《Biomaterials Advances》：Surface microstructure of PEEK scaffolds regulates osteogenic differentiation via the βPIX–RAC1–NOX1 pathway
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本研究通过熔融沉积成型（FDM）3D打印结合聚丙烯酸-乙烯二胺（PAA-EDA）两步接枝改性，制备具有生物活性表面微结构的PEEK多孔支架。实验表明改性表面不仅增强亲水性促进细胞粘附，更激活βPIX介导的信号通路抑制ITGB1-RAC1-NOX1活性，从而延缓骨基质干细胞（BMSC）衰老并促进成骨分化。体内实验验证改性支架可加速骨形成与整合。该研究揭示了PEEK表面微结构调控骨整合的新机制。
杨子健|张博文|刘一豪|陈凯婷|张青|孙长宁|王玲|李迪晨|李庆楚|赵慧瑜
广东省骨科研究院，广东省骨科医院，南方医科大学第三附属医院，中国广州510665
摘要
聚醚醚酮（PEEK）被广泛应用于骨科植入物中，但其固有的表面惰性限制了其与骨组织的稳定结合。尽管通过改性表面来增强细胞粘附是一种自然解决方案，但与骨整合相关的其他途径也具有重要的价值。在这里，我们将熔融沉积建模（FDM）3D打印技术与两步聚（丙烯酸）-乙二胺（PAA–EDA）接枝方法相结合，制备出具有生物活性表面微结构的多孔PEEK支架。除了提高亲水性以优化细胞粘附外，改性表面还激活了βPIX介导的信号级联反应，抑制了ITGB1–RAC1–NOX1的活性，从而可能延缓骨髓间充质干细胞（BMSC）的衰老并促进成骨分化。体内植入实验进一步验证了这些改性支架能够促进骨形成和整合。总体而言，这项工作揭示了PEEK表面工程中的一种新的骨整合途径，表明βPIX介导的调控机制作为实现持久骨-植入物整合的新方向具有潜力。
引言
聚醚醚酮（PEEK）是一种芳香族结晶热塑性聚合物，以其高机械强度、优异的耐腐蚀性和耐磨性以及抗降解性而闻名[1]、[2]。这些特性使其成为骨科植入物的主要材料。然而，其生物惰性严重限制了其在临床应用中的效果，导致植入后出现感染、严重的纤维包囊形成和液体积聚等问题[3]。为了提高PEEK与周围骨组织的整合性，人们对其表面改性策略进行了大量研究。研究表明，改变表面形貌可以显著影响植入物周围组织的反应，并改善PEEK骨植入物的性能，从而实现成功的骨修复[4]。与不同植入物表面接触的细胞群体表现出独特的基因表达谱、代谢活性和表型特征，这些因素会影响植入物与相邻骨组织之间的愈合过程[5]。骨髓祖细胞和成骨细胞会对植入物的不同表面特性作出反应，表达与成骨过程相关的基因[6]、[7]。细胞粘附的关键下游效应包括细胞衰老的进展。过度粘附的细胞表型通常与衰老相关，其特征是大量焦点粘附（FAs）、激活的焦点粘附激酶（FAK）以及细胞运动能力的降低。因此，调节PEEK植入物的表面特性是一种有前景的策略，可以调控细胞衰老，从而改善植入物与骨组织的整合。
在焦点粘附处局部存在的β-p21-激活的激酶相互作用因子（βPIX）是将细胞粘附与细胞衰老联系起来的关键分子[8]。βPIX属于一类作为Rho鸟苷三磷酸酶（GTPases）鸟苷核苷酸交换因子（GEFs）的蛋白质。GEF蛋白通过催化鸟苷二磷酸（GDP）与鸟苷三磷酸（GTP）的交换来激活Rho GTPases[9]，从而增加细胞收缩力并促进焦点粘附和肌动蛋白应力纤维的形成[10]、[11]。因此，βPIX通过调节Rho GTPase的活性来调控焦点粘附的形成和细胞粘附。研究还表明，βPIX蛋白水平会随着年龄的增长而显著下降，导致焦点粘附减少和整合素信号传导异常[11]。整合素对于细胞识别生物材料表面形貌至关重要，使细胞能够通过细胞外基质（ECM）蛋白进行信号传递或介导下游通路的激活。这种信号传导常常会导致活性氧（ROS）的产生和细胞衰老的启动。阻断这些过程已被证明可以在体外和体内减少细胞衰老。因此，表面微形貌可能通过βPIX影响整合素介导的细胞-材料相互作用，进而影响下游信号通路，调节细胞衰老，并最终促进骨髓来源的间充质干细胞（BMSCs）的成骨分化[11]。
在本研究中，我们使用3D打印技术制备了多孔PEEK支架，并应用了两步聚（丙烯酸）-乙二胺（PAA-EDA）表面改性方法，发现这种改性方法能够在植入后4周和8周时增强骨整合。我们首次提出了一种成骨机制，即植入物表面的微结构通过βPIX调控ITGB1-RAC1-NOX1通路，从而延缓细胞衰老。这一发现为改性表面在体内实现更好的骨整合提供了潜在的解释。
部分内容摘录
接枝PAA-EDA的多孔PEEK的制备
使用PEEK（450 PF，Victrex，Thornton Cleveleys，英国）丝材将其送入加热喷嘴中，熔融的PEEK材料沿打印方向挤出。使用熔融沉积建模（FDM）3D打印系统（陕西聚高-AM医疗科技有限公司，中国）制备了直径为14毫米、高度为1毫米的圆盘形样品，具体打印参数详见表S1。PEEK样品的表面依次用#800和#2000砂纸进行抛光
表面改性PEEK的制备与表征
在我们之前的PAA-EDA-PEEK研究中（图1A）[12]，在自引发接枝过程中调节了反应温度和紫外线照射时间，以制备出化学成分和表面形貌特征可控变化的一系列接枝样品，从而诱导不同的细胞反应。基于对接枝层性能的全面评估，包括表面粗糙度、亲水性、层厚度、降解率和结合强度等指标，我们选择了两种
讨论
植入物表面特性被认为是促进骨整合的重要因素，其中表面形貌尤其受到广泛关注。尽管分别在猪和兔子身上单独证明了表面形貌或亲水性能够显著改善植入物与骨组织的整合[20]、[21]、[22]，但已有研究表明亲水性很大程度上受到表面形貌的影响[23]。因此，表面形貌应该是更重要的因素
结论
本研究表明，对PEEK支架进行表面微结构工程改造不仅仅局限于简单提高亲水性，还揭示了一种新的生物学机制，将材料设计与细胞命运联系起来。具体而言，改性的多孔PEEK支架激活了βPIX的表达，并进而调节了ITGB1–RAC1–NOX1通路，揭示了表面特征影响成骨分化的调控轴。这一机制的发现为
CRediT作者贡献声明
杨子健：正式分析、数据管理。张博文：方法学研究。刘一豪：验证工作。陈凯婷：初稿撰写、实验研究。张青：实验研究。孙长宁：概念构思。王玲：监督工作。李迪晨：资源协调。李庆楚：资源支持。赵慧瑜：项目管理工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：82202669、12202347、51835010）、广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515010106、2025A1515012446）、陕西省青创源“科学家与工程师”团队建设项目（2022KXJ-102、2022KXJ-106）、中央高校基本科研业务费、陕西省创新团队计划（资助编号：2023-CX-TD-17）等项目的支持
