3D打印PEEK、復合材料及其在口腔醫(yī)學領域的研究進展

魔猴君  行業(yè)資訊   566天前

聚醚醚酮(PEEK)是半結晶的高分子芳香族類材料，具有在高溫下化學性能穩(wěn)定、摩擦性能優(yōu)異的理化特點，同時具備良好的生物相容性、力學性能、機械性能、X射線可透射性及無細胞毒性等優(yōu)勢，被認為是可以用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的口腔科材料(如金屬或陶瓷材料)。

此外，PEEK彈性模量更接近人體皮質骨及牙本質的彈性模量，避免了應力遮擋效應，其與牙體組織顏色接近，提高患者的舒適度和滿意度，因其具有諸多優(yōu)勢而被深入研究。PEEK作為種植體、臨時基臺、固定義齒、活動義齒支架等研究逐漸增多，其在口腔醫(yī)學領域的應用引起了國內外學者密切關注。

圖片來源：網(wǎng)絡

PEEK在口腔種植領域中的應用

20世紀60年代，骨內牙種植體多以金屬純鈦及鈦合金（如Ti-6Al-7Nb、Ti-6Al-4V等）為主。盡管鈦種植體受到大量實驗與臨床研究證據(jù)的支持，但其在臨床使用中仍存在一些問題。其一是鈦潛在的致敏性；其二，與人類骨組織相比，鈦彈性模量過高，易發(fā)生骨組織改建或喪失；其三，金屬種植體缺乏透光性，影響美觀。1998年，英國Invibio公司推出了PEEK種植體。隨著商業(yè)化PEEK種植體問世，相關研究逐漸增多。PEEK及其改性材料具有良好的性能，有學者認為PEEK種植體或可避免應力遮擋效應發(fā)生，甚至可替代金屬種植體應用于整形外科、創(chuàng)傷外科等領域。

骨整合

PEEK作為一種惰性材料，與周圍組織間相互作用較弱。一些學者對PEEK進行了一系列細胞實驗，結果顯示：在促進細胞增殖方面，與鈦相比，PEEK表面增殖細胞顯示出更強的炎性增生，其與骨組織之間纖維性相互作用更明顯。

據(jù)研究結果顯示：種植體植入4周與8周時，有鈦涂層的種植體均出現(xiàn)顯著增高的骨-種植體接觸率。

PEEK基臺

相對于鈦或氧化鋯基臺，PEEK基臺的修整更簡便。此外，PEEK還可用作種植修復上部支架材料，與齦色材料共同使用，可在減輕修復體重量的同時保證紅色美學效果。因此，對于種植體基臺來說，PEEK可作為金屬或瓷的替代材料。

3D打印PEEK方法

研究發(fā)現(xiàn)PEEK可通過表面處理或加入不同材料的方法有效改善其生物活性、成骨效能和抗菌性能。3D打印技術具有獨特的優(yōu)勢，可以精準地將改性后的PEEK復合材料打印成與患者個體匹配的具有優(yōu)良性能的口腔修復體或植入物，節(jié)省了患者因修復體不合適而多次就診的時間，同時提高了醫(yī)生在臨床診療中的工作效率。

本文將就目前3D打印的PEEK方法、PEEK復合材料及其表面處理方法及其在口腔醫(yī)學領域的臨床應用研究展開綜述，為廣大研究者提供參考。

目前，PEEK制作口腔修復體的加工方法為真空加壓注塑法、計算機輔助設計與制造(CAD/CAM)切削法及3D打印技術。真空加壓注塑法技術要求高，制作程序復雜，同時由于PEEK耐高溫，熔化時流動性小，存在注塑不完全的風險。

CAD/CAM切削法簡化了制作程序，減少了制作時間，獲得的模型較準確，但具有對醫(yī)師及技工人員較充分的計算機知識的要求，浪費原材料等缺點。3D打印技術具有快速高效、節(jié)省成本等優(yōu)勢，越來越多的研究者將PEEK和3D打印技術的結合作為目前的研究應用方向。

