解析3D打印PEEK聚合物在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景

  PEEK被工程界稱為“21世紀(jì)最有前途的材料”。如今已經(jīng)有超過200萬件產(chǎn)品被植入人體。該材料以其優(yōu)異的性能和質(zhì)量得到了眾多醫(yī)療器械制造商和外科醫(yī)生的認(rèn)可，已經(jīng)在脊柱、創(chuàng)傷和關(guān)節(jié)領(lǐng)域全面進(jìn)入使用。

  聚醚醚酮（PEEK）樹脂是由上世紀(jì)70年代末發(fā)出來的一種具有超高性能的特種工程塑料。PEEK能在眾多醫(yī)用原材料中脫穎而出，與其自身的特性密不可分優(yōu)異的生物相容性。生物相容性是一種材料是否適用于植入體的最基本的要求。植入材料必須無細(xì)胞毒性、誘變性、致癌性，且不致引發(fā)過敏。南極熊曾報(bào)道，第四軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院最近完成了3D打印PEEK肋骨的植入手術(shù)，接下來就為大家深入解析一下PEEK聚合物在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用特性和現(xiàn)狀。唐都醫(yī)院胸外科手術(shù)開放日3D打印PEEK胸骨置換手術(shù)展示PEEK與其他特種工程塑料相比具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)，如耐高溫、機(jī)械性能優(yōu)異、自潤(rùn)滑性好、耐化學(xué)品腐蝕、阻燃、耐剝離性、耐輻照性、絕緣性穩(wěn)定、耐水解和易加工等，在航空航天、汽車制造、電子電氣、醫(yī)療和食品加工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。對(duì)PEEK進(jìn)行共混、填充、纖維復(fù)合等增強(qiáng)改性處理，可以得到性能更加優(yōu)異的PEEK復(fù)合材料，其被稱為“21世紀(jì)最有前途的材料”。

  聚醚醚酮樹脂基本特性：

  （1）耐高溫性:PEEK具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg=143℃)和熔點(diǎn)(Tm=334℃)，其負(fù)載熱變形溫度高達(dá)316℃，長(zhǎng)期使用溫度為260℃，瞬時(shí)使用溫度可達(dá)300℃。

  （2）韌性和剛性:PEEK具有韌性和剛性，特別是對(duì)交變應(yīng)力下的抗疲勞性非常突出，可與合金材料相媲美。

  （3）抗蠕變性:性能優(yōu)異，是熱塑性樹脂最好的抗蠕變材料。

  （4）自潤(rùn)滑性（耐磨性）:PEEK具有優(yōu)良的滑動(dòng)特性，適合于嚴(yán)格要求低摩擦系數(shù)和耐磨耗用途的場(chǎng)合；特別是用碳纖維、石墨、PTFE改性的PEEK耐磨性非常優(yōu)越。

  （5）耐腐蝕性:濃硫酸外，PEEK不溶于任何溶劑和強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，而且耐水解，具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性。

  （6）耐水解性:在溫度250℃的蒸汽或處在高壓的水中浸泡，PEEK制品仍可以連續(xù)工作數(shù)千小時(shí)而不出現(xiàn)明顯的性能下降；在所有的工程塑料中，PEEK具有最好的耐水解性和耐蒸汽性。

  （7）抗輻射性:具有極強(qiáng)的抗高劑量γ射線輻射的性能,機(jī)械性能可得到完整的保留，超過了通用樹脂中耐輻射性能最好的聚苯乙烯，可用作核設(shè)備中的耐輻射零件。

  （8）阻燃性:聚醚醚酮PEEK具有自熄性，即使不加任何阻燃劑，可達(dá)UL標(biāo)準(zhǔn)的94V-0級(jí)（最高級(jí)）。

  （9）無毒性:可用于食品衛(wèi)生、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

  （10）耐疲勞性：在所有的樹脂中，PEEK具有最好的耐疲勞性。

  （11）易加工性:PEEK樹脂雖然是超耐熱樹脂，但由于它具有高溫流動(dòng)性好、熱分解溫度很高等優(yōu)點(diǎn)，可采用注射成型、擠出成型、模壓成型、吹塑成型、熔融紡絲、旋轉(zhuǎn)成型及粉末噴涂等多種加工方式。

  在醫(yī)療器械領(lǐng)域，越來越多的脊柱手術(shù)、外傷和骨科類醫(yī)療產(chǎn)品制造商開始轉(zhuǎn)向使用PEEK。與鈦、鈷鉻合金等典型的醫(yī)用植入材料相比，PEEK提供了許多額外優(yōu)勢(shì)：

  （1）較低的彈性模量，可防止應(yīng)力遮蔽效應(yīng)，可使周邊骨頭保持強(qiáng)度。

  （2）可透過X射線，在CT和MRI掃描時(shí)不可見，可較容易地評(píng)估骨頭生長(zhǎng)和治愈過程；而在某些情況下需要看到植入體時(shí)，也可以通過樹脂改性來實(shí)現(xiàn)。

  （3）優(yōu)異的消毒性能，即時(shí)長(zhǎng)期暴露在熱蒸汽、環(huán)氧乙烷和伽馬射線下，仍能保持其原有性質(zhì)不改變。

  （4）較好的生物相容性。

  （5）機(jī)械性能可調(diào)整，可以加入不同的添加劑,包括碳纖維、硫酸鋇以及玻璃纖維,以滿足不同的特定應(yīng)用需求。例如將短的碳纖維加入植入級(jí)PEEK聚合物可提高其摩擦磨損性能，連續(xù)碳纖維加固的PEEK機(jī)械強(qiáng)度可以與鈷-鉻合金、鈦、鋁合金以及不銹鋼的強(qiáng)度相媲美。

