聚醚醚酮(PEEK)是一种半晶态高性能聚合物材料，由于其稳定的化学性能、高的结构强度和符合骨力学性能，已于2013年被美国食品和药物管理局（FDA）纳入骨科植入材料。目前PEEK材料已广泛应用于骨科领域的机械支撑应用，如脊柱、胸椎、腰椎和颈椎、骨科和创伤植入物，被认为是未来最有希望取代钛合金材料。
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，是进一步扩大该材料应用的重要突破。明尼苏达橡塑集团秉持秉持把医疗创新更快带入生活，即将参加2022medtec中国国际医疗器械展览会，届时我们将携各种最新的医疗器械领域的创新技术和产品与大家现场沟通交流。
近日，了解到第四军医大学的郭征、李小康联合北京大学的郑玉锋通过3D打印技术，在镁金属表面构建了多孔的聚醚醚酮（PEEK）支架，并通过体内外实验共同验证了该材料的促血管生成和成骨能力。相关论文“Magnesium surface-activated 3D printed porous PEEK scaffolds for in vivo osseointegration by promoting angiogenesis and osteogenesis”发表在Bioactive Materials杂志上。
1、本文的总体思路是通过熔融成型沉积技术制备3D打印多孔聚醚醚酮植入物，在其表面沉积聚多巴胺（PDA）涂层，并用PDA螯合生物活性镁离子。作者设计了三个实验组：纯聚醚醚酮支架（PP）、PDA表面修饰聚醚醚酮支架（PPD）和PDA-mg2表面修饰聚醚醚酮支架（PPDM），并在每个实验中进行比较。用MC3T3-E1和人脐静脉内皮细胞评价peek多孔支架的生物毒性、成骨和血管生成。将该支架植入兔股骨髁内，评价该材料在体内修复骨缺损过程中的骨整合能力和生物活性
2、多孔peek支架3D打印技术研究作者对3D打印获得的支架材料进行了力学测试，如孔隙率、孔径、孔连通性、应力应变、压缩模量等，证明其力学性能与松质骨相似（图2）。然后通过扫描电镜、原子力显微镜和水接触角测试，发现各组支架的表面形貌没有显著差异，经PDA修饰后支架的亲水性显著提高。Mg2释放实验表明，该支架可以在两周内连续释放生物活性金属离子。
图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，进行了材料的生物安全性和细胞粘附实验。通过CCK-8细胞增殖实验和流式细胞术检测MC3T3-E1和HUVECs的凋亡，发现PDA和PDA-mg2修饰的支架可以促进细胞增殖，各组之间的凋亡水平没有显著差异，证明该材料没有生物毒性。在细胞粘附实验中，通过电镜、纤维肌动蛋白和粘着蛋白的免疫荧光染色，发现修饰后的MC3T3-E1和HUVECs细胞的表面形态比未修饰材料的铺展面积和粘附相关蛋白的表达量增加。本组实验证明，Mg2和PDA表面修饰不会抑制细胞增殖或增加细胞凋亡率，并且可以改善细胞在PEEK材料表面的粘附。Mg2可促进MC3T3-E1细胞和HUVEC的增殖，并增加MC3T3-E1和HUVEC中vinculin蛋白的表达。
图2 与多孔peek支架共培养的细胞增殖和凋亡
4、多孔peek支架的体外成骨作用。再次，进行了MC3T3-E1支架的成骨分化实验。首先，在转录水平上，直接接触共培养后，PPDM和PPD组中Runx2、col1和ALP基因的表达显著上调，而间接接触共培养PPDM组中Runx2、col1、ALP和OPN基因的表达与其他两组相比上调。其次，灰度图显示，PPDM中col1、OPN、osterix和Runx2的相对蛋白表达水平高于其他两组。最后，碱性磷酸酶和茜素红染色显示，PPDM组的ALP表达和矿化结节含量高于其他两组。从那时起，作者证明该材料可以从成骨细胞形成的三个主要阶段（成骨细胞粘附和增殖、成骨细胞分化和细胞外基质矿化）促进成骨细胞分化和矿化。
5、研究改性peek支架的体外血管生成作用，并进行HUVEC的迁移和血管生成实验。细胞划痕实验和血管生成实验表明，与其他样品相比，PPDM组具有促进细胞迁移和血管生成的作用。在蛋白质水平实验中，对血管标记物CD31和EMCN进行了westernblotting和免疫荧光染色实验。发现PPDM相关蛋白的表达量明显高于其他样品。已证明PPDM有助于血管生成。
图3：不同支架对血管内皮细胞迁移和血管生成的影响
6、改性聚醚醚酮支架的体内血管生成研究最终在动物实验中验证了PPDM支架的成骨和血管生成作用。从血管生成的角度来看，微CT显示PPDM支架内的血管更加成熟和连续，PPDM组的bvv/tv、血管直径和血管密度高于其他样本。在硬组织切片的血管密度和血管直径测量中也观察到类似情况，但植入8周后PPDM组和PPD组之间的血管密度没有显著差异。
7、改性聚醚醚酮支架的体内成骨从体内骨整合实验的角度来看，多孔聚醚醚酮支架中骨向内生长的三维重建结果表明，在植入的早期（4周），PPDM组的骨体积分数显著高于其他组，12周后PPD和PPDM显著高于PP组；虽然在植入早期，三组之间的小梁骨厚度没有显著差异，但12周后，PPDM组的厚度显著高于其他组。硬组织切片显示，在所有时间点，PPD组和PPDM组骨组织与植入物的接触始终高于PP组。结合PPDM组的Mg2释放曲线和体外血管生成，可以得出结论，PPDM组支架可以通过在植入后早期释放镁离子促进多孔peek支架中的血管生长。
图4：各组多孔聚醚醚酮支架的体内骨整合
总之，作者证明了3D打印多孔peek结构并在其表面构建pda-mg2生物活性涂层是改善生物惰性材料生物相容性的简单方法。含镁生物活性涂层改性聚醚醚酮多孔支架具有良好的生物学功能，如促进细胞增殖和粘附、成骨分化和血管生成。在体内实验中，PDA涂层显著改善了多孔peek支架的界面骨结合能力，而镁离子通过促进早期血管的向内生长增强了多孔peek支架的骨向内生长能力。该方法为聚醚醚酮材料的临床应用提供了一种新方法。
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