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3D打印PEEK、復合材料及其在口腔醫學領域的研究進展

魔猴君行業資訊 536天前

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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定、摩擦性能優異的理化特點，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勢，被認為是可以用來代替傳統的口腔科材料(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，其在口腔醫學領域的應用引起了國內外學者密切關注。

圖片來源：網絡

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生，甚至可替代金屬種植體應用于整形外科、創傷外科等領域。

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

研究發現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良性能的口腔修復體或植入物，節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、節省成本等優勢，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)數字化軟件獲得數據并建立三維模型;

(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，研究發現通過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化成骨活性的3D打印羥基磷灰石-PEEK復合材料、優化力學性能的3D打印碳纖維增強-PEEK復合材料。

1.優化成骨活性的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(0%~30%)的PEEK-HA樣品。掃描電子顯微鏡下發現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。體外高糖培養基(DMEM)培養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，發現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，研究者發現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于純PEEK樣品。