利用等離子體處理優(yōu)化3D打印PEEK植入物的細胞反應(yīng)

聚醚醚酮（PEEK）因其出色的機械性能和生物相容性，在牙科和骨科植入領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。盡管如此，PEEK的生物惰性表面限制了其與骨組織的有效結(jié)合。傳統(tǒng)上，通過涂覆羥基磷灰石（HA）等生物活性材料來提高PEEK的生物活性，從而促進骨結(jié)合。但這種方法可能降低PEEK的機械性能，影響其長期使用。因此，本研究通過等離子體表面處理技術(shù)探索了一種維持PEEK機械強度的同時增強其表面生物活性的方法。

材料與方法

本研究采用Apium P220 FFF 3D打印機成功制備了聚醚醚酮（PEEK）植入物樣品。打印參數(shù)如下表所示，使用醫(yī)用級PEEK 3D打印耗材（醫(yī)用級vonik VESTAKEEP®i4 G耗材）作為打印材料。
 

Apium P220 3D打印機和Evonik VESTAKEEP®i4 G耗材.

Apium P220 3D打印機的打印參數(shù)見下表：
 

所打印PEEK樣品分為拋光組和未拋光組兩組。拋光組樣品使用砂紙進行拋光處理，未拋光組保留3D打印的原始表面特性。兩組樣品分別通過氬氣（Ar）、氧氣（O₂）等離子體處理（見圖1），目的是探索等離子體處理對PEEK表面性質(zhì)的影響。通過掃描電子顯微鏡、接觸角測量等技術(shù)手段，分析兩組樣品在等離子體處理前后表面形態(tài)、潤濕性等變化，并進行細胞培養(yǎng)實驗考察等離子體處理對樣品體外成骨活性的影響。
 

圖1. 分組和實驗過程的示意圖.

結(jié)果與討論

1、表面微觀結(jié)構(gòu)的改變

經(jīng)過氬氣（Ar）和氧氣（O₂）離子體處理，PEEK樣品表面形成了納米級的球形顆粒（圖2）。
 

圖2. 在10,000×放大倍數(shù)下，Ar和O₂等離子體處理前后的FFF 3D打印和拋光PEEK的SEM圖像.

觀察到的表面粗糙度參數(shù)Sa和Sq的增加與原始樣品相比無顯著統(tǒng)計學(xué)差異，表明等離子處理在微觀層面改善了表面形態(tài)而未顯著改變其宏觀粗糙度（圖3）。
 

圖3.  3D表面拓撲重建圖.

2、表面親水性的提升

FFF-PEEK樣品的水接觸角（WCA）測量從90.4±7.4°降至Ar處理后的35.7±13.0°和O₂處理后的25.6±8.8°；P-PEEK樣品的WCA測量從89.5±2.5°降至Ar處理后的41.1±7.3°和O₂處理后的38.0±3.1°，這些變化均具有顯著的統(tǒng)計意義（p<0.0001）。隨著存儲時間的延長，盡管水接觸角有所回升，但如圖4所示，21天后的測量值仍然顯著低于處理前的水平，穩(wěn)定在60°以下。
 

圖4. FFF 3D打印和拋光的PEEK在等離子體處理前和不同時間點（0、1、3、7、14和21天）的水接觸角（WCA）測量.

3、細胞黏附的增強

經(jīng)過氬氣（Ar）和氧氣（O₂）等離子體處理，F(xiàn)FF-PEEK與拋光PEEK樣品表面觀察到了顯著的微觀結(jié)構(gòu)變化，特別是形成了球形納米顆粒（圖2所示）。這一處理增強了Saos-2成骨細胞在PEEK表面的黏附能力。4小時培養(yǎng)以后，與未處理的原始樣品相比，O₂等離子體處理的FFF-PEEK組展現(xiàn)出更高的細胞黏附密度（圖5）。
 

圖5. 經(jīng)過4小時培養(yǎng)后初始細胞粘附的定性和定量結(jié)果.

繼續(xù)培養(yǎng)至24小時，等離子體處理樣品上的細胞不僅數(shù)量增多，且形態(tài)更為擴展，偽足數(shù)量增加（圖6）。

圖6.SEM圖像：FFF-PEEK和P-PEEK經(jīng)等離子體處理前后Saos-2成骨細胞形態(tài)的定性和定量觀察.

4、細胞代謝活性增強

等離子體處理提高了Saos-2成骨細胞在FFF 3D打印PEEK表面的代謝活性（圖7），經(jīng)過O₂等離子體處理的FFF-PEEK樣品在第3天和第5天的培養(yǎng)期內(nèi)，細胞代謝活性相比于未處理的原始樣品有所提高。
 

圖7.FFF-PEEK和P-PEEK樣品在等離子體處理前后Saos-2成骨細胞相對細胞代謝活性和增殖的比較.

5、堿性磷酸酶（ALP）活性的變化

PEEK樣品經(jīng)過O₂等離子體處理后，Saos-2細胞的ALP活性輕微提升（圖8）。5天的培養(yǎng)后，F(xiàn)FF-PEEK和P-PEEK組經(jīng)O₂等離子體處理后的ALP活性，對比原始樣品略有增加，但是這種影響短期內(nèi)并不顯著。
 

圖8. 經(jīng)過5天培養(yǎng)的FFF 3D打印和拋光的PEEK樣品在經(jīng)過等離子體表面處理與未經(jīng)處理情況下Saos-2成骨細胞的堿性磷酸酶（ALP）活性。數(shù)據(jù)以均值±標準偏差表示.

6、礦化結(jié)節(jié)形成的促進

PEEK樣品經(jīng)過O₂等離子體處理后，Saos-2細胞礦化結(jié)節(jié)數(shù)量顯著增加（圖9）。21天的培養(yǎng)后，通過O₂等離子體處理的FFF 3D打印和拋光PEEK樣品上Saos-2細胞形成的礦化結(jié)節(jié)數(shù)量顯著增加，表明了磷酸鈣沉積量的提高，尤其是在FFF-O₂-PEEK組，比未處理的FFF-PEEK組提高了約60%。
 

圖9. 經(jīng)過21天培養(yǎng)后成骨分化的定性和定量結(jié)果.

結(jié)論

綜合上述研究結(jié)果，等離子體表面處理技術(shù)結(jié)合FFF 3D打印技術(shù)的結(jié)合為PEEK植入物的表面改性提供了有效途徑。通過調(diào)控PEEK表面形貌和親水性，成功地提高了其生物活性，并促進了Saos-2細胞的黏附、堿性磷酸酶（ALP）活性、代謝活性和成骨分化。這一研究不僅為PEEK材料在骨科和牙科領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的技術(shù)支持，也為進一步優(yōu)化植入物的生物相容性和骨結(jié)合能力提供了重要思路。

原文鏈接：Tailoring the biologic responses of 3D printed PEEK medical implants by plasma functionalization.DOI:10.1016/j.dental.2022.04.026