当PEEK遭遇生物活性薄膜涂层，可与骨头分外亲密

材料牛注：PEEK的机械性能类似于骨头，可以很好的应用于脊柱植入。然而，PEEK与骨头粘结性并不好。如何解决这一关键问题？

植入体在动物实验18周后，无涂层PEEK植入体的骨生长组织学观察图片如图A和图B，用离子束辅助沉积制备、经微波热处理和高压灭菌处理的涂层PEEK植入体骨生长情况见图E、图F。可见，在相同的时间，与有涂层的植入体（F）相比，非涂层植入体表面接触形成的新骨似乎更薄（B）。白色箭头指向僵化组织（显示新骨形成），黄色箭头指向纤维组织（即瘢痕样组织），用“I”标记植入体。比例尺分别为9mm（A\E）和500 m（B\F）。图片来源：Afsaneh Rabiei

研究人员开发了一种技术，用生物活性膜作为聚合植入物的涂层，显著增强了动物试验中植入物和周围骨头的粘接性。该植入物常被用于脊柱手术中，通过涂覆涂层可以显著提高它的植入成功率。这一工作是由北卡罗莱纳州立大学、剑桥大学和德州大学圣安东尼奥分校的研究人员合作完成的。

这项研究中的聚合物是聚醚醚酮，或称之为PEEK，它的机械性能类似于骨头，可以很好的应用于脊柱植入。然而，PEEK与骨头粘结性不好。为解决这一问题，研究人员开发了一种新技术，用羟基磷灰石（HA）作为PEEK的涂层，HA是一种磷酸钙，与骨头粘结性良好。概念证明研究是可行的，但研究人员仅将HA涂层用于平面，并没有在动物实验中测试HA涂层植入体。

本研究中论文的通讯作者——北卡罗莱纳州机械和航空航天工程的教授Afsaneh Rabiei说到：“现在我们可以在植入体的所有表面制备HA涂层，且动物实验的结果显示HA涂层是非常有潜力的。”

Rabiei的实验室开发了HA涂层制备技术第一步，在PEEK植入体外涂上钇稳定化氧化锆（YSZ）的薄膜。第二步，涂上HA涂层。然后研究人员用微波加热HA层。YSZ层作为隔热层，防止PEEK融化。同时，热量使HA转变为另一在人体中更稳定的晶体结构，使磷酸钙的溶解更缓慢，从而促进植入体与周围骨头的结合。

研究人员在兔子实验中测试了三种类型的PEEK植入物：分别为没有涂层的PEEK植入物；仅用微波处理过的HA涂层PEEK植入物；经微波和短时高压处理的HA涂层PEEK植入物。短时高压处理旨在增强HA晶体结构。

研究人员使用组织细胞的显微观察和三维X射线成像来评估这三种植入体的性能。手术十八周后，研究人员发现，在新骨的骨密度接近的情况下，这两种HA涂层植入体形成的新骨是没有HA涂层植入体的两倍以上，并且，HA涂层植入体有更高的骨植入体接触率。Rabiei解释说，结果显示，使用改进的植入体可减少其术后松动的可能性，也降低了用后续手术来移除和替换植入体的风险。这主要是由于相比于没有涂层的PEEK植入体，涂层植入体周围的新生骨体积得到了增加。

研究人员还对植入体进行了生物力学测试，评估植入体与周围骨头的结合强度。实验时对植入体施加外力，直至将它发生脱落。记录该过程所作的功（单位为牛顿毫米(N-mm)）作为衡量标准。18周动物实验后，使经微波处理的HA涂层植入体脱落，用了约299.1N-mm；经微波和高压处理的HA涂层植入体，用了312.5N-mm，而未改性的PEEK植入体，只用了约183.9N-mm。

Rabiei说：“值得注意的是，这些结果是在完全光滑的PEEK表面上得到的，而我们的后续研究表明，在涂层前稍微增加PEEK表面粗糙度，我们可以得到更高结合力的HA/YSZ涂层，将需要更高的功来推出植入体。不管是骨头的生长还是韧性，HA涂层植入体样本都优于未涂覆的PEEK植入体，这种处理可能会稍微增加一个植入体的成本，但应该最大限度地减少后续手术的需要。”

Rabiei解释说：“成本增加的程度尚不清楚，我们不知道任何与HA或YSZ相关的健康风险，虽然这两者都是被FDA批准长期用于植入设备上。因此，在HA涂层的植入物用于临床实践之前，我们可能不需要额外的临床试验。目前，我们正在寻找行业合作伙伴来帮助我们早日实现技术商业化。”

原文网址：Bioactive film improves how implants bond with bone in animal study

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

本文由新锐刘万春翻译，张艺审核，感谢王宇提供稿件来源！