【中国声音】PEEK复合材料植入物的功能与结构设计：促进骨再生与骨-植入物整合新策略 - 脑医汇 - 神外资讯

武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室的吴庆知研究员团队与中山大学附属第一医院神经外科的姚顺医生携手合作，通过功能化改性和结构设计的创新方法，成功促进了聚醚醚酮（PEEK）复合材料植入物周围内源性骨的再生，并显著改善了骨与植入物之间的结合效果。这一创新性的研究成果已于2024年10月02日在材料科学领域的权威期刊《Composites Science and Technology》（中国科学院1区TOP期刊，影响因子8.3）上发表。

该项研究通过赋予PEEK复合材料植入物优异的光热响应特性，显著提升了原本生物惰性的PEEK植入物的生物活性。此外，研究团队还借鉴中国传统建筑艺术中的榫卯结构，在植入物边缘设计锥形锁槽结构，通过与新生骨形成嵌入式机械互锁，从而增强了植入物与周围骨组织的结合力。

研究背景

聚醚醚酮（PEEK）以其卓越的性能而著称，包括出色的热稳定性、化学与生物惰性、耐辐射性、低摩擦系数、低磨损率，以及卓越的抗疲劳性能。PEEK的力学强度和弹性模量与人体骨骼非常相似，使得其成为制造医疗植入器械的理想材料，有效减少了因材料与骨骼弹性模量差异过大而引发的应力遮挡和二次手术等临床风险。PEEK作为硬组织修复的优选材料，已广泛应用于脊柱、颅颌面骨和关节等骨组织损伤的临床修复及医学美容领域。然而，PEEK植入器械在临床应用中也暴露出由于其化学和生物惰性导致的生物组织界面亲和力不足的问题，难以与周围组织形成牢固的结合，容易导致皮下积液、慢性炎症和组织增生等并发症，影响损伤组织的修复和功能恢复。因此，提升PEEK基医疗植入物的生物学活性和力学适配性对于其在临床应用中的推广具有重大意义。

本研究中，我们采用了生物相容性优异的纳米ZrO₂作为改性剂，以及GO（氧化石墨烯）和PDA（聚多巴胺）作为界面增强剂和光热响应剂，成功制备了具有光热响应性能的PEEK/GO/PDA@ZrO₂（PGPZ）复合材料，显著增强了其力学性能和生物学活性。此外，通过引入榫卯结构设计，我们进一步增强了植入物在体内与周围组织的结合能力，为PEEK基医疗植入物的临床应用提供了新的解决方案。

研究亮点

● 开发了一种创新策略，通过功能性和结构性的双重构建，优化PEEK复合材料植入物，以促进骨再生和增强骨-植入物的结合效果。

● 利用GO和PDA作为界面增强剂及光热响应剂，实现了双重功能：一方面改善了ZrO₂纳米粒子在PEEK基质中的分散性，另一方面为复合材料植入物赋予了光热响应特性。

● 从中国传统建筑艺术中的榫卯结构中汲取灵感，我们设计了一种新型结构，旨在加强骨与植入物之间的结合力。

图1. 光热响应型PEEK/GO/PDA@ZrO₂（PGPZ）复合材料的制备及其促进内源性骨再生和骨-植入物之间形成榫卯互锁结构的概念验证设计。

研究结果

1.在PEEK复合材料中引入GO能够提升材料的力学性能，有效抑制Zr4+离子的释放，提高复合材料的结晶度和热稳定性；GO通过氢键和π-π堆积相互作用，优化了有机相和无机相的界面相容性。

实验结果表明：与纯PEEK材料相比，PGPZ复合材料具有更高的拉伸强度、弯曲强度、压缩强度和表面硬度，分别达到103.3±1.1 MPa、120.1±3.0 MPa、226.0±4.2 MPa和85.0±0.9 HD，比纯PEEK提高了10.9%、23.3%、16.0%和5.9%。PGPZ复合材料在近红外（NIR）照射下表现出良好的光热响应性能和光热循环稳定性；通过调整NIR功率密度，能够实现光热转换强度的按需调控（图2）。

图2. PEEK复合材料的理化性能表征。

2.体外实验表明：PGPZ复合材料具有良好的细胞相容性和血液相容性。

在功率密度为0.5 W/cm²的NIR照射下，PGPZ复合材料组具有更高的ALP表达水平和更多的钙结节数量，证明PGPZ复合材料温和的光热响应显著促进了骨髓间充质干细胞（BMSCs）的成骨分化（图3）。

