Скрининг in vitro биосовместимости модифицированного полиэфирэфиркетона как материала для имплантатов: цитотоксичность и клеточная адгезия

Введение. В современной медицинской практике костные имплантаты востребованы в качестве эффективного решения для восстановления костной ткани, в том числе для реабилитации пациентов с ранениями, полученными в боевых условиях. Одним из перспективных полимерных материалов для производства хирургических имплантатов считается полиэфирэфиркетон (ПЭЭК) благодаря ряду свойств, сближающих его с костной тканью. Однако применение в имплантологии немодифицированного ПЭЭК из-за его биологической инертности и низкой остеоинтеграции ограниченно. Повысить биологическую активность, остеокондуктивность и антибактериальные свойства может модификация материала, в том числе путем структурных изменений поверхности.

Цель. Оценка цитотоксичности и адгезионных свойств поверхности полиэфирэфиркетона, модифицированного различными способами.

Материалы и методы. Синтез порошка ПЭЭК осуществляли методом поликонденсации в условиях нуклеофильного замещения взаимодействием гидрохинона с 4,4’-дифторбензофеноном; для дальнейшего исследования образцы формировали путем фрезерования в форме дисков. ПЭЭК модифицировали одним из трех методов: сульфонированием концентрированной серной кислотой, обработкой раствором «Пиранья» с последующей функционализацией глицином, высокотемпературным сплавлением с NaCl с последующим выщелачиванием. Изучение структуры полученных материалов выполняли с применением ИК-спектрометрии и сканирующей электронной микроскопии. Оценку цитотоксичности проводили с помощью МТТ-теста. Адгезивные свойства ПЭЭК-материалов оценивали путем культивирования на их поверхности дермальных фибробластов человека с последующей флуоресцентной визуализацией флуорохромами Calcein AM и Hoechst 33342. Анализ адгезии и морфологии прикрепившихся клеток производили с помощью инвертированного микроскопа Leica DMI 3000 B.

Результаты. Показано, что ПЭЭК, полученный методом поликонденсации взаимодействием гидрохинона и 4,4’-дифторбензофенона, не проявляет цитотоксического действия в отношении поверхностно-зависимых клеток. Под действием 1-суточного экстракта ПЭЭК и его разведений относительная жизнеспособность клеток варьировала от 96 до 126%, под действием 7-суточного — от 132 до 141% (против контроля 100%); показана стимуляция экстрактом ПЭЭК пролиферативной активности клеток. Обнаружено, что модификация образцов не ведет к повышению адгезии клеток. Пористый образец ПЭЭК, полученный методом прессования с NaCl с последующим его выщелачиванием, характеризуется неравномерной адгезией с нарушением жизнеспособности большей части клеток на поверхности образцов. Обработка ПЭЭК глицином приводит к снижению адгезии, нарушению жизнеспособности и изменению морфологических характеристик большой доли клеток, находящихся на поверхности образцов. На поверхности сульфонированного ПЭЭК клетки сохраняли жизнеспособность, однако морфология прикрепившихся клеток существенно отличалась от типичной: вместо субконфлюэнтного монослоя, сформированного клетками распластанной формы, характерного для успешной адгезии, были обнаружены клеточные конгломераты разного размера, неравномерно распределенные по поверхности и сформированные округлыми, реже веретеновидными клетками.

Выводы. При модификации ПЭЭК сульфонированием концентрированной H₂SO₄, обработкой глицином, высокотемпературным сплавлением с NaCl улучшение биосовместимости материала не отмечено; напротив, наблюдались нарушения жизнеспособности и морфологии поверхностно-зависимых клеток, адгезированных на поверхности модифицированного ПЭЭК. Полученные результаты подчеркивают необходимость дальнейшего поиска способов модификации ПЭЭК, что позволит преодолеть ограничения материала и расширить области его применения для решения актуальных междисциплинарных биомедицинских задач.

