pH响应涂层增强聚醚醚酮植入体抗菌及骨整合性能

2025-01-23 15:12:30 作者：材料科学和技术来源：材料科学和技术分享至：

第一作者：丁瑞

通讯作者：李鹏；袁璋

通讯单位：西北工业大学

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.02.054

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针对聚醚醚酮（PEEK）骨植入体在细菌感染和骨整合性能方面面临的挑战，本研究首先通过混合强酸（硫/硝酸）处理在原始PEEK表面构建了多孔结构（SNPEEK），随后采用由锶离子（Sr²⁺）和单宁酸（TA）组成的金属多酚网络（MPN）进行功能化涂层（ST涂层）制备，开发了具有抗菌和促进骨整合双重功能的PEEK植入体。由于MPN具有pH响应性，改性后的PEEK在微酸环境中表现出显著增强的抗菌活性。文章以“Dual-functional polyetheretherketone surface modification for enhanced osseointegration and antibacterial activity in pH-responsive manner”为题发表于Journal of Materials Science & Technology。

图1 （a）pH响应型抗菌及骨整合双功能PEEK的制备及其（b）体内抗感染活性和骨整合性能的示意图。

研究背景

PEEK已广泛应用于硬组织修复领域。然而，种植体相关感染（IAI）以及缺乏良好的骨整合性是其面临的主要挑战。随着骨缺损修复需求的增加，迫切需要简便有效的方法来解决这些问题。表面改性可有效赋予PEEK特定功能特性，同时保持其本体特性。一个有效的策略是在PEEK表面制造微/纳米多孔结构，为细胞和组织提供足够的锚定空间，从而在一定程度上改善骨整合。此外，进一步通过在多孔PEEK表面引入抗菌剂，可以显著增强其抗菌性能，已报道的抗菌剂包括抗生素和抗菌金属（如Ag）。尽管这些表面修饰策略在提升PEEK抗感染性能方面取得了一些进展，但仍存在一些局限性，例如抗生素的过度使用导致细菌耐药性危机，以及Ag使用过程中可能引发的生物毒性问题。因此，开发一种兼具抗菌和促进骨整合性能的双功能涂层，对于PEEK种植体的成功应用至关重要。此外，该涂层应具备良好的生物相容性，并避免引发细菌耐药性。

MPN作为一种多用途、高效的表面改性策略已被广泛研究。多酚和金属的多样性赋予MPN多种特性和功能，如抗菌、抗炎和促进骨整合等。值得注意的是，酚类化合物的大部分羟基在低pH环境下会被质子化，从而导致MPN的解体。细菌感染部位通常具有低pH的微环境，这一特性可作为MPN解体的触发因素。然而，关于MPN的pH响应性在同时对抗IAI和促进骨整合方面的应用研究仍然较少。

基于此，我们在原始PEEK表面构建多孔结构的基础上，提出了一种基于Sr²⁺和单宁酸（TA）的受感染微环境响应型MPN涂层制备方法。Sr作为人体骨骼中的重要营养元素，在骨重建过程中以及对血管生成有积极作用，新生血管可以传递氧气和营养物质，有利于随后新骨的形成。TA是一种天然多酚，具有优良的生物相容性和抗菌性能。

本文亮点

(1) 通过多孔结构和金属多酚网络涂层的结合，构建了兼具抗菌及骨整合性能的双功能化PEEK；

(2) 双功能化PEEK在酸性微环境中表现出更强的杀菌性能，可有效应对“超级细菌”MRSA，在体内展现出理想的骨整合性能。

图文解析

图2 （a）PEEK、SNPEEK和ST涂层改性后PEEK样品的WCA结果；（b）XPS全谱图；（c）PEEK、SNPEEK和SNPEEK-ST(9)的C1s高分辨率图谱；（d）SNPEEK-ST(9)的Sr3d高分辨率图谱；（e）PEEK、SNPEEK以及SNPEEK-ST(9)的SEM图像；（f）SNPEEK-ST(9)中TA在不同pH条件下的累积释放曲线；（g）（f）的局部放大图。

随着ST涂层层数的增加，其亲水性逐渐增强，XPS也证明了Sr元素在PEEK涂层的成功引入，TA在不同条件下的释放行为表明所制备的双功能化PEEK具有pH响应性，SEM结果证明了PEEK表面多孔结构和ST涂层的成功构建。

