3D打印PEEK、復(fù)合材料及其在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展
時(shí)間：2023-06-05 11:33 來源：艾邦醫(yī)用高分子 作者：admin 閱讀：次
聚醚醚酮(PEEK)是半結(jié)晶的高分子芳香族類材料，具有在高溫下化學(xué)性能穩(wěn)定、摩擦性能優(yōu)異的理化特點(diǎn)，同時(shí)具備良好的生物相容性、力學(xué)性能、機(jī)械性能、X射線可透射性及無細(xì)胞毒性等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)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(zhì)骨及牙本質(zhì)的彈性模量，避免了應(yīng)力遮擋效應(yīng)，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(shì)而被深入研究。PEEK作為種植體、臨時(shí)基臺(tái)、固定義齒、活動(dòng)義齒支架等研究逐漸增多，其在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者密切關(guān)注。
PEEK在口腔種植領(lǐng)域中的應(yīng)用
20世紀(jì)60年代，骨內(nèi)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(shí)驗(yàn)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(guó)Invibio公司推出了PEEK種植體。隨著商業(yè)化PEEK種植體問世，相關(guān)研究逐漸增多。PEEK及其改性材料具有良好的性能，有學(xué)者認(rèn)為PEEK種植體或可避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)發(fā)生，甚至可替代金屬種植體應(yīng)用于整形外科、創(chuàng)傷外科等領(lǐng)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(xué)者對(duì)PEEK進(jìn)行了一系列細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：在促進(jìn)細(xì)胞增殖方面，與鈦相比，PEEK表面增殖細(xì)胞顯示出更強(qiáng)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(jié)果顯示：種植體植入4周與8周時(shí)，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(tái)
相對(duì)于鈦或氧化鋯基臺(tái)，PEEK基臺(tái)的修整更簡(jiǎn)便。此外，PEEK還可用作種植修復(fù)上部支架材料，與齦色材料共同使用，可在減輕修復(fù)體重量的同時(shí)保證紅色美學(xué)效果。因此，對(duì)于種植體基臺(tái)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(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以精準(zhǔn)地將改性后的PEEK復(fù)合材料打印成與患者個(gè)體匹配的具有優(yōu)良性能的口腔修復(fù)體或植入物，節(jié)省了患者因修復(fù)體不合適而多次就診的時(shí)間，同時(shí)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(fù)合材料及其表面處理方法及其在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的臨床應(yīng)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(fù)體的加工方法為真空加壓注塑法、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)切削法及3D打印技術(shù)。真空加壓注塑法技術(shù)要求高，制作程序復(fù)雜，同時(shí)由于PEEK耐高溫，熔化時(shí)流動(dòng)性小，存在注塑不完全的風(fēng)險(xiǎn)。
CAD/CAM切削法簡(jiǎn)化了制作程序，減少了制作時(shí)間，獲得的模型較準(zhǔn)確，但具有對(duì)醫(yī)師及技工人員較充分的計(jì)算機(jī)知識(shí)的要求，浪費(fèi)原材料等缺點(diǎn)。3D打印技術(shù)具有快速高效、節(jié)省成本等優(yōu)勢(shì)，越來越多的研究者將PEEK和3D打印技術(shù)的結(jié)合作為目前的研究應(yīng)用方向。
3D打印技術(shù)又稱增材制造(AM)是一種基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)3D模型，將模型加工處理，自下而上逐層堆積形成個(gè)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(zhuǎn)化格式后導(dǎo)入打印設(shè)備中，利用3D打印的方法打印成個(gè)性化的修復(fù)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(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)的樣品、避免浪費(fèi)原材料、減少生產(chǎn)成本以及提高工作效率的特點(diǎn)。
由于PEEK存在生物活性較低和自主抑菌性能不足的問題，嚴(yán)重影響其與骨結(jié)合效率，研究發(fā)現(xiàn)通過FDM方法打印的PEEK復(fù)合材料加入納米活性粒子或者纖維增強(qiáng)材料后可有效改善PEEK生物活性，提高與骨組織的結(jié)合效率。
