AI驱动的3D打印PEEK种植体表面功能化：色氨酸增强藻酸盐水凝胶提升仿生性能与生物活性的预测设计

本研究通过人工智能（AI）预测并优化了3D打印聚醚醚酮（PEEK）种植体的表面功能化方案，开发出负载色氨酸（Tryptophan）的藻酸盐（Alginate）水凝胶涂层体系（TRYALPEEK）。该系统显著提升了PEEK的亲水性、细胞相容性和抗菌性能（如对大肠杆菌-GFP），并通过有限元分析（FEA）证实其具有更优的应力分布能力，为增强骨整合（Osseointegration）和抗感染性能提供了创新策略。

　　

1 引言

骨科和牙科种植体依赖骨整合过程，即人工装置与周围骨及软组织的整合。由于天然骨来源有限，临床上常使用陶瓷、金属和聚合物等合成材料。钛及其合金虽具有优异的强度和生物相容性，但其高刚度可能导致“应力屏蔽”效应，引发种植体松动和骨吸收。聚醚醚酮（PEEK）因其与骨相似的弹性模量、良好的生物相容性和化学稳定性，近年来备受关注，可作为降低应力屏蔽效应的理想材料。

然而，PEEK本身具有疏水性（水接触角达80°–90°）和生物惰性，限制了其骨整合能力。传统制造方法如注塑、机械加工等存在成本高、周期长和材料利用率低的问题。3D打印技术为口腔种植体制造带来突破，其速度快、可定制化，并能调控宏观/微观结构（如孔隙率和形状），促进成骨细胞生长和骨形成。

本研究采用人工智能（AI）引导的策略，预测3D打印PEEK表面功能化的最佳配方，以增强其生物活性并保持力学性能。通过融合沉积建模（FDM）、藻酸盐（Alginate）水凝胶涂层及模型生物活性药物L-色氨酸（L-Tryptophan）的引入，构建了名为TRYALPEEK的种植体体系。其仿生水凝胶结构受牙周韧带（Periodontal Ligament, PDL）纤维的结构组织启发，旨在改善PEEK的疏水性、生物惰性和抗菌性能，同时增强骨整合能力。

机器学习（ML）通过预测模型（如神经网络）确定材料最佳组成，为表面优化提供了革新策略。本研究结合数据增强和ML，建模并优化PEEK聚合物的表面性能，重点关注亲水性、表面能、细胞活力和抗菌功效。采用混合方法，包括数据预处理、增强和神经网络建模，以预测最优表面组成。

1.1 TRYALPEEK材料制备

TRYALPEEK的制备使用FDM技术，以1.75 mm PEEK丝为原料进行3D打印。根据现有研究，组织扩张的最佳孔径为350–450 μm，因此本实验采用孔径500 μm、支撑尺寸250 μm的PEEK打印样品。种植体原型通过Autodesk软件设计，经UltiMaker Cura切片并导出G.Code格式，最终由3D打印机完成打印。

表面处理前，3D打印种植体经砂纸精细抛光，并依次用丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗4小时，60°C干燥。随后，样品浸入藻酸盐 hydrogel 和氯化钙溶液中，在25°C下超声和磁力搅拌1分钟，以在PEEK表面促进3D网络结构形成。L-色氨酸以1.0 mg mL^?1浓度溶解于1.0% w/v藻酸钠溶液中，之后与CaCl₂进行离子交联。该浓度选择基于常见藻酸盐载药研究范围，平衡载药量与细胞相容性，避免突释。过高色氨酸含量可能促进细菌生长，因此维持此浓度，使细菌存活率接近100%，细胞活力高于90%。

在该系统中，释放动力学预期遵循扩散控制行为，随后在37°C磷酸盐缓冲盐水（PBS）中通过网络松弛/离子交换进行较慢释放。关键配方变量包括[Tryp] = 1 mg mL^?1、藻酸盐浓度3% w/v、CaCl₂浓度50 mm、交联时间10分钟。增加Ca²⁺浓度和藻酸盐含量通常减小水凝胶网格尺寸，从而减缓分子扩散并延长释放，而较高[Tryp]可增强载药量但可能加剧初始突释 phase。