图3. 体外生物相容性和成骨活性实验。

3.新西兰白兔临界尺寸颅骨缺损模型实验进一步证实：植入8周后，在NIR照射下，PGPZ复合材料温和的光热响应表现出优异的促成骨活性，植入物周围观察到大量的新生骨，显著促进了植入物周围内源性骨再生；植入物边缘的锥形锁槽已经完全被新生骨填充，在骨与植入物的界面处形成嵌入式的榫卯互锁固定（图4）。

图4. 新西兰白兔临界尺寸颅骨缺损修复实验。

研究结论

本研究通过巧妙的功能化改性和结构设计，利用GO和PDA显著提升了PEEK复合材料中无机纳米粒子的分散均匀性及有机-无机界面的相容性，从而增强了复合材料的力学性能。此外，这些改性还赋予了复合材料优异的光热响应性能，在近红外（NIR）照射下显著促进了骨髓间充质干细胞（BMSCs）的成骨分化及体内新骨的形成，有效提高了复合材料植入物的生物学活性。

受中国传统建筑艺术中榫卯结构的启发，我们在植入物边缘设计了锥形锁槽结构进行概念验证。实验结果令人鼓舞：植入8周后，复合材料植入物边缘的锥形锁槽被新骨完全填充，形成了紧密的嵌入式榫卯互锁结合。通过3D打印技术，我们可以在用于临床颅骨修复的大尺寸植入物上构建更复杂、更精确的榫卯结构，从而提高植入物与骨的结合效果，并减少内固定骨钉的使用。

本研究不仅为PEEK复合材料植入物的功能化改性提供了新策略，而且为各种组织修复支架的结构设计开辟了新思路，有望推动相关领域的技术进步和临床应用。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110885

第一作者简介

李文超博士研究生

清华大学化学工程系

● 本科毕业于武汉理工大学材料科学与工程国际化示范学院（材料与微电子学院），硕士毕业于武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室

● 主要研究方向：生物医用高分子材料制备及其在组织修复领域的应用等

● 申请发明专利和实用新型专利3项；在Composites Science and Technology和International Journal of Biological Macromolecules等期刊发表SCI论文多篇

通讯作者简介

吴庆知研究员、博士生导师

武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室

● 长期从事生物医用材料、组织工程与再生医学、纳米医学与纳米生物学等领域研究

● 主持和参与国家重点研发计划项目子课题、国家自然科学基金及企业技术开发等各类项目10余项

● 发表SCI论文50余篇，授权发明专利15项

● 担任科技部青年拔尖人才计划和国家重点研发计划项目等国家和省市各类项目评审专家及多个学术期刊审稿人

姚顺主治医师

中山大学附属第一医院

● 神经外科博士、助理研究员、硕士研究生导师

● 哈佛大学联合培养博士/博士后（国家公派）

● 哈佛大学医学院2020届GCSRT项目毕业生

● 美国第五届、第六届神经病学峰会医学生委员

● 欧美同学会医师协会神经肿瘤分会委员

● 广东省健康管理学会儿童肿瘤心脏病专委会常委

● 授权国际和中国发明专利两项（第一发明人）

● 主持中国博士后基金和广东省自然等基金5项

● 受邀国际会议发言多次（CNS、WFNS、ANA）并获奖两项

● 研究方向：儿童和成人神经肿瘤的基础与临床（基于脑科学、多模态数据融合和人工智能技术），在Neuro-Oncology、BMJ-JNNP、Composites Science and Technology、Knowledge-Based Systems、IEEE JBHI、Neurosurgery、Journal of Neurosurgery、Human Brain Mapping等国际SCI期刊发表论文50篇（总引用率850余次），参编英文论著两部三章

● 担任北美神经放射协会官方期刊Journal of Neuroimaging编委，Cancer Imaging、Human Brain Mapping和CNS Neuroscience & Therapeutics等多本SCI期刊长期审稿人

END

声明：脑医汇旗下神外资讯、神介资讯、神内资讯、脑医咨询、Ai Brain 所发表内容之知识产权为脑医汇及主办方、原作者等相关权利人所有。

投稿邮箱：NAOYIHUI@163.com

未经许可，禁止进行转载、摘编、复制、裁切、录制等。经许可授权使用，亦须注明来源。欢迎转发、分享。