中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

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2021年9月1-3日 | 上海世博展览馆2&4号馆

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聚醚酮酮/微米钽复合材料刺激细胞响应,促进骨再生及骨整合

2020-11-26

聚醚酮酮(PEKK)具有优异的生物相容性和力学性能,但生物惰性;钽(Ta)具有出色的促成骨及骨整合性能,但弹性模量过高。结合它们各自的优点,制备了PEKK/Ta复合材料;添加Ta后,复合材料表面的粗糙度、亲水性、表面能和蛋白质吸附,以及力学性能明显提高;在体外促进细胞粘附、增殖和成骨分化;在体内促进骨再生及骨整合。

01 研究内容简介

聚醚酮酮(PEKK)具有优异的生物相容性和力学性能,但其生物惰性,成骨性差;金属钽(Ta)具有优异的促成骨性能,但其弹性模量过高,密度过大,加工困难,且价格昂贵。因此,本研究将两者的优势结合起来,制备PEKK/Ta复合材料用于承重骨缺损修复。将不同含量(20 wt%和40 wt%)的微米级钽粉与聚醚酮酮共混,通过模压技术制备出PEKK/Ta复合材料。与PEKK相比,复合材料表面的粗糙度、亲水性、表面能和蛋白吸附,以及其力学性能都得到了明显提高。复合材料在体外可促进MC3T3-E1细胞的细胞响应(包括粘附、增殖与成骨分化等);植入体内,复合材料明显促进新骨再生,并与宿主骨组织形成骨整合;因此,PEKK/Ta复合材料有望成为新一代承重骨修复材料。

Fig. 1. SEM micrographs of surface morphology of PEKK (a, d), PT20 (b, e), PT40 (c, f) under different magnification, and laser microscope 3D images and roughness of PEKK (g), PT20 (h) and PT40 (i). 作者将聚醚酮酮与微米级钽颗粒通过高速球磨共混,得到均匀混合的复合粉料,并进一步通过模压加温方式制得PEKK/Ta复合材料样品。通过扫描电镜观察发现,微米级钽颗粒分布在复合材料的基体中。随着钽颗粒含量的增加,复合材料的表面粗糙度明显提高。

Fig. 2. Water contact angle (a) and diiodomethane contact angle (b) of PEKK, PT20 and PT40; Total surface energy (c) of PEKK, PT20 and PT40 by using Owens two-liquid method; Protein adsorption (d) on PEKK, PT20 and PT40 in 5 mg/mL BSA, 30 μg/mL Fn solutions, respectively. (* represents p < 0.05, ** represents p < 0.01, in comparison with PEKK; # represents p < 0.05, PT40 vs PT20). 进一步测试了材料表面性能,发现随着复合材料中钽颗粒含量的增加,复合材料的水接触角下降,亲水性提升;通过Owens两液法测试得到复合材料的表面能,发现复合材料的表面能也随钽含量的增加而升高,且复合材料表面的蛋白吸附能力也随之提升。众所周知,生物材料的表面性质(如粗糙度、亲水性、表面能和蛋白吸附等)对细胞粘附、增殖与分化起着至关重要的作用。植入材料的亲水性表面有助于细胞附着,刺激细胞增殖与成骨分化,以及加速骨再生及整合;具有高表面能的植入材料在生理微环境中有助于吸附蛋白质,且吸附的蛋白质将进一步吸引周围的成骨细胞,并加速新骨组织的形成。其中,纤连蛋白Fn可与细胞膜上的整合素特异性结合,因而在细胞的初始黏附和迁移中起着至关重要的作用。

Fig. 3. CLSM photos of cytoskeletal morphology and spreading of MC3T3-E1 cells on PEKK (a, b), PT20 (e, f) and PT40 (i, j), and SEM images of cells on PEKK (c, d), PT20 (g, h) and PT40 (k, l) at 1 day (a, c, e, g, i, k) and 3 days (b, d, f, h, j, l) after culturing. 为了进一步探索该复合材料的体内外生物效应,本研究分别进行了体外细胞实验和动物实验。体外细胞实验显示,复合材料可有效地促进细胞的粘附、增殖与成骨分化,可促进成骨相关标志基因(Runx2, ALP, OPN and OCN)的表达。

Fig. 4. 3D reconstructed images of new bone formation (NB) around the implants (PEKK, PT20, PT40) from Micro-CT at week 4 and 12 after implantation. Fig. 5. Histological images under different magnifications of PEKK (a, b, c, d), PT20 (e, f, g, h) and PT40 (i, j, k, l) at week 4 (a, b, e, f, i. j) and 12 (c, d, g, h, k, l) after implanted in vivo, in which images (b, d, f, h, j and l) are the enlarged images of yellow small frame in images (a, c, e, g, i and k), NB represents new bone, and M represents materials. 在动物试验中,建立兔股骨髁骨缺损模型,将PEKK/Ta复合材料及对照样品植入骨缺损中。通过micro-CT和组织学观察,发现随着Ta含量的增加,复合材料明显地促进新骨组织再生,从而提高了植入物与新生骨的接触率,复合材料(40w%)与骨组织形成紧密的结合。此外,生物力学实验(推出实验)也进一步证实了PEKK/Ta复合材料可以与宿主骨组织形成牢固的骨整合。

总而言之,在PEKK基体中加入微米级钽粉,复合材料表面的粗糙度、亲水性、表面能和蛋白吸附,以及其力学性能都得到显著提高。复合材料在体外可促进MC3T3-E1细胞的细胞响应(如细胞粘附、增殖与成骨分化);复合材料在体内可促进新骨再生,并与宿主骨形成骨整合。PEKK/Ta复合材料有望成为新一代承重骨缺损修复材料。

02 论文第一/通讯作者简介

第一作者:胡兴龙

华东理工大学,材料科学与工程学院,2016级博士研究生,研究方向为生物活性骨修复材料。
通讯作者:魏杰

研究员/博士生导师,华东理工大学材料科学与工程学院,从事生物活性骨修复材料及植入器械的研究。先后以第一作者/共同第一作者/通讯作者在Biomaterials, ACS Appl Mater Inter,Appl Mater Today,Compos Part B, 等杂志发表SCI论文100余篇;获授权发明专利10余项;先后承担了国家自然科学基金,国家重点研发计划和上海市科委等项目。

03 资助信息
该研究得到了国家自然科学基金(81771990, 81801845)等项目的支持。

04 原文信息
Xinglong Hu#, Shiqi Mei, Fan Wang, Jun Qian, Dong Xie, Jun Zhao, Lili Yang, Zhaoying Wu, Jie Wei∗.
Implantable PEKK/tantalum microparticles composite with improved surface performances for regulating cell behaviors, promoting bone formation and osseointegration.

图片及文章来源:BioactMater生物活性材料公众号