图3 体外抗菌性能测试。培养2 h后，PEEK、SNPEEK和SNPEEK-ST(9)表面（a）MSSA和（c）MRSA的菌落照片；以及针对（b）MSSA和（d）MRSA的杀菌率；（e）培养2 h后，PEEK、SNPEEK和SNPEEK-ST(9)样品表面MSSA和MRSA形貌变化

抗菌性能测试表明，经过改性后的双功能化PEEK在微酸环境下展示出显著增强的抗菌活性。

图4 体外生物相容性测试。（a）血液相容性结果；（b）AlamarBlue结果；（c）DAPI染色结果；（d）在不同样品表面培养24 h时后MC3T3-E1的形态变化。

体外生物相容性结果表明，双功能化PEEK具有良好的生物相容性。

图5 （a）ALP染色结果；（b）ALP定量结果；（c）划痕试验结果。

与原始PEEK以及SNPEEK相比，双功能化PEEK具有显著增强的ALP活性，并可有效促进HUVECs迁移。

图6 体内抗感染性能评估。（a）植入一周后不同样品表面细菌的菌落照片以及浸泡于LB液体培养基后的浊度变化；（b）PEEK、SNPEEK和SNPEEK-ST(9)的体内抗菌定量结果；（c）H&E染色和Gram染色（黄色箭头表示炎性细胞，红色箭头表示细菌）

双功能化PEEK在体内也表达出良好的抗感染性能。

图7 体内骨整合性能评估。植入4周后，不同样品周围骨组织的H&E染色和Masson染色图像。

与原始PEEK以及SNPEEK相比，双功能化PEEK具有显著增强的骨整合性能。

总结与展望

在本研究中，首先通过混合酸处理在原始PEEK上构建了多孔结构（SNPEEK）。随后，利用LbL技术将Sr2+和TA组成的ST涂层进一步应用于SNPEEK的功能化，成功制备了具有抗感染和促进骨整合性能的双功能PEEK。双功能PEEK对MC3T3-E1和HUVECs均表现出良好的生物相容性，可促进MC3T3-E1的成骨分化和HUVECs的迁移。此外，双功能PEEK在微酸环境下对MSSA和“超级细菌”MRSA均展现出显著增强的抗菌活性。具体而言，pH 7.4时，对MSSA和MRSA的杀菌率分别为71.72%和66.79%。而在pH 5.5条件下，其对MSSA和MRSA的杀菌率分别达到了99.98%和100%。此外，双功能PEEK在体内也表现出有效的抗感染性能，对MRSA的杀菌率超过94%。与原始PEEK以及SNPEEK相比，双功能PEEK还具有良好的骨整合能力。综上所述，本研究通过多孔结构与ST涂层的结合，为PEEK在骨修复领域的进一步应用提供了更具潜力的优势。

作者介绍

李鹏（通讯作者）：西北工业大学柔性电子研究院副院长、教授，西安市生物医学材料研究中心主任。研究方向为生物医用材料与柔性器件，在Nat. Mater.、Sci. Adv.、Adv. Mater.等期刊发表论文100余篇，总他引7000余次，H因子45；编著英文专著1部，授权/申请专利30余项；主持国家级项目6项、省部级项目10余项。担任中国生物材料学会高级会员，烧创伤创面修复材料分会副主任委员，及生物医用高分子、表界面工程、康复器械与生物材料分会委员，全国疝和腹壁外科协会第13分会副主任委员，陕西省柔性电子学会副秘书长，J. Mater. Sci. Technol.客座编辑，FlexMat、Smart Mater. Med.编委，Sci. China Mater.青年编委。

袁璋（通讯作者）：西北工业大学医学研究院副教授。结合生物材料及医疗器械临床应用面临的重大挑战，聚焦于问题背后的基础研究和应用研究，深入开展异常炎症条件下（细菌感染、骨质疏松、骨关节炎、糖尿病等）多功能（药械结合）植入体研发及生物响应。目前，主持国家自然科学基金—青年科学基金项目1项，作为骨干参与完成国家自然科学基金—面上项目1项。近5年，共发表科研论文40余篇，H指数28，以第一/通讯作者在本领域高水平期刊Advanced Functional Materials、ACS Nano、Small、Biomaterials、Journal of Materials Science & Technology等发表SCI论文10余篇，其中ESI高被引论文1篇，热点论文1篇，获权国家发明专利2项。

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