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利用钛涂层增强3D打印PEEK植入物的生物活性

利用钛涂层增强3D打印PEEK植入物的生物活性

供稿人:苏艳文,贺健康 供稿单位:机械制造系统工程国家重点实验室  发布日期:2019-10-19
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聚醚醚酮(PEEK)被认为是最有潜力代替金属材料的骨科植入材料之一。聚醚醚酮具有与皮质骨接近的机械性能,可以减少应力屏蔽。基于PEEK材料的热塑性,很多学者考虑用材料挤出(FDM)和粉末烧结(SLS)的方法来制备PEEK样件。但具有生物惰性的聚醚醚酮表面不利于植入物表面的细胞黏附、与周围组织的骨整合,限制了PEEK骨植入物的应用。

韩国工业技术研究院的研究人员结合FDM和直流磁控溅射方法在3D打印的PEEK植入物表面制备了Ti涂层,以增强聚醚醚酮表面的生物活性。表征了不同PEEK样品(机加工PEEK、机加工PEEK+钛涂层、3D打印PEEK、3D打印PEEK+钛涂层)的表面形貌和表面接触角。通过体外和体内实验,证实钛包覆聚醚醚酮植入体功能化表面在细胞附着、增殖、分化和骨再生等方面的整体增强作用。

图1.不同PEEK样品(MP、MPT、3DP、3DPT)表面形貌和表面接触角:(A)机加工PEEK样品的(MP)表面形貌;(B)机加工PEEK+钛涂层样品的(MPT)表面形貌;(C)3D打印PEEK样品的(3DP)表面形貌;(D)3D打印PEEK+钛涂层样品的(3DPT)表面形貌;(E)不同PEEK样品的(MP、MPT、3DP、3DPT)表面接触角。
图2. MC3T3-E1细胞种植在不同PEEK样品(MP、MPT、3DP、3DPT)表面,培养l和5h后共聚焦激光扫描显微镜和SEM获取的细胞粘附图像。
图3.体内动物实验的实验设计及动物实验结果:(A)体内动物实验的实验设计;(B)不同动物实验分组的PEEK螺纹支架;(C)支架植入物新西兰兔胫骨;(D)手术4、8、12周后不同组新生骨μ-CT三维重建图像;(E)手术12周后不同支架组织学染色结果。

本研究利用所开发的FDM打印系统,实现了高强度PEEK的3D打印,并对特定患者的PEEK骨植入物实现了表面改性。首次通过体内和体外实验研究钛修饰的3D打印PEEK样品的性能,实验证明钛修饰的3D打印PEEK支架增强了细胞增殖、分化和骨再生能力。综上所述,本文提出的组合方法有望实现具有增强生物功能的个性化PEEK植入体的制造。

参考文献:

  1. 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).