生物活性膜改善植入物与骨结合的动物研究

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Afsaneh Rabiei arabiei@ncsu.edu 919.513.2674

马特·希普曼 matt_shipman@ncsu.edu 919.515.6386

在动物模型中，研究人员已经开发出一种用生物活性膜涂覆聚合物植入物的技术，这种技术可以显著增加植入物与周围骨骼之间的结合。这一进展可以显著提高这种植入物的成功率，这种植入物通常用于脊柱手术。这项工作是由北卡罗来纳州立大学、剑桥大学和德克萨斯大学圣安东尼奥分校的研究人员完成的。

这种聚合物被称为聚醚醚酮(PEEK)，它具有与骨相似的机械性能，因此被用于脊柱植入物很有吸引力。然而，PEEK不能很好地与骨头结合。为此，研究人员先前开发了一种技术，用一种叫做羟基磷灰石(HA)的物质涂覆PEEK，这是一种与骨骼结合良好的磷酸钙。概念验证研究是有前途的但研究人员当时只能将HA涂层应用于平面，并且没有在动物模型中测试HA涂层植入物。

“我们现在可以用我们的技术来覆盖植入物的整个表面，在动物模型上测试ha涂层植入物已经给了我们非常有希望的结果，”北卡罗来纳州机械和航空航天工程教授Afsaneh Rabiei说，他是一篇关于这项工作的论文的通讯作者。

ha涂层技术的第一步是在Rabiei的实验室开发的，在PEEK植入物上涂上一层氧化钇稳定氧化锆(YSZ)薄膜。第二步是涂一层透明质酸。然后研究人员用微波加热HA层。YSZ层起到隔热层的作用，防止PEEK熔化。同时，热量使透明质酸形成晶体结构，使其在体内更稳定，这意味着磷酸钙溶解得更慢，从而促进与周围骨骼的结合。

在他们的新研究中，研究人员在兔子模型中测试了三种类型的PEEK植入物:没有涂层的PEEK植入物;仅用微波处理HA涂层的PEEK植入物;用微波和短暂的高压灭菌器处理透明质酸涂层的PEEK植入物，以增强透明质酸的晶体结构。

研究人员使用组织细胞的显微评估和三维x射线成像来评估所有三种类型的植入物的性能。手术后18周，研究人员发现两种类型的ha涂层植入物的骨形成是单独PEEK的两倍多，骨密度相当。ha处理的种植体也比单独PEEK具有更高的骨与种植体接触比率。

Rabiei说:“这些结果表明，植入物在体内的固定得到了改善，减少了手术后植入物松动的机会，减少了需要进行翻修手术以移除和替换植入物的需要。”“这种改善是由于与未涂层PEEK相比，涂层植入物周围的再生骨体积增加了。”

研究人员还对植入物进行了生物力学测试，评估它们的“韧性”，即植入物与周围骨骼的结合程度。

为了验证这一点，研究人员进行了所谓的生物力学推出测试，在该测试中，对植入物施加力，直到它被移除。这些结果是以牛顿毫米(N-mm)为单位的功来测量的。

在18周时，用微波处理的HA涂层的种植体大约需要299.1 N-mm的工作，用微波和高压灭菌器处理的HA涂层的种植体大约需要312.5 N-mm的工作。相比之下，移除未修改的PEEK植入物需要大约183.9 N-mm的工作。

“值得注意的是，这些结果是在PEEK的完全光滑表面上实现的，而我们随后的研究表明，在涂层之前稍微增加PEEK的表面粗糙度，我们可以实现更高的两层HA/YSZ涂层的粘附强度，这将需要更高的工作来去除，”Rabiei说。

Rabiei说:“无论是观察骨骼生长还是韧性，ha涂层的样品都优于未涂层的PEEK植入物。”“这种治疗方法可能会略微增加种植体的成本，但应该有助于减少后续手术的需要——这意味着经过ha治疗的种植体将随着时间的推移而获得更多的回报。”

拉比伊补充说:“成本增加的程度仍不清楚。”“我们不知道与HA或YSZ相关的任何健康风险，这两种物质都已被FDA批准用于长期植入的设备。因此，在ha涂层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。我们正在对此进行调查，并正在寻找行业合作伙伴来帮助我们将这项技术商业化。”

报纸，”羟基磷灰石涂层PEEK植入物:兔模型生物力学和组织学研究的研究结果发表在该杂志的网络版上材料科学与工程C．该论文的主要作者是北卡罗来纳州立大学的博士后研究员约翰·达勒姆。合著者是剑桥大学的马修·艾伦;以及德州大学圣安东尼奥分校的塞尔吉奥·蒙特隆戈、朱昂和特贾·古达。这项工作得到了美国国立卫生研究院国立牙科和颅面研究所的支持，资助号为R21DE022925。

希普曼-

致编辑:研究摘要如下。

羟基磷灰石涂层PEEK植入物:兔模型生物力学和组织学研究

作者:北卡罗莱纳州立大学John W. Durham III和Afsaneh Rabiei;得克萨斯大学圣安东尼奥分校的Sergio A. Montelongo、Joo L. Ong和Teja Guda;以及剑桥大学的马修·j·艾伦

发表6月15日;材料科学与工程C

DOI: 10.1016 / j.msec.2016.06.049

文摘:采用离子束辅助沉积(IBAD)技术在圆柱形聚醚醚酮(PEEK)植入体上制备了羟基磷灰石(HA)和钇稳定氧化锆(YSZ)两层生物活性涂层。沉积后热处理采用变频微波退火和后续高压灭菌，使沉积的无定形HA层结晶化。TEM和EDS的显微组织分析表明，这些方法能够在PEEK上结晶HA涂层。通过在18只兔股骨外侧髁内植入未包被PEEK和包被PEEK假体，研究了有涂层和未包被PEEK圆柱形样品在体内的反应。实验动物分为两组，分别于术后6周和18周进行观察。通过显微ct分析、组织学和机械拔出试验来确定涂层对骨整合的影响。经过热处理的HA/YSZ涂层与未涂层的PEEK相比，可以改善种植体的固定，提高骨再生和骨与种植体的接触面积。该研究提供了一种新的方法来改善PEEK种植体的骨整合。