骨伝導性整形外科表面のための溶融フィラメント製造を介して作成された多孔質PEEKを3Dプリントした

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J Mech Behav Biomed Mater.2020 Sep;109:103850. S1751-6161(20)30404-5. doi: 10.1016/j.jmbbm.2020.103850.Epub 2020-05-11.

骨伝導性整形外科表面のための溶融フィラメント製造を介して作成された多孔質PEEKを3Dプリントした

3D printed porous PEEK created via fused filament fabrication for osteoconductive orthopaedic surfaces.

H Spece
T Yu
A W Law
M Marcolongo
S M Kurtz

PMID: 32543413 DOI: 10.1016/j.jmbbm.2020.103850.

抄録

ポリエーテルエーテルエーテルケトン(PEEK)は、そのユニークで有利な材料特性から、インプラントデバイスのための魅力的な生体材料である。PEEKは生体不活性のため、整形外科用インプラントへの応用が懸念されているが、多孔質ネットワークの形成により、周囲の組織との相互作用に有望な結果が得られている。本研究では、臨床的に利用可能な溶融フィラメント製造法（FFF、3Dプリンティング）を用いて多孔質PEEKを作製し、細孔構造の形態、機械的特性、生物学的反応を評価した。多孔質構造の設計は、単純な直線状パターンと3倍周期の極小表面（TPMS）、特にジャイロイド型とダイヤモンド型に基づいている。多孔性,降伏強度,粗さなどの材料特性は、μCT,静的圧縮試験,光学プロファイロメトリを用いて評価した。3Dプリントされた固体PEEKとともに多孔質PEEKを、細胞増殖とアルカリホスファターゼ（ALP）活性の評価のためにMC3T3-E1前胚芽細胞で播種した。μCTイメージングは、多孔質ネットワークが開いていると600μmのAs-designedサイズに似た多孔質サイズ（p>0.05）で、相互接続されていることを示した。平均圧縮特性は、弾性率が210〜268MPa、降伏強度が6.6〜17.1MPaであり、TPMS構造体では最大の強度を示した。SEMイメージングの結果、細胞が多孔質構造物のミクロトポロジー的な特徴に付着し、橋渡しをしていることが明らかになり、多孔質PEEKの細胞活性は複数の時点で固体と比較して有意に大きかった。

Due to its unique and advantageous material properties, polyetheretherketone (PEEK) is an attractive biomaterial for implantable devices. Though concerns exist regarding PEEK for orthopaedic implants due to its bioinertness, the creation of porous networks has shown promising results for interaction with surrounding tissue. In this study, we created porous PEEK via clinically-available fused filament fabrication (FFF, 3D printing) and assessed the pore structure morphology, mechanical properties, and biologic response. The designs of the porous structures were based on a simple rectilinear pattern as well as triply periodic minimal surfaces (TPMS), specifically gyroid and diamond types. The material characteristics, including porosity, yield strength, and roughness, were evaluated using μCT, static compression testing, and optical profilometry. The porous PEEK, along with 3D printed solid PEEK, was then seeded with MC3T3-E1 preosteoblast cells for evaluation of cell proliferation and alkaline phosphatase (ALP) activity. The samples were then imaged via scanning electron microscopy (SEM) to observe cell morphology. μCT imaging showed the porous networks to be open and interconnected, with porous sizes similar (p > 0.05) to the as-designed size of 600 μm. Average compressive properties ranged from 210 to 268 MPa for elastic modulus and 6.6-17.1 MPa for yield strength, with strength being greatest for TPMS constructs. SEM imaging revealed cells attaching to and bridging micro-topological features of the porous constructs, and cell activity was significantly greater for the porous PEEK compared to solid at multiple time points.