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，通過涂覆羥基磷灰石（HA）等生物活性材料來提高PEEK的生物活性，從而促進骨結合。但這種方法可能降低PEEK的機械性能，影響其長期使用。因此，本研究通過等離子體表面處理技術探索了一種維持PEEK機械強度的同時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。兩組樣品分別通過氬氣（Ar）、氧氣（O₂）等離子體處理（見圖1），目的是探索等離子體處理對PEEK表面性質的影響。通過掃描電子顯微鏡、接觸角測量等技術手段，分析兩組樣品在等離子體處理前后表面形態、潤濕性等變化，并進行細胞培養實驗考察等離子體處理對樣品體外成骨活性的影響。
 

圖1. 分組和實驗過程的示意圖.

結果與討論

1、表面微觀結構的改變

經過氬氣（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.

觀察到的表面粗糙度參數Sa和Sq的增加與原始樣品相比無顯著統計學差異，表明等離子處理在微觀層面改善了表面形態而未顯著改變其宏觀粗糙度（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的統計意義（p<0.0001）。隨著存儲時間的延長，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間點（0、1、3、7、14和21天）的水接觸角（WCA）測量.

3、細胞黏附的增強

經過氬氣（Ar）和氧氣（O₂）等離子體處理，FFF-PEEK與拋光PEEK樣品表面觀察到了顯著的微觀結構變化，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. 經過4小時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，等離子體處理樣品上的細胞不僅數量增多，且形態更為擴展，偽足數量增加（圖6）。

圖6.SEM圖像：FFF-PEEK和P-PEEK經等離子體處理前后Saos-2成骨細胞形態的定性和定量觀察.

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），經過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樣品經過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。
 

圖8. 經過5天培養的FFF 3D打印和拋光的PEEK樣品在經過等離子體表面處理與未經處理情況下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

PEEK樣品經過O₂等離子體處理后，Saos-2細胞礦化結節數量顯著增加（圖9）。21天的培養后，通過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. 經過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結合FFF 3D打印技術的結合為PEEK植入物的表面改性提供了有效途徑。通過調控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域的應用提供了新的技術支持，也為進一步優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