1.2 TRYALPEEK材料表征

X射线衍射（XRD）分析用于获取样品相组成关键数据并验证PEEK的晶相。在2θ值为18°、20°、22.9°和28.7°处检测到与（110）、（111）、（200）和（211）晶面衍射相关的峰，证实了纯PEEK的存在。不同功能化PEEK样品间未检测到显著差异，所有样品均显示PEEK的特征峰。

高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和能量色散X射线光谱（EDS）证明了交联水凝胶和色氨酸颗粒在PEEK种植体表面的均匀分布。EDS进一步验证了表面改性TRYALPEEK的元素组成。扫描电子显微镜（SEM）清晰显示了纯样品中PEEK聚合物的分布以及水凝胶样品的多孔结构。表面处理后，PEEK表面呈现不规则微米级球形孔洞。

1.3 细胞相容性评估

TRYALPEEK的生物相容性是其安全用于人体的关键方面，可通过流式细胞术进行简单细胞毒性 assay 评估。所有实验组的细胞活力在整个培养期间均保持在85%以上，前5天接近95%，表明合成材料具有优异的细胞相容性。共培养过程中持续高的细胞活力进一步证实了TRYALPEEK良好的细胞相容性，表明其作为新型口腔种植体材料的潜力。

使用基于活细胞的碘化丙啶（PI）assay 和流式细胞术协议对实验材料对前成骨细胞MC3T3的细胞毒性进行量化。PI是一种细胞膜不通透染料，通常被活细胞排除。

1.4 抗菌 assay

使用荧光强度测量通过荧光计系统评估实验性PEEK材料对大肠杆菌-绿色荧光蛋白（GFP）的抗菌活性。GFP荧光强度在细菌暴露于各种处理24小时后量化。激发和发射波长分别设置为487和510 nm。卡那霉素处理（50 μg mL^?1）作为生长抑制或细菌细胞死亡的阳性对照。

与生物材料相关的感染和由细菌引起的 recurrent infection syndrome 是植入后的常见并发症。细菌感染通常源于植入后种植体与骨组织界面处的局部免疫损伤，如PEEK基假体中所见，从而增加种植体对细菌的 susceptibility。即使少量细菌也可能导致粘附和定植。

PEEK和AL-HYDROGEL样品对其他实验组表现出显著增强的抗大肠杆菌抗菌功效，展示出抗菌性能。与PEEK和AL-HYDROGEL共培养时，大肠杆菌存活率分别为91%和92%。然而，当添加色氨酸作为药物时，该数字变得更高，因为药物对细菌生长有直接影响。大肠杆菌可以 readily metabolize L-色氨酸作为营养源，其在培养基中的补充据报道促进细菌增殖。在最小培养基中，添加L-色氨酸已被证明增加生物量 yield 并加速生长动力学。

样品的亲水性通过使用接触角测试仪测量水接触角来评估。TRYALPEEK的接触角为32°，表明完全亲水表面。TRYALPEEK的这一独特特性有助于降低口腔种植体的摩擦系数，从而减少植入时的旋入压力并最小化对牙槽骨组织的应力相关损伤。使用标准化胶带剥离方法进行的粘附测试在实验5天后未检测到分层，表明水凝胶与PEEK之间的强结合。横截面SEM图像显示水凝胶层厚度，平均为50 ± 10 μm，证实均匀沉积。

1.5 植入区域的3D FEA

采用3D有限元分析（FEA）模拟和比较PEEK和TRYALPEEK种植体中的应力分布，验证仿生种植体的应力耗散效应。为此，设计了一个用于下颌第二前磨牙的牙科种植体。帽 versus 冠螺钉材料模拟为钛，基台和种植体模拟为PEEK或TRYALPEEK。冠材料模拟为整体氧化锆。施加100 N的倾斜载荷，从舌侧尖向颊侧45°角，以模拟咀嚼力。

