复合水凝胶涂层功能化3D打印聚醚醚酮（PEEK）支架，涂层包含镁纳米颗粒/骨形态发生蛋白-2（BMP-2）微球以增强成骨

《Materials Today Advances》：3D printed PEEK scaffolds functionalized with composite hydrogel coatings incorporating magnesium nanoparticles/BMP-2 microspheres for enhanced osteogenesis

　　

聚醚醚酮（PEEK）是一种有前景的骨科植入材料；然而，其应用受到生物惰性和高疏水性的限制，这导致骨整合不良。将具有成骨活性的生长因子结合到PEEK支架表面为改善骨传导性提供了策略，但该方法仍面临释放动力学不佳和炎症风险等限制。在此，研究人员提出了一种微球整合的复合水凝胶涂层，用于通过液滴微流控和光聚合制备的3D打印PEEK支架，该涂层可共递送骨形态发生蛋白-2（BMP-2）和镁以增强成骨性能。与单独使用BMP-2相比，功能化涂层在体外表现出增强的细胞黏附和成骨分化，同时降低促炎水平。体内研究证实，该涂层促进了骨形成和成熟。总体而言，本研究为PEEK支架改性和骨组织工程提供了一种新策略。

**论文解读：复合水凝胶涂层功能化3D打印PEEK支架协同镁纳米颗粒与BMP-2微球增强成骨**

**研究背景与问题**
创伤、感染和疾病导致的大面积承重骨缺损的修复与重建是重大临床挑战。人工骨替代物的发展为治疗广泛骨缺损提供了可能。基于不锈钢、钛等金属的植入物因优异的机械强度和耐腐蚀性受到关注，但其弹性模量过高与人体骨不匹配，可能导致应力遮挡和植入失败。聚醚醚酮（PEEK）作为一种高分子聚合物材料，因其优异的生物相容性和与天然人体骨相近的杨氏模量而在临床广泛应用。三维（3D）打印技术促进了定制化医疗植入物的开发，已应用于PEEK系统以制造符合患者个体解剖结构的个性化支架。然而，3D打印PEEK支架的生物惰性和疏水性限制了其在骨科植入中的应用。通过改性策略提升PEEK的成骨性能仍是PEEK基骨植入物的重要目标。
骨形态发生蛋白-2（BMP-2）是与骨再生相关的显著生长因子，其整合是改善支架成骨性能的有前景策略。但PEEK支架的疏水性质阻碍了生长因子的负载和结合。既往研究开发了聚电解质和聚多巴胺（PDA）涂层以创建亲水表面用于BMP-2负载。尽管负载效率高，但这些涂层中BMP-2的突释和降解仍阻碍成骨性能。
可生物降解聚酯微球因其高负载能力和缓释特性在构建先进药物/蛋白递送系统中受到关注。例如，PLGA微球是递送生长因子最常用的聚酯材料，其药物释放动力学可通过调整分子量和丙交酯（LA）与乙交酯（GA）单体比例轻松调控。因此，研究人员假设使用PLGA微球作为PEEK支架涂层可通过递送BMP-2增强骨形成。然而，PLGA相对较短的降解周期（约一个月）导致后期突释，难以维持持续成骨效果。此外，BMP-2的临床效用受剂量相关问题严重制约；低剂量BMP-2无法提供足够骨愈合，而高剂量可能增加不良效应风险，如炎症反应升高。因此，设计既能实现BMP-2持续释放又能减轻炎症风险的功能性涂层仍是一项重大挑战。

**研究内容与结论**
本研究开发了一种微球整合的复合水凝胶涂层技术，用于改性PEEK支架并增强其成骨性能。通过液滴微流控制备负载BMP-2和氧化镁（MgO）纳米颗粒（NPs）的均一PLGA微球，并将其掺入明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）/肝素甲基丙烯酸酯（HepMA）水凝胶中。PEEK支架采用熔融沉积成型（FDM）3D打印制备，随后进行磺化处理以改善亲水性。之后，通过紫外触发多巴胺甲基丙烯酰胺（DMA）结合，将复合微球负载水凝胶涂层附着于3D打印PEEK支架表面。研究表明，复合水凝胶涂层可提供BMP-2的控释，并通过黏着斑激酶（FAK）调节的细胞骨架重塑增强细胞黏附。此外，BMP-2与含镁纳米颗粒的协同效应在体外增强了成骨分化，同时降低促炎反应。体内异位肌肉模型进一步表明，复合水凝胶涂层的PEEK支架加速了骨形成和成熟。该研究为PEEK骨植入物的开发及其生物惰性表面改性提供了新策略。论文发表在《Materials Today Advances》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：
- **FDM 3D打印**：制备PEEK支架（圆柱形和圆盘状），并评估其力学性能（压缩强度、硬度、模量）。
- **磺化处理**：改善PEEK支架表面亲水性，通过接触角测量和扫描电子显微镜（SEM）表征。
- **液滴微流控技术**：制备负载BMP-2和MgO纳米颗粒的PLGA微球（BMP-2/MgO MS），粒径约180 μm，通过SEM和动态光散射（DLS）表征。
- **光交联水凝胶涂层**：将GelMA、HepMA、DMA和光引发剂LAP混合，包裹微球后通过405 nm紫外光交联于磺化PEEK支架表面，利用流变学测试、溶胀实验和体外释放实验评估。
- **体外细胞实验**：以骨髓间充质干细胞（BMSCs）和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）为模型，评估生物相容性（活/死染色、CCK-8）、细胞黏附（FAK免疫荧光、F-actin染色）和成骨分化（ALP染色、ARS染色、Col I和OPN免疫荧光、qPCR检测炎症基因）。
- **体内异位肌肉植入模型**：选用大鼠，将支架植入后肢肌肉，2周后通过Micro-CT、H&E染色、Masson三色染色和免疫组化（Col I、OPN）评估骨形成。

