利用低溫3D打印技術(shù)制備可控多孔的骨修復(fù)PEEK支架

來源：EngineeringForLife


聚醚醚酮 (PEEK) 作為一種流行的骨科植入物，通常被制造成分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)以提高成骨活性。然而，由于過高的加工溫度和不可控的繁瑣改性路線，應(yīng)用受到限制。為此，來自中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所的欒世方教授和中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的周光遠(yuǎn)教授設(shè)計(jì)了一種具有羧基的無定形聚芳醚酮（PAEK-COOH），通過低溫 3D 打印工藝可以制備分級(jí)可控的多孔支架。制備的PAEK-COOH支架呈現(xiàn)出從納米級(jí)到微米級(jí)的可控多孔結(jié)構(gòu)，其機(jī)械強(qiáng)度與骨小梁相當(dāng)。體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)表明支架具有良好的骨整合效果。相關(guān)工作以“Low-Temperature Printed Hierarchically Porous Induced-Biomineralization Polyaryletherketone Scaffold for Bone Tissue Engineering”于近期發(fā)表在《Adv. Healthcare Mater.》上。

1. PAEK-COOH支架的設(shè)計(jì)方案
作者通過親核取代縮聚反應(yīng)合成了具有羧基的無定形聚芳醚酮（PAEK-COOH），調(diào)整溶劑的量即可獲得不同濃度的生物墨水。通過低溫沉積建模（LDM）即可一步制造出 PAEK-COOH 的分級(jí)多孔支架。特別的，PAEK-COOH支架的上羧基可以通過靜電相互作用誘導(dǎo)HA的礦化從而加速體內(nèi)骨的形成。

圖1 分層多孔 PAEK-COOH 支架的制造和促骨形成的過程

2. PAEK-COOH支架的合成路線和可打印性驗(yàn)證
PAEK-COOH的合成路線如圖2所示。用于 3D 打印的生物墨水應(yīng)滿足可打印性，包括連續(xù)流動(dòng)性和機(jī)械穩(wěn)定性。這些特性可以通過生物墨水的流變性能驗(yàn)證，因此作者測(cè)試了生物墨水的流變特性。流變結(jié)果表明，生物墨水的濃度可以通過PAEK-COOH 濃度進(jìn)行改變實(shí)現(xiàn)剪切變稀行為，表明其具有很好的流動(dòng)性。同時(shí)，不同濃度的PAEK-COOH 也具有不同的孔結(jié)構(gòu)�；�于流變行為和孔隙結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn) 20% 的墨水濃度適合 3D 打印。

圖2 PAEK-COOH 的合成和生物墨水的可印刷性

3. PAEK-COOH支架的層次結(jié)構(gòu)
通過低溫沉積建模（LDM）可以制備任何形狀的設(shè)計(jì)多孔支架，并且可以在支架中找到兩種孔徑，一種是由 3D 建模軟件設(shè)計(jì)的大孔徑（數(shù)百微米），另一種是通過冷凍干燥過程形成的小孔徑（數(shù)百納米），如圖3所示。微CT掃描可以觀察到開放互連的孔隙結(jié)構(gòu)，這有利于營養(yǎng)物質(zhì)和活性因子運(yùn)輸?shù)街Ъ軆?nèi)部，促進(jìn)細(xì)胞向內(nèi)生長、血管化、和清除廢料。這種支架從宏觀到微觀尺度的多級(jí)孔隙度類似于骨小梁層次。

圖3 從宏觀到微觀尺度的 3D 打印多孔支架結(jié)構(gòu)

4. 兩種打印技術(shù)制備的支架的不同屬性
除低溫沉積建模外，作者還進(jìn)行了熔融沉積建模 (FDM)的支架設(shè)計(jì)對(duì)比，分別命名為LP和FP。SEM顯示了LP和FP支架之間的差異，AFM顯示了兩種支架的表面微觀結(jié)構(gòu)。LP支架表面的羧基提供了更低的接觸角，可以提供較大的比表面積供細(xì)胞粘附。此外，LP支架具有優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度和模量能夠更好的用作骨修復(fù)材料。

