供稿人：張倍寧、李滌塵 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-05-29
納米羥基磷灰石顆粒摻入聚合物后能夠加快成骨過(guò)程，但現(xiàn)有的羥基磷灰石復(fù)合材料植入物并不令人滿意。部分原因是納米顆粒的高表面能導(dǎo)致顆粒的聚集和不均勻性，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合材料性能受損。Xinshuai Gao團(tuán)隊(duì)合成了含羧基的聚芳醚酮(PAEK-COOH)，并通過(guò)與納米羥基磷灰石（nHA）化學(xué)結(jié)合來(lái)制備復(fù)合材料。復(fù)合材料在溶液中可配制成均勻穩(wěn)定的生物墨水，并通過(guò)低溫打印將生物墨水制成多孔支架，避免了高溫對(duì)化學(xué)集成和生物活性因子的破壞。復(fù)合材料支架表面元素分布均勻，力學(xué)性能與骨小梁相匹配。體外實(shí)驗(yàn)表明，添加nHA有利于促進(jìn)細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)細(xì)胞成骨分化。該研究開發(fā)了一種制備均勻分布的納米復(fù)合材料的方法，具有在骨科領(lǐng)域應(yīng)用的潛力。
a)含羧基聚芳醚酮(PAEK-COOH)合成方案 b)低溫打印制備PAEK-COOH-nHA骨修復(fù)支架
圖1 低溫打印聚芳醚酮-羥基磷灰石復(fù)合材料制備骨支架示意圖
該團(tuán)隊(duì)打印示意圖如圖1所示。合成了含羧基的聚芳醚酮(PAEK-COOH)，并通過(guò)N-(3-二甲氨基丙基)-N'-乙基碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)/4-二甲氨基吡啶(DMAP)的酯化反應(yīng)與nHA制備復(fù)合材料。該復(fù)合材料可在溶液中配制成均勻穩(wěn)定的生物墨水，并通過(guò)低溫打印將生物墨水制成多孔支架。打印后，樣品在足夠的冷凍溫度下冷凍干燥，使縫隙中的溶劑轉(zhuǎn)化為冰晶。在特定的溫度和壓力下，冰晶升華成蒸汽，并消除殘余溶液，制備得到多孔支架。
a)低溫打印示意圖 b, c) 40% nHA支架掃描電鏡圖 d)多孔支架實(shí)物圖 e, f)元素能譜映射 g) 水接觸角測(cè)量 h)不同nHA含量下的壓應(yīng)力(應(yīng)變= 10%) i)不同nHA含量下的壓縮模量
圖2 通過(guò)低溫打印PAEK-COOH-nHA支架及其性能
該團(tuán)隊(duì)打印得到的支架及其性能如圖2所示。采用低溫打印技術(shù)制備了PAEK-COOH-nHA多孔支架。通過(guò)掃描電鏡(SEM)觀察打印支架的形態(tài)，可以看到nHA顆粒均勻地分布在聚合物表面。利用能譜(EDS)圖觀察到各元素分布均勻，P和Ca元素的含量隨著nHA含量的增加而增加。隨著nHA含量的增加，復(fù)合材料的水接觸角明顯減小(圖2g)。應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示，在低nHA含量(5wt%)下，壓縮應(yīng)力隨nHA含量的增加而升高，這在復(fù)合材料的力學(xué)性能中并不常見(圖2h)。壓縮模量的變化趨勢(shì)與應(yīng)力基本一致(圖2i)。
a) 細(xì)胞行為示意圖 b) CCK-8孵育24 h后3D打印支架上的細(xì)胞活力 c) 3天后通過(guò)DAPI/phalloidin檢測(cè)顯示細(xì)胞分布的CLSM圖像 d)不同打印支架幾天內(nèi)堿性磷酸酶(ALP)和茜素紅S (ARS)的染色情況
圖3 MC3T3-E1細(xì)胞在PAEK-COOH-nHA支架上的增殖和成骨潛能
該團(tuán)隊(duì)的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。細(xì)胞計(jì)數(shù)試劑盒(CCK-8)分析顯示復(fù)合材料支架上MC3T3- E1細(xì)胞存活率均高于95%(圖3b)，說(shuō)明復(fù)合材料適合成骨細(xì)胞的播種和生長(zhǎng)。基于SEM圖像觀察，注意到不同支架培養(yǎng)的MC3T3- E1細(xì)胞的細(xì)胞粘附和擴(kuò)散形態(tài)有很大差異。3天后用DAPI/phalloidin法評(píng)價(jià)支架細(xì)胞增殖能力。與其他支架相比，PAEK-COOH-40% nHA支架的細(xì)胞數(shù)量最多，說(shuō)明高nHA含量更有利于MC3T3-E1細(xì)胞的增殖(圖3c)。通過(guò)ALP染色來(lái)評(píng)估14天后的ALP活性(圖3d)。隨著nHA含量的增加，復(fù)合支架顏色逐漸加深，表明ALP活性逐漸升高。
該團(tuán)隊(duì)合成了PAEK-COOH，并與nHA制成復(fù)合材料。由于化學(xué)結(jié)合，nHA顆粒能均勻地分散在樹脂基體中。復(fù)合材料支架的機(jī)械性能與骨小梁的吻合良好。體外實(shí)驗(yàn)證明均勻分布的nHA顆?？梢源龠M(jìn)細(xì)胞粘附、滲透、增殖和成骨分化。