1. Казумова АБ, Васильев АВ, Кузнецова ВС, Миронов АВ, Кулаков АА, Лосев ФФ. Потребность в костно-пластических материалах в России с учетом распространенности дефектов костей и анализа рынка. Стоматология. 2025;104(6):55–9. https://doi.org/10.17116/stomat202510406155

2. Бугаев ГА, Антониади ЮВ, Помогаева ЕВ, Шорикова АИ. Современное представление об использовании имплантатов на основе пористого титана и его сплавов для замещения костных дефектов. Политравма. 2023;2:94–102. https://doi.org/10.24412/1819-1495-2023-2-94-102

3. Hickey DJ, Lorman B, Fedder IL. Improved response of osteoprogenitor cells to titanium plasma sprayed PEEK surfaces. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2019;175:509–16. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2018.12.037

4. Santing HJ, Meijer HJA, Raghoebar GM. Fracture strength and failure mode of maxillary implant supported provisional single crowns: a comparison of composite resin crowns fabricated directly over PEEK abutments. Clinical Implant Dentistry and Related Research. 2010;14(6):1–8. https://doi.org/10.1111/j.1708-8208.2010.00322.x

5. Нестеров АМ, Садыков МИ, Потапов ВП, Сагиров МР. Полиэфирэфиркетон в стоматологической практике: современные возможности и перспективы клинического использования. Аспирантский вестник Поволжья. 2026;26(1):55–60. https://doi.org/10.35693/AVP697796

6. Toth JM, Wang M, Estes BT, Scifert JL, Seim HB, Turner AS. Polyetheretherketone as a biomaterial for spinal applications. Biomaterials. 2006;27(3):324–34. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2005.07.011

7. Alexakou E, Damanaki M, Zoidis P, Bakiri E, Kourtis S. PEEK high performance polymers: a review of properties and clinical applications in prosthodontics and restorative dentistry. The European Journal of Prosthodontis and Restorative Dentistry. 2019;27(3):113–21. https://doi.org/10.1922/EJPRD_01892Zoidis09

8. Reddy MST, Velayudhan A, Ganapathy D, Venugopalan S, Neppala G. A peek into PEEK: the trending dental biomaterial — a review. Journal of Pharmaceutical Negative Results. 2022;396–402. https://doi.org/10.47750/pnr.2022.13.s07.053

9. Najeeb S, Zafar MS, Khurshid Z, Siddiqui F. Applications of polyetheretherketone (PEEK) in oral implantology and prosthodontics. Journal of Prosthodontic Research. 2016;60(1):12–9. https://doi.org/10.1016/j.jpor.2015.10.001

10. Laubach M, Kobbe P, Hutmacher DW. Biodegradable interbody cages for lumbar spine fusion: current concepts and future directions. Biomaterials. 2022;288:121699. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2022.121699

11. Hahn BD, Park DS, Choi JJ, Ryu J, Yoon WH, Choi JH, et al. Osteoconductive hydroxyapatite coated PEEK for spinal fusion surgery. Applied Surface Science. 2013;283:6–11. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.05.073

12. Русских ВА. Обзор применения материала полиэфирэфиркетон в изделиях для нейрохирургии. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2025;8:66–70.

13. Muthiah N, Yolcu YU, Alan N, Agarwal N, Hamilton DK, Ozpinar A. Evolution of polyetheretherketone (PEEK) and titanium interbody devices for spinal procedures: a comprehensive review of the literature. European Spine Journal. 2022;31(10):2547–56. https://doi.org/10.1007/s00586-022-07272-1

14. Khan S, Ullah A, Khan M, Hussain R, Ali M. Outcome of anterior cervical discectomy with PEEK cage fixation for single level cervical disc disease. Pakistan Journal of Neurological Surgery. 2020;24(2):138–42. https://doi.org/10.36552/pjns.v24i2.397

15. Sharma S, Bhasin A, Mantri S, Khatri M. Polyether ether ketone (PEEK) and its application in prosthodontics: a review. South Asian Research Journal of Oral and Dental Sciences. 2021;3(3):60–4.

