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骨整合难题有解!PEEK植入物等离子体改性+三维结构化方案研究

时间:2025.12.20 来源 : 点击次数:0次

骨整合是骨科植入物成功应用的关键,直接决定植入物与周围骨组织的稳定结合及长期功能。聚醚醚酮(PEEK)因生物相容性优良、力学性能与人体骨骼接近,且兼容CT、MRI等影像学检查,已成为钛合金的理想替代材料,广泛应用于脊柱外科、关节置换等领域。但PEEK固有的生物惰性导致细胞黏附与增殖能力不足,严重限制其骨整合效果,制约了临床应用范围。Strauss等人发表于《Plasma Processes and Polymers》的一项研究,首次系统探究了等离子体表面改性与三维结构化结合对增材制造PEEK植入物骨整合性能的提升作用,为解决这一关键难题提供了重要参考。

PART. 01

研究材料和方法


样品制备

PEEK 样品制造:采用熔融层制造技术制备PEEK样品,使用商用PEEK丝材(直径1.75mm),打印参数包括喷嘴直径0.4mm、打印速度1200mm/min、挤出宽度0.3mm,层厚0.2mm,挤出机温度400°C,腔室温度260°C,热床温度250°C。设计A、B、C三种宏观结构样品,通过微计算机断层扫描验证表面结构与孔径。


聚醚醚酮(PEEK)的不同表面结构


等离子体表面改性工艺

设置4种等离子体基表面改性工艺(SM1-SM4),以未处理样品为对照(SM0)。


表面改性工艺的具体类型及参数

(SM1采用常压等离子工艺,SM2-SM4采用低压等离子体工艺)



性能评价方法

  • 润湿性测试:采用座滴法测定蒸馏水在样品表面的接触角,每个样品测试10个液滴。

  • 细胞相关测试:选用SAOS-2成骨细胞,经培养后进行毒性测试(依据DIN EN ISO 10993标准)和2D/3D增殖测试,通过WST-8法结合相位差显微镜定性定量分析。

PART. 02

核心研究发现


润湿性显著改善

未处理PEEK(SM0)接触角约90°,呈疏水性;经等离子体改性后,接触角显著降低:SM1(49°±12°)、SM2(56°±4°)、SM3(64°±8°)、SM4(55°±4°),其中SM1和SM4的润湿性改善最为显著。


经处理表面的接触角测量结果


细胞毒性评估

细胞毒性测试显示,所有改性试样均未表现出细胞毒性,细胞增殖率均高于70%,符合DIN EN ISO 10993要求。


2D细胞增殖

未处理样品(SM0)的细胞增殖率仅为12%,而所有改性样品的增殖率均显著提高:SM1(28%)、SM2(16%)、SM3(16%)、SM4(18%),其中SM1的增殖促进效果最优。


3D细胞增殖

所有3D结构的细胞增殖率均随培养时间延长而升高,且显著高于2D表面;螺旋结构(B、C类)的细胞增殖率显著高于直线结构(A类),且增殖率随培养时间延长而提升;较小孔径的C类螺旋结构(孔径约697μm)表现最佳,21天培养时增殖率达76%。

PART. 03

研究结果讨论


本研究首次系统评估了等离子体表面改性与3D结构化对增材制造PEEK植入物骨整合性能的协同改善作用,证实四种等离子体表面改性方法均无细胞毒性,可显著提升PEEK的亲水性和细胞增殖能力;螺旋型3D结构的骨整合潜力优于直线型结构;其中羟基改性(SM4)与螺旋型结构C(孔径约697μm)的组合可使细胞增值率在14天内达到100%,显著缩短骨整合时间,为PEEK植入物的临床应用提供了新的技术方案。


经改性的三维PEEK结构A、B、C上的细胞增殖情况

PART. 04

深那产品推荐

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参考文献:[1]Strauss T, Höfer S, Rapp C, et al. Plasma surface modification and three-dimensional structuring of additively manufactured polyetheretherketone (PEEK)[J]. Plasma Processes and Polymers, 2023, 20(12): 2300118.

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