根据3D科学谷市场研究全球战略合作伙伴AMPower的年度增材制造报告，包括PEEK(聚醚醚酮)在内的高性能塑料熔融挤出增材制造应用，使得基于熔融挤出工艺的FDM/FFF 3D打印技术被应用到分布广泛的工业制造领域。
医疗植入物制造是其中的应用细分领域之一。近年来，PEEK在3D打印人体硬组织替代物领域的应用受到广泛关注。PEEK 材料的生物相容性和化学稳定性优异，密度和力学性能均与人体骨骼接近，是一种理想的骨替代物材料，也是替代骨科、脊柱和颅颌面等外科手术中金属植入物和假体的主要候选材料。与3D打印技术结合有望在骨科植入物领域得到广泛应用。
本期，3D科学谷将结合空军军医大学唐都医院的PEEK 3D打印先进医疗应用案例，从材料的特点，增材制造如何进一步激发PEEK材料的新潜力，以及PEEK 材料FDM/FFF 3D打印的挑战，三个角度探讨PEEK 3D打印的医疗应用。
替代金属材料的PEEK 3D打印植入物
l 头颅重建手术
人的颅骨由23块骨组成，是保护脑组织的重要器官， 一旦颅骨遭遇外力或病理因素导致缺损，便需要借助颅骨植入术进行治疗。传统的颅骨植入手术通常使用硬度高、质量轻的钛合金网片来修复损伤或填补空隙。与此同时，医学界也在不断探寻新型医疗植入材料，更好地提升手术效果及患者术后体验。
那么，是否有一种技术能最大程度满足手术需求？
空军军医大学唐都医院某患者患有头部肿瘤，需要进行颅骨植入手术来修复损伤区域。根据患者的CT扫描数据，医生使用CAD软件设计了一套“量身定做”的颅骨片结构。通过3D打印技术，利用高性能PEEK材料进行FDM（熔融沉积建模）打印定制化颅骨片。手术中，医生根据设计方案精确植入颅骨片，成功修复了患者头颅的损伤区域。术后复查显示，颅骨片与患者的自然骨骼完美嵌合，无伪影问题，且患者术后恢复顺利。
l 多样化的手术植入物应用
在2018年，唐都医院泌尿外科与空军军医大学3D打印研究中心共同实施了世界上首次采用3D打印技术，使用PEEK人体仿生材料制造人体植入物的手术，开创胡桃夹综合征治疗的又一先例。迄今为止借助该项技术已完成上百例植入手术，患者术后均有所好转。在过去,该手术的植入体多以钛合金为主，随着3D打印应用的深入，PEEK得到了越来越多的关注，PEEK作为一种热塑性特种工程塑料,具有优良的机械性能、良好的生物相容性、耐化学性、易加工及可重复消毒等优异特性，成为钛合金的替代品。
INTAMSYS 远铸智能设备3D打印的PEEK植入体 ©远铸智能
空军军医大学3D打印研究中心打破传统，借助INTAMSYS 远铸智能的FDM/FFF 3D打印技术制作新式植入物，完成了多例PEEK胸肋骨置换手术。
左图为3D打印的PEEK胸肋骨植入物示意
PEEK 为什么成为骨替代材料？
PEEK的全名是聚醚醚酮(Polyetheretherketone)，具备耐磨损、耐腐蚀、耐高温和轻量化特性,其减震缓冲性具有极强的保护作用。作为仿人体骨骼的生物材料，植入级医用PEEK材料目前已完整通过了的生物相容性测试。此外，与不锈钢、钛合金和超高分子量聚乙烯植入物相比，PEEK 及其复合材料具有良好的耐磨性能，可有效避免由于磨损颗粒引发的植入体周围炎症和骨溶化等问题。
PEEK(聚醚醚酮)材料克服了金属材料产生应力遮挡和辐射伪影等弊端，被认为是下一代骨植入物的候选材料之一。PEEK材料的X射线穿透性使其具备了良好的可视性,能够实现在CT扫描或核磁共振成像辅助下进行手术，便于术后对治疗效果进行有效监控。
PEEK已广泛用于多种临床应用：用于骨折固定、颅颌面缺损修复、脊柱植入物、全关节置换术(TJA)，甚至在软组织修复中用作缝合锚。在牙科领域的应用非常广泛，包括牙种植体、种植体支撑杆、假牙、基台和夹具。PEEK具有许多特性，使其成为替代骨科和重建手术中涉及的金属植入物的合适替代材料。
与3D打印结合激发PEEK材料新潜力
随着医疗植入物从旧式标准型大规模生产向患者匹配型及定制化植入物生产的转变，3D打印在医疗植入物制造行业中占据了重要地位，3D打印技术为批量生产患者匹配型与小规模定制化PEEK 植入物生产带来了可行性。
©3D科学谷白皮书
基于材料挤出工艺的FDM/FFF 3D打印技术，是其中一种相对传统制造方式而言经济、高效的小批量生产方式。例如，在上述唐都医院的头颅重建手术应用中，医疗团队通过远铸智能的FDM/FFF 3D打印技术制造为患者“量身设计”的PEEK 植入物，颅骨片与患者的自然骨骼完美嵌合，有助于患者的术后恢复。
此外，PEEK是一种生物惰性材料，植入人体内时不会发生不良反应。但是，当需要在植入物和宿主组织之间直接进行骨整合时，PEEK表面较低的润湿性限制了细胞粘附和蛋白质吸收，这会降低骨整合中的伤口愈合能力。因此，通常可以通过改性来改善PEEK材料的生物惰性问题。例如，可通过PDA包覆等方法来提高PEEK材料的亲水性和细胞粘附性。
