3D打印方向?qū)勖衙淹斯りP(guān)節(jié)材料的生物摩擦學(xué)性能影響

來源： 生物設(shè)計(jì)與制造BDM

本研究論文聚焦聚醚醚酮（PEEK）在熔融沉積成型過程中打印方向?qū)ζ渖锬Σ翆W(xué)性能的影響規(guī)律研究。

自然關(guān)節(jié)復(fù)雜的組織解剖結(jié)構(gòu)和多樣的力學(xué)環(huán)境使其易受創(chuàng)傷、疾病等因素影響，人工關(guān)節(jié)假體可以替代缺損部位，為患者消除疼痛和重建運(yùn)動(dòng)功能。PEEK在體內(nèi)除了具有良好的生物相容性和穩(wěn)定的理化性能，還具有匹配骨組織的力學(xué)強(qiáng)度和優(yōu)異的耐摩擦性能，這使其成為新一代聚合物人工關(guān)節(jié)材料。3D打印為個(gè)性化人工關(guān)節(jié)假體提供了制備技術(shù)