
骨整合是骨科植入物成功應用的關鍵,直接決定植入物與周圍骨組織的穩定結合及長期功能。聚醚醚酮(PEEK)因生物相容性優良、力學性能與人體骨骼接近,且兼容CT、MRI等影像學檢查,已成為鈦合金的理想替代材料,廣泛應用于脊柱外科、關節置換等領域。但PEEK固有的生物惰性導致細胞黏附與增殖能力不足,嚴重限制其骨整合效果,制約了臨床應用范圍。Strauss等人發表于《Plasma Processes and Polymers》的一項研究,首次系統探究了等離子體表面改性與三維結構化結合對增材制造PEEK植入物骨整合性能的提升作用,為解決這一關鍵難題提供了重要參考。

PART. 01
研究材料和方法
樣品制備
PEEK 樣品制造:采用熔融層制造技術制備PEEK樣品,使用商用PEEK絲材(直徑1.75mm),打印參數包括噴嘴直徑0.4mm、打印速度1200mm/min、擠出寬度0.3mm,層厚0.2mm,擠出機溫度400°C,腔室溫度260°C,熱床溫度250°C。設計A、B、C三種宏觀結構樣品,通過微計算機斷層掃描驗證表面結構與孔徑。

聚醚醚酮(PEEK)的不同表面結構
等離子體表面改性工藝
設置4種等離子體基表面改性工藝(SM1-SM4),以未處理樣品為對照(SM0)。

表面改性工藝的具體類型及參數
(SM1采用常壓等離子工藝,SM2-SM4采用低壓等離子體工藝)
性能評價方法
潤濕性測試:采用座滴法測定蒸餾水在樣品表面的接觸角,每個樣品測試10個液滴。
細胞相關測試:選用SAOS-2成骨細胞,經培養后進行毒性測試(依據DIN EN ISO 10993標準)和2D/3D增殖測試,通過WST-8法結合相位差顯微鏡定性定量分析。
PART. 02
核心研究發現
潤濕性顯著改善
未處理PEEK(SM0)接觸角約90°,呈疏水性;經等離子體改性后,接觸角顯著降低:SM1(49°±12°)、SM2(56°±4°)、SM3(64°±8°)、SM4(55°±4°),其中SM1和SM4的潤濕性改善最為顯著。

經處理表面的接觸角測量結果
細胞毒性評估
細胞毒性測試顯示,所有改性試樣均未表現出細胞毒性,細胞增殖率均高于70%,符合DIN EN ISO 10993要求。
2D細胞增殖
未處理樣品(SM0)的細胞增殖率僅為12%,而所有改性樣品的增殖率均顯著提高:SM1(28%)、SM2(16%)、SM3(16%)、SM4(18%),其中SM1的增殖促進效果最優。
3D細胞增殖
所有3D結構的細胞增殖率均隨培養時間延長而升高,且顯著高于2D表面;螺旋結構(B、C類)的細胞增殖率顯著高于直線結構(A類),且增殖率隨培養時間延長而提升;較小孔徑的C類螺旋結構(孔徑約697μm)表現最佳,21天培養時增殖率達76%。
PART. 03
研究結果討論
本研究首次系統評估了等離子體表面改性與3D結構化對增材制造PEEK植入物骨整合性能的協同改善作用,證實四種等離子體表面改性方法均無細胞毒性,可顯著提升PEEK的親水性和細胞增殖能力;螺旋型3D結構的骨整合潛力優于直線型結構;其中羥基改性(SM4)與螺旋型結構C(孔徑約697μm)的組合可使細胞增值率在14天內達到100%,顯著縮短骨整合時間,為PEEK植入物的臨床應用提供了新的技術方案。

經改性的三維PEEK結構A、B、C上的細胞增殖情況
PART. 04
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參考文獻:[1]Strauss T, H?fer S, Rapp C, et al. Plasma surface modification and three-dimensional structuring of additively manufactured polyetheretherketone (PEEK)[J]. Plasma Processes and Polymers, 2023, 20(12): 2300118.
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