目前，上述復(fù)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(fù)合材料、優(yōu)化力學(xué)性能的3D打印碳纖維增強(qiáng)-PEEK復(fù)合材料。
1.優(yōu)化成骨活性的3D打印羥基磷灰石-PEEK復(fù)合材料
羥基磷灰石(HA)是由無機(jī)成分(如骨骼、牙齒)和有機(jī)成分(如膠原纖維)等構(gòu)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(dú)用于修復(fù)缺損較大的骨組織，因此對(duì)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(xì)絲，用改造后的3D打印機(jī)打印出不同質(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?shù)的羥基磷灰石(0%~20%)的PEEK/CHAP復(fù)合材料，結(jié)果顯示15%的PEEK/CHAP力學(xué)性能較為理想。體外高糖培養(yǎng)基(DMEM)培養(yǎng)上清液的檢測(cè)結(jié)果也表明了PEEK/CHAP復(fù)合材料比純PEEK具有更好的黏附性、增殖性和細(xì)胞活性。
Zheng等通過FDM打印出PEEK-HA復(fù)合支架，隨后在其上進(jìn)行小鼠胚胎成骨細(xì)胞前體細(xì)胞(MC3T3-E1)細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)具有微孔結(jié)構(gòu)表面的PEEK-HA復(fù)合材料能顯著促進(jìn)MC3T3-E1細(xì)胞附著和礦化。因此，HA與PEEK結(jié)合可顯著提高細(xì)胞的成骨活性，改善PEEK的生物活性。
2．優(yōu)化力學(xué)性能的3D打印纖維增強(qiáng)-PEEK復(fù)合材料
為改善PEEK的力學(xué)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(qiáng)PEEK的機(jī)械強(qiáng)度。Han等將FDM的純PEEK和碳纖維增強(qiáng)的PEEK復(fù)合材料(CFR-PEEK)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，同時(shí)對(duì)樣品表面進(jìn)行了粗化和細(xì)化處理，結(jié)果表明，3D打印后的CFR-PEEK試樣的機(jī)械強(qiáng)度明顯優(yōu)于純PEEK樣品。
Wang探討了3D打印不同參數(shù)(噴嘴溫度、平臺(tái)溫度、層厚等)對(duì)純PEEK、CF/PEEK、GF/PEEK的力學(xué)性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示5%CF/PEEK和5%GF/PEEK具有更高的拉伸強(qiáng)度和抗彎曲強(qiáng)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(jī)械性能，更符合人體骨組織的力學(xué)性能。
此外，PEEK彈性模量更接近人體皮質(zhì)骨及牙本質(zhì)的彈性模量，避免了應(yīng)力遮擋效應(yīng)，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(shì)而被深入研究。PEEK作為種植體、臨時(shí)基臺(tái)、固定義齒、活動(dòng)義齒支架等研究逐漸增多，其在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者密切關(guān)注。
圖片來源：網(wǎng)絡(luò)
PEEK在口腔種植領(lǐng)域中的應(yīng)用
20世紀(jì)60年代，骨內(nèi)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(shí)驗(yàn)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(guó)Invibio公司推出了PEEK種植體。隨著商業(yè)化PEEK種植體問世，相關(guān)研究逐漸增多。PEEK及其改性材料具有良好的性能，有學(xué)者認(rèn)為PEEK種植體或可避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)發(fā)生，甚至可替代金屬種植體應(yīng)用于整形外科、創(chuàng)傷外科等領(lǐng)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(xué)者對(duì)PEEK進(jìn)行了一系列細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：在促進(jìn)細(xì)胞增殖方面，與鈦相比，PEEK表面增殖細(xì)胞顯示出更強(qiáng)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(jié)果顯示：種植體植入4周與8周時(shí)，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(tái)
