利用鈦涂層增強3D打印PEEK植入物的生物活性

供稿人:蘇艷文，賀健康

聚醚醚酮(PEEK)被認為是最有潛力代替金屬材料的骨科植入材料之一。聚醚醚酮具有與皮質(zhì)骨接近的機械性能，可以減少應力屏蔽。基于PEEK材料的熱塑性，很多學者考慮用材料擠出（FDM）和粉末燒結(jié)（SLS）的方法來制備PEEK樣件。但具有生物惰性的聚醚醚酮表面不利于植入物表面的細胞黏附、與周圍組織的骨整合，限制了PEEK骨植入物的應用。

韓國工業(yè)技術(shù)研究院的研究人員結(jié)合FDM和直流磁控濺射方法在3D打印的PEEK植入物表面制備了Ti涂層，以增強聚醚醚酮表面的生物活性。表征了不同PEEK樣品（機加工PEEK、機加工PEEK+鈦涂層、3D打印PEEK、3D打印PEEK+鈦涂層）的表面形貌和表面接觸角。通過體外和體內(nèi)實驗，證實鈦包覆聚醚醚酮植入體功能化表面在細胞附著、增殖、分化和骨再生等方面的整體增強作用。

圖1.不同PEEK樣品（MP、MPT、3DP、3DPT）表面形貌和表面接觸角:（A）機加工PEEK樣品的（MP）表面形貌；（B）機加工PEEK+鈦涂層樣品的（MPT）表面形貌；（C）3D打印PEEK樣品的（3DP）表面形貌；（D）3D打印PEEK+鈦涂層樣品的（3DPT）表面形貌；（E）不同PEEK樣品的（MP、MPT、3DP、3DPT）表面接觸角。

圖2. MC3T3-E1細胞種植在不同PEEK樣品（MP、MPT、3DP、3DPT）表面，培養(yǎng)l和5h后共聚焦激光掃描顯微鏡和SEM獲取的細胞粘附圖像。

圖3.體內(nèi)動物實驗的實驗設計及動物實驗結(jié)果:（A）體內(nèi)動物實驗的實驗設計；（B）不同動物實驗分組的PEEK螺紋支架；（C）支架植入物新西蘭兔脛骨；（D）手術(shù)4、8、12周后不同組新生骨μ-CT三維重建圖像；（E）手術(shù)12周后不同支架組織學染色結(jié)果。

本研究利用所開發(fā)的FDM打印系統(tǒng)，實現(xiàn)了高強度PEEK的3D打印，并對特定患者的PEEK骨植入物實現(xiàn)了表面改性。首次通過體內(nèi)和體外實驗研究鈦修飾的3D打印PEEK樣品的性能，實驗證明鈦修飾的3D打印PEEK支架增強了細胞增殖、分化和骨再生能力。綜上所述，本文提出的組合方法有望實現(xiàn)具有增強生物功能的個性化PEEK植入體的制造。

參考文獻：
Jung, H. D. et al. Enhanced bioactivity of titanium-coated polyetheretherketone implants created by a high-temperature 3D printing process. Biofabrication 11, 18, doi:10.1088/1758-5090/ab376b (2019).

供稿人:蘇艷文，賀健康 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室