而借助增材制造-3D打印技术在制造复杂设计结构的优势，为从设计层面上改善PEEK 材料的生物活性具有积极作用。例如，3D打印技术能够成就具有互连和集成的多孔结构，促进PEEK 植入物的骨整合，改进X射线检查效果，实现与人体松质骨紧密匹配的弹性模量。骨科医疗器械企业Curiteva开发的首款获得FDA 510(k)许可的3D打印PEEK颈椎融合器植入物，即具有采用FDM/FFF 3D打印所实现的完全互连和集成的多孔结构，孔径分布在100–600微米之间，促进骨传导，其微米级表面粗糙度呈现亲水表面，促进骨附着和增强骨整合。
PEEK FDM/FFF 3D打印的挑战
制造装备和工艺的稳定性是PEEK 3D打印医疗植入物走向产业化应用的必要条件之一。2022年，国家药品监督管理局医疗器械技术审评中心发布了《增材制造聚醚醚酮植入物注册审查指导原则》。该指导原则的附录指出，注册人需证明制备聚醚醚酮植入物所使用的所有增材制造设备和工艺的稳定性，确保增材制造过程中的杂质控制。
基于材料挤出工艺的FDM/FFF 3D打印技术，这类技术因使用相对简单且设备成本较低，设备紧凑，已被广泛用于工业产品开发与小批量制造，该技术已逐渐被应用到PEEK 材料增材制造领域。
PEEK 是一种半结晶热塑性塑料，与聚乳酸 (PLA) 和丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 等常规聚合物相比，具有出色的机械性能和熔点。例如，该材料的杨氏模量约为3GPa，拉伸强度约为103MPa，熔点为343 °C。由于PEEK的高熔点，而需要高的热处理条件。升高的加工温度与PEEK的高结晶速度相结合会导致过大的热应力（打印层之间分布不均匀），并可能导致热裂纹，3D打印PEEK部件中的层间附着力差和部件翘曲。因此，PEEK FDM/FFF 3D打印远比很多工程塑料、通用塑料的过程复杂和具有挑战性，需要通过专业的制造技术，以及适合PEEK 材料的FDM 3D打印设备，来开发高质量的PEEK 3D打印零件。
在上述唐都医院的3D打印案例中，医疗团队使用了远铸智能基于材料挤出工艺的FDM/FFF 3D打印设备。远铸智能是国内最早从事工业FDM/FFF技术创新研发的公司之一，在2016年推出高端的PEEK材料3D打印解决方案切入市场，成为当时全球为数不多的可以提供PEEK材料3D打印完整解决方案的公司之一。远铸智能已经研发了覆盖工程塑料到高端工程塑料的全系列工业FDM/FFF产品线，推出核心产品包含FUNMAT PRO 610HT、FUNMAT PRO 410和FUNMAT PRO 310等多款机型。
高性能材料3D打印本质上是对高分子材料的热加工，3D打印设备的腔室热设计及适合的腔室温度将增强高分子材料层间结合强度，并减少因为冷却以及残余应力而导致的收缩和变形。不同材料在材料挤出3D打印过程中对于腔室温度要求不一，3D打印PEEK高性能材料所需的腔室温度需要达到150-250℃。
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以远铸智能的FUNMAT PRO 610HT 高性能材料3D打印设备为例，该设备具有全封闭式成型腔室，3D打印平台与腔室温度控制范围为室温至300℃，设备通过双侧循环热风道控制腔室加温，同步加热打印床温度，外部搭配加厚保温层减少热量散失，达到预设温度并经过一段时间稳定后，整个腔室内部温度场高度均一，温控精度在300℃±2.5%范围内。正因其出色的高温性能,远铸智能的FUNMAT PRO 610HT 3D打印设备主要被用于PEEK、ULTEM、PPSU等高附加值材料的增材制造，并能够满足市面上绝大多数FDM/FFF材料的3D打印需求。相比在普通3D打印机仅通过打印平台加热的方式，FUNMAT PRO 610HT 可以进一步保证3D打印部件第一层与打印平台有高强度粘接力，且使材料在3D打印过程中各部位受热温度均匀，有利于大尺寸样品成型，避免翘曲等情况，为PEEK材料的高质量3D打印提供了良好保障。
产业化与技术的双向进化
聚醚醚酮3D打印技术在医疗领域有着多样化的应用场景。就FDM/FFF 3D打印技术而言，目前已在PEEK 3D打印及脊椎植入物细分赛道中进入到了商业化阶段，这为PEEK 3D打印在骨替代领域的产业化发展带来了积极意义。在PEEK 3D打印技术层面上，医疗与增材制造界对于PEEK 3D打印植入物进行了极为细分的应用探究，例如对PEEK 3D打印表面粗糙度与成骨性的研究；PEEK 3D打印与特殊涂层结合如何用于骨癌治疗与相关修复……3D科学谷将对这一细分领域的发展保持长期关注。
参考资料：
《3D打印-增材制造新材料医疗器械及相关监管科学研究进展概况》
《聚醚醚酮PEEK的3种改性方法：表面改性、填充改性和共混改性》
《生物材料：具有三重功能的PEEK表面改性 》
《增材制造聚醚醚酮植入物注册审查指导原则》
《3D打印PEEK颅颌面植入物成骨细胞反应》
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