  （6）更大的設(shè)計(jì)自由度，可以很容易地用半成品坯件機(jī)加工而成，或者通過注塑成型生產(chǎn)。

  相關(guān)醫(yī)療器械產(chǎn)品

  目前，由于PEEK材料的相關(guān)優(yōu)異性能，可廣泛應(yīng)用于創(chuàng)傷、脊柱及關(guān)節(jié)外科內(nèi)植入物等領(lǐng)域。其具體應(yīng)用簡(jiǎn)單列舉如下：

  （1）脊柱外科植入物

  ①PEEK用于椎間融合器；

  ②PEEK用于腰椎經(jīng)椎弓根螺釘動(dòng)態(tài)固定系統(tǒng)；

  ③PEEK應(yīng)用于腰椎棘突間植入物系統(tǒng)；

  ④PEEK應(yīng)用于人工椎間盤及人工髓核；

  （2）關(guān)節(jié)外科植入物

  ①PEEK應(yīng)用于股骨柄假體；

  ②PEEK應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)摩擦界面；

  ③PEEK應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)臼杯假體；

  ④PEEK應(yīng)用在其它關(guān)節(jié)假體中；

  ⑤PEEK應(yīng)用于關(guān)節(jié)鏡縫合錨釘；

  （3）顱頜面相關(guān)產(chǎn)品

  （4）牙科相關(guān)產(chǎn)品

  （5）其他領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)品

  通常，聚醚醚酮可添加到醫(yī)療產(chǎn)品中，以實(shí)現(xiàn)更大益處，包括減輕重量、提高設(shè)計(jì)自由度和功能整合，也可作為不銹鋼或其他材料的廉價(jià)替代品。

  以下是peek適于醫(yī)療應(yīng)用的特有性能：

  ·聚醚醚酮的生物相容性使其適于多種醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域。

  ·peek對(duì)傳統(tǒng)清潔劑等具有較高的抗化學(xué)性，使用范圍極其廣泛。

  ·peek承受過熱蒸汽殺菌，非常適用于可重復(fù)使用的醫(yī)療產(chǎn)品，例如手術(shù)器械的把柄。和目前使用的其他塑料相比，這種高性能聚合物可以提供更好的可消毒性，從而延長(zhǎng)使用壽命。此外，由于易于著色，還可進(jìn)行彩色編碼。

  ·peek抵抗伽馬射線或X射線等高能輻射的性能也極其優(yōu)異。

  ·peek良好的X射線透射性使其在手術(shù)室中有很多有趣的應(yīng)用，例如可防止使用定影劑時(shí)在X射線照片上產(chǎn)生偽像。

  ·由于具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性和沖擊強(qiáng)度，peek的另一個(gè)有趣的應(yīng)用領(lǐng)域是殘疾人運(yùn)動(dòng)，可用于制造假肢。

  ·peek具有良好的尺寸穩(wěn)定性，可用于高精密零件。此外，還具有出色的電絕緣性。這兩種性能對(duì)醫(yī)療裝置尤為重要，例如整形外科用的電池供電螺絲刀。

  ·除此之外，peek對(duì)水、溶劑和化學(xué)品還具有出色的耐水解性。

  盡管應(yīng)用于醫(yī)療業(yè)的時(shí)間并不算長(zhǎng)，peek的廣泛性能使其可以滿足一系列有趣的應(yīng)用，例如外科手術(shù)器械、內(nèi)窺鏡、體外診斷、整形外科、脊柱和牙科領(lǐng)域，以及分析儀器和藥品計(jì)量。在脊椎外科手術(shù)、外部創(chuàng)傷手術(shù)及整形手術(shù)植入物和醫(yī)療設(shè)備制造領(lǐng)域，越來越多的制造商會(huì)選擇聚醚醚酮（PEEK）作為制造材料。這種材料有優(yōu)良的生物相容性，對(duì)體液呈高惰性，且易于加工塑形。與傳統(tǒng)植入物材料鈦相比，PEEK更具X射線透射性，及與骨骼彈性相近的優(yōu)勢(shì)。因其出眾的特性，PEEK在實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)成為了鈦植入物最主要的熱塑性替代品。

  因?yàn)橹踩胛飿O可能被終生使用，所以其制造材料必須兼具生物穩(wěn)定性和荷載承受性。正因如此，在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，這一領(lǐng)域都被鈦和鈷鉻合金所獨(dú)占。而如今，這種局面已經(jīng)被扭轉(zhuǎn)，諸多優(yōu)勢(shì)使得PEEK越來越廣泛地應(yīng)用于植入物制造，其半成品更易于進(jìn)行機(jī)器加工，或者也可以直接采用注入塑形工藝，這為設(shè)計(jì)帶來了更大的自由空間。

  第四軍醫(yī)大學(xué)最近完成了3D打印PEEK肋骨的植入手術(shù)，因?yàn)镻EEK打印過程中對(duì)環(huán)境溫度與噴頭溫度要求非常高，所以必須要求機(jī)器具備一個(gè)恒溫的環(huán)境，需要對(duì)腔體溫度精細(xì)的控制。PEEK的材料熱熔點(diǎn)在343℃左右，所以要求噴頭溫度必須達(dá)到350℃以上，并且在打印過程中保持這個(gè)溫度。PEEK材料具有高于143℃的玻璃化溫度，在超過250℃的高溫下使用時(shí)，依舊可以表現(xiàn)出卓越的機(jī)械強(qiáng)度、韌性、硬度、彎曲強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。

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