壳聚糖改性聚醚醚酮表征及对MC3T3-E1细胞黏附、增殖的影响

doi:10.12307/2022.643

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (21): 3351-3356.doi: 10.12307/2022.643

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壳聚糖改性聚醚醚酮表征及对MC3T3-E1细胞黏附、增殖的影响

冯乐，邱鹏，刘敏，周会

西南医科大学口颌面修复重建与再生实验室，西南医科大学附属口腔医院修复科，四川省泸州市 646000

收稿日期:2021-08-24 接受日期:2021-11-04 出版日期:2022-07-28 发布日期:2022-01-27
通讯作者: 周会，硕士，医师，西南医科大学口颌面修复重建与再生实验室，西南医科大学附属口腔医院修复科，四川省泸州市 646000
作者简介:冯乐，男，1995年生，四川省西昌市人，汉族，西南医科大学在读硕士，主要从事口腔种植方向研究。
基金资助:
四川省医学科研课题计划项目(S19023)，项目负责人：刘敏；泸州市科技计划项目(2018-JYJ-39)，项目负责人：周会

Characterization of chitosan-modified polyetheretherketone and its effect on MC3T3-E1 cell adhesion and proliferation

Feng Le, Qiu Peng, Liu Min, Zhou Hui

Oral and Maxillofacial Reconstruction and Regeneration Laboratory, Southwest Medical University, Department of Prosthodontics, Affiliated Stomatological Hospital, Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China

Received:2021-08-24 Accepted:2021-11-04 Online:2022-07-28 Published:2022-01-27
Contact: Zhou Hui, Master, Physician, Oral and Maxillofacial Reconstruction and Regeneration Laboratory, Southwest Medical University, Department of Prosthodontics, Affiliated Stomatological Hospital, Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China
About author:Feng Le, Master candidate, Oral and Maxillofacial Reconstruction and Regeneration Laboratory, Southwest Medical University, Department of Prosthodontics, Affiliated Stomatological Hospital, Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China
Supported by:
the Medical Research Project of Sichuan Province, No. S19023 (to LM); Science and Technology Plan Project of Luzhou City, No. 2018-JYJ-39 (to ZH)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
聚醚醚酮：是一种线性的全芳族半结晶热塑性聚合物，与天然牙的颜色相似，弹性模量与人的颌骨皮质骨相近。此外，聚醚醚酮还具有多种特性，如韧性和刚性兼备、耐高温耐腐蚀、耐蠕变、加工性能好等。聚醚醚酮及其复合物已被广泛应用于航空航天、军事及医疗领域。
壳聚糖：是天然多糖甲壳素脱除部分乙酰基的产物，被广泛应用于食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收等领域。同时，壳聚糖还具有良好的生物相容性、可降解性、抗菌性等特性，常作为药物或生长因子载体、生物材料涂层等应用于医疗领域。

