用于骨科和牙科應(yīng)用的基于 3D 打印技術(shù)的碳纖維增強(qiáng) PEEK 復(fù)合材料

供稿人：張明杰 導(dǎo)師：田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

與腫瘤、外傷、感染或先天性畸形相關(guān)的顱頜面缺陷是口腔頜面外科醫(yī)生重建的極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。目前，最流行的矯形/牙科植入物人造材料是鈦 (Ti) 及其合金等金屬。然而，Ti 有一些嚴(yán)重的缺點(diǎn)，其中之一是應(yīng)力屏蔽，它可能在負(fù)載轉(zhuǎn)移過程中出現(xiàn)在 Ti 和骨骼之間的界面上，并導(dǎo)致周圍的骨質(zhì)流失。而PEEK因其優(yōu)秀的性能和較高的生物相容性被認(rèn)為是 Ti 的替代材料，此外，PEEK 的機(jī)械強(qiáng)度可以通過加入其他材料（例如碳纖維）來增強(qiáng)，使其彈性模量接近人體皮質(zhì)骨。熔融沉積建模 (FDM) 是發(fā)展最快的3D打印方法之一，然而FDM 打印的碳纖維增強(qiáng) PEEK 復(fù)合材料的機(jī)械性能和生物相容性仍不清楚。

圖賓根大學(xué)的Xingting Han等人和西安交通大學(xué)李滌塵教授團(tuán)隊(duì)合作通過FDM 打印純 PEEK 和碳纖維增強(qiáng) PEEK（CFR-PEEK）復(fù)合材料，完成了其機(jī)械測(cè)試的表征，并分析了表面粗糙度和形貌對(duì)一般生物相容性（細(xì)胞毒性）和細(xì)胞粘附的影響。

圖 1 ( a ) PEEK的臨床應(yīng)用；熔融沉積建模 (FDM) 打印的 PEEK ( b ) 胸骨和 ( c ) 鼻重建

圖 2 培養(yǎng)24小時(shí)后，PEEK和CFR-PEEK樣品上L929細(xì)胞的LIVE/DEAD染色，Ti 作為額外的對(duì)照。( a ) 未經(jīng)處理的PEEK；( b )拋光PEEK；( c ) 噴砂PEEK；( d ) 未經(jīng)處理的CFR-PEEK；( e ) 拋光CFR-PEEK；( f ) 噴砂CFR-PEEK；( g ) 鈦。( h , i ) 顯示細(xì)胞覆蓋的平均表面積的定量細(xì)胞密度和定量。數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差，* p〈 0.05。P：聚醚醚酮；CP：CFR-PEEK；黑條：未處理組；橙色條：拋光組；藍(lán)條：噴砂組。細(xì)胞毒性作用，由死（染紅）細(xì)胞表示，無法檢測(cè)

本研究首次系統(tǒng)地研究了 FDM 打印碳纖維增強(qiáng) PEEK 復(fù)合材料的力學(xué)性能，與純 PEEK 的打印結(jié)果相比，打印的 CFR-PEEK 試樣表現(xiàn)出顯著改善的機(jī)械性能。此外，還首次評(píng)估了 FDM 打印的 PEEK 及其復(fù)合材料的表面形貌和粗糙度對(duì)生物相容性和細(xì)胞粘附的影響，并證實(shí)了碳纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料在打印過程中并不會(huì)引入有毒物質(zhì)，影響其生物相容性，且其因打印工藝所形成的粗糙表面十分適合細(xì)胞附著和擴(kuò)散，這使得 CFR-PEEK在生物方面的應(yīng)用尤為重要。

參考文獻(xiàn)：
Han, X.; Yang, D.; Yang, C.; Spintzyk, S.; Scheideler, L.; Li, P.; Li, D.; Geis-Gerstorfer, J.; Rupp, F. Carbon Fiber Reinforced PEEK Composites Based on 3D-Printing Technology for Orthopedic and Dental Applications. J. Clin. Med. 2019, 8, 240. https://doi.org/10.3390/jcm8020240