相對(duì)于鈦或氧化鋯基臺(tái)，PEEK基臺(tái)的修整更簡(jiǎn)便。此外，PEEK還可用作種植修復(fù)上部支架材料，與齦色材料共同使用，可在減輕修復(fù)體重量的同時(shí)保證紅色美學(xué)效果。因此，對(duì)于種植體基臺(tái)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(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以精準(zhǔn)地將改性后的PEEK復(fù)合材料打印成與患者個(gè)體匹配的具有優(yōu)良性能的口腔修復(fù)體或植入物，節(jié)省了患者因修復(fù)體不合適而多次就診的時(shí)間，同時(shí)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(fù)合材料及其表面處理方法及其在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的臨床應(yīng)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(fù)體的加工方法為真空加壓注塑法、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)切削法及3D打印技術(shù)。真空加壓注塑法技術(shù)要求高，制作程序復(fù)雜，同時(shí)由于PEEK耐高溫，熔化時(shí)流動(dòng)性小，存在注塑不完全的風(fēng)險(xiǎn)。
CAD/CAM切削法簡(jiǎn)化了制作程序，減少了制作時(shí)間，獲得的模型較準(zhǔn)確，但具有對(duì)醫(yī)師及技工人員較充分的計(jì)算機(jī)知識(shí)的要求，浪費(fèi)原材料等缺點(diǎn)。3D打印技術(shù)具有快速高效、節(jié)省成本等優(yōu)勢(shì)，越來越多的研究者將PEEK和3D打印技術(shù)的結(jié)合作為目前的研究應(yīng)用方向。
3D打印技術(shù)又稱增材制造(AM)是一種基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)3D模型，將模型加工處理，自下而上逐層堆積形成個(gè)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(zhuǎn)化格式后導(dǎo)入打印設(shè)備中，利用3D打印的方法打印成個(gè)性化的修復(fù)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(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)的樣品、避免浪費(fèi)原材料、減少生產(chǎn)成本以及提高工作效率的特點(diǎn)。
由于PEEK存在生物活性較低和自主抑菌性能不足的問題，嚴(yán)重影響其與骨結(jié)合效率，研究發(fā)現(xiàn)通過FDM方法打印的PEEK復(fù)合材料加入納米活性粒子或者纖維增強(qiáng)材料后可有效改善PEEK生物活性，提高與骨組織的結(jié)合效率。
目前，上述復(fù)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(fù)合材料、優(yōu)化力學(xué)性能的3D打印碳纖維增強(qiáng)-PEEK復(fù)合材料。
1.優(yōu)化成骨活性的3D打印羥基磷灰石-PEEK復(fù)合材料
羥基磷灰石(HA)是由無機(jī)成分(如骨骼、牙齒)和有機(jī)成分(如膠原纖維)等構(gòu)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(dú)用于修復(fù)缺損較大的骨組織，因此對(duì)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(xì)絲，用改造后的3D打印機(jī)打印出不同質(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?shù)的羥基磷灰石(0%~20%)的PEEK/CHAP復(fù)合材料，結(jié)果顯示15%的PEEK/CHAP力學(xué)性能較為理想。體外高糖培養(yǎng)基(DMEM)培養(yǎng)上清液的檢測(cè)結(jié)果也表明了PEEK/CHAP復(fù)合材料比純PEEK具有更好的黏附性、增殖性和細(xì)胞活性。
Zheng等通過FDM打印出PEEK-HA復(fù)合支架，隨后在其上進(jìn)行小鼠胚胎成骨細(xì)胞前體細(xì)胞(MC3T3-E1)細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)具有微孔結(jié)構(gòu)表面的PEEK-HA復(fù)合材料能顯著促進(jìn)MC3T3-E1細(xì)胞附著和礦化。因此，HA與PEEK結(jié)合可顯著提高細(xì)胞的成骨活性，改善PEEK的生物活性。
2．優(yōu)化力學(xué)性能的3D打印纖維增強(qiáng)-PEEK復(fù)合材料
為改善PEEK的力學(xué)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(qiáng)PEEK的機(jī)械強(qiáng)度。Han等將FDM的純PEEK和碳纖維增強(qiáng)的PEEK復(fù)合材料(CFR-PEEK)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，同時(shí)對(duì)樣品表面進(jìn)行了粗化和細(xì)化處理，結(jié)果表明，3D打印后的CFR-PEEK試樣的機(jī)械強(qiáng)度明顯優(yōu)于純PEEK樣品。
圖片來源：網(wǎng)絡(luò)
Wang探討了3D打印不同參數(shù)(噴嘴溫度、平臺(tái)溫度、層厚等)對(duì)純PEEK、CF/PEEK、GF/PEEK的力學(xué)性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示5%CF/PEEK和5%GF/PEEK具有更高的拉伸強(qiáng)度和抗彎曲強(qiáng)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(jī)械性能，更符合人體骨組織的力學(xué)性能。
(責(zé)任編輯：admin)
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