背景：聚醚醚酮的生物惰性表面限制了其医学应用，如何提高聚醚醚酮的生物活性亟待解决。
目的：分析壳聚糖生物活性涂层改性聚醚醚酮的表面特征及其对MC3T3-E1细胞增殖、黏附的影响。
方法：取圆片状聚醚醚酮材料，依次进行NaBH4、3-氨丙基三乙氧基硅烷、戊二醛水溶液及壳聚糖溶液处理，获得壳聚糖生物活性涂层改性的聚醚醚酮材料。使用X射线光电子能谱、扫描电镜、原子力显微镜与全自动接触角测量仪观察化学处理前后聚醚醚酮材料的表面特征。将MC3T3-E1细胞分别接种于聚醚醚酮与壳聚糖改性聚醚醚酮材料表面，观察细胞的增殖与黏附情况。
结果与结论：①X射线光电子能谱检测显示，聚醚醚酮材料仅含有C、O元素，壳聚糖改性聚醚醚酮材料含有C、O、N、Si元素；壳聚糖改性聚醚醚酮材料表面的接触角小于聚醚醚酮材料(P < 0.05)；②扫描电镜下可见，聚醚醚酮材料表面有明显的凹槽状起伏，壳聚糖改性聚醚醚酮材料表面存在壳聚糖分子，大小为1.0-2.0 μm；原子力显微镜下可见，聚醚醚酮材料表面有较多的微小凹坑，大小约为0.1 μm，壳聚糖改性聚醚醚酮材料表面的凹坑增大，大小为0.2-0.5 μm，表面粗糙度大于聚醚醚酮材料；③倒置显微镜下可见，壳聚糖改性聚醚醚酮材料表面的细胞数量多于聚醚醚酮材料(P < 0.05)；激光共聚焦显微镜下可见，黏附在聚醚醚酮材料表面的细胞伸展性较差、伪足较少、肌动蛋白微丝不明显，黏附在壳聚糖改性聚醚醚酮材料表面的细胞伸展性较好、伪足较多、肌动蛋白微丝多且明显；④CCK-8实验显示，壳聚糖改性聚醚醚酮材料表面的细胞增殖快于聚醚醚酮材料(P < 0.05)；⑤结果表明，壳聚糖表面改性增加了聚醚醚酮材料表面的粗糙度和湿润性，促进材料表面MC3T3-E1细胞的增殖、黏附。

https://orcid.org/0000-0002-2085-9563 (冯乐)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 聚醚醚酮, 壳聚糖, 生物材料, 表面改性, 生物安全性, 成骨细胞, 种植体, 细胞增殖, 细胞黏附

Abstract: BACKGROUND: The biological inert surface of polyetheretherketone limits its medical application, so how to improve the biological activity of polyetheretherketone needs to be solved urgently.
OBJECTIVE: To analyze the surface characteristics of polyetheretherketone modified by chitosan bioactive coating and its effect on the adhesion and proliferation of MC3T3-E1 cells.
METHODS: Disc-shaped polyetheretherketone material was obtained and treated with NaBH4, 3-aminopropyltriethoxysilane, glutaraldehyde aqueous solution, and chitosan solution to form polyetheretherketone modified with chitosan bioactive coating. X-ray photoelectron spectroscopy, scanning electron microscope, atomic force microscope, and automatic contact angle measurement instrument were used to observe the surface characteristics of chemically treated polyetheretherketone. MC3T3-E1 cells were seeded on the surface of polyetheretherketone and chitosan-modified polyetheretherketone separately, and the proliferation and adhesion of the cells were observed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) X-ray photoelectron spectroscopy showed that the polyetheretherketone material only contained C and O elements. The chitosan modified polyetheretherketone material contained C, O, N, and Si elements. The contact angle on the surface of chitosan modified polyetheretherketone material was smaller than that of the polyetheretherketone material (P < 0.05). (2) Under the scanning electron microscope, the surface of the polyetheretherketone material had obvious groove-like undulations, and the surface of the chitosan-modified polyetheretherketone material had chitosan molecule. The size was 1.0-2.0 μm. Atomic force microscope exhibited that there were many tiny pits on the surface of the polyetheretherketone material, and the size was about 0.1 μm. The pits on the surface of the chitosan-modified polyetheretherketone material increased; the size was 0.2-0.5 μm, and the surface roughness was greater than that of the polyetheretherketone material. (3) Under an inverted microscope, the number of cells on the surface of the chitosan-modified polyetheretherketone material was more than that of the polyetheretherketone material (P < 0.05 ). Under a laser confocal microscope, the cells adhered to the surface of the polyetheretherketone material had poor stretchability, fewer pseudopods, and inconspicuous actin microfilaments. The extensibility of cells adhered to the surface of the chitosan-modified polyetheretherketone material was better; the pseudopodia were more; the actin microfilament was more and obvious. (4) CCK-8 experiment showed that the cell proliferation on the surface of the chitosan-modified polyetheretherketone material was faster than that of the polyetheretherketone material (P < 0.05). (5) These results confirm that chitosan surface modification increases surface roughness and wettability of polyetheretherketone, promotes adhesion and proliferation of MC3T3-E1 cells on the surface of the material.

