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利用等离子体处理优化3D打印PEEK植入物的细胞反应

浏览次数:1232 发布日期:2024-2-26  来源:本站 仅供参考,谢绝转载,否则责任自负

聚醚醚酮(PEEK)因其出色的机械性能和生物相容性,在牙科和骨科植入领域得到广泛应用。尽管如此,PEEK的生物惰性表面限制了其与骨组织的有效结合。传统上,通过涂覆羟基磷灰石(HA)等生物活性材料来提高PEEK的生物活性,从而促进骨结合。但这种方法可能降低PEEK的机械性能,影响其长期使用。因此,本研究通过等离子体表面处理技术探索了一种维持PEEK机械强度的同时增强其表面生物活性的方法。

材料与方法

本研究采用Apium P220 FFF 3D打印机成功制备了聚醚醚酮(PEEK)植入物样品。打印参数如下表所示,使用医用级PEEK 3D打印耗材(医用级vonik VESTAKEEP®i4 G耗材)作为打印材料。
 

Apium P220 3D打印机和Evonik VESTAKEEP®i4 G耗材.


Apium P220 3D打印机的打印参数见下表:
 


所打印PEEK样品分为抛光组和未抛光组两组。抛光组样品使用砂纸进行抛光处理,未抛光组保留3D打印的原始表面特性。两组样品分别通过氩气(Ar)、氧气(O₂)等离子体处理(见图1),目的是探索等离子体处理对PEEK表面性质的影响。通过扫描电子显微镜、接触角测量等技术手段,分析两组样品在等离子体处理前后表面形态、润湿性等变化,并进行细胞培养实验考察等离子体处理对样品体外成骨活性的影响。
 

图1. 分组和实验过程的示意图.


结果与讨论

1、表面微观结构的改变

经过氩气(Ar)和氧气(O₂)离子体处理,PEEK样品表面形成了纳米级的球形颗粒(图2)。
 

图2. 在10,000×放大倍数下,Ar和O₂等离子体处理前后的FFF 3D打印和抛光PEEK的SEM图像.


观察到的表面粗糙度参数Sa和Sq的增加与原始样品相比无显著统计学差异,表明等离子处理在微观层面改善了表面形态而未显著改变其宏观粗糙度(图3)。
 

图3.  3D表面拓扑重建图.


2、表面亲水性的提升

FFF-PEEK样品的水接触角(WCA)测量从90.4±7.4°降至Ar处理后的35.7±13.0°和O₂处理后的25.6±8.8°;P-PEEK样品的WCA测量从89.5±2.5°降至Ar处理后的41.1±7.3°和O₂处理后的38.0±3.1°,这些变化均具有显著的统计意义(p<0.0001)。随着存储时间的延长,尽管水接触角有所回升,但如图4所示,21天后的测量值仍然显著低于处理前的水平,稳定在60°以下。
 

图4. FFF 3D打印和抛光的PEEK在等离子体处理前和不同时间点(0、1、3、7、14和21天)的水接触角(WCA)测量.


3、细胞黏附的增强

经过氩气(Ar)和氧气(O₂)等离子体处理,FFF-PEEK与抛光PEEK样品表面观察到了显著的微观结构变化,特别是形成了球形纳米颗粒(图2所示)。这一处理增强了Saos-2成骨细胞在PEEK表面的黏附能力。4小时培养以后,与未处理的原始样品相比,O₂等离子体处理的FFF-PEEK组展现出更高的细胞黏附密度(图5)。

 

图5. 经过4小时培养后初始细胞粘附的定性和定量结果.


继续培养至24小时,等离子体处理样品上的细胞不仅数量增多,且形态更为扩展,伪足数量增加(图6)。


图6.SEM图像:FFF-PEEK和P-PEEK经等离子体处理前后Saos-2成骨细胞形态的定性和定量观察.


4、细胞代谢活性增强

等离子体处理提高了Saos-2成骨细胞在FFF 3D打印PEEK表面的代谢活性(图7),经过O₂等离子体处理的FFF-PEEK样品在第3天和第5天的培养期内,细胞代谢活性相比于未处理的原始样品有所提高。

 

图7.FFF-PEEK和P-PEEK样品在等离子体处理前后Saos-2成骨细胞相对细胞代谢活性和增殖的比较.


5、碱性磷酸酶(ALP)活性的变化

PEEK样品经过O₂等离子体处理后,Saos-2细胞的ALP活性轻微提升(图8)。5天的培养后,FFF-PEEK和P-PEEK组经O₂等离子体处理后的ALP活性,对比原始样品略有增加,但是这种影响短期内并不显著。
 

图8. 经过5天培养的FFF 3D打印和抛光的PEEK样品在经过等离子体表面处理与未经处理情况下Saos-2成骨细胞的碱性磷酸酶(ALP)活性。数据以均值±标准偏差表示.


6、矿化结节形成的促进

PEEK样品经过O₂等离子体处理后,Saos-2细胞矿化结节数量显著增加(图9)。21天的培养后,通过O₂等离子体处理的FFF 3D打印和抛光PEEK样品上Saos-2细胞形成的矿化结节数量显著增加,表明了磷酸钙沉积量的提高,尤其是在FFF-O₂-PEEK组,比未处理的FFF-PEEK组提高了约60%。
 

图9. 经过21天培养后成骨分化的定性和定量结果.


结论

综合上述研究结果,等离子体表面处理技术结合FFF 3D打印技术的结合为PEEK植入物的表面改性提供了有效途径。通过调控PEEK表面形貌和亲水性,成功地提高了其生物活性,并促进了Saos-2细胞的黏附、碱性磷酸酶(ALP)活性、代谢活性和成骨分化。这一研究不仅为PEEK材料在骨科和牙科领域的应用提供了新的技术支持,也为进一步优化植入物的生物相容性和骨结合能力提供了重要思路。

原文链接:Tailoring the biologic responses of 3D printed PEEK medical implants by plasma functionalization.DOI:10.1016/j.dental.2022.04.026

来源:上海锦廷机电科技有限公司
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标签: 聚醚醚酮 peek
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