English | 中文版 | 手機版 企業(yè)登錄 | 個(gè)人登錄 | 郵件訂閱
當前位置 > 首頁(yè) > 技術(shù)文章 > 利用等離子體處理優(yōu)化3D打印PEEK植入物的細胞反應

利用等離子體處理優(yōu)化3D打印PEEK植入物的細胞反應

瀏覽次數:3863 發(fā)布日期:2024-2-26  來(lái)源:本站 僅供參考,謝絕轉載,否則責任自負

聚醚醚酮(PEEK)因其出色的機械性能和生物相容性,在牙科和骨科植入領(lǐng)域得到廣泛應用。盡管如此,PEEK的生物惰性表面限制了其與骨組織的有效結合。傳統上,通過(guò)涂覆羥基磷灰石(HA)等生物活性材料來(lái)提高PEEK的生物活性,從而促進(jìn)骨結合。但這種方法可能降低PEEK的機械性能,影響其長(cháng)期使用。因此,本研究通過(guò)等離子體表面處理技術(shù)探索了一種維持PEEK機械強度的同時(shí)增強其表面生物活性的方法。

材料與方法

本研究采用Apium P220 FFF 3D打印機成功制備了聚醚醚酮(PEEK)植入物樣品。打印參數如下表所示,使用醫用級PEEK 3D打印耗材(醫用級vonik VESTAKEEP®i4 G耗材)作為打印材料。
 

Apium P220 3D打印機和Evonik VESTAKEEP®i4 G耗材.


Apium P220 3D打印機的打印參數見(jiàn)下表:
 


所打印PEEK樣品分為拋光組和未拋光組兩組。拋光組樣品使用砂紙進(jìn)行拋光處理,未拋光組保留3D打印的原始表面特性。兩組樣品分別通過(guò)氬氣(Ar)、氧氣(O₂)等離子體處理(見(jiàn)圖1),目的是探索等離子體處理對PEEK表面性質(zhì)的影響。通過(guò)掃描電子顯微鏡、接觸角測量等技術(shù)手段,分析兩組樣品在等離子體處理前后表面形態(tài)、潤濕性等變化,并進(jìn)行細胞培養實(shí)驗考察等離子體處理對樣品體外成骨活性的影響。
 

圖1. 分組和實(shí)驗過(guò)程的示意圖.


結果與討論

1、表面微觀(guān)結構的改變

經(jīng)過(guò)氬氣(Ar)和氧氣(O₂)離子體處理,PEEK樣品表面形成了納米級的球形顆粒(圖2)。
 

圖2. 在10,000×放大倍數下,Ar和O₂等離子體處理前后的FFF 3D打印和拋光PEEK的SEM圖像.


觀(guān)察到的表面粗糙度參數Sa和Sq的增加與原始樣品相比無(wú)顯著(zhù)統計學(xué)差異,表明等離子處理在微觀(guān)層面改善了表面形態(tài)而未顯著(zhù)改變其宏觀(guān)粗糙度(圖3)。
 

圖3.  3D表面拓撲重建圖.


2、表面親水性的提升

FFF-PEEK樣品的水接觸角(WCA)測量從90.4±7.4°降至Ar處理后的35.7±13.0°和O₂處理后的25.6±8.8°;P-PEEK樣品的WCA測量從89.5±2.5°降至Ar處理后的41.1±7.3°和O₂處理后的38.0±3.1°,這些變化均具有顯著(zhù)的統計意義(p<0.0001)。隨著(zhù)存儲時(shí)間的延長(cháng),盡管水接觸角有所回升,但如圖4所示,21天后的測量值仍然顯著(zhù)低于處理前的水平,穩定在60°以下。
 

圖4. FFF 3D打印和拋光的PEEK在等離子體處理前和不同時(shí)間點(diǎn)(0、1、3、7、14和21天)的水接觸角(WCA)測量.


