兰州大学范增杰/赵媛AFM：通过仿生牙周韧带纤维水凝胶表面修饰提高3D打印PEEK植入物的骨整合潜力！

聚醚醚酮(PEEK)的生物惯性、不良抗菌性能和弱骨整合限制了其作为口腔植入物的临床应用。在这项研究中，兰州大学范增杰/赵媛开发了一种个性化和可定制的PEEK植入物，通过顺序3D打印、表面磺化(SPEEK)和使用含有辛伐他汀-头孢皮胺(SIM-CFP)的丙烯酸酰胺(AA-AM)组成的药物加载光固化水凝胶进行修饰，具有多功能功能。改良的植入物被称为SCHSPEEK，模仿仿生牙周韧带(PDL)纤维的结构。系统地研究了SCHSPEEK的体外和体内化学成分、表面特性和生物特性。结果表明，水凝胶改性不仅提高了亲水性，降低了表面粗糙度和摩擦系数，还提高了生物相容性、药物释放和抗菌功效。重要的是，SCHSPEEK在体内骨整合能力显著提高。这些发现凸显了SCHSPEEK植入物在临床环境中作为有前途的骨科和牙科植入物的潜力。该研究以题为“Improving Osseointegration Potential of 3D Printed PEEK Implants with Biomimetic Periodontal Ligament Fiber Hydrogel Surface Modifications”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。

该研究的目标是解决与PEEK植入物相关的生物惰性、不良抗菌性能和弱骨整合等问题。为了实现这一目标，采用了定制的方法来开发仿生PDL纤维PEEK植入物。这种方法涉及利用随后的3D打印、磺化处理和药物加载水凝胶表面改性的熔沉积建模(FDM)技术。由此产生的植入物名为SCHSPEEK(SIM-CFP负载水凝胶改性磺化PEEK)，进行了广泛的表征，以评估其物理化学特性、抗菌能力、生物相容性、摩擦学特性和骨整合能力。研究结果表明，用仿生PDL纤维水凝胶修饰的3D打印PEEK植入物表现出优异的抗菌和抗炎特性，以及卓越的骨整合和应激分散能力。

图1. SCHSPEEK植入物制备步骤的示意图及应用

【SCHSPEEK的表面物理化学表征】

SCHSPEEK的制备过程涉及几个步骤，包括FDM 3D打印，浓缩硫酸磺化处理，以及PEEK表面丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)的UV光诱导接枝共聚，以形成聚(丙烯酰胺-共丙烯酸)共聚物，并将SIM-CFP药物加载到水凝胶中。磺化处理后，PEEK的表面表现出不均匀的微米甚至纳米级蜂窝孔，这些毛孔为水凝胶生长提供了有利的环境，从而增加了水凝胶和PEEK之间的接触面积。这反过来又增强了两者之间的粘合力。水凝胶和PEEK的组合类似于PDL纤维和天然牙根之间的组合，有效地分散了咬合应激，降低了口腔植入物的骨折风险。

图 2. SCHSPEEK的表面物理化学表征

除了观察表面形态外，该研究还系统地表征了SCHSPEEK的物理化学和摩擦学特性。PEEK的疏水性是阻止其临床应用的主要限制之一。该研究使用磺化处理和表面水凝胶改性来改善这一缺点。PEEK的WCA为98°，这证明了其疏水性。SPEEK的引入将WCA降低到71°，表明砜化处理可以增强PEEK表面的亲水性。在用仿生PDL纤维水凝胶进一步修饰后，SCHSPEEK的WCA几乎消失了，证明了表面的完全亲水性。SCHSPEEK的这种特殊特性有助于降低口腔植入物的摩擦系数，最终降低植入物的旋入压力，并减少对肺泡骨组织的应力损伤。

为了确保植入材料的成功实施，优异的润滑性能至关重要。在2 N负载下，在2 mm s^-1下，用血清润滑测试了PEEK、SPEEK和SCHSPEEK基团的动态摩擦系数曲线。经过10分钟的摩擦循环后，SPEEK组的摩擦系数从0.11逐渐下降到0.1，而SCHSPEEK组的摩擦系数从0.01逐渐下降到0.008。与SCHSPEEK相比，PEEK和SPEEK样品的摩擦曲线表现出粗糙和非光滑的特征，峰值在测试启动后不久就出现了。这可以归因于PEEK和SPEEK的劣质润滑效应，这是由表面粗糙度和表面砜化处理引起的。另一方面，加入聚(丙烯酰胺-共丙烯酸)水凝胶有效地降低了表面粗糙度，并产生了类似于天然关节软骨的双相润滑机制。因此，SCHSPEEK的摩擦系数随着时间的推移逐渐下降。SCHSPEEK中很大一部分负载由液相承担，这有效地减少了与摩擦相关的能耗，并最大限度地减少了植入过程中的创伤。

