當PEEK遭遇生物活性薄膜涂層，可與骨頭分外親密

材料牛注：PEEK的機械性能類似于骨頭，可以很好的應用于脊柱植入。然而，PEEK與骨頭粘結性并不好。如何解決這一關鍵問題？

植入體在動物實驗18周后，無涂層PEEK植入體的骨生長組織學觀察圖片如圖A和圖B，用離子束輔助沉積制備、經微波熱處理和高壓滅菌處理的涂層PEEK植入體骨生長情況見圖E、圖F。可見，在相同的時間，與有涂層的植入體（F）相比，非涂層植入體表面接觸形成的新骨似乎更薄（B）。白色箭頭指向僵化組織（顯示新骨形成），黃色箭頭指向纖維組織（即瘢痕樣組織），用“I”標記植入體。比例尺分別為9mm（A\E）和500 m（B\F）。圖片來源：Afsaneh Rabiei

研究人員開發了一種技術，用生物活性膜作為聚合植入物的涂層，顯著增強了動物試驗中植入物和周圍骨頭的粘接性。該植入物常被用于脊柱手術中，通過涂覆涂層可以顯著提高它的植入成功率。這一工作是由北卡羅萊納州立大學、劍橋大學和德州大學圣安東尼奧分校的研究人員合作完成的。

這項研究中的聚合物是聚醚醚酮，或稱之為PEEK，它的機械性能類似于骨頭，可以很好的應用于脊柱植入。然而，PEEK與骨頭粘結性不好。為解決這一問題，研究人員開發了一種新技術，用羥基磷灰石（HA）作為PEEK的涂層，HA是一種磷酸鈣，與骨頭粘結性良好。概念證明研究是可行的，但研究人員僅將HA涂層用于平面，并沒有在動物實驗中測試HA涂層植入體。

本研究中論文的通訊作者——北卡羅萊納州機械和航空航天工程的教授Afsaneh Rabiei說到：“現在我們可以在植入體的所有表面制備HA涂層，且動物實驗的結果顯示HA涂層是非常有潛力的。”

Rabiei的實驗室開發了HA涂層制備技術第一步，在PEEK植入體外涂上釔穩定化氧化鋯（YSZ）的薄膜。第二步，涂上HA涂層。然后研究人員用微波加熱HA層。YSZ層作為隔熱層，防止PEEK融化。同時，熱量使HA轉變為另一在人體中更穩定的晶體結構，使磷酸鈣的溶解更緩慢，從而促進植入體與周圍骨頭的結合。

研究人員在兔子實驗中測試了三種類型的PEEK植入物：分別為沒有涂層的PEEK植入物；僅用微波處理過的HA涂層PEEK植入物；經微波和短時高壓處理的HA涂層PEEK植入物。短時高壓處理旨在增強HA晶體結構。

研究人員使用組織細胞的顯微觀察和三維X射線成像來評估這三種植入體的性能。手術十八周后，研究人員發現，在新骨的骨密度接近的情況下，這兩種HA涂層植入體形成的新骨是沒有HA涂層植入體的兩倍以上，并且，HA涂層植入體有更高的骨植入體接觸率。Rabiei解釋說，結果顯示，使用改進的植入體可減少其術后松動的可能性，也降低了用后續手術來移除和替換植入體的風險。這主要是由于相比于沒有涂層的PEEK植入體，涂層植入體周圍的新生骨體積得到了增加。

研究人員還對植入體進行了生物力學測試，評估植入體與周圍骨頭的結合強度。實驗時對植入體施加外力，直至將它發生脫落。記錄該過程所作的功（單位為牛頓毫米(N-mm)）作為衡量標準。18周動物實驗后，使經微波處理的HA涂層植入體脫落，用了約299.1N-mm；經微波和高壓處理的HA涂層植入體，用了312.5N-mm，而未改性的PEEK植入體，只用了約183.9N-mm。

Rabiei說：“值得注意的是，這些結果是在完全光滑的PEEK表面上得到的，而我們的后續研究表明，在涂層前稍微增加PEEK表面粗糙度，我們可以得到更高結合力的HA/YSZ涂層，將需要更高的功來推出植入體。不管是骨頭的生長還是韌性，HA涂層植入體樣本都優于未涂覆的PEEK植入體，這種處理可能會稍微增加一個植入體的成本，但應該最大限度地減少后續手術的需要。”

Rabiei解釋說：“成本增加的程度尚不清楚，我們不知道任何與HA或YSZ相關的健康風險，雖然這兩者都是被FDA批準長期用于植入設備上。因此，在HA涂層的植入物用于臨床實踐之前，我們可能不需要額外的臨床試驗。目前，我們正在尋找行業合作伙伴來幫助我們早日實現技術商業化。”

原文網址：Bioactive film improves how implants bond with bone in animal study

論文地址：Hydroxyapatite coating on PEEK implants: Biomechanical and histological study in a rabbit model

本文由新銳劉萬春翻譯，張藝審核，感謝王宇提供稿件來源！