3D打印nHA/PEEK-AgNPs复合多孔支架的制备与性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.220253

摘要/Abstract

摘要：

通过熔融沉积成型3D（FDM 3D）打印技术进行打印，制备成nHA/PEEK复合多孔支架。再采用多巴胺氧化聚合和硝酸银化学还原法，在支架表面形成银纳米颗粒涂层，从而制备出nHA/PEEK-AgNPs复合多孔支架。nHA/PEEK-AgNPs具有独特的三维多孔结构，表面接触角约为（33.2±3.65）（°），展示出较好的亲水性。力学测试结果显示，nHA/PEEK-AgNPs多孔支架的最大压缩强度为（47.4±3.9） MPa，明显高于PEEK组的（36.3±7.3） MPa。同时，最大弹性模量与PEEK组无明显差异，表明复合材料的力学强度与PEEK多孔支架相比有所增强。抑菌实验结果显示，对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有明显的抑菌性，抑菌率分别达到（89.4±2.4）%和（85.8±4.4）%。细胞增殖检测结果显示，7 d内nHA/PEEK-AgNPs组在各个时间点的细胞增殖情况均明显优于PEEK组（P＜0.05）。此外，nHA/PEEK-AgNPs具有较好细胞相容性和成骨活性。RT-PCR结果显示，14 d内，和PEEK相比，nHA/PEEK-AgNPs组细胞的Runx2基因表达水平和Col1基因表达水平均随着时间增加而上调（P＜0.05），说明nHA/PEEK-AgNPs复合支架材料能够显著提高成骨相关基因的表达。nHA/PEEK-AgNPs三维多孔支架有望在骨组织工程修复领域得到应用。

关键词: 3D打印, nHA/PEEK-AgNPs, 三维多孔支架, 抗菌性, 生物相容性, 成骨活性

Abstract:

Nanometer hydroxyapatite （nHA） and poly（ether-ether-ketone）（PEEK） powder is intensively mixed to develop and prepare nHA/PEEK-AgNPs composite porous scaffolds by fused deposition modeling （FDM） 3D printing technology. Then， dopamine oxidation polymerization and silver nitrate chemical reduction were used to form silver nanoparticle coating on the surface to prepare nHA/PEEK-AgNPs composite porous scaffolds. The scaffold had a unique three-dimensional porous structure with a surface contact angle of about （33.2±3.65）（°）， showing good hydrophilicity. Mechanical test results showed that the maximum compressive strength of nHA/PEEK-AgNPs porous scaffolds was （47.4±3.9） MPa， which was significantly higher than （36.3±7.3） MPa of PEEK group. At the same time， there was no significant difference in the maximum elastic modulus between the PEEK group and the PEEK group， indicating that the mechanical strength of the composite was enhanced compared with that of the PEEK porous scaffold. The antibacterial test showed that the antibacterial rate of Escherichia coli and Staphylococcus aureus was （89.4±2.4）% and （85.8±4.4）%， respectively. The results of cell proliferation assay showed that the nHA/PEEK-AgNPs group had significantly better cell proliferation than the PEEK group at all time points within 7 days （P＜0.05）. In addition， nHA/PEEK-AgNPs had good cell compatibility and osteogenic activity. The results of RT-PCR showed that the expression levels of Runx2 gene and Col1 gene in nHA/PEEK-AgNPs group were up-regulated over time compared with PEEK group within 14 days （P＜0.05）. These results indicated that nHA/PEEK-AgNPs composite scaffolds could significantly improve the expression of osteogenesis-related genes. nHA/PEEK-AgNPs three-dimensional porous scaffolds are expected to be applied in the field of bone tissue engineering and repair.

Key words: 3D printing, nHA/PEEK-AgNPs, Three-dimensional porous scaffold, Antibacterial, Biocompatibility, Osteogenesis

中图分类号:

O632

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图/表 11

表1 RT-PCR所用引物序列

Table 1 Primer sequences

Gene	Forward primer sequence （5′-3′）	Reverse primer sequence （3′-5′）
GAPDH	AACTTTGGCATTGTGGAAGG	ACACATTGGGGGTAGGAACA
Runx2	GCCGGGAATGATGAGAACTA	GGACCGTCCACTGTCACTTT
Collagen1	CACAGAGGTTTCAGTGGTTTGG	GCACCAGTAGCACCATCATTTC