16. Wiesli MG, Özcan M. High performance polymers and their potential application as medical and oral implant materials: a review. Implant Dentistry. 2015;24(4):448–57. https://doi.org/10.1097/ID.0000000000000285

17. Sordi MB, Sarwer Foner SND, Schünemann FH, Bedoya KA, Juanito GMP, Henriques B, et al. Biological behavior of titanium, zirconia or PEEK dental implant abutments. Proceedings of the 5th International Conference on Biodental Engineering. Porto; 2019. https://doi.org/10.1201/9780429265297-8

18. Ma Z, Zhao X, Zhao J, Zhao Z, Wang Q, Zhang C. Biologically modified polyether ether ketone as dental implant material. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2020;8:1–17. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.620537

19. Адамян ГГ, Митронин ВА, Подопригора АВ, Беленова ИА, Крючков МА, Молдованов ИА. Использование полиэфирэфиркетона для изготовления телескопических коронок в съемном протезировании с опорой на дентальные имплантаты. Cathedra — Кафедра. Стоматологическое образование. 2021;(76):42–5. EDN: TFFMFG

20. Arevalo S, Arthurs C, Molina MIE, Pruitt L, Roy A. An overview of the tribological and mechanical properties of PEEK and CFR PEEK for use in total joint replacements. Journal of Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2023;145:105974. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2023.105974

21. Koh YG, Park KM, Lee JA, Nam JH, Lee HY, Kang KT. Total knee arthroplasty application of polyetheretherketone and carbon fiber reinforced polyetheretherketone: A review. Materials Science and Engineering: C. 2019;100:70–81. https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.02.082

22. Heuberger R, Stöck C, Sahin J, Eschbach L. PEEK as a replacement for CoCrMo in knee prostheses: pin on disc wear test of PEEK on polyethylene articulations. Biotribology. 2021;27(8):100189. https://doi.org/10.1016/j.biotri.2021.100189

23. Joyce TJ, Rieker C, Unsworth A. Comparative in vitro wear testing of PEEK and UHMWPE capped metacarpophalangeal prostheses. Bio-medical Materials and Engineering. 2006;16(1):1–10. PMID: 16410639.

24. Zhang J, Tian W, Chen J, Yu J, Zhang J, Chen J. The application of polyetheretherketone (PEEK) implants in cranioplasty. Brain Research Bulletin. 2019;153:143–9. https://doi.org/10.1016/j.brainresbull.2019.08.010

25. Zhong R, Xie Z, Liao Y, Li Y, Huang C. Clinical application of triangular parabolic PEEK mesh with hole button produced by combining CAD, FEM and 3DP into cranioplasty. Biomedical Research. 2018;29(13):2703–10. https://doi.org/10.4066/biomedicalresearch.29-18-138

26. Saponaro G, Todaro M, Barbera G, Scivoletto G, Foresta E, Gasparini G et al. Patient specific facial implants in polyetheretherketone and their stability: a preliminary study. Annals of Plastic Surgery. 2023;90(6):564–7. https://doi.org/10.1097/SAP.0000000000003527

27. Zhang Z, Zhang X, Zheng Z, Xin J, Han S, Qi J, et al. Latest advances: Improving the anti-inflammatory and immunomodulatory properties of PEEK materials. Materials Today Bio. 2023;22:100748. https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2023.100748

28. Ma R, Tang T. Current strategies to improve the bioactivity of PEEK. International Journal of Molecular Sciences. 2014;15(4):5426–45. https://doi.org/10.3390/ijms15045426

29. Deng L, Deng Y, Xie K. AgNPs decorated 3D printed PEEK implant for infection control and bone repair. Colloids Surfaces B: Biointerfaces. 2017;160:483–92. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2017.09.061

