聚醚醚酮 (PEEK) 是替代骨科、脊柱和顱頜面手術中金屬植入物和假體的主要候選材料。熔融成積 (FFF) 是一種經濟高效的3D打印方法，用于制造PEEK植入物。在這項研究中證實具有高表面粗糙度和FFF 3D打印結構未經處理PEEK具有很大的潛力，作為一種適當?shù)漠愺w生物材料用于重建顱頜面手術。

來自德國圖賓根大學醫(yī)院醫(yī)學材料科學與技術科、瑞士巴塞爾大學醫(yī)院口腔和顱頜面外科以及巴塞爾大學生物醫(yī)學工程系高技術研究中心醫(yī)療增材制造研究組團隊發(fā)表的相關論文“An In Vitro Study of Osteoblast Response on Fused-Filament Fabrication 3D Printed PEEK for Dental and Cranio-Maxillofacial Implants”于2019年5月31日在線發(fā)表于科技學術期刊《MDPI》平臺上。

簡介

PEEK已廣泛用于多種臨床應用：用于骨折固定、顱頜面缺損修復、脊柱植入物、全關節(jié)置換術(TJA)，甚至在軟組織修復中用作縫合錨。它在牙科領域的應用非常廣泛，包括牙種植體、種植體支撐桿、假牙、基臺和夾具。PEEK具有許多特性，使其成為替代骨科和重建手術中涉及的金屬植入物部件的合適候選材料。PEEK具有良好的生物相容性、高耐化學性、低密度 (1.32g/cm3 ) 并且具有生物惰性。其生物惰性阻礙了它的骨整合潛力，并阻礙了它的臨床應用。最近的研究表明，PEEK表面的微粗糙形貌可以促進軟組織和硬組織的生長。盡管在提高PEEK植入物的生物活性方面取得了很大的優(yōu)勢和進展，但FFF 3D打印PEEK的生物性能以及打印表面結構對細胞粘附、代謝活性和增殖的影響尚未見報道。 這項研究的新穎之處不在于PEEK材料，而是FFF 3D打印PEEK表面的分析。因此，在此次研究中，我們使用FFF制造PEEK樣品，通過拋光和噴砂對表面進行改性，以評估表面形貌和表面粗糙度對細胞粘附、代謝活性和增殖的影響。

樣品所用打印機及耗材

PEEK圓盤樣品（n=200，Φ=14×2mm3）使用Apium P220 3D打印機來制作。左表列出了本次研究中使用耗材對應的打印機參數(shù)。右表列出了本次研究中使用的醫(yī)用級PEEK 3D絲材的物性。（Evonik VESTAKEEP? i4G樹脂)。熔融的PEEK絲材通過擠出機的噴嘴擠出，并逐層沉積。一旦沉積了單層，打印機的構建平臺就會根據(jù)制造所選擇的層厚度向下移動，并沉積下一層。隨著每一層的沉積、冷卻和硬化，最終的樣品就被打印出來。

結果

表面特征

圖1顯示了不同組的FFF 3D打印PEEK樣品表面的SEM圖像。由于FFF制造工藝，在未處理的PEEK樣品上檢測到了由明顯的峰和谷組成的打印表面的分層圖案（a-c）。拋光后，特定的打印線條消失，留下一個均勻、光滑的表面（d-f）。噴砂表面也沒有表現(xiàn)出分層圖案。與拋光表面相比，噴砂表面呈現(xiàn)出微粗糙的表面形貌，具有均勻分布和覆蓋的突起和空腔（g-o）。此外，與50μm和120μm的Al2O3噴砂組相比，250μm噴砂的樣品在其表面上表現(xiàn)出更高的微粗糙度，具有更大的突起和空腔。

表面粗糙度

圖2顯示了重建的3D表面形貌和不同組的定量粗糙度結果。在未經處理的PEEK表面觀察到FFF 3D打印結構，Ra和Rq值分別為22.28±15.26μm和26.75±17.17μm。與未處理組相比，拋光和噴砂樣品的表面明顯更光滑、更均勻( p<0.05)，Ra更低（拋光：0.17±0.08μm；50μm噴砂：0.28±0.13μm；120μm噴砂：0.43±0.15μm；250μm噴砂：0.52±0.38μm)和Rq（拋光：0.30±0.15μm；50μm噴砂：0.49±0.25μm；120μm噴砂：0.76±0.23μm; 250μm噴砂：0.88±0.56μm。

表面親水性

通過在樣品表面涂抹2μL超純水來確定表面的親水性。結果如圖3所示。無論表面處理如何，所有組都表現(xiàn)出較差的潤濕性。不同樣品表面的接觸角相似且差異較?。╬>0.05，未處理樣品：84.6±9.6°，拋光樣品：86.5±4.4°，50μm噴砂樣品：88.7±3.0°，120μm噴砂樣品：88.0±2.2°，250μm噴砂樣品：87.1±3.5°）。此外，與未處理組相關的標準偏差高于拋光和噴砂組。

