《Biomaterials》：Novel PEEK Fabrication Using Fused Strand Deposition Reduces Inflammation and Enhances MSC Differentiation Promoting Bone Growth and Implant Osseointegration
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基于3D打印多孔PEEK植入物的骨再生机制研究显示，采用盐析法制备的HA涂层多孔PEEK（PP-HA）可显著促进骨髓间充质干细胞（MSCs）的成骨分化，并抑制巨噬细胞炎症反应，其临床应用验证了骨融合效果。
D.J. Cohen|J. Deng|T.M. Reith|E.L. Sabalewski|D. Pestov|J.T. Dillon|A.Y. Jawad|P.J. Slosar|K.T. Foley|R.F. Dryer|T.D. Bassett|C.C. Harrod|B. Verrelli|M. Bertino|E.M. Erbe|Z. Schwartz|B.D. Boyan
美国弗吉尼亚联邦大学生物医学工程系，里士满，VA
摘要
使用传统机械加工方法或通过盐浸法在表面制造孔隙的聚醚醚酮（PEEK）脊柱融合装置，会导致形成纤维状结缔组织界面。为克服这一限制，我们采用了熔融丝沉积（FSD）技术，该技术基于熔融长丝制造（FFF）或熔融沉积建模（FDM），成功制备出一种具有类似小梁骨结构的PEEK植入物。我们研究了从C57/Bl6雄性小鼠股骨中分离出的人类骨髓基质细胞（MSCs）和巨噬细胞对添加制造的多孔PEEK（PP）及涂有透明质酸（HA）的多孔PEEK（PP-HA）的反应，以确定这些改进是否能够提升细胞对植入物的反应。PP和PP-HA结构在三维形态上相似，但在亲水性方面存在差异（PP-HA > PP）。将MSCs和巨噬细胞分别培养在PP、PP-HA和SP表面上，并评估了成骨细胞的分化情况及M1/M2表型。结果显示，MSCs和巨噬细胞在PP-HA表面附着，并以表面依赖性方式合成成骨细胞相关蛋白；其中，MSCs和巨噬细胞在PP-HA表面的VEGF mRNA和蛋白表达水平高于在PP或SP表面。在PP和PP-HA表面上生长的巨噬细胞表现出较低的促炎细胞因子表达以及较高的抗炎细胞因子水平，但并未表现出明显的M1或M2表型。这些结果表明，利用FSD技术通过增材制造出的全多孔PEEK植入物能够促进MSCs分化，并减少巨噬细胞对表面的促炎反应，从而有望改善体内再生效果及骨整合。值得注意的是，这些机制与在相同实验条件下测试Ti6Al4V基材时的情况不同；如果使用成骨培养基（OM）进行细胞培养，这些差异可能被掩盖。我们将体外研究结果与四名患者的临床应用进行了关联，所有患者均接受了不同类型的骨移植治疗，结果均实现了融合。
章节摘录
引言
流行病学数据显示，由于人口老龄化以及腰痛、椎间盘退变、脊柱狭窄和脊椎滑脱等脊柱疾病的发病率增加，对脊柱植入物的需求持续增长[1][2]。脊柱融合装置通常由钛铝钒（Ti6Al4V）或聚醚醚酮（PEEK）制成。虽然Ti6Al4V与骨骼的结合性能更优（尤其是经过表面改性后），
采用FSD技术制造的PEEK植入物具备类似小梁骨的结构特征
本研究采用的FSD制造方法生成的植入物具有三维小梁结构，其特点是孔隙相互连通、孔径分布仿生、孔形类似骨骼（菱形）以及表面微粗糙度（约1-3μm Ro），有利于促进骨组织附着（图1A）。孔径平均为596±94μm，孔隙率为69±6.2%，孔隙之间完全连通。材料的弹性模量为268±9.1 MPa，屈服强度为17.1+0.6 MPa
讨论
本研究结果表明，PEEK的材料特性及脊柱融合装置的几何结构可被优化以促进体内骨整合。使用FSD方法制造的PEEK植入物在临床应用中支持了颈椎区域的骨生长和融合过程，且这一效果与所使用的骨移植材料无关。利用FSD技术制备具有三维结构的PEEK植入物属于创新性成果[26]。
结论
研究结果表明，通过FSD增材制造技术制备的全多孔PEEK植入物具有独特性能。植入物表面的早期定植细胞（包括MSCs、成骨前体细胞和巨噬细胞）能够创造有利于骨再生的微环境，并通过骨整合促进植入物稳定性。这种新型表面结构促进了MSCs的分化，同时降低了巨噬细胞对表面的促炎反应。
培养盘的制备
本研究共制备了60个各类培养盘，直径均为14毫米，高度为4.5毫米。所有培养盘的原材料均按照ISO 10993-5标准进行了细胞毒性检测，并根据ISO F2016-2017标准检测了重金属含量。固体培养盘采用CNC加工工艺，使用Solvay Zeniva ZA-500 16mm PEEK棒材制成；PP和PP-HA培养盘则通过3D打印后进行退火处理。表面涂有HA改性的样品还接受了额外处理
资金支持
本研究部分由Curiteva公司、PHS基金（项目编号1R01AR072500）、Peter和Carrie Ullrich基金会以及Joan和Morgan Massey基金会资助。
作者贡献声明
Brian Verrelli：数据分析、调查、撰写、审稿与编辑。Randall F. Dryer：资源协调。Kevin T. Foley：资源支持。Chambliss C. Harrod：资源协调。David Joshua Cohen：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目监督、方法设计、数据分析、概念构思。Timothy D. Bassett：资源协调。Erik Erbe：撰写、审稿与编辑、资源协调、项目资金争取数据获取
如需获取支持本研究结果的数据，可向通讯作者BDB提出合理请求。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。
作者声明以下财务利益或个人关系可能构成潜在的利益冲突：
Barbara D. Boyan、David Cohen和Zvi Schwartz表示获得了Curiteva公司的财务支持；Barbara Boyan、David Cohen和Zvi Schwartz还获得了其他机构的财务支持
致谢
作者感谢Curiteva公司对本研究的支持。本研究得到了PHS基金（项目编号1R01AR072500）、Peter和Carrie Ullrich基金会、Joan和Morgan Massey基金会的资助，以及Curiteva公司的捐赠。PEEK材料由Curiteva公司（美国阿拉巴马州坦纳市）提供。同时，我们也感谢弗吉尼亚联邦大学纳米材料表征实验室提供的实验设备支持。