图3. PEEK样品的表征

【细胞相容性评估】

植入物在人体中的生物相容性是其安全应用的关键因素，可以使用MTT方法进行评估。证实了SCHSPEEK的良好细胞相容性及其作为新型口腔植入物的潜力。生物材料相关感染和细菌引起的复发性感染综合征是植入后最常见的并发症之一。然而，细菌感染通常是由于植入物和骨组织之间界面的局部免疫损伤而发生的，例如基于PEEK的假体，这增加了植入物对细菌的敏感性。在这项研究中，利用CFP来提高PEEK植入物的抗菌性能。通过板菌落计数量化了抗菌效果。与其他实验组相比，SCHSPEEK样本对大肠杆菌和麢发杆菌的抗菌能力显著增强，显示出出色的抗菌效果。抗菌活性遵循以下顺序：SCHSPEEK > HSPEEK > SPEEK > PEEK。SPEEK和HSPEEK组的菌落数量略有减少，这可以归因于磺化PEEK表面的抗菌能力的提高。由于药物的药理作用，在SCHSPEEK中使用CFP显著增强了其抗菌性能。这种CFP的加速释放在植入的早期阶段有效地抑制了细菌的增殖，为稳定的定殖创造了一个无细菌的环境，并促进了最佳的骨整合。尽管CFP的释放率很快，但与其他实验组相比，SCHSPEEK在3天后仍然对大肠杆菌和天窦斯保持卓越的抗菌效果。这可以归因于共培养过程中水凝胶中CFP的持续释放阶段，该阶段继续发挥其抗菌作用。体外抗菌实验表明，SCHSPEEK可以有效抑制植入物周围的细菌增殖，确保早期植入的无菌条件，并降低感染风险。

图4. 细胞相容性评估

【SCHSPEEK的体内评估】

植入物放置有效性的评估在很大程度上取决于骨组织对植入物的体内反应。在这项研究中，SCHSPEEK植入物被植入兔股骨中，为期8周，以评估其骨整合能力。随后进行了微CT分析。图像显示，与其他组相比，SCHSPEEK组在封装植入物时表现出更高程度的新骨形成。SCHSPEEK小组展示了新骨形成的最实质性区域，表明其卓越的体内骨再生能力。SCHSPEEK的卓越能力可以归功于水凝胶促进的SIM的控制和可持续释放。这种突发释放在短时间内提供了有效的药物浓度，而随后的较慢释放有助于保持持续的药物浓度，从而延长了促进新骨骼形成的作用持续时间。最近的研究表明，SIM(生长因子)对骨骼有显著的合成代谢作用。先前的研究证实，SIM通过抑制小GTP酶蛋白的预化来增加BMP-2的表达并抑制破骨细胞。SIM还通过下调酒石酸盐抗性磷酸酶的表达来减少破骨细胞生成的形成，从而抑制破骨细胞前体细胞的分化。此外，SIM增强了血管内皮生长因子(VEGF)的表达，通过促进血管内皮细胞的增殖和分化来促进骨缺损区域的血管生成。SIM还快速激活Akt蛋白激酶，增强内皮祖细胞(EPC)的增殖、迁移和存活，从而促进血管生成。

图 5. SCHSPEEK的体内评估

随后，使用组织学染色来评估植入物周围炎症和新骨形成。结果显示，PEEK植入物的周围组织中有少量炎症细胞浸润。相比之下，在SCHSPEEK植入物的周围组织中没有观察到炎症细胞浸润，这表明SCHSPEEK植入物由于其抗菌特性可以减少炎症反应，正如抗菌实验所证实的那样。与PEEK植入物相比，HSPEEK植入物的表面表现出更多的新骨形成，在植入的骨髓腔区域可以观察到骨组织形成。这可以归因于磺化后PEEK的成骨效应，这略微促进了新骨的形成。然而，在SCHSPEEK植入物周围观察到大量新的骨形成，在植入的骨髓腔中观察到大量骨组织结构。这表明SCHSPEEK植入物材料显著改善了植入物的骨整合，并促进了植入物周围新骨的形成。重要的是，新形成的骨头牢牢地固定在SCHSPEEK表面，并沿着整个植入界面延伸，表现出最多的新再生骨。因此，组织学染色结果表明，SCHSPEEK植入物能够缓解炎症并诱导新的骨形成，从而促进骨整合。

图 6. 体内新骨形成研究

【植入面积的3D有限元分析】

使用三维有限元法来模拟和分析PEEK和SCHSPEEK植入物的应力分布，进一步验证仿生PDL在驱散应力方面的影响。可以得出结论，SCHSPEEK植入物表现出卓越的应力和应变分布，有效地减少了周围骨组织的应力屏蔽，避免了应力集中，从而最大限度地减少了对骨组织的损害。

图 7. 植入面积的3D有限元分析

【小结】

该研究发现PEEK植入物，当装入SIM-CFP并用仿生牙周纤维水凝胶处理时，表现出出色的抗菌和成骨能力。该3D打印PEEK植入物，加上简单的表面涂层处理，展示了生物功能PEEK植入物的有希望的临床潜力。3D打印PEEK植入物上的仿生水凝胶纤维修饰极大地增强了其表面性能、生物相容性和与骨骼的整合，有效地促进了骨缺陷修复。此外，CFP的加入可以降低全身毒性和抗生素耐药性，同时增强植入物的局部抗炎和抗菌作用。因此，这种3D打印的聚醚醚酮植入物，用仿生牙周纤维水凝胶修饰，非常适合口腔植入学/骨科应用，并在临床实践中很有希望。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202308811