3D打印技術又稱增材制造(AM)是一種基于計算機輔助設計3D模型，將模型加工處理，自下而上逐層堆積形成個性化的加工方法。

3D打印主要流程為:

(1)數(shù)字化軟件獲得數(shù)據(jù)并建立三維模型;

(2)將模型文件轉化格式后導入打印設備中，利用3D打印的方法打印成個性化的修復體。

相較于傳統(tǒng)切削減材方式，3D打印具有可以制備多層次復雜精細結構的樣品、避免浪費原材料、減少生產(chǎn)成本以及提高工作效率的特點。

由于PEEK存在生物活性較低和自主抑菌性能不足的問題，嚴重影響其與骨結合效率，研究發(fā)現(xiàn)通過FDM方法打印的PEEK復合材料加入納米活性粒子或者纖維增強材料后可有效改善PEEK生物活性，提高與骨組織的結合效率。

目前，上述復合材料主要包括優(yōu)化成骨活性的3D打印羥基磷灰石-PEEK復合材料、優(yōu)化力學性能的3D打印碳纖維增強-PEEK復合材料。

1.優(yōu)化成骨活性的3D打印羥基磷灰石-PEEK復合材料

羥基磷灰石(HA)是由無機成分(如骨骼、牙齒)和有機成分(如膠原纖維)等構成，具有良好的生物安全性及成骨活性，其與人類骨組織的成分相似，因此在臨床上常被用作骨替代材料。然而，單純的HA脆性較大，不適合單獨用于修復缺損較大的骨組織，因此對其研究主要著重于作為改善其他生物材料特性等方面。

Rodzen等將HA和PEEK粉末混合制成細絲，用改造后的3D打印機打印出不同質量分數(shù)(0%~30%)的PEEK-HA樣品。掃描電子顯微鏡下發(fā)現(xiàn)HA顆粒均勻分布在樣品表面。

Oladapo使用FDM制備出了不同質量分數(shù)的羥基磷灰石(0%~20%)的PEEK/CHAP復合材料，結果顯示15%的PEEK/CHAP力學性能較為理想。體外高糖培養(yǎng)基(DMEM)培養(yǎng)上清液的檢測結果也表明了PEEK/CHAP復合材料比純PEEK具有更好的黏附性、增殖性和細胞活性。

Zheng等通過FDM打印出PEEK-HA復合支架，隨后在其上進行小鼠胚胎成骨細胞前體細胞(MC3T3-E1)細胞增殖實驗，發(fā)現(xiàn)具有微孔結構表面的PEEK-HA復合材料能顯著促進MC3T3-E1細胞附著和礦化。因此，HA與PEEK結合可顯著提高細胞的成骨活性，改善PEEK的生物活性。

2．優(yōu)化力學性能的3D打印纖維增強-PEEK復合材料

為改善PEEK的力學性能，研究者發(fā)現(xiàn)加入不同含量的碳纖維(CF)或玻璃纖維(GF)可增強PEEK的機械強度。Han等將FDM的純PEEK和碳纖維增強的PEEK復合材料(CFR-PEEK)進行力學性能測試，同時對樣品表面進行了粗化和細化處理，結果表明，3D打印后的CFR-PEEK試樣的機械強度明顯優(yōu)于純PEEK樣品。

圖片來源：網(wǎng)絡

Wang探討了3D打印不同參數(shù)(噴嘴溫度、平臺溫度、層厚等)對純PEEK、CF/PEEK、GF/PEEK的力學性能的影響，實驗結果顯示5%CF/PEEK和5%GF/PEEK具有更高的拉伸強度和抗彎曲強度。

因此，3D打印后的PEEK加入適量碳纖維或玻璃纖維可以提高材料的機械性能，更符合人體骨組織的力學性能。

來源：艾邦醫(yī)用高分子