Key words: polyetheretherketone, chitosan, biomaterials, surface modification, biosafety, osteoblast, implant, cell proliferation, cell adhesion

中图分类号:

冯乐, 邱鹏, 刘敏, 周会. 壳聚糖改性聚醚醚酮表征及对MC3T3-E1细胞黏附、增殖的影响[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(21): 3351-3356.

Feng Le, Qiu Peng, Liu Min, Zhou Hui. Characterization of chitosan-modified polyetheretherketone and its effect on MC3T3-E1 cell adhesion and proliferation[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(21): 3351-3356.

图/表（结果） 9

2.1 X射线光电子能谱分析结果两种试件的X射线电子能谱分析表面化学元素组成如表1所示。

原始聚醚醚酮试件表面扫描范围内检测到了C、O元素，相对含量分别为87.86%，12.14%，未检测出N、Si元素；壳聚糖改性聚醚醚酮试件表面扫描范围内检测到了C、O、N、Si元素，相对含量分别为79.58%，15.09%，4.07%，1.26%。
两种试件的X射线电子能谱分析如图1所示。图1A，B为两种试件的全谱图，可见聚醚醚酮组表面只扫描到了C1s和O1s峰，而壳聚糖改性聚醚醚酮组表面扫描到了C1s、O1s、N1s和Si2p峰。图1C，D为两种试件的C1s谱图，可见聚醚醚酮组在284.8 eV处有C-C/C-H峰，在286.0 eV处有C-O峰，在287.2 eV处有C=O峰；壳聚糖改性聚醚醚酮组不仅有284.8 eV处的C-C/C-H峰和286.0 eV处的C-O峰，还出现了287.7 eV处的C=N峰，没有287.2 eV处的C=O峰。图1E，F为两种试件的O1s谱图，可见聚醚醚酮组在531.5 eV处的O=C峰和533.5 eV处的O-C峰，壳聚糖改性聚醚醚酮组在532.2 eV处的-OH峰和533.5 eV处的O-C峰。图1G，H为两种试件的N1s谱图，可见聚醚醚酮组内没有N元素的相关峰，壳聚糖改性聚醚醚酮组在399.5 eV处出现了N=C峰和-NH2，在401.4 eV处出现了-NH3+峰(质子化或形成氢键的氨基)。图I，J为两种试件的Si2p谱图，可见聚醚醚酮组内没有Si元素的相关峰，壳聚糖改性聚醚醚酮组出现了3-氨丙基三乙氧基硅烷的特征Si-O-Si峰。

2.2 扫描电镜观察结果见图2。
打磨抛光后的原始聚醚醚酮试件表面有明显的砂纸抛光过程中产生的凹槽状起伏，壳聚糖改性聚醚醚酮试件表面存在壳聚糖分子(白色箭头所指)，大小为1.0-2.0 μm。
2.3 原子力显微镜三维重建结果见图3。

原始聚醚醚酮试件表面的微小凹坑较多，大小约为0.1 μm；壳聚糖改性聚醚醚酮试件表面的凹坑则明显大于原始聚醚醚酮试件，大小为0.2-0.5 μm，且试件表面的起伏大于原始聚醚醚酮试件。
两种试件的表面粗糙度如图4所示，聚醚醚酮和壳聚糖改性聚醚醚酮组试件表面的粗糙度Ra值分别为(23.67±5.17)，(39.67±0.40) nm，组间比较差异有显著性意义(P < 0.05)。

2.4 静态水接触角测量结果两种试件的表面静态水接触角测量，见图5所示，聚醚醚酮组、壳聚糖改性聚醚醚酮组试件的接触角分别为(87.97±1.54)°，(62.47±6.05)°，组间比较差异有显著性意义(P < 0.05)。

