研究背景：
碳纤维增强 (CFR) 聚醚醚酮 (PEEK) 已广泛用于骨肿瘤手术和制备具有适当临床效果的创伤骨科植入装置。它是通过在PEEK 中添加各种碳纤维成分而形成的。因此，CFR-PEEK 表现出比传统 PEEK 材料更高的机械强度和耐磨性。TiCu/TiCuN 是一种由 TiN 和 Cu 组成的多层复合涂层，具有优异的耐磨性和抗菌性。然而，它作为功能涂层的适用性尚未得到广泛实现。TiCu/TiCuN涂层改性的CFR-PEEK综合利用了二者的优势，但其临床应用的合理性还需要证实。
研究发现：
TiCu/TiCuN改性CFR-PEEK材料的成骨性能优良，能够促进血管再生，也显著促进骨缺损中的骨修复再生
图一：材料的整体特征.A：涂层制备示意图,B: 实验所用的三组材料，在CFR-PEEK材料表面均匀制备涂层,C：Cu2+释放曲线。（抗菌效果随时间越来越强）,D：材料表面微观结构的 FE-SEM 扫描（绿色箭头：碳纤维，红色箭头：TiCu/TiCuN 涂层）,E．F：检测材料成分 表明CFR-PEEK 和 TiCu/TiCuN 在制备过程中没有与外来元素混合,G．H:喷涂前设计涂层厚度为1μm，实测涂层厚度为2μm,I: CFR-PEEK 材料的映射显示材料表面均匀且不含杂质。
图二：细胞粘附和生物安全性测试.A粘附在材料表面的 BMSCs 的 SEM 扫描。CoCrMo 组的粘连数量少于其他两组,B激光共聚焦显微镜观察材料表面贴壁细胞的数量和形态。粘附在 CoCrMo 表面的细胞形态不如 CFR-PEEK 和 TiCu/TiCuN 组中的 BMSC,C细胞核与细胞质的比例间接反映了细胞的扩散程度。细胞粘附的半定量分析{核质比}表明 TiCu/TiCuN 组具有优越的扩散状态,D CCK-8 实验测量细胞增殖。TiCu/TiCuN 组的细胞增殖率明显高于其他两组,E细胞活/死染色以确定细胞毒性。三组材料均未对 BMSCs 表现出明显的细胞毒性,F TUNEL 染色以确定细胞凋亡。表明三组材料不诱导细胞凋亡
图三：成骨分化试验显示TiCu/TiCuN 涂层成骨效果显著.A碱性磷酸酶 (ALP) 活和茜素红 (AR) 染色结果表明 TiCu/TiCuN 涂层显着促进骨再生,B ALP 半定量实验结果表明，TiCu/TiCuN 涂层促进了早期骨形成,C AR 半定量分析结果表明，在TiCu/TiCuN 涂层的影响下，Ca 结节的产生增加了,D．E Western印迹显示TiCu/TiCuN促进了runt相关转录因子（Runx）-2的表达,F.G.H.I PCR 结果证实，成骨基因的表达，如Runx2、1 型胶原蛋白 (Col)、骨钙素 (OCN) 和 ALP，在TiCu/TiCuN 涂层上调
图四: TiCu/TiCuN涂层促进了血管形成.A小管形成实验的结果表明，TiCu/TiCuN涂层促进了 HUVEC（人脐静脉内皮细胞） 的血管形成,BC:对管长度进行了半定量分析，以验证 TiCu/TiCuN 涂层改善新生血管质量的能力,D:分化簇 (CD) 31 和α-SMA 免疫荧光染色结果显示，这两种蛋白质的表达在 TiCu/TiCuN 涂层组中上调,E:血管生成相关蛋白（即VEGFR、HIF-1α、CD31 和α-SMA）的蛋白质印迹分析显示，开发的涂层显着上调了蛋白质表达,F-I:血管生成相关蛋白的半定量分析,J:Transwell 实验检测HUVECs 的迁移, TiCu/TiCuN涂层组明显促进了细胞迁移,K: Transwell实验的半定量分析,L: CCK-8 实验间接反映了 HUVECs 的早期粘附速度，TiCu/TiCuN涂层组明显促进了细胞黏附
图五：放射学分析显示TiCu/TiCuN 涂层组促进了骨缺损附近的骨再生.A B micro-CT 扫描结果表明，种植体在术后稳定无移位，TiCu/TiCuN 涂层促进了骨缺损附近的骨再生.C.D.E:扫描数据分析结果表明，TiCu/TiCuN 组的再生骨小梁的细胞数量、厚度和密度显著增加
图六：组织学分析.A: VG染色4周后 TiCu/TiCuN 组的再生骨量高于其他两组，8周后 CFR-PEEK 组再生骨量也较高。12 周后三组之间的再生骨量没有显着差异。B:免疫荧光三重标记结果证实，TiCu/TiCuN 组在三组中骨再生速度最快，而 CFR-PEEK 较慢，CoCrMo 组最慢,C:组织标本的FE-SEM扫描证实，TiCu/TiCuN涂层促进了骨整合和骨再生的过程，CFR-PEEK材料也具有相当大的生物相容性，比金属更有利于骨组织粘附（绿色箭头：骨整合界面。红色箭头：骨骼。蓝色箭头：碳纤维）。
图7：免疫组化结果.A.B:血管指标 CD31 和α-SMA 受到 TiCu/TiCuN 涂层的影响，并且它们的表达显着上调
转化意义：
本研究从力学适应性、生物安全性和成骨活性三个方面探讨TiCu/TiCuN涂层改性的CFR-PEEK临床应用的合理性。首先，从宏观角度研究了改性CFR-PEEK涂层的稳定性和Cu2+的释放特性、生物安全性和成骨活性。此后，从微观角度研究了触发成骨活性的分子机制。本研究旨在对上述问题进行全面、多层次的解释，为TiCu/TiCuN改性CFR-PEEK材料的临床转化提供理论依据。
课题组简介：
郭卫，主任医师，北京大学二级教授，博士生导师。现任北京大学人民医院骨肿瘤科主任、骨肿瘤研究室主任。课题组长期从事于四肢骨与软组织恶性肿瘤的保肢治疗，以及骶骨肿瘤，骨盆肿瘤的3D打印假体及材料研究..
论文信息：
Yu Guo,Chenglong Chen, ShuyuanZhang, Ling Ren,Yanhui Zhao,Wei Guo. Mediation of mechanically adapted TiCu/TiCuN/CFR-PEEK implants in vascular regeneration to promote bone repair in vitro and in vivo. Journal of Orthopaedic Translation,2022,Volume33,Pages 107-119