3、細胞黏附的增強

經(jīng)過(guò)氬氣(Ar)和氧氣(O₂)等離子體處理,FFF-PEEK與拋光PEEK樣品表面觀(guān)察到了顯著(zhù)的微觀(guān)結構變化,特別是形成了球形納米顆粒(圖2所示)。這一處理增強了Saos-2成骨細胞在PEEK表面的黏附能力。4小時(shí)培養以后,與未處理的原始樣品相比,O₂等離子體處理的FFF-PEEK組展現出更高的細胞黏附密度(圖5)。

 

圖5. 經(jīng)過(guò)4小時(shí)培養后初始細胞粘附的定性和定量結果.


繼續培養至24小時(shí),等離子體處理樣品上的細胞不僅數量增多,且形態(tài)更為擴展,偽足數量增加(圖6)。


圖6.SEM圖像:FFF-PEEK和P-PEEK經(jīng)等離子體處理前后Saos-2成骨細胞形態(tài)的定性和定量觀(guān)察.


4、細胞代謝活性增強

等離子體處理提高了Saos-2成骨細胞在FFF 3D打印PEEK表面的代謝活性(圖7),經(jīng)過(guò)O₂等離子體處理的FFF-PEEK樣品在第3天和第5天的培養期內,細胞代謝活性相比于未處理的原始樣品有所提高。

 

圖7.FFF-PEEK和P-PEEK樣品在等離子體處理前后Saos-2成骨細胞相對細胞代謝活性和增殖的比較.


5、堿性磷酸酶(ALP)活性的變化

PEEK樣品經(jīng)過(guò)O₂等離子體處理后,Saos-2細胞的ALP活性輕微提升(圖8)。5天的培養后,FFF-PEEK和P-PEEK組經(jīng)O₂等離子體處理后的ALP活性,對比原始樣品略有增加,但是這種影響短期內并不顯著(zhù)。
 

圖8. 經(jīng)過(guò)5天培養的FFF 3D打印和拋光的PEEK樣品在經(jīng)過(guò)等離子體表面處理與未經(jīng)處理情況下Saos-2成骨細胞的堿性磷酸酶(ALP)活性。數據以均值±標準偏差表示.


6、礦化結節形成的促進(jìn)

PEEK樣品經(jīng)過(guò)O₂等離子體處理后,Saos-2細胞礦化結節數量顯著(zhù)增加(圖9)。21天的培養后,通過(guò)O₂等離子體處理的FFF 3D打印和拋光PEEK樣品上Saos-2細胞形成的礦化結節數量顯著(zhù)增加,表明了磷酸鈣沉積量的提高,尤其是在FFF-O₂-PEEK組,比未處理的FFF-PEEK組提高了約60%。
 

圖9. 經(jīng)過(guò)21天培養后成骨分化的定性和定量結果.


結論

綜合上述研究結果,等離子體表面處理技術(shù)結合FFF 3D打印技術(shù)的結合為PEEK植入物的表面改性提供了有效途徑。通過(guò)調控PEEK表面形貌和親水性,成功地提高了其生物活性,并促進(jìn)了Saos-2細胞的黏附、堿性磷酸酶(ALP)活性、代謝活性和成骨分化。這一研究不僅為PEEK材料在骨科和牙科領(lǐng)域的應用提供了新的技術(shù)支持,也為進(jìn)一步優(yōu)化植入物的生物相容性和骨結合能力提供了重要思路。

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

來(lái)源:上海錦廷機電科技有限公司
聯(lián)系電話(huà):021-63233656
E-mail:huanhuan.zhu@gyrotec.com.cn

標簽: 聚醚醚酮 peek
用戶(hù)名: 密碼: 匿名 快速注冊 忘記密碼
評論只代表網(wǎng)友觀(guān)點(diǎn),不代表本站觀(guān)點(diǎn)。 請輸入驗證碼: 8795
Copyright(C) 1998-2024 生物器材網(wǎng) 電話(huà):021-64166852;13621656896 E-mail:info@bio-equip.com