2.5 改性前后聚醚醚酮试件的细胞相容性
2.5.1 细胞黏附 MC3T3-E1细胞在两种试件表面的初期黏附结果，见图6。聚醚醚酮组、壳聚糖改性聚醚醚酮组表面的初期细胞黏附量分别为(43.00±11.47)，(116.80±21.53)个/视野，组间比较差异有显著性意义(P < 0.05)。

激光共聚焦显微镜观察MC3T3-E1细胞在两种试件表面初期黏附形态，见图7。细胞在聚醚醚酮组试件表面基本成圆形、椭圆形，伸展较差，伪足较少，细胞质中F-actin肌动蛋白微丝模糊。细胞在壳聚糖改性聚醚醚酮组试件表面伸展良好，有较多伪足(图中白色箭头所指)，细胞质中F-actin肌动蛋白微丝多且明显，显示出发育良好的细胞骨架。

2.5.2 细胞增殖 MC3T3-E1细胞在两种试件表面培养不同时间的细胞增殖结果，见图8。培养1 d时，聚醚醚酮组、壳聚糖改性聚醚醚酮组试件表面的细胞增殖吸光度值分别为0.17±0.03，1.22±0.41，PEEK组间比较差异有显著性意义(P < 0.05)；培养4 d时，聚醚醚酮组、壳聚糖改性聚醚醚酮组试件表面的细胞增殖吸光度值分别为0.71±0.20，1.29±0.17，组间比较差异有显著性意义(P < 0.05)；培养7 d时，聚醚醚酮组、壳聚糖改性聚醚醚酮组试件表面的细胞增殖吸光度值分别为1.49±0.69，2.72±0.22，组间比较差异有显著性意义(P < 0.05)。

