聚醚醚酮股骨头与高交联聚乙烯髋臼杯配对髋关节假体的磨损率、颗粒形态及生物相容性

《Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials》：Wear Rate, Particle Morphology, and Biocompatibility of Polyether-Ether-Ketone Femoral Heads Against Highly Cross-Linked Polyethylene Acetabular Cups in Hip Prosthetic Couples

　　

人工关节假体磨损颗粒引起的生物反应可导致骨溶解（osteolysis），最终造成无菌性松动（aseptic loosening）和植入物失败，影响假体寿命和患者生活质量。聚醚醚酮（PEEK）因其优异的耐磨性和与人体骨组织的生物力学相容性，已成为骨科植入材料研究的关键领域。在本研究中，研究人员首次对聚醚醚酮-高交联聚乙烯（PEEK-on-HCLPE）轴承副的髋关节人工假体进行了1千万次循环模拟器磨损试验。结果表明，高交联聚乙烯（HCLPE）内衬的总磨损量为34.03±3.2 mg（经线性拟合后约为2.96 mg/百万次循环（MC）或3.18 mm³/MC）。混合颗粒的理化性质表明，主要颗粒尺寸分布范围为0.1至0.5 μm。研究人员利用EXAKT研磨系统制备了尺寸范围相似（最大尺寸：0.5 μm）的纯PEEK或HCLPE颗粒，并通过精密孔径膜真空过滤用于生物相容性实验。体外免疫学检测表明，0.1至0.5 μm的PEEK颗粒可能比0.1至0.5 μm的HCLPE颗粒诱导更弱的免疫炎症效应。总之，PEEK-on-HCLPE轴承副已被证明具有可接受的生物安全性和适合用作潜在髋关节置换植入物的磨损率。

论文解读

人工关节置换术后，假体磨损颗粒诱导的生物学反应是导致骨溶解、无菌性松动和植入失败的核心机制之一。金属对聚乙烯轴承中，金属颗粒和聚乙烯颗粒均具有促炎潜能，而聚醚醚酮（PEEK）因其优异的耐磨性和生物力学相容性，被视为潜在的替代材料。然而，PEEK-on-HCLPE髋关节轴承的长期模拟磨损数据及磨损颗粒的生物学特性尚不明确。为此，研究人员首次对PEEK-on-HCLPE轴承副进行了10百万次循环（MC）的髋关节模拟器磨损试验，并系统评估了磨损颗粒的形态、尺寸及免疫反应。

该研究采用ProSim六工位髋关节模拟器，按照YY/T 0651.1-2016标准进行磨损试验，用称重法测定高交联聚乙烯（HCLPE）内衬磨损量；利用EXAKT硬组织研磨系统制备纯PEEK和HCLPE颗粒，经蔗糖密度梯度离心和精密滤膜过滤获得0.1-0.5 μm亚微米颗粒，通过扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）表征；经内毒素检测确认无污染后，将颗粒与RAW264.7巨噬细胞、骨髓间充质干细胞（BMSCs）和小鼠脾细胞共培养，采用CCK-8、活/死染色、流式细胞术和ELISA评估细胞增殖、凋亡、免疫激活和细胞因子分泌。样本来源：PEEK股骨头和HCLPE内衬由江苏德健医疗科技有限公司提供；RAW264.7细胞来自中国科学院细胞库，小鼠脾细胞和BMSCs取自C57BL/6小鼠。

**3.1 髋关节模拟器磨损碎屑的理化特征及磨损形态**：通过称重法和SEM观察，HCLPE内衬10 MC累积磨损量为34.03±3.2 mg，磨损过程分为三个阶段：0-2 MC为快速磨损期，2-8 MC为稳态磨损期，8 MC后为疲劳磨损期。磨损颗粒等效圆直径（ECD）主要分布在0.1-0.5 μm，占88.2%，平均ECD为0.32±0.16 μm，Feret形状因子为0.78±0.10。磨损表面早期以塑性变形和磨粒磨损为主，中期磨粒和粘着磨损加剧，后期出现疲劳剥落。

**3.2 机械研磨PEEK和HCLPE颗粒的特征**：通过SEM/EDS确认，研磨制备的颗粒仅含碳（C）和氧（O），无硅杂质；粒径0.1-0.5 μm分别占HCLPE颗粒的92.9%和PEEK颗粒的91.5%，与模拟器来源颗粒的尺寸和形态高度相似，适合用于生物学实验。

**3.3 细胞增殖和活力/凋亡**：内毒素检测合格（<0.5 EU/mL）。CCK-8结果显示，HCLPE颗粒在24 h后显著降低RAW264.7细胞增殖，PEEK颗粒在48 h也有降低，但幅度小于HCLPE；对BMSCs，两种颗粒均降低增殖且无组间差异。活/死染色显示细胞活力高达98%±1.0%，表明未出现严重细胞毒性。

**3.4 巨噬细胞免疫反应**：流式细胞术显示，两种颗粒均显著上调RAW264.7细胞的活性氧（ROS）水平、CD69和CD86阳性率，并升高CD86/CD206比值，提示巨噬细胞向M1促炎表型极化；HCLPE组的CD69表达高于PEEK组。ELISA结果显示，两种颗粒均增加IL-1β、TNF-α、IL-6和IL-18分泌，且HCLPE在多数时间点诱导的IL-1β、TNF-α和IL-6水平高于PEEK。

**3.5 淋巴细胞激活反应和细胞因子分泌**：两种颗粒均增加CD4+和CD8+ T细胞中CD69阳性细胞比例，降低IL-10+细胞比例，增加IFN-γ+、IL-2+和IL-17+细胞比例，但HCLPE与PEEK之间无显著差异。

讨论部分指出，PEEK-on-HCLPE轴承的磨损率约为3.18 mm³/MC，与金属-on-HCLPE相当；按简化模型计算，线性磨损率约0.003 mm/y，远低于0.05 mm/y的骨溶解阈值。虽然混合磨损颗粒无法区分PEEK和HCLPE各自的贡献，但表面形态显示HCLPE磨损更明显。生物相容性方面，PEEK颗粒诱导的巨噬细胞炎症反应弱于HCLPE，但淋巴细胞反应未显示材料特异性差异。研究结论为：PEEK-on-HCLPE轴承副具有可接受的磨损率和初步生物安全性，作为潜在的无金属髋关节置换植入物，值得进一步临床前评估。局限性包括颗粒制备方法缺乏标准化，且目前仅评估了短期急性暴露效应，长期刺激效应尚需深入研究。

该论文发表于《Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials》。