mg2可促進(jìn)MC3T3-E1細(xì)胞和HUVEC的增殖，并增加MC3T3-E1和HUVEC中vinculin蛋白的表達(dá)。
圖2 與多孔peek支架共培養(yǎng)的細(xì)胞增殖和凋亡
4、多孔peek支架的體外成骨作用。再次，進(jìn)行了MC3T3-E1支架的成骨分化實(shí)驗(yàn)。首先，在轉(zhuǎn)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(dá)顯著上調(diào)，而間接接觸共培養(yǎng)PPDM組中Runx2、col1、ALP和OPN基因的表達(dá)與其他兩組相比上調(diào)。其次，灰度圖顯示，PPDM中col1、OPN、osterix和Runx2的相對蛋白表達(dá)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(dá)和礦化結(jié)節(jié)含量高于其他兩組。從那時(shí)起，作者證明該材料可以從成骨細(xì)胞形成的三個(gè)主要階段（成骨細(xì)胞粘附和增殖、成骨細(xì)胞分化和細(xì)胞外基質(zhì)礦化）促進(jìn)成骨細(xì)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(jìn)行HUVEC的遷移和血管生成實(shí)驗(yàn)。細(xì)胞劃痕實(shí)驗(yàn)和血管生成實(shí)驗(yàn)表明，與其他樣品相比，PPDM組具有促進(jìn)細(xì)胞遷移和血管生成的作用。在蛋白質(zhì)水平實(shí)驗(yàn)中，對血管標(biāo)記物CD31和EMCN進(jìn)行了westernblotting和免疫熒光染色實(shí)驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)PPDM相關(guān)蛋白的表達(dá)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(nèi)皮細(xì)胞遷移和血管生成的影響
6、改性聚醚醚酮支架的體內(nèi)血管生成研究最終在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)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(nèi)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(nèi)成骨從體內(nèi)骨整合實(shí)驗(yàn)的角度來看，多孔聚醚醚酮支架中骨向內(nèi)生長的三維重建結(jié)果表明，在植入的早期（4周），PPDM組的骨體積分?jǐn)?shù)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(shí)間點(diǎn)，PPD組和PPDM組骨組織與植入物的接觸始終高于PP組。結(jié)合PPDM組的Mg2釋放曲線和體外血管生成，可以得出結(jié)論，PPDM組支架可以通過在植入后早期釋放鎂離子促進(jìn)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(nèi)骨整合
總之，作者證明了3D打印多孔peek結(jié)構(gòu)并在其表面構(gòu)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(xué)功能，如促進(jìn)細(xì)胞增殖和粘附、成骨分化和血管生成。在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，PDA涂層顯著改善了多孔peek支架的界面骨結(jié)合能力，而鎂離子通過促進(jìn)早期血管的向內(nèi)生長增強(qiáng)了多孔peek支架的骨向內(nèi)生長能力。該方法為聚醚醚酮材料的臨床應(yīng)用提供了一種新方法。
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