3D打印聚醚醚酮表面生物活性水凝胶修饰促进骨修复的研究

为解决3D打印聚醚醚酮（PEEK）在骨修复中因生物惰性和细胞黏附性差导致的临床限制，研究人员通过表面磺化处理结合负载β-磷酸三钙（β-TCP）的甲基丙烯酸化明胶（GelMA）水凝胶修饰，成功制备了具有优异骨诱导活性的3D打印生物活性PEEK。体外和体内实验证实，该材料显著提升了骨髓间充质干细胞（rBMSC）黏附及成骨分化能力，为颅颌面骨缺损修复提供了创新性解决方案。

　　

颅颌面骨缺损修复一直是口腔颌面外科的重大挑战。聚醚醚酮(PEEK)因其与人体骨骼相近的弹性模量和生物相容性，成为理想的骨替代材料候选。然而，3D打印PEEK的生物惰性导致其植入后常出现骨整合不良和感染等问题，严重限制了临床应用。如何赋予3D打印PEEK生物活性，成为突破临床瓶颈的关键。

辽宁某研究团队在《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》发表的研究中，创新性地提出“表面磺化-水凝胶锚定-β-TCP负载”三重修饰策略。通过熔融沉积成型(FDM)制备3D打印PEEK基底，经浓硫酸磺化处理构建微米级多孔结构并引入磺酸基团；随后将负载不同浓度β-TCP的GelMA水凝胶固化于磺化PEEK表面，系统评估了材料的理化特性、细胞响应及大鼠颅骨缺损修复效果。

样本制备
采用FDM技术打印PEEK样品，经300°C和400°C阶梯退火后，通过浓硫酸磺化获得多孔结构的sPEEK。优化β-TCP/GelMA配比后，通过光交联将复合水凝胶固定于sPEEK表面。

3D打印生物活性PEEK的制备与表征
扫描电镜显示磺化处理使PEEK表面形成20-50μm的规则孔隙，水凝胶可深度填充孔隙实现机械互锁。X射线光电子能谱证实磺酸基团成功引入，接触角测试表明改性后材料亲水性显著提升。β-TCP的加入使水凝胶呈现浓度依赖性白度增加，体外实验证实其可持续释放Ca²⁺达14天。

体外实验结果
CCK-8检测显示改性材料组rBMSC增殖活性提升1.8倍；荧光染色显示细胞在改性材料表面铺展面积增加2.3倍。ALP活性检测和ARS定量表明，含10%β-TCP的复合组成骨分化标志物表达量较纯PEEK组提高3.1倍，钙结节形成量增加4.7倍。RT-PCR分析揭示该材料通过上调Runx2、OCN等基因表达促进成骨分化。

体内动物实验
大鼠颅骨缺损模型Micro-CT显示，植入8周后改性组的骨体积分数(BV/TV)达41.3%，显著高于纯PEEK组(17.6%)。组织学切片可见改性材料周围新生骨组织与材料形成直接接触，而对照组存在明显纤维包裹。

结论与意义
该研究通过简便的表面修饰技术，将生物惰性的3D打印PEEK转化为具有骨诱导活性的复合材料。其创新性体现在：①磺化处理构建的微孔结构为水凝胶提供机械锚定位点；②GelMA/β-TCP复合体系实现Ca²⁺缓释与细胞外基质模拟；③体内外实验证实材料通过促进rBMSC黏附与成骨基因表达加速骨再生。这项研究为个性化骨修复植入物的设计提供了新思路，对组织工程材料临床转化具有重要指导价值。