PEEK for bone tissue engineering: covalent functionalization improves bioactivity

Bone tissue has the capability to renew itself; however, defects of a critical size prevent bone from regeneration. The development of bone tissue engineering has been used to create functional alternatives to regenerate bone. A range of different biomaterials have been used for this purpose, including synthetic polymers as Poly (Ether-Ether-Ketone) (PEEK). PEEK has been gaining increasing attention as candidate for orthopaedic and dental implants, due to its biocompatibility, chemical stability, and elastic modulus similar to that of natural bone. However, PEEK has a bioinert surface that inhibits the adhesion and proliferation of osteoblasts and, consequently, osseointegration process. Several improvements have been made to the osseointegration potential of PEEK, including modifications of surface roughness through sandblasting and covalent functionalization of the surface with bioactive molecule. To investigate the best surface roughness for osteoblasts adhesion, two different types of PEEK surface were analysed and compared to the smooth samples (PEEK): (i) 60 μm grit-blasted (R60-PEEK) and (ii) 110 μm grit-blasted (R110-PEEK) surface. An osteoblast proliferation test was performed on the different surfaces and revealed that R110-PEEK significantly improve osteoblasts proliferation. To make PEEK bioactive, R110-PEEK disks were covalently functionalized via oxime formation with two peptides: (i) EAK, an ionic-complementary self-assembling peptide and (ii) GBMP1α, the sequence (48–69) mapped on the Bone Morphogenetic Protein 2. The peptides were synthetized with an aminooxy group at the N-terminus of the sequence; in the functionalization process the aminooxy group will bound the ketones on PEEK surface. A spacer was introduced between the aminooxy group and the other amino-acids, in order to separate the anchoring group and the bioactive sequence. X-ray spectroscopy analysis confirmed the presence of the peptides covalently bind on PEEK samples. Furthermore, Water Contact Angle and Force Spectroscopy measurements were carried out and showed that the peptides modified the surface and properties of PEEK. Gene expression assays were performed on the functionalized samples and confirmed that the bioactive sequences-enriched surface led to overexpression of all analysed genes.

Il tessuto osseo possiede la capacità di auto-rimodellamento; tuttavia, difetti di dimensioni superiori ad una soglia critica impediscono all’osso di rigenerarsi. L’ingegneria tissutale ossea è stata introdotta allo scopo di proporre alternative che riuscissero a supportare il tessuto osseo nella rigenerazione. Recentemente, i materiali utilizzati in questo ambito sono stati molti, inclusi i polimeri sintetici, tra cui il Poli (Eter-Eter-Chetone) (PEEK). Il PEEK è considerato un ottimo materiale per impianti in ambito ortopedico e dentale, grazie alla sua biocompatibilità, stabilità chimica e modulo elastico simile a quello del tessuto osseo nativo. Tuttavia, il PEEK presenta una superficie bioinerte che inibisce l’adesione e la proliferazione e, conseguentemente, l’osteointegrazione. Per migliorare l’osteointegrazione del PEEK sono stati testati diversi metodi, tra cui la modifica della rugosità superficiale attraverso sabbiatura e la funzionalizzazione covalente della superficie con molecole bioattive. Per identificare la rugosità superficiale ottimale per l’adesione degli osteoblasti, due tipi di superficie di PEEK sono state analizzate e comparate con i campioni lisci: (i) una superficie sabbiata con particelle di 60 μm (R60-PEEK) e (ii) una superficie sabbiata con particelle di 110 μm (R110-PEEK). È stato poi effettuato un test di proliferazione degli osteoblasti sulle diverse superfici, il quale ha dimostrato che il R110-PEEK migliora significativamente la proliferazione degli osteoblasti. Per rendere il PEEK bioattivo, i campioni R110-PEEK sono stati funzionalizzati covalentemente, tramite formazione di ossime, con i peptidi (i) EAK, un peptide auto-assemblante ionico-complementare e (ii) GBMP1α, un peptide contenente la sequenza (48-69) mappata sulla proteina morfogenetica dell’osso 2 (BMP-2). I peptidi sono stati sintetizzati con un gruppo ossiamminico all’N-terminale della sequenza; durante la funzionalizzazione il gruppo ossiamminico si legherà ai chetoni sulla superficie del PEEK. È stato introdotto anche uno spaziatore tra il gruppo ossiamminico e gli altri amminoacidi, in modo da separare il gruppo per l’ancoraggio dalla sequenza bioattiva. L’analisi di spettroscopia a raggi X (XPS) ha confermato la presenza dei peptidi sul PEEK. Inoltre, le analisi di angolo di contatto (WCA) e Spettroscopia a Forza Atomica (FS) hanno mostrato che i peptidi ancorati alla superficie modificano la superficie e le proprietà del PEEK. Sono stati effettuati anche dei saggi di espressione genica sulle superfici funzionalizzate; questi hanno confermato che l’ancoraggio di sequenze bioattive alla superficie permette di avere una sovra-espressione di tutti i geni analizzati.