图1 支架材料的外观图（A）PEEK、（B）nHA/PEEK和（C）nHA/PEEK-AgNPs以及材料的微观结构和表面形貌的ESEM图片。（D）PEEK、（E）nHA/PEEK和（F）nHA/PEEK-AgNPs为低倍率图片；（G）PEEK、（H）nHA/PEEK和（I）nHA/PEEK-AgNPs为高倍率图片

Fig.1 Appearance of material （A） PEEK，（B） nHA/PEEK，（C） nHA/ PEEK-AgNPs， and ESEM pictures of the microstructure and surface morphology of the material；（D） PEEK，（E） nHA/PEEK and （F） nHA/ PEEK-AgNPs were low magnification images；（G） PEEK，（H） nHA/PEEK and （I） nHA/ PEEK-AgNPs are high magnification images

图2 3种支架材料（PEEK、nHA/PEEK和nHA/PEEK-AgNPs）的FT-IR谱图

Fig.2 FT-IR spectra of scaffold materials （PEEK， nHA/PEEK and nHA/PEEK-AgNPs）

图3 3种支架材料（PEEK、nHA/PEEK和nHA/PEEK-AgNPs）的XRD图谱

Fig.3 XRD spectra of scaffold materials （PEEK， nHA/PEEK and nHA/PEEK-AgNPs）

图4 3组支架材料（PEEK、nHA/PEEK和nHA/PEEK-AgNPs）的应力应变曲线（A）以及最大压缩强度（B）和最大弹性模量（C）的对比。n=3，*P＜0.05

Fig.4 Stress-strain curves （A） and comparison of maximum compressive strength （B） and maximum elastic modulus （C） of three groups of scaffold materials （PEEK， nHA/PEEK and nHA/PEEK-AgNPs）. n=3， *P＜0.05

图5 3种支架材料（PEEK、nHA/PEEK和nHA/PEEK-AgNPs）的表面接触角对比。n=3，*P＜0.05

Fig.5 Surface contact angles of three kinds of scaffold materials （PEEK， nHA/PEEK and nHA/PEEK-AgNPs）. n=3， *P＜0.05

图6 3种支架材料（PEEK、nHA/PEEK和nHA/PEEK-AgNPs）对于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌实验菌落图（A）和抑菌率（B.大肠杆菌；C.金黄色葡萄球菌）。n=3，*P＜0.05

Fig.6 The bacteriostasis rate of scaffold materials （PEEK， nHA/PEEK and nHA/PEEK-AgNPs） against Escherichia coli （B） and Staphylococcus aureus （C）. n=3， *P＜0.05

图7 ESEM观察（A）PEEK、（B）nHA/PEEK和（C）nHA/PEEK-AgNPs）材料表面细胞的粘附铺展情况

Fig.7 ESEM observation of surface cell adhesion spread on （A） PEEK，（B） nHA/PEEK and （C） nHA/PEEK-AgNPs

图8 不同时间点（1、3和7 d）MC-3T3-E1细胞在3组材料（PEEK、nHA/PEEK和nHA/PEEK-AgNPs）上的细胞增殖情况。n=3，*P＜0.05

Fig.8 Cell proliferation of MC-3T3-E1 cells on materials （PEEK， nHA/PEEK and nHA/PEEK-AgNPs） at different time points （1， 3 and 7 d）. n=3， *P＜0.05

图9 不同时间点（3、7和14 d），PEEK、nHA/PEEK和nHA/PEEK-AgNPs上的MC-3T3-E1细胞的相对碱性磷酸酶活性。n=3，*P＜0.05

Fig.9 Relative alkaline phosphatase activity of MC-3T3-E1 cells on PEEK， nHA/PEEK and nHA/PEEK-AgNPs at different time points （3， 7 and 14 d）. n=3， *P＜0.05

图10 不同时间点（3、7和14 d）3组材料（PEEK、nHA/PEEK和nHA/PEEK-AgNPs）上的MC-3T3-E1细胞的成骨相关基因（Runx2、Col1）表达情况。n=3，*P＜0.05

Fig.10 Expression of osteogenic genes （Runx2， Col1） in MC-3T3-E1 cells on materials （PEEK， nHA/PEEK and nHA/PEEK-AgNPs） at different time points （3， 7 and 14 d）. n=3， *P＜0.05

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