2023医疗器械展览会齿科聚焦：3D打印PEEK、复合材料及其在口腔医学领域的研究进展
2023-04-21
聚醚醚酮(PEEK)是半结晶的高分子芳香族类材料，具有在高温下化学性能稳定、摩擦性能优异的理化特点，同时具备良好的生物相容性、力学性能、机械性能、X射线可透射性及无细胞毒性等优势，被认为是可以用来代替传统的口腔科材料(如金属或陶瓷材料)。
此外，2023医疗器械展览会Medtec China了解到PEEK弹性模量更接近人体皮质骨及牙本质的弹性模量，避免了应力遮挡效应，其与牙体组织颜色接近，提高患者的舒适度和满意度，因其具有诸多优势而被深入研究。PEEK作为种植体、临时基台、固定义齿、活动义齿支架等研究逐渐增多，其在口腔医学领域的应用引起了国内外学者密切关注。
PEEK在口腔种植领域中的应用
20世纪60年代，骨内牙种植体多以金属纯钛及钛合金（如Ti-6Al-7Nb、Ti-6Al-4V等）为主。尽管钛种植体受到大量实验与临床研究证据的支持，但其在临床使用中仍存在一些问题。其一是钛潜在的致敏性；其二，与人类骨组织相比，钛弹性模量过高，易发生骨组织改建或丧失；其三，金属种植体缺乏透光性，影响美观。
1998年，英国Invibio公司推出了PEEK种植体。随着商业化PEEK种植体问世，相关研究逐渐增多。PEEK及其改性材料具有良好的性能，有学者认为PEEK种植体或可避免应力遮挡效应发生，甚至可替代金属种植体应用于整形外科、创伤外科等领域。
骨整合
PEEK作为一种惰性材料，与周围组织间相互作用较弱。一些学者对PEEK进行了一系列细胞实验，结果显示：在促进细胞增殖方面，与钛相比，PEEK表面增殖细胞显示出更强的炎性增生，其与骨组织之间纤维性相互作用更明显。
据研究结果显示：种植体植入4周与8周时，有钛涂层的种植体均出现显著增高的骨-种植体接触率。
据研究结果显示：种植体植入4周与8周时，有钛涂层的种植体均出现显著增高的骨-种植体接触率。
PEEK基台
相对于钛或氧化锆基台，PEEK基台的修整更简便。此外，PEEK还可用作种植修复上部支架材料，与龈色材料共同使用，可在减轻修复体重量的同时保证红色美学效果。因此，对于种植体基台来说，PEEK可作为金属或瓷的替代材料。
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3D打印PEEK方法
研究发现PEEK可通过表面处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打印技术具有独特的优势，可以精准地将改性后的PEEK复合材料打印成与患者个体匹配的具有优良性能的口腔修复体或植入物，节省了患者因修复体不合适而多次就诊的时间，同时提高了医生在临床诊疗中的工作效率。
本文将就目前3D打印的PEEK方法、PEEK复合材料及其表面处理方法及其在口腔医学领域的临床应用研究展开综述，为广大研究者提供参考。
目前，PEEK制作口腔修复体的加工方法为真空加压注塑法、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)切削法及3D打印技术。真空加压注塑法技术要求高，制作程序复杂，同时由于PEEK耐高温，熔化时流动性小，存在注塑不完全的风险。
CAD/CAM切削法简化了制作程序，减少了制作时间，获得的模型较准确，但具有对医师及技工人员较充分的计算机知识的要求，浪费原材料等缺点。3D打印技术具有快速高效、节省成本等优势，越来越多的研究者将PEEK和3D打印技术的结合作为目前的研究应用方向。
3D打印技术又称增材制造(AM)是一种基于计算机辅助设计3D模型，将模型加工处理，自下而上逐层堆积形成个性化的加工方法。
3D打印主要流程为:
(1)数字化软件获得数据并建立三维模型;
(2)将模型文件转化格式后导入打印设备中，利用3D打印的方法打印成个性化的修复体。
相较于传统切削减材方式，3D打印具有可以制备多层次复杂精细结构的样品、避免浪费原材料、减少生产成本以及提高工作效率的特点。
3D打印PEEK方法
由于PEEK存在生物活性较低和自主抑菌性能不足的问题，严重影响其与骨结合效率，研究发现通过FDM方法打印的PEEK复合材料加入纳米活性粒子或者纤维增强材料后可有效改善PEEK生物活性，提高与骨组织的结合效率。
目前，上述复合材料主要包括优化成骨活性的3D打印羟基磷灰石-PEEK复合材料、优化力学性能的3D打印碳纤维增强-PEEK复合材料。
1.优化成骨活性的3D打印羟基磷灰石-PEEK复合材料
羟基磷灰石(HA)是由无机成分(如骨骼、牙齿)和有机成分(如胶原纤维)等构成，具有良好的生物安全性及成骨活性，其与人类骨组织的成分相似，因此在临床上常被用作骨替代材料。然而，单纯的HA脆性较大，不适合单独用于修复缺损较大的骨组织，因此对其研究主要着重于作为改善其他生物材料特性等方面。
Rodzen等将HA和PEEK粉末混合制成细丝，用改造后的3D打印机打印出不同质量分数(0%~30%)的PEEK-HA样品。扫描电子显微镜下发现HA颗粒均匀分布在样品表面。
Oladapo使用FDM制备出了不同质量分数的羟基磷灰石(0%~20%)的PEEK/CHAP复合材料，结果显示15%的PEEK/CHAP力学性能较为理想。体外高糖培养基(DMEM)培养上清液的检测结果也表明了PEEK/CHAP复合材料比纯PEEK具有更好的黏附性、增殖性和细胞活性。
Zheng等通过FDM打印出PEEK-HA复合支架，随后在其上进行小鼠胚胎成骨细胞前体细胞(MC3T3-E1)细胞增殖实验，发现具有微孔结构表面的PEEK-HA复合材料能显著促进MC3T3-E1细胞附着和矿化。因此，HA与PEEK结合可显著提高细胞的成骨活性，改善PEEK的生物活性。
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2．优化力学性能的3D打印纤维增强-PEEK复合材料
为改善PEEK的力学性能，研究者发现加入不同含量的碳纤维(CF)或玻璃纤维(GF)可增强PEEK的机械强度。Han等将FDM的纯PEEK和碳纤维增强的PEEK复合材料(CFR-PEEK)进行力学性能测试，同时对样品表面进行了粗化和细化处理，结果表明，3D打印后的CFR-PEEK试样的机械强度明显优于纯PEEK样品。
Wang探讨了3D打印不同参数(喷嘴温度、平台温度、层厚等)对纯PEEK、CF/PEEK、GF/PEEK的力学性能的影响，实验结果显示5%CF/PEEK和5%GF/PEEK具有更高的拉伸强度和抗弯曲强度。
因此，3D打印后的PEEK加入适量碳纤维或玻璃纤维可以提高材料的机械性能，更符合人体骨组织的力学性能。
文章来源： 艾邦医用高分子
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