本研究由Xinshuai Gao, Honghua Wang, Shifang Luan, 和Guangyuan Zhou共同完成，主要作者机构包括中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室、中国科学技术大学以及中国科学院大连化学物理研究所能源材料研究部。该研究发表于期刊《Advanced Healthcare Materials》2022年11卷，具体在线发表日期为2022年7月19日。
该研究属于生物材料与骨组织工程交叉领域。其核心学术背景在于，聚醚醚酮（Polyetheretherketone， PEEK）作为一种性能优异、模量与天然骨匹配的生物惰性高分子，已被广泛应用于骨科和脊柱植入物。然而，PEEK本身缺乏生物活性，难以与周围骨组织形成良好的骨整合，这限制了其更广泛的应用。传统上，人们通过表面改性、制备复合材料或涂覆生物活性涂层等方法来赋予PEEK生物活性。但这些方法存在诸多局限，例如，使用浓硫酸腐蚀制备多孔结构会残留有毒物质；表面接枝官能团的过程繁琐且难以调控；而通过添加羟基磷灰石等活性成分制备的复合材料，又常因界面结合不良导致力学性能下降。此外，PEEK加工温度过高（通常超过300°C）也给制造带来了挑战。因此，本研究旨在开发一种新型的聚芳醚酮材料，通过一步低温和增材制造技术，构建出具有层级多孔结构且能主动诱导矿化的骨支架，以克服PEEK的上述缺陷。
研究工作的详细流程主要包括材料合成、支架制造、结构表征、性能测试、体外生物实验和体内动物实验几个主要阶段。
首先，研究人员通过亲核取代缩聚反应，合成了带有羧基侧链的无定形聚芳醚酮（PAEK-COOH）。具体是以酚酞啉（PPH）和4，4‘-二氟二苯甲酮（DFBP）为单体，在二甲基亚砜（DMSO）溶剂中，以碳酸钾（K2CO3）为催化剂进行聚合，得到PAEK-COOK，再经盐酸酸化获得PAEK-COOH。通过核磁共振氢谱（1H NMR）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线衍射（XRD）等手段确认了其化学结构和无定形态特性。
其次，构建可打印的生物墨水并利用低温沉积建模技术制造支架。将PAEK-COOH溶解于1，4-二氧六环中，制备不同浓度的生物墨水（如10%， 20%， 30%）。通过流变学测试评估墨水的可打印性，发现20%浓度的墨水在剪切稀化行为、连续流动性和机械稳定性方面表现最佳。利用低温沉积建模技术，将20%浓度的PAEK-COOH墨水在低温环境下进行3D打印，随后进行冷冻干燥。在此过程中，溶剂升华留下了纳米级孔隙，而打印路径本身则形成了设计的百微米级大孔，从而一步构建了从纳米到微米尺度的分级多孔支架。
第三，对支架的结构和物理性能进行详细表征。使用扫描电子显微镜（SEM）、显微计算机断层扫描（Micro-CT）、原子力显微镜（AFM）和表面轮廓仪等设备，系统地表征了支架的多级孔隙结构（宏观设计孔和冷冻干燥产生的纳米孔）、表面粗糙度和开孔互连性。通过压缩测试评估其力学性能，并与传统熔融沉积建模技术打印的PEEK支架以及具有相似孔隙率的聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）支架进行对比。结果证实，PAEK-COOH支架具有与松质骨（2-12 MPa）相匹配的压缩强度（6.15 ± 0.45 MPa），优于PLGA。此外，还测试了支架的亲水性（通过接触角测量）和比表面积（通过BET法），发现PAEK-COOH支架因纳米多孔表面和羧基的存在，具有更好的亲水性和更大的比表面积。
第四，进行体外生物学实验以评估支架的生物活性。将小鼠前成骨细胞系MC3T3-E1接种于低温和打印的PAEK-COOH支架和熔融沉积打印的PEEK支架上。通过细胞计数试剂盒（CCK-8）检测证明两种支架均无细胞毒性。通过SEM观察细胞粘附形态，发现细胞在具有纳米多孔表面的PAEK-COOH支架上铺展更充分，伪足延伸更明显，表现出典型的多边形形态；而在光滑的PEEK支架表面，细胞接近球形，粘附不佳。共聚焦显微镜（CLSM）活死染色也显示了PAEK-COOH支架上更高的活细胞覆盖面积和更好的增殖能力。在成骨诱导培养基中培养后，检测了碱性磷酸酶活性、钙结节沉积（茜素红S染色）以及成骨相关基因的表达。结果表明，PAEK-COOH支架上的细胞具有更高的碱性磷酸酶活性、更多的钙结节沉积，且成骨标志基因如碱性磷酸酶、骨桥蛋白、骨钙素和I型胶原的表达均显著上调。