30. Senra MR, Marques MdFV, Monteiro SN. Poly (Ether-EtherKetone) for biomedical applications: from enhancing bioactivity to reinforced-bioactive composites — an overview. Polymers. 2023;15(2):373. https://doi.org/10.3390/polym15020373

31. Mishra S, Chowdhary R. PEEK materials as an alternative to titanium in dental implants: a systematic review. Clinical Implant Dentistry and Related Research. 2019;21(1):208–22. https://doi.org/10.1111/cid.12706

32. Alotaibi NM, Naudi KB, Conway DI, Ayoub AF. The current state of PEEK implant osseointegration and future perspectives: a systematic review. European Cells & Materials. 2020;40:1–20. https://doi.org/10.22203/eCM.v040a01

33. Zhao Y, Wong HM, Wang W, Li P, Xu Z, Chong EYW, et al. Cytocompatibility, osseointegration, and bioactivity of three dimensional porous and nanostructured network on polyetheretherketone. Biomaterials. 2013;34(37):9264–77. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2013.08.071

34. Yu D, Lei X, Zhu H. Modification of polyetheretherketone (PEEK) physical features to improve osteointegration. Journal of Zhejiang University — Science B. 2022;23(3):189–203. https://doi.org/10.1631/jzus.B2100622

35. Torstrick FB, Evans NT, Stevens HY, Gall K, Guldberg RE. Do surface porosity and pore size influence mechanical properties and cellular response to PEEK? Clinical Orthopaedics and Related Research. 2016;474(11):2373–83. https://doi.org/10.1007/s11999-016-4833-0

36. Han X, Gao W, Zhou Z, Yang S, Wang J, Shi R, et al. Application of biomolecules modification strategies on PEEK and its composites for osteogenesis and antibacterial properties. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2022;215:112492. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2022.112492

37. Dos Santos FSF, Vieira M, da Silva HN, Tomás H, Fook MVL. Surface bioactivation of polyether ether ketone (PEEK) by sulfuric acid and piranha solution: influence of the modification route in capacity for inducing cell growth. Biomolecules. 2021;11(9):1260. https://doi.org/10.3390/biom11091260

38. Dos Santos FSF, Rodrigues JFB, da Silva MC, Barreto MEV, da Silva HN, de Lima Silva SM, et al. Use of piranha solution as an alternative route to promote bioactivation of PEEK surface with low functionalization times. Molecules. 2023;28(1):74. https://doi.org/10.3390/molecules28010074

39. Chen Z, Chen Y, Wang Y, Deng JJ, Wang X, Wang Q, et al. Polyetheretherketone implants with hierarchical porous structure for boosted osseointegration. Biomaterials Research. 2023;27(1):1–21. https://doi.org/10.1186/s40824-023-00407-5

40. Buck E, Lee S, Gao Q, Tran SD, Tamimi F, Stone LS, et al. The role of surface chemistry in the osseointegration of PEEK implants. ACS Biomaterials Science & Engineering. 2022;8(4):1506–21. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.1c01434

41. Khashirova SYu, Zhansitov AA, Shakhmurzova KT, Kurdanova ZI, Slonov AL, Baikaziev AE, et al. Synthesis and properties of polyetheretherketone for applications in additive technologies. Russian Chemical Bulletin. 2023;72(2):546–52. https://doi.org/10.1007/s11172-023-3818-9

42. Egorikhina MN, Kobyakova II, Charykova IN, Linkova DD, Rubtsova YP, Farafontova EA, et al. Application of hydrogel wound dressings in cell therapy — approaches to assessment in vitro. International Journal of Burns and Trauma. 2023;13(2):13–32. PMID: 37215513

43. Pimentel CA, Souza JWL, Santos FSF, Sá MD, Ferreira VP, Barreto GBC, et al. Sulfonated poly(ether ether ketone)/hydroxyapatite membrane as biomaterials: process evaluation. Polimeros: Ciência e Tecnologia. 2019;29(1):e2019009. https://doi.org/10.1590/0104-1428.01018