随着医疗技术的不断进步，全球人口结构正迅速向老龄化社会转变。世界卫生组织（WHO）预测，60岁以上的人口比例将从2015年的12%增加到2050年的22%[1]。为了应对这一人口变化，可植入医疗设备在现代医疗保健中的重要性日益增加。国家健康与营养调查（NHANES）的数据表明，60岁及以上的成年人中骨科金属植入物的普及率从37.19%增加到43.40%[2]。此外，与2014-2016年相比，2020-2022年间60岁以上的牙科植入患者比例增加了26.2%[3]，这突显了老年人群中对植入相关治疗的持续需求。在这种趋势下，提高骨科和牙科植入物的长期成功率和临床存活率已成为同样重要的问题。
骨科植入材料的选择对植入手术的长期成功起着关键作用。传统的金属植入物，如钛及其合金，其弹性模量远高于天然骨骼。这种不匹配可能导致负荷传递不足，从而导致应力屏蔽和随后的骨吸收[4]。临床研究表明，在接受模块化肩关节假体重建的患者中（主要是老年人），应力屏蔽的发生率高达92%，约15%的患者出现严重的骨吸收[5]。进一步的研究表明，当牙槽骨损失超过50%时，治疗失败的风险显著增加[6]，这表明金属植入物的高弹性模量对其长期临床性能构成了潜在的限制。
为了减轻应力屏蔽并使弹性模量更接近天然骨骼，越来越多的研究关注于具有较低内在弹性模量的高性能聚合物材料。聚芳醚酮（PAEKs）是一类高性能热塑性聚合物，它们结合了类似骨骼的弹性模量、优异的生物相容性和出色的抗冲击性[7]，[8]。在PAEK家族中，聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酮酮（PEKK）引起了极大的兴趣，PEEK已广泛应用于临床植入物。与PEEK相比，PEKK具有更高的酮含量，从而显著提高了熔点和压缩强度，从而具有更好的机械性能[7]，[9]。
最近的临床报告证明了PEKK作为植入物支持假体和下颌重建框架材料的可行性，在人体应用中表现出令人满意的机械性能[10]，[11]。然而，这些研究主要集中在假体设计和结构可靠性上，而不是生物界面的增强。关键挑战仍然存在，包括PEKK的固有生物惰性、对骨-材料界面反应的有限评估，以及缺乏主动调节血管生成和成骨重塑的策略。这些差距强调了需要生物工程化的PEKK表面，这种表面结合了结构完整性和功能生物活性，这也是本研究的重点。
先前的研究表明，表面改性可以在保持PAEK聚合物（PEEK/PEKK）机械性能的同时提高其生物性能。等离子体或激光处理、磺化诱导的多孔性以及生物活性涂层等技术可以增强表面能、细胞粘附和骨整合[12]，[13]，[14]。然而，大多数方法主要关注成骨作用，并且在实现多孔基底上稳定生物分子的固定方面面临挑战，对血管生成、成骨和破骨细胞生成的协调调节关注较少[13]。在这项研究中，我们通过结合超亲水多孔结构和由天然交联剂稳定的生物分子涂层，开发了一种分层的PEKK界面。这种策略旨在增强生物分子的保留和界面稳定性，同时通过多细胞评估展示了交联剂依赖的功能可调性。
为了解决这一挑战，引入生物活性分子是一种必要且有效的方法。在各种生物活性候选物中，I型胶原——人体中最丰富的结构蛋白——已在生物材料和组织工程应用中得到广泛使用[15]。研究表明，I型胶原涂层可以加速早期骨重塑，促进成骨细胞的粘附和分化，并增强骨基质相关蛋白（如骨桥蛋白和骨连接蛋白）的表达，从而有效提高骨整合效率[16]，[17]，[18]。此外，即使在骨质疏松等不利条件下，I型胶原改性的植入物也显示出显著改善的骨整合效果，推出测试显示植入物-骨骼界面的稳定性明显优于未涂层植入物[19]，[20]。
为了实现I型胶原涂层的长期稳定性，通常采用接枝和交联技术，所使用的交联剂一般可以分为化学类型或天然类型[21]，[22]，[23]，[24]。尽管化学交联剂（如戊二醛）在增强机械强度和涂层稳定性方面有效，但它们的潜在细胞毒性和生物相容性问题限制了其在植入物表面的应用[25]。相比之下，天然交联剂具有优越的生物相容性、低毒性和环境友好性，使其更适合用于生物医学植入物表面改性[26]。
天然交联剂通常来源于天然化合物，已广泛应用于组织工程、牙齿修复和伤口敷料中的生物材料改性和增强[25]，[27]。原花青素可以通过氢键和共价相互作用与I型胶原形成稳定的三维网络结构，显著提高机械强度、抗酶降解性和整体稳定性[22]，[23]，[28]。据报道，原花青素还具有抗炎特性[29]，[30]，并可以促进成骨活性[31]，[32]。此外，表没食子儿茶素-3-没食子酸酯（EGCG）是绿茶中最丰富的多酚化合物之一，可以通过形成氢键和酯键作为天然交联剂，从而增强机械性能和抗酶降解性[33]，[34]。EGCG还已被证明可以在体外抑制破骨细胞的分化[35]，[36]。此外，姜黄素是另一种广泛用于稳定I型胶原结构的天然交联剂[37]，[38]，姜黄素交联的材料显示出优异的生物相容性，不会引起显著的炎症反应，使其适用于临床应用，如骨缺损修复[39]。
基于以上考虑，本研究旨在为PEKK植入物开发一种分层的、可调的界面设计策略。这涉及将I型胶原接枝到物理改性的PEKK上，并使用各种天然交联剂（包括原花青素、EGCG和姜黄素）稳定I型胶原层。本研究系统评估了不同交联策略对表面结构、亲水性、界面胶原稳定性以及与骨重塑相关的多细胞反应（包括血管生成、成骨和破骨细胞生成）的影响。通过这种综合方法，本研究旨在建立一个合理且实用的表面工程框架，为高性能PEKK骨科和牙科植入物的设计提供前瞻性的策略。
