《Chem. Eng. J.》封面级突破：3D打印PEEK支架巧搭“免疫-成骨”双引擎

01

研究团队采用熔融沉积成型（FDM）技术制备多孔PEEK支架，通过对打印参数的精细调控（喷嘴温度405℃、层高0.2mm、沉积速度20mm/s），实现了支架结构的精准定制。

力学测试数据显示，制备的支架杨氏模量为305.46 ± 60.93 MPa，抗压强度为30.84 ± 7.38 MPa，与人体松质骨的力学范围（压缩模量1-3000MPa，抗压强度0.1-30MPa）高度吻合。这种力学匹配性有助于降低传统金属植入物常见的“应力遮挡”效应，为骨组织愈合创造更有利的力学环境。

在结构设计上，团队将支架孔径严格控制在300-500μm区间——这一参数被骨组织工程领域广泛认可为兼顾力学支撑与物质交换的最优范围。适宜的孔径结构为后续细胞迁移、血管长入和新骨形成提供了物理基础。

02

针对PEEK生物惰性的核心问题，研究团队设计了一套聚多巴胺（PDA）介导的分层修饰方案，通过三步逐步赋予支架生物活性：

底层构建：将支架浸泡于多巴胺-TRIS溶液（pH8.5）中，利用多巴胺的自聚合反应，在支架内外表面形成均匀的PDA涂层。紫外分光光度法监测表明，反应24小时后涂层沉积达到稳定平台期。这一涂层不仅提升了支架的亲水性，其丰富的活性基团也为后续分子固定提供了锚点。

活性分子加载：借助PDA的配位作用，将纳米硅酸钙（n-CS）稳定固定于涂层表面。材料表征显示，Ca、Si元素在支架表面均匀分布。离子释放检测表明，Ca²⁺在24小时内累积释放率为32.4 ± 2.1%，SiO₃²⁻为28.7 ± 1.9%，后续呈现近线性持续释放，整体释放周期超过4周。

免疫因子修饰：通过静电相互作用，在n-CS涂层上加载白细胞介素-4（IL-4）。ELISA检测结果显示，IL-4在24小时内累积释放率为65.5 ± 0.8%，后续可持续释放约3周，溶液中检测到的IL-4峰值浓度为491.8 ± 13.0 pg/mL。这一动力学特征与骨愈合早期的炎症调控窗口期相匹配。

经过上述三步修饰，最终获得的PEEK/PCS/IL-4支架构建起一个集力学支撑、离子释放和免疫调控于一体的多功能平台。

03

巨噬细胞作为组织修复过程中的关键调控者，其表型转换直接影响修复进程。研究团队通过系列实验，深入揭示了支架调控巨噬细胞极化的分子机制。

表型转变验证：与PEEK/PCS/IL-4支架共培养的巨噬细胞，其M2型标志物（CD206、Arg1）和抗炎因子（TGFβ1）表达水平升高，而M1型相关因子（TNFα、iNOS）表达则受到抑制。流式细胞分析进一步证实，M2型巨噬细胞（CD86⁻/CD206⁺）比例明显提升。

通路机制探索：通过RNA测序技术，研究团队对基因表达谱进行了系统分析。KEGG通路富集结果显示，差异表达基因主要富集于非经典NF-κB信号通路。随后的Western Blot验证表明，PEEK/PCS/IL-4处理显著降低了该通路关键蛋白RelB（0.62 ± 0.16倍 vs. PEEK，p = 0.01）和p52（0.60 ± 0.15倍 vs. PEEK，p = 0.006）的表达水平。在非经典NF-κB通路激动剂CD40L存在的情况下，RelB和p52蛋白表达分别降至对照组的0.51 ± 0.10倍和0.51 ± 0.06倍。

功能耦合验证：研究团队设计了条件培养基实验，将经PEEK/PCS/IL-4支架处理的巨噬细胞培养基用于培养间充质干细胞。结果显示，成骨相关基因表达显著上调：COL1A1达PEEK组的3.48 ± 0.68倍（p = 0.011），ALPL达2.61 ± 0.26倍（p < 0.01），RUNX2达3.03 ± 1.79倍（p < 0.01），OPN达8.33 ± 1.59倍（p < 0.01）。ALP活性和矿化结节形成也相应增强。这一结果表明，支架通过调控巨噬细胞间接促进了成骨分化，验证了“免疫-成骨”的功能耦合。

04

研究团队从体外细胞实验到体内动物模型，构建了系统的评估体系：

细胞层面

• 成骨分化：与纯PEEK组相比，PEEK/PCS/IL-4支架组的ALP活性提升至1.58 ± 0.18倍，矿化结节形成量（ARS定量）达1.26 ± 0.08倍（p < 0.05）；COL1免疫荧光强度达1.30 ± 0.11倍（p = 0.002），OCN免疫荧光强度达1.70 ± 0.14倍（p < 0.001）。

• 血管形成：支架提取物促进内皮细胞迁移，伤口愈合率在12小时达47.9 ± 6.8%（PEEK/PCS组）和42.8 ± 16.0%（PEEK/PCS/IL-4组）；迁移细胞数量增加约1.7倍（p < 0.001）；管状结构分支数较对照组增加1.4-1.5倍（p < 0.001）。

  
  

组织层面（大鼠皮下植入）

• 7天后支架周围纤维包裹厚度显著降低。

  
  

• M2型巨噬细胞（CD163⁺）比例明显提升，证实其免疫调控能力。

  
  

功能层面（兔股骨缺损）

• 8周后Micro-CT显示，骨体积/总体积（BV/TV）达纯PEEK组的3.40 ± 0.47倍，骨矿物质密度（BMD）达纯PEEK组的2.06 ± 0.38倍。

  
  

• 推挤测试显示界面剪切强度达9.86 ± 0.65 MPa，是纯PEEK组（2.55 ± 0.41 MPa）的3.87倍。

  
  

05