第五，探究羧基诱导生物矿化的机制。将支架浸泡在模拟体液（SBF）中，通过X射线光电子能谱（XPS）和SEM结合能谱分析观察羟基磷灰石的形成过程。XPS结果显示，PAEK-COOH支架在浸泡2-3天后即可检测到明显的钙（Ca 2p）和磷（P 2p）信号峰，而PEEK支架在相同时间内几乎未检测到。SEM图像也显示，PAEK-COOH支架在SBF中浸泡7天后表面即有球状羟基磷灰石晶体出现，14天后可形成完整均匀的矿化层。研究提出，这一过程主要通过静电吸附机制实现：PAEK-COOH侧链上的羧基在水溶液中电离带负电，首先吸引SBF中的带正电的钙离子（Ca2+）吸附于材料表面；随着钙离子积累，表面呈正电性，进而吸引带负电的磷酸根离子（PO43-），形成异相成核点；最终，在消耗溶液中的钙、磷和氢氧根离子后，生长为稳定的骨样磷灰石晶体。
第六，进行体内动物实验以验证支架的促成骨能力。在大鼠股骨髁部制造直径为5毫米、深度为6毫米的骨缺损模型，并分别植入PAEK-COOH支架和PEEK支架。在植入后4周和8周，通过Micro-CT分析新骨体积分数、骨矿物质密度、骨小梁数量和厚度等指标；通过组织学染色观察新生骨组织与支架的整合情况；通过生物力学推出测试评估支架与宿主骨之间的结合强度。结果显示，植入PAEK-COOH支架的骨缺损区域，其新生骨量、骨密度和骨小梁数量均显著高于PEEK支架组。组织学切片显示，新生骨组织紧密地长入PAEK-COOH支架的多孔结构中，形成了良好的骨整合，而在PEEK支架周围则仅有分散的不成熟编织骨。生物力学测试表明，PAEK-COOH支架组的推出力显著更高，表明其与骨组织形成了更强的机械互锁。
本研究的主要结论是：成功开发了一种新型的带羧基聚芳醚酮材料，并利用低温3D打印技术一步法构建了具有分级多孔结构的骨组织工程支架。该支架不仅具有与松质骨相匹配的力学性能，更重要的是，其纳米多孔表面能有效促进细胞粘附和铺展，而材料表面的羧基官能团则通过静电相互作用显著诱导了羟基磷灰石的矿化。体外细胞实验和体内动物实验均证实，这种PAEK-COOH支架在无需添加任何其他活性成分的情况下，即表现出优异的促成骨活性和骨整合能力，其效果显著优于传统的PEEK材料。
本研究的科学价值和应用价值在于：首先，从材料设计上，通过引入羧基侧链合成了无定形的PAEK-COOH，这不仅解决了PEEK加工温度高、难以溶解和改性的问题，而且赋予了材料诱导矿化的生物活性。其次，在制造工艺上，创新性地结合了低温沉积建模和冷冻干燥技术，一步实现了从纳米到微米尺度的多级孔隙结构的精确控制，简化了传统制备多孔PEEK所需的复杂且可能有害的流程。这项工作不仅为骨缺损修复提供了一种极具潜力的新型支架材料，更重要的是，它为设计和制造高性能的聚芳醚酮类生物材料提供了一条可行的新路径。
本研究的亮点和创新之处在于：第一，材料创新，合成了具有生物活性羧基的无定形聚芳醚酮，解决了传统PEEK的生物惰性问题。第二，工艺创新，采用低温和增材制造技术，避免了高温加工，并一步构建了可控的分级多孔结构。第三，功能整合，支架本身兼具适宜的力学性能、促进细胞行为（通过纳米孔隙）和诱导矿化（通过羧基）的双重生物活性，无需复杂的后续修饰或添加外源性生长因子。第四，机理明确，详细阐释了羧基通过静电吸附诱导羟基磷灰石矿化的过程，为材料设计提供了理论依据。
此外，研究中的一些细节也颇具价值，例如通过调控生物墨水的浓度（20%为最佳）来平衡打印性和最终孔隙结构；与同样采用低温沉积建模技术制备的PLGA支架相比，PAEK-COOH支架显示出更高的机械强度，更利于承重部位的应用；研究也客观指出了当前工作的局限性，例如未探讨材料在免疫调节和血管生成方面的潜力，以及对可修复的骨缺损具体尺寸范围尚需在未来研究中确定。