圖4 LP和FP支架的結(jié)構(gòu)和性能比較

5. 多納米多孔表面促進(jìn)細(xì)胞粘附
作者將 MC3T3-E1 細(xì)胞接種在不同的 3D 打印支架上，以評(píng)估不同表面對(duì)細(xì)胞行為的影響（圖5）。兩種支架上的細(xì)胞有著不同的狀態(tài)，LP 納米孔表面上的 MC3T3-E1 細(xì)胞就像登山者一樣，借助形成的納米級(jí)孔隙沿著支架纖維粘附和擴(kuò)散。CCK-8表明兩種支架均無細(xì)胞毒性，但具有納米級(jí)孔隙的 LP 支架上的活細(xì)胞的覆蓋的面積高于 FP，且LP 支架對(duì)細(xì)胞增殖有著更積極的影響。

圖5 納米多孔表面的LP支架可促進(jìn)細(xì)胞粘附

6. LP誘導(dǎo)的羥基磷灰石礦化
此部分主要探究了位于 PAEK-COOH 側(cè)鏈中的羧基對(duì) HA 礦化的影響。將兩種支架浸泡在模擬體液 (SBF) 中后，使用 X 射線光電子能譜 (XPS) 分析不同支架上的元素。研究結(jié)果表明，LP 支架上富集的羧基促進(jìn)了 SBF 中 HA 晶體的成核。之后利用SEM-EDS檢查HA沉積，可以發(fā)現(xiàn)LP支架表面形成了一層完整且均勻的HA晶體涂層。

圖6 使用MiH表皮電極用于腦電記錄

7. 支架在體內(nèi)的骨誘導(dǎo)能力
為了驗(yàn)證支架的骨誘導(dǎo)能力。作者將兩種支架置于骨缺損部位，分別收集和處理不同時(shí)間點(diǎn)的Micro-CT圖、組織學(xué)分析和生物力學(xué)測(cè)試。Micro-CT表明LP組中新形成的骨組織（紅色）比FP組更占優(yōu)勢(shì)，并且在LP支架周圍明顯觀察到致密的骨組織。組織學(xué)分析表明，LP組4周后新骨組織開始在支架表面生長，8周后在支架周圍形成大量新骨組織。相反，F(xiàn)P組的骨缺損區(qū)域是散在的局部未成熟編織骨。LP組的新骨面積明顯高于FP組，因此，LP支架因其優(yōu)異的成骨誘導(dǎo)能力，可有效促進(jìn)骨再生，在缺損區(qū)形成新骨組織更好的骨連接。

生物力學(xué)測(cè)試的結(jié)果顯示骨組織和兩個(gè)種植體之間的結(jié)合強(qiáng)度顯著不同。LP組表現(xiàn)出更高的推出力 (132 N)，從而意味著植入的支架和骨組織之間的機(jī)械互鎖水平更高，這是由于多孔表面比光滑表面具有更高的粘合強(qiáng)度。

圖7 體內(nèi)骨再生分析

綜上，本文利用低溫3D打印工藝成功制造了一種用于骨修復(fù)的分級(jí)多孔 PAEK-COOH支架。支架具有從納米級(jí)到微米級(jí)分級(jí)可控的微結(jié)構(gòu)，機(jī)械強(qiáng)度滿足骨小梁的承載要求。納米多孔表面可以促進(jìn)細(xì)胞粘附、擴(kuò)散、分化，提高成骨能力。由于帶電的羧基與體液中的離子之間的靜電吸引相互作用，支架有利于HA的礦化沉積。植入的LP支架呈現(xiàn)出更豐富的新形成的骨組織，以及更高的骨礦化度，表明LP支架在體內(nèi)具有更好的骨整合效果。同時(shí)作者表明，骨形成是一個(gè)復(fù)雜的過程，目前只考慮細(xì)胞行為和HA礦化的影響，而沒有討論其他因素，如免疫調(diào)節(jié)和血管生成潛力。此外，LP 支架可以修復(fù)的骨缺損的具體大小應(yīng)在未來的研究中確定，但PAEK-COOH支架的設(shè)計(jì)理念和方法仍具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

文章來源：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adhm.202200977