由以上结果可知，壳聚糖改性聚醚醚酮材料具有良好的细胞相容性。

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引言

聚醚醚酮是一种芳香族的高分子化合物，具有良好的化学稳定性和力学性能，耐腐蚀耐高温、耐蠕动、抗疲劳性能较好，能在人体内保持稳定状态[1-2]。同时，聚醚醚酮也具有良好的生物安全性，对γ射线和电子束辐射具有较高的抗性[3]，经γ射线照射灭菌后自身不会产生二次辐射[4]。与金属植入物相比，聚醚醚酮材料的弹性模量较低，与人的颌骨皮质骨相近，可减弱植入材料产生的“应力屏蔽效应”[5-8]；聚醚醚酮还具有射线穿透性，进行放射检查时不产生伪影[9]，基于以上优点，聚醚醚酮被认为是一种具有广泛应用前景的医学生物工程材料。然而作为一种惰性材料，聚醚醚酮的骨结合性较差，不利于成骨细胞的黏附、增殖[10-11]，限制了其在生物医学领域的应用，因此将聚醚醚酮作为种植体材料时亟需解决其细胞生物相容性。
作为一种生物活性物质，壳聚糖易于修饰，在人体内的降解产物无毒且不致炎，具有良好的生物相容性和安全性，被广泛应用于药物递送、伤口敷料、骨再生生物材料和抗菌药物的研究等医学领域[12-13]。利用物理或化学方法可将壳聚糖生物涂层连接到聚醚醚酮材料表面，在保持聚醚醚酮原有优良性能的同时提高其生物相容性和生物活性[14-16]。其中，湿化学法是将壳聚糖涂层接枝于聚醚醚酮材料表面的简单有效途径[17]。刘焕萍等[18]通过湿化学法成功在聚醚醚酮表面合成壳聚糖涂层，但缺乏相应的细胞实验证实其生物相容性。XU等[19]也通过湿化学法将羧甲基壳聚糖共价接枝于碳纤维加强的聚醚醚酮表面，增强了材料的抗菌活性[20]。然而，目前国内外相关的报道还不充分，壳聚糖是否能提高聚醚醚酮的生物学特性还有待深入研究。
此次实验拟通过湿化学法在聚醚醚酮表面合成壳聚糖生物活性涂层，比较原始聚醚醚酮和壳聚糖生物活性涂层改性聚醚醚酮的表面特征，以及两种材料对MC3T3-E1细胞黏附和增殖的影响，为聚醚醚酮的临床应用提供基础实验依据。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计材料表征与体外细胞学实验，组间比较进行t检验。
1.2 时间及地点实验于2020年1-12月在西南医科大学口颌面修复重建与再生实验室完成。
1.3 材料 MC3T3-E1细胞(西南医科大学口颌面修复重建与再生实验室)。
1.3.1 主要材料试剂聚醚醚酮(骏华特种工程塑料，中国)；硼氢化钠(NaBH4)(金山化学试剂有限公司，中国)；壳聚糖(金壳药业股份有限公司，中国)；CCK-8试剂盒(Dojindo，日本)；3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)(麦克林，中国)；抗荧光衰减封闭剂、DAPI溶液(Solarbio，中国)；Actin-Tracker Green(碧云天，中国)。
1.3.2 主要仪器设备 X射线光电子能谱仪(Kratos，英国)；原子力显微镜(Seiko，日本)；扫描电镜(FEI，美国)；全自动接触角测量仪(Dataphysics，德国)；全自动多功能酶标仪(Bioteke，中国)；倒置荧光显微镜(奥林巴斯，日本)；激光共聚焦显微镜(leica，德国)；体式显微镜(SOPTOP，中国)。
1.4 实验方法
