四川大学华西医院：3D打印PEEK支架与复合涂层结合，治疗骨癌及进行骨修复

来源：EFL生物打印

在骨癌的治疗和相关的骨缺损修复中，提高治疗效果和改善患者生活质量的需求不断增加，需要创新的医疗保健技术，这些技术可以彻底改变传统的治疗方案(侵入性手术和全身性接受抗癌药物)。

近日，来自四川大学华西医院骨科研究所的张力、丰干钧和刘立岷团队共同开发了一种逐层(LBL)组装的黑磷纳米片/壳聚糖(BP-NS/CS)多功能复合涂层，并将其沉积在3D打印的聚醚醚酮(PEEK)骨支架上，使其能够应用于骨肉瘤治疗和骨修复（图1）。复合涂层中的BP-NS能够产生ROS和PTT，用于调节感染控制，而pH敏感的CS用作“智能”抗癌药物(DOX)释放平台（图1）。

图1 BP-NS/CS-DOX复合涂层及其相关多功能的示意图

▲相关研究论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110266

涂层支架材料的特性
模仿分级的孔结构自然骨骼的一部分，作者设计了具有分级孔径的PEEK支架,SEM表明成功制备了具有分级孔隙率(200–800微米)的磺化PEEK支架。3D打印的致密PEEK具有高得多的拉伸和压缩模量(分别为1462.8 MPa和1179.1 MPa)。相比之下，具有梯度孔隙率的支架具有中间的拉伸和压缩模量值(分别为537.1 MPa和323.2 MPa)。当然，所有PEEK支架的弹性模量都在人类松质骨模量范围内(0.01–3 GPa)。

图2 支架的结构表征

图2表明BP-NS的最大尺寸为200 nm，厚度约为14-16 nm(图2a-b)，DLS分析进一步证明了这个结果(图2c)。Zeta电位测试表明两种物质可以通过静电相互作用层层组装。

图3 BP-NS的表征

图3显示了具有载药复合涂层(即LBL/DOX-SP)的SP（磺化PEEK）支架的表征结果。SEM显示了的横截面视图LBL涂层由支架内部典型支柱上的两层BP-NS/CS-DOX组成，EDS光谱进一步表明了BP-NS的存在；FTIR显示出源自CS/DOX的碳氮特征峰，进一步证实了LBL的成功组装。XPS表明CS和DOX之间形成了氢键保持其相对稳定；原始BP-NS在1小时内完全降解，而BP晶体在440小时后完全降解。将 BP-NS嵌入LBL/DOX-SP进一步抑制了其降解率，仅在1351小时（56 天）后才实现总降解。

图4 LBL/DOX支架的特性

光热转换效应

图4a和b显示了LBL/DOX-SP涂层(10个双层)在不同辐射条件下的温度分布近红外光谱功率密度。结果表明，支架在空气中的温度可在150 s内分别达到60℃、78℃和97 ℃后保持稳定。分别使用和不使用NIR监测P和DOX的累积释放（图 5）。可以看出，由于在高温下增强了扩散效应，NIR 可以大大增强P和DOX的释放；
已知肿瘤细胞外pH和间质液pH值分别为6.2-6.9和5.5-6.0，而健康组织的pH值为7.3-7.4，因此，在中性(pH 7.4)和酸性(pH 5.5)条件下也监测了LBL/DOX-SP的pH响应性药物释放，以模拟健康和肿瘤生理状态微环境。结果表明，P和DOX在pH 5.5下均表现出增强的释放，表明了良好的pH控制药物释放。

图5 LBL/DOX-SP在空气中的光热转换效应及其药物释放响应

抗菌特性
作者以S. aureus和E.coli两种典型细菌进行抗菌特性的验证，在不同支架表面使用(NIR+)和没有(NIR-)激光照射。图6显示P和SP支架对近红外辐射不敏感，而CS包被的SP (CS-SP)NIR-和CS/DOX包被的SP (CS/DOX-SP) NIR-显示出相似的杀菌率，即对金黄色葡萄球菌为 42%，对大肠杆菌为 46%。因此，材料的抗菌特性主要源于CS。

图6 涂层支架材料的抗菌性能

体外抗癌研究
之后，作者以MG-63为模型肿瘤细胞评价LBL/DOX-SP涂层的支架的化学-PTT效率。图7显示了细胞实验的具体结果，P、SP、CS-SP的细胞活力相当（~100%）并且不依赖于激光。CS/DOX-SP NIR-和 LBL/DOX-SP NIR-的细胞活力均降低了约35%。虽然CS/DOX-SP对激光照射不敏感，但LBL/DOX-SP NIR+ 显示细胞活力进一步下降（降至12.2%）。在 LBL/DOX-SP NIR +中看到的最大癌症消融效率可归因于PPT 和化疗的联合作用。

图7 体外抗癌效果

体内抗癌研究
接着，作者使用异位骨肉瘤裸鼠模型评估不同支架在体内的肿瘤消融能力。在BP的作用下，含有LBL/DOX-SP的肿瘤的温度在2分钟内达到50 ℃,并在整个治疗期间保持稳定功率的激光照射（图8）。对照组、P组、SP组、CS-SP组(NIR+/)的肿瘤体积显示显著增加(与第0天相比大于9倍)，而CS/DOX-SP NIR组和LBL/DOX-SP NIR组的肿瘤体积与第0天的肿瘤体积相似。LBL/DOX-SP NIR +组的肿瘤体积在第10天显示出最大的减小(99%)。这些结果证实，化学-PPT疗法可以实现近乎完全的肿瘤抑制（~99%），其性能可与其他高影响研究相媲美。

图8 体内抗癌效果

体外成骨活性

为了验证材料的成骨特性，作者在体外培养MC3T3-E1细胞。在第7天通过PCR检测成骨相关基因(BMP-2，OPN，OCN和Runx2)的表达。如图9所示，与SP和P相比，CS-SP、CS/DOX-SP和LBL/DOX-SP中BMP-2、OPN、OCN和Runx2的表达显著上调，其中LBL-SP组显示最大的上调。在第10天通过蛋白质印迹进一步评估成骨相关蛋白(图9)。根据PCR结果，LBL/DOX-SP支架显示成骨相关蛋白的最高表达水平。总之，LBL/DOX-SP支架能有效上调成骨相关基因和蛋白的表达。

图9 体外成骨检测

图10 ALP及成骨染色检测

体内成骨检测

最后，作者在大鼠中构建临界大小的股骨远端髁缺损模型，以评估不同支架在体内的成骨能力。不同组的代表性显微CT图像见图11，每组都可以看到不同程度的新骨形成和生长到支架中，具体表现为LBL/DOX-SP > CS/DOX-SP 和 CS-SP > SP > P。组织学H&E染色图像表明LBL/DOX-SP组能够最大程度地形成新骨，并且新骨组织牢固地锚定在支架表面，没有碎片或炎症细胞，新骨的连续荧光标记进一步证实了这些结果。结果均表明LBL/DOX-SP支架的骨再生能力最好，复合涂层显着促进成骨。

图11 体内成骨检测

综上，作者利用LBL技术制备了黑磷纳米片/壳聚糖多功能复合涂层并沉积到3D打印的PEEK支架上。3D打印的PEEK支架基底具有模拟自然骨骼结构的分级孔隙率，它能有效地填充骨缺损并提供所需的机械支持，同时促进骨向内生长。LBL复合涂层可通过化学-光动力疗法有效抑制癌症，并通过释放活性氧来对抗术后细菌感染。这是首次开发出多功能复合涂层来修改和增强3D打印PEEK支架的功能，涵盖了骨肉瘤治疗面临的长期挑战。