**研究结果**
**2.1 水凝胶涂层功能化PEEK支架的制备与表征**
3D打印PEEK支架的实际尺寸与设计一致，压缩强度约170 MPa，屈服强度约86 MPa，硬度约0.17 GPa，模量约3.7 GPa，符合松质骨范围。磺化处理后接触角从约90°降至约71°，表面变得粗糙多孔。通过核磁共振氢谱（¹H NMR）确认GelMA（5.4–5.6 ppm）和HepMA（5.6–6.1 ppm）的甲基丙烯酸酯乙烯基质子峰，光交联水凝胶存储模量约600 Pa。微流控制备的BMP-2/MgO MS单分散性好，平均粒径约180 μm。体外释放实验显示，PEEK@BMP-2/MgO MS组实现BMP-2持续释放超过14天，较PEEK@BMP-2 MS组更慢，归因于Mg²⁺与BMP-2半胱氨酸残基巯基的配位络合作用。SEM显示MgO NPs粒径均匀，EDS证实涂层中C、O、Mg、N、S元素存在，表明水凝胶涂层稳定结合于PEEK支架。

**2.2 水凝胶涂层功能化PEEK支架的生物相容性评估**
活/死染色显示BMSCs和HUVECs与支架共培养后细胞活力未受影响，多数细胞存活。CCK-8实验表明所有支架均无细胞毒性，未抑制细胞增殖。PEEK@BMP-2 MS和PEEK@BMP-2/MgO MS组在第5天显著促进BMSCs增殖，归因于BMP-2和镁离子的协同控释作用。

**2.3 水凝胶涂层功能化PEEK支架上的细胞黏附表征**
免疫荧光染色显示，所有PEEK组均支持BMSCs黏附和铺展，PEEK@BMP-2 MS和PEEK@BMP-2/MgO MS组中肌动蛋白具有更高纵横比。平均细胞铺展面积定量分析证实功能化水凝胶涂层促进细胞铺展和细胞骨架组织。FAK表达在PEEK@BMP-2/MgO MS组最高，表明MgO NPs进一步增强了细胞骨架张力，通过FAK相关信号通路改善细胞黏附。

**2.4 体外成骨表征**
ALP染色（早期成骨标志物）显示PEEK@BMP-2 MS和PEEK@BMP-2/MgO MS组显著增强早期成骨分化。ARS染色（晚期成骨标志物）显示共培养14天后，PEEK@BMP-2/MgO MS组钙沉积更多，表明MgO NPs增强BMP-2成骨功效。Col I和OPN免疫荧光染色进一步证实PEEK@BMP-2/MgO MS组成骨分化水平最高。qPCR检测炎症相关基因（MMP13、IL-6、TNF-α）显示，单独添加BMP-2会上调炎症基因，而PEEK@BMP-2/MgO MS组炎症反应显著降低，表明镁离子持续释放缓解了BMP-2的促炎效应。

**2.5 体内成骨表征**
大鼠异位肌肉植入模型2周后，Micro-CT显示PEEK组无矿物沉积，PEEK@BMP-2 MS和PEEK@BMP-2/MgO MS组有新骨形成，后者矿物沉积更显著。定量分析显示PEEK@BMP-2/MgO MS组骨体积和骨小梁数目（Tb.N）更高。H&E染色显示PEEK组界面为肌肉组织，无骨形成；PEEK@BMP-2 MS和PEEK@BMP-2/MgO MS组出现纤维结缔组织和新生骨基质。Masson三色染色显示PEEK@BMP-2/MgO MS组致密纤维组织和成熟矿化骨明显，蓝色染色面积最大，表明骨基质沉积和矿化增强。Col I和OPN免疫组化染色显示PEEK@BMP-2/MgO MS组阳性面积更大，表明骨基质成熟和矿化更优。

**讨论与结论**
本研究开发了一种微球整合的功能性水凝胶涂层技术用于PEEK支架改性。复合水凝胶涂层通过结合微流控制备的BMP-2/MgO NPs负载PLGA微球与光交联水凝胶网络制备而成。改性PEEK支架实现了BMP-2和镁纳米颗粒的控释，从而增强细胞黏附和成骨分化。镁纳米颗粒的掺入进一步降低了生长因子带来的炎症反应。体外和体内研究证实，改性PEEK支架显著促进了骨形成和成熟。总体而言，本研究为PEEK骨植入物的开发及其生物惰性表面改性提供了新策略。