1.4.1 试件制备将聚醚醚酮样品切割成直径15 mm、厚1 mm(±0.1 mm)的圆片状试件，用400#、600#、800#、1 200#、2 000#、3 000#、5 000#的防水碳化硅砂纸依次打磨、抛光，直至表面光滑、均匀一致；流动水冲洗试件后，依次置于丙酮、无水乙醇、去离子水中超声波清洗20 min，重复2次；室温干燥，备用。
1.4.2 聚醚醚酮材料的表面改性 ①羟基化：将140 mg NaBH4溶解于70 mL DMSO中，将聚醚醚酮试件浸入溶液，于120 ℃环境中反应3 h。取出试件，依次用蒸馏水和无水乙醇超声清洗20 min，60 ℃干燥3 h，合成羟基化聚醚醚酮，记为PEEK-OH。②硅烷化：将PEEK-OH试件放入体积分数为5%APTES溶液、5%去离子水、体积分数90%无水乙醇的混合溶液中浸泡3 h，取出后用无水乙醇冲洗3次，60 ℃干燥3 h，合成硅烷化的聚醚醚酮，记为PEEK-APTES。③戊二醛交联：将PEEK-APTES试件放入体积分数为2%的戊二醛水溶液中，室温搅拌24 h，去离子水冲洗，合成戊二醛交联的聚醚醚酮，记为PEEK-GA。④壳聚糖涂覆：将PEEK-GA试件放入质量分数1%壳聚糖、1%乙酸的水溶液中，室温反应24 h，取出样品，依次用0.1 mmol/L的NaOH水溶液、去离子水冲洗，室温干燥，消毒，备用。合成壳聚糖生物活性涂层改性的聚醚醚酮，记为PEEK-CS。
1.4.3 改性前后聚醚醚酮材料的表征
X射线光电子能谱分析：采用X射线光电子能谱仪分析聚醚醚酮、壳聚糖改性聚醚醚酮试件的表面化学成分，功率150 W，起飞角20°，激发源为Al Kα，全谱采用C1s(285 eV)定标，分谱采用C1s(284.6 eV)定标。
扫描电镜观察：扫描电镜观察聚醚醚酮、壳聚糖改性聚醚醚酮试件的表面形态和微观结构，设置参数如下：加速电压10 kV，观察倍数为70 000倍。样品经真空干燥、喷金后观察。
原子力显微镜观察：原子力显微镜观察聚醚醚酮、壳聚糖改性聚醚醚酮试件的表面结构和形貌，设置参数如下：扫描范围为5 μm×5 μm，扫描频率为0.8 Hz，弹簧常数为0.35 N/m，探针尖端半径为8 nm。采用原子力显微镜自带软件三维重建试件表面形貌，每种试件选取3个样本测量表面粗糙度相关参数Ra值，取均值。
接触角测量：采用全自动接触角测量仪检测聚醚醚酮、壳聚糖改性聚醚醚酮试件表面的静态水接触角，每次检测使用3 μL去离子水，每种试件选取3个样本进行测量，取均值。
1.4.4 改性前后聚醚醚酮材料的细胞相容性
细胞黏附实验：将MC3T3-E1细胞以3×104/孔的密度接种于预先装有聚醚醚酮、壳聚糖改性聚醚醚酮试件的24孔板中，每种试件5个复孔。培养4 h后，PBS洗涤，40 g/L多聚甲醛固定细胞，DAPI溶液染色，倒置荧光显微镜观察，随机取5个视野计数，取均值。
细胞接种固定方法同上，TritonX-100透膜，5%BSA室温封闭，滴加Actin-Tracker Green工作液，室温孵育，DAPI溶液染色，滴加抗荧光衰减封闭剂，激光共聚焦显微镜观察初期细胞黏附形态，荧光采集参数为绿光496 nm，蓝光358 nm。
细胞增殖实验：将MC3T3-E1细胞以3×104/孔的密度接种于装有聚醚醚酮、壳聚糖改性聚醚醚酮试件的24孔板中，每种试件3个复孔。培养1，4，7 d后，PBS洗涤，加入CCK-8工作液孵育2 h，酶标仪在450 nm波长处测量吸光值。
1.5 主要观察指标改性前后聚醚醚酮材料的表面特征与细胞相容性。
1.6 统计学分析使用SPSS 26.0软件(SPSS，美国)进行数据处理，数据均以x±s表示。组间比较采用t检验，P < 0.05为差异有显著性意义。该文统计学方法已经西南医科大学生物统计学专家审核。

