骨修復のための生物活性ハイドロゲルによる3Dプリントポリエーテルエーテルケトンの表面改質

The surface modification of 3D-printed polyether ether ketone with bioactive hydrogel for bone repair.

抄録

頭蓋顎顔面領域の骨欠損を修復することは、口腔顎顔面外科において依然として重要な課題である。ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）はカスタマイズ可能な骨補填材として臨床応用が期待されているが、三次元（3D）プリントPEEKの臨床応用は、細胞接着能と生体不活性が低いために制限されている。本研究では、3DプリントPEEKの表面特性を改変することにより、細胞接着能と骨形成特性を改善した。まず、β-リン酸三カルシウム（β-TCP）を含むメタクリル化ゼラチン（GelMA）ハイドロゲルを調製し、適切なβ-TCP濃度を決定した。その後、スルホン化処理により3DプリントPEEKの表面を改質し、GelMAハイドロゲルの安定した接着を可能にした。こうして、3Dプリントによる生体活性PEEKの作製に成功した。in vitroおよびin vivoの実験から、3Dプリントした生体活性PEEKは、未修飾の3DプリントPEEKと比較して、骨髄間葉系幹細胞との接着性および骨形成誘導性が向上し、細胞接着性および骨修復能が向上することが示された。以上より、本研究は、簡便な表面改質技術により3DプリントPEEKの生理活性改質を実現し、組織工学や再生医療分野における今後の材料設計に新たなアプローチを提供するものである。

Repairing bone defects in the craniomaxillofacial region remains a significant challenge in oral and maxillofacial surgery. Polyether ether ketone (PEEK) is an emerging customizable bone replacement material for clinical treatment; however, the clinical application of three-dimensional (3D)-printed PEEK is limited by its poor cell adhesion ability and bioinertness. In this study, the cell adhesion ability and osteogenic properties of 3D-printed PEEK were improved by modifying its surface properties. First, methacrylated gelatin (GelMA) hydrogel containing β-tricalcium phosphate (β-TCP) was prepared and the appropriate β-TCP concentration was determined. Subsequently, sulfonation treatment was used to modify the surface of 3D-printed PEEK, which allowed the stable attachment of the GelMA hydrogel. Thus, 3D-printed bioactive PEEK was prepared successfully. In vitro and in vivo experiments showed that the 3D-printed bioactive PEEK increased the adhesion to bone marrow mesenchymal stem cells and osteogenic induction, which improved the cell adhesion and bone repair ability compared to unmodified 3D-printed PEEK. In summary, this study achieved bioactive modification of 3D-printed PEEK through a facile surface modification technique, which provides a new approach for future material design in the field of tissue engineering and regenerative medicine.