供稿人：张倍宁、李涤尘 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2024-05-29
纳米羟基磷灰石颗粒掺入聚合物后能够加快成骨过程，但现有的羟基磷灰石复合材料植入物并不令人满意。部分原因是纳米颗粒的高表面能导致颗粒的聚集和不均匀性，进而导致复合材料性能受损。Xinshuai Gao团队合成了含羧基的聚芳醚酮(PAEK-COOH)，并通过与纳米羟基磷灰石（nHA）化学结合来制备复合材料。复合材料在溶液中可配制成均匀稳定的生物墨水，并通过低温打印将生物墨水制成多孔支架，避免了高温对化学集成和生物活性因子的破坏。复合材料支架表面元素分布均匀，力学性能与骨小梁相匹配。体外实验表明，添加nHA有利于促进细胞增殖，诱导细胞成骨分化。该研究开发了一种制备均匀分布的纳米复合材料的方法，具有在骨科领域应用的潜力。
a)含羧基聚芳醚酮(PAEK-COOH)合成方案 b)低温打印制备PAEK-COOH-nHA骨修复支架
图1 低温打印聚芳醚酮-羟基磷灰石复合材料制备骨支架示意图
该团队打印示意图如图1所示。合成了含羧基的聚芳醚酮(PAEK-COOH)，并通过N-(3-二甲氨基丙基)-N'-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)/4-二甲氨基吡啶(DMAP)的酯化反应与nHA制备复合材料。该复合材料可在溶液中配制成均匀稳定的生物墨水，并通过低温打印将生物墨水制成多孔支架。打印后，样品在足够的冷冻温度下冷冻干燥，使缝隙中的溶剂转化为冰晶。在特定的温度和压力下，冰晶升华成蒸汽，并消除残余溶液，制备得到多孔支架。
a)低温打印示意图 b, c) 40% nHA支架扫描电镜图 d)多孔支架实物图 e, f)元素能谱映射 g) 水接触角测量 h)不同nHA含量下的压应力(应变= 10%) i)不同nHA含量下的压缩模量
图2 通过低温打印PAEK-COOH-nHA支架及其性能
该团队打印得到的支架及其性能如图2所示。采用低温打印技术制备了PAEK-COOH-nHA多孔支架。通过扫描电镜(SEM)观察打印支架的形态，可以看到nHA颗粒均匀地分布在聚合物表面。利用能谱(EDS)图观察到各元素分布均匀，P和Ca元素的含量随着nHA含量的增加而增加。随着nHA含量的增加，复合材料的水接触角明显减小(图2g)。应力-应变曲线显示，在低nHA含量(5wt%)下，压缩应力随nHA含量的增加而升高，这在复合材料的力学性能中并不常见(图2h)。压缩模量的变化趋势与应力基本一致(图2i)。
a) 细胞行为示意图 b) CCK-8孵育24 h后3D打印支架上的细胞活力 c) 3天后通过DAPI/phalloidin检测显示细胞分布的CLSM图像 d)不同打印支架几天内碱性磷酸酶(ALP)和茜素红S (ARS)的染色情况
图3 MC3T3-E1细胞在PAEK-COOH-nHA支架上的增殖和成骨潜能
该团队的细胞实验结果如图3所示。细胞计数试剂盒(CCK-8)分析显示复合材料支架上MC3T3- E1细胞存活率均高于95%(图3b)，说明复合材料适合成骨细胞的播种和生长。基于SEM图像观察，注意到不同支架培养的MC3T3- E1细胞的细胞粘附和扩散形态有很大差异。3天后用DAPI/phalloidin法评价支架细胞增殖能力。与其他支架相比，PAEK-COOH-40% nHA支架的细胞数量最多，说明高nHA含量更有利于MC3T3-E1细胞的增殖(图3c)。通过ALP染色来评估14天后的ALP活性(图3d)。随着nHA含量的增加，复合支架颜色逐渐加深，表明ALP活性逐渐升高。
该团队合成了PAEK-COOH，并与nHA制成复合材料。由于化学结合，nHA颗粒能均匀地分散在树脂基体中。复合材料支架的机械性能与骨小梁的吻合良好。体外实验证明均匀分布的nHA颗粒可以促进细胞粘附、渗透、增殖和成骨分化。