TRYALPEEK种植体紧密模仿天然牙根，其表面具有药物递送能力的仿生牙周膜水凝胶，复制牙周韧带（PDL）功能。该设计有助于传输和耗散外部应力，导致降低且更均匀分布的应力水平。等效应力分布的等高线图显示，在载荷下，TRYALPEEK种植体经历的范围和最大应力（28.6 MPa）显著小于纯PEEK种植体（55.21 MPa），这一趋势在种植体-基台配置中也观察到。TRYALPEEK的这种优异应力减少归因于其表面改性水凝胶的硬度与弹性模量比低于PEEK，这是一种已知与增强应力耗散相关的材料特性。因此，TRYALPEEK中的水凝胶层有效耗散传递的应力，导致更低且更均匀分布的应力。FEA最终证明TRYALPEEK种植体表现出优异的应力，有效减轻对周围骨的应力屏蔽并防止应力集中，从而最小化对骨组织的潜在损伤。

2 讨论

本研究提出了一个全面的AI驱动方法，以预测和 refine 3D打印PEEK种植体的生物功能化，使用仿生藻酸盐 hydrogel 负载色氨酸。TRYALPEEK的结果展示了关键参数的显著改进，如亲水性、抗菌活性和骨整合潜力，将其定位为骨科和牙科应用的高度有希望的候选者。

PEEK在植入学中的广泛应用因其疏水、生物惰性表面和有限抗菌性能而受阻。传统表面改性技术通常依赖试错方法，耗时且资源密集。相比之下，本研究中开发的AI动力预测模型利用混合ML框架，结合数据增强和神经网络算法，以识别最佳功能化组成。通过考虑多个特征，如表面粗糙度、化学基团存在和载药能力，模型准确预测了在不损害机械完整性的情况下增强生物界面的改性。

创新的关键是掺入色氨酸负载的藻酸盐 hydrogel，旨在模仿天然PDL的结构和功能特性。这种仿生方法不仅改善了亲水性（通过水接触角显著降低至32°证明），而且促进了持续药物释放和增强抗菌功效。亲水表面有助于改善细胞粘附和增殖，而色氨酸在促进成骨活性和抑制微生物定植方面发挥双重作用。

研究的神经网络架构有效捕捉了输入特征和表面性能之间的非线性关系。它对表面能、细胞活力和抗菌性能等结果显示出高预测准确性（例如，细胞活力的R² = 0.93）。特征重要性分析强调功能基团（–COOH和–NH₂）、稳定性和载药能力对成功种植体性能至关重要。这种水平的洞察为未来材料设计提供了可操作指南，并支持从经验开发向理性、数据知情的工程过渡。

此外，TRYALPEEK种植体的FEA揭示了机械性能的明显优势。在模拟咬合载荷条件下，TRYALPEEK显示出与未改性PEEK相比降低的应力集中，归因于水凝胶涂层的 compliant 性质。这种应力耗散行为在减少应力屏蔽和促进长期种植体稳定性方面至关重要。

集体上，这些发现验证了AI在加速先进生物医学种植体设计和开发中的协同作用。TRYALPEEK的多功能能力，包括增强的生物相容性、抗菌作用和应力管理，源于AI引导的材料组成和结构设计的优化。

3 结论

本研究展示了AI驱动预测设计方法在功能化3D打印PEEK种植体上的成功应用，使用色氨酸富集藻酸盐 hydrogel 涂层。改性种植体（TRYALPEEK）表现出显著改善的表面亲水性、保持高细胞相容性（>90%细胞活力），并显示出与未改性PEEK相比增强的抗大肠杆菌-GFP抗菌性能趋势，但低于药物掺杂种植体。FEA进一步指示了有利的应力分布特性，归因于仿生水凝胶层。

虽然观察到的增强表明在促进骨整合、减少感染相关并发症和调节局部炎症反应方面的潜在益处——与先前关于类似水凝胶改性种植体系统的报告一致——这些特定的生物学效应在本工作中未直接评估。因此，这些结果作为潜在的转化优势呈现，而非 confirmed 实验发现。

未来研究将专注于骨整合的体内评估、抗生素耐药性缓解和抗炎特性，以及优化药物负载和释放动力学，以验证和扩展TRYALPEEK平台的临床适用性。