初始細胞粘附

接種成骨細胞4小時后，通過結晶紫染色分析初始細胞粘附情況。圖4顯示了示例樣品上成骨細胞表面覆蓋率和參考未經處理的PEEK的定量OD值。4小時后，不同組別的SAOS-2成骨細胞的表面覆蓋率非常相似；不同的是250μm噴砂組。該組中的表現(xiàn)出比其他組略高的成骨細胞表面覆蓋率。我們的定量結果證實了這一發(fā)現(xiàn)：與其他組相比，用250μm Al2O3顆粒噴砂的樣品表現(xiàn)出更高的相對OD值（137±45%）（未經處理：100±10%，拋光：101±14%，50μm噴砂：107±13%，120μm噴砂：118±21%）。250μm噴砂組與未經處理、拋光和50μm噴砂組之間的存在較大的差異（P<0.05）。此外，250μm噴砂組的初始細胞粘附的標準偏差也高于其他組。

細胞增殖

為了確定FFF打印結構和表面粗糙度對成骨細胞生長的影響，我們用CCK-8試驗來檢查細胞的代謝活動，作為細胞增殖的間接測量（圖5）。 在5天的過程中，所有樣品表面的代謝活動都在增加，表明所有組都在持續(xù)增殖。此外，與拋光和噴砂表面相比，未處理的PEEK樣品表面上的細胞的CCK-8還原活性有明顯增加（P<0.05）。1天后，稍高的OD值（0.69±0.07）表明，與在拋光（OD值：0.50±0.05）和噴砂表面培養(yǎng)的成骨細胞相比，在未處理的表面上培養(yǎng)的成骨細胞增殖更快（OD值：50μm組：0.59±0.12；120μm組：0.48±0.10；250μm組：0.59±0.14)。隨著培養(yǎng)時間的增加，差異變得更加明顯。與拋光和噴砂表面的細胞相比，未經處理的表面上的細胞在3天和5天后表現(xiàn)出更高的生長率（≈2-3倍）。

長期培養(yǎng)后的細胞密度

在播種5天后，通過用結晶紫對細胞層進行染色，確定FFF 3D打印的PEEK樣品表面的細胞密度。在拍照記錄之后，通過洗脫結晶紫，然后對洗脫的染色劑進行光度測量來量化成骨細胞密度。圖6顯示了在示例樣品上長期培養(yǎng)成骨細胞后細胞密度的代表性例子，以及與未處理組相比，處理后表面的平均細胞密度（未處理表面的百分比）。與拋光和噴砂組相比，F(xiàn)FF 3D打印PEEK樣品的未處理表面在5天后表現(xiàn)明顯增強的細胞密度。此外，與噴砂樣品相比，拋光樣品表面的成骨細胞密度略有增加。經過長時間培養(yǎng)后，定量OD值證實了顯微圖像中的發(fā)現(xiàn)，即與其他組相比，未經處理的PEEK表面的附著細胞密度明顯較高（P<0.05）。噴砂PEEK上的細胞比例低于拋光表面的細胞比例（P<0.05）。然而，與拋光組相關的標準偏差高于噴砂組。

結論

我們通過研究表面粗糙度和潤濕性、細胞粘附、代謝活性和增殖，系統(tǒng)地分析了FFF 3D打印PEEK的生物活性。結果表明，F(xiàn)FF制造技術可以產生傳統(tǒng)噴砂方法無法實現(xiàn)的高度粗糙表面和特殊打印結構。潤濕性在初始細胞粘附中起著重要作用；隨著培養(yǎng)時間的延長，樣品表面形貌和粗糙度的影響越來越明顯。與拋光和噴砂的PEEK樣品相比，用FFF打印的各向異性表面紋理對PEEK樣品的生物活性具有刺激作用，尤其是在細胞代謝活性和增殖方面。其體外測試顯示，F(xiàn)FF 3D打印的PEEK具有各向異性的打印結構和表面粗糙度，是一種有希望改善細胞附著力、代謝活性和增殖的材料。因此，F(xiàn)FF 3D打印的PEEK可以成為牙科和顱頜面植入物的潛在候選生物材料。

文章來源：https://www.mdpi.com/2077-0383/8/6/771/htm

近年來，PEEK植入在脊柱、關節(jié)、創(chuàng)傷、口腔顱頜面、神經外科、整形外科等都取得了多方面的應用，F(xiàn)FF 3D打印PEEK固有的優(yōu)勢和制作復雜幾何形狀的能力，在臨床顱頜面和骨科應用中越來越受歡迎 。錦廷科技作為APIUM在中國區(qū)域的經銷服務伙伴，針對3D打印PEEK植入物有著多年的經驗，同時我們還有完整的一套數(shù)據(jù)分析及個性化解決方案，如您有需要可隨時咨詢我們。