讨论

种植体和颌骨之间产生牢固的骨整合是种植成功的前提[21]，细胞与种植体的相互作用是骨整合过程的关键环节之一[22]，细胞的生物学行为与种植体的表面理化特征和局部微环境密切相关。表面理化特征包括材料表面的物理和化学性质，是调节细胞和组织与植入物相互作用的关键因素。适宜的种植体表面理化特征应具有适宜的表面形态、适当的表面粗糙度、较高的亲水性及相当的弹性模量[23]。
聚醚醚酮的生物惰性表面使其表现出较差的细胞相容性[24]，限制了聚醚醚酮的临床应用，通过对聚醚醚酮的表面改性处理可赋予其细胞相容性[25]。由于聚醚醚酮内部缺乏具有高度活性的化学基团，直接在其表面引入生物活性分子进行改性处理显得尤为困难，将生物活性分子通过共价偶联到生物材料表面是一种可行的替代方法[26]。此次实验利用湿化学法在聚醚醚酮表面通过逐层沉积的方式共价偶联地接枝了壳聚糖分子，形成了壳聚糖生物活性涂层表面改性的聚醚醚酮，改变了聚醚醚酮的惰性表面，提高了聚醚醚酮的生物活性。
X射线光电子能谱可定性和定量分析材料表面的元素组成、含量、化学状态、化学键和分子结构，获取物质元素中的电子态与化合态信息[27]。此次实验结果显示，原始聚醚醚酮在X射线光电子能谱仪扫描范围内未见N、Si元素，而壳聚糖改性聚醚醚酮表面出现了N、Si元素，这表明一种含有N、Si元素的物质被引入到了聚醚醚酮表面，根据实验设计，推测是壳聚糖被引入到了聚醚醚酮表面。图1F中未扫描到C=O，表明聚醚醚酮表面的羰基全部被还原为了羟基；图1F中287.7 eV处的C=N峰以及图1L中 399.5 eV处的N=C峰是醛基和氨基之间的醛胺反应所产生，即戊二醛与3-氨丙基三乙氧基硅烷中的氨基和壳聚糖中的氨基发生了反应，这提示壳聚糖通过戊二醛的交联作用成功共价结合于聚醚醚酮表面。
当种植体植入生物体内后，材料的表面特征决定了吸附到种植体材料表面蛋白质的初始数量和构象。在种植体-骨界面，这一层吸附的蛋白质构成了细胞与种植体材料表面主要相互作用的位点，并且在调节整合素信号和受损组织再生能力时起关键作用[28]。首先，孔隙、凹坑结构能够增加种植体材料的表面积，有利于蛋白质和细胞的黏附[29]。此次实验扫描电镜观察结果显示，壳聚糖改性聚醚醚酮试件表面呈现出了有别于原始聚醚醚酮试件的微观形貌特征，原始聚醚醚酮试件表面主要是一些细小凹槽，而壳聚糖改性聚醚醚酮试件表面观察到了壳聚糖分子，并形成了较多的凹坑、孔隙结构。其次，粗糙的种植体更有利于细胞的附着、增殖和钙沉积等。亚微米级、纳米级的植入物表面形貌可以促进成骨细胞的黏附，从而有利于植入位点周围的新骨形成，加速骨结合的发生[30]。在纳米尺度环境下，更高的粗糙度Ra值表面可以为蛋白质定位提供更多的位点，对细胞的初期黏附、增殖和分化具有重要作用[31-32]。此次实验原子力显微镜观察结果显示，在聚醚醚酮表面合成壳聚糖涂层后，其表面粗糙度约为40 nm，高于原始聚醚醚酮的表面粗糙度20 nm，提示壳聚糖改性可提高聚醚醚酮的表面积，对提高其生物活性具有重要作用。
材料的亲水性同样显著影响细胞的生物学行为，研究表明高表面亲水性的材料可抑制破骨细胞的生物学行为，促进多种益于成骨的蛋白如纤维连接蛋白吸附[33-35]，使纤维连接蛋白表现出有利于延伸的构象[36-37]。纤维连接蛋白层是细胞与材料的初始相互作用位点之一[38]，可促进细胞在材料表面的黏附[39]。材料表面的水接触角可反映材料的亲水性，接触角越大亲水性越小。此次实验聚醚醚酮组的水接触角大于壳聚糖改性聚醚醚酮组，表明聚醚醚酮材料表面接枝壳聚糖后可改善其亲水性，这可能与壳聚糖分子中的羟基和氨基有关。
研究表明，材料表面化学成分在细胞扩散和黏附过程中起着重要作用[40-41]。壳聚糖中的氨基在溶液中会被质子化，从而吸引和促进细胞黏附。其次，壳聚糖还具有促进成骨细胞的生长和细胞形状保持、防止成纤维细胞生长的作用[42]。不仅如此，细胞带负电荷，而壳聚糖分子表面呈正电荷，因此壳聚糖改性聚醚醚酮组试件相较于聚醚醚酮组可吸引更多的细胞附着[43-45]。同时，壳聚糖改性聚醚醚酮带正电荷的表面更有利于细胞黏附蛋白如纤维连接蛋白的附着，并抑制非特异性蛋白如白蛋白的吸附，更能促进成骨细胞的黏附、扩散和增殖。
结论：实验结果表明，壳聚糖生物材料可通过湿化学法共价接枝于聚醚醚酮表面，提高聚醚醚酮的表面粗糙度和湿润性。壳聚糖改性后的聚醚醚酮可改善材料表面的细胞初期形态，促进细胞的黏附和增殖。然而壳聚糖改性的聚醚醚酮是否满足临床要求，还需大量的实验和临床研究验证。在后续的实验中，拟研究壳聚糖改性聚醚醚酮的毒性及涂层降解情况，进一步研究其安全性，为临床应用提供实验依据。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

壳聚糖改性聚醚醚酮表征及对MC3T3-E1细胞黏附、增殖的影响

Characterization of chitosan-modified polyetheretherketone and its effect on MC3T3-E1 cell adhesion and proliferation

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