利用低溫3D打印技術制備可控多孔的骨修復PEEK支架

來源：EngineeringForLife


聚醚醚酮 (PEEK) 作為一種流行的骨科植入物，通常被制造成分級多孔結構以提高成骨活性。然而，由于過高的加工溫度和不可控的繁瑣改性路線，應用受到限制。為此，來自中國科學院長春應用化學研究所的欒世方教授和中國科學院大連化學物理研究所的周光遠教授設計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可控的多孔支架。制備的PAEK-COOH支架呈現(xiàn)出從納米級到微米級的可控多孔結構，其機械強度與骨小梁相當。體內(nèi)和體外實驗表明支架具有良好的骨整合效果。相關工作以“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支架的設計方案
作者通過親核取代縮聚反應合成了具有羧基的無定形聚芳醚酮（PAEK-COOH），調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證
PAEK-COOH的合成路線如圖2所示。用于 3D 打印的生物墨水應滿足可打印性，包括連續(xù)流動性和機械穩(wěn)定性。這些特性可以通過生物墨水的流變性能驗證，因此作者測試了生物墨水的流變特性。流變結果表明，生物墨水的濃度可以通過PAEK-COOH 濃度進行改變實現(xiàn)剪切變稀行為，表明其具有很好的流動性。同時，不同濃度的PAEK-COOH 也具有不同的孔結構。基于流變行為和孔隙結構，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支架的層次結構
通過低溫沉積建模（LDM）可以制備任何形狀的設計多孔支架，并且可以在支架中找到兩種孔徑，一種是由 3D 建模軟件設計的大孔徑（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構，這有利于營養(yǎng)物質和活性因子運輸?shù)街Ъ軆?nèi)部，促進細胞向內(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 打印多孔支架結構

4. 兩種打印技術制備的支架的不同屬性
除低溫沉積建模外，作者還進行了熔融沉積建模 (FDM)的支架設計對比，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構。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胞粘附。此外，LP支架具有優(yōu)異的抗壓強度和模量能夠更好的用作骨修復材料。

圖4 LP和FP支架的結構和性能比較

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

圖5 納米多孔表面的LP支架可促進細胞粘附

6. LP誘導的羥基磷灰石礦化
此部分主要探究了位于 PAEK-COOH 側鏈中的羧基對 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。研究結果表明，LP 支架上富集的羧基促進了 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)的骨誘導能力
為了驗證支架的骨誘導能力。作者將兩種支架置于骨缺損部位，分別收集和處理不同時間點的Micro-CT圖、組織學分析和生物力學測試。Micro-CT表明LP組中新形成的骨組織（紅色）比FP組更占優(yōu)勢，并且在LP支架周圍明顯觀察到致密的骨組織。組織學分析表明，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)異的成骨誘導能力，可有效促進骨再生，在缺損區(qū)形成新骨組織更好的骨連接。

生物力學測試的結果顯示骨組織和兩個種植體之間的結合強度顯著不同。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的分級多孔 PAEK-COOH支架。支架具有從納米級到微米級分級可控的微結構，機械強度滿足骨小梁的承載要求。納米多孔表面可以促進細胞粘附、擴散、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。同時作者表明，骨形成是一個復雜的過程，目前只考慮細胞行為和HA礦化的影響，而沒有討論其他因素，如免疫調節(jié)和血管生成潛力。此外，LP 支架可以修復的骨缺損的具體大小應在未來的研究中確定，但PAEK-COOH支架的設計理念和方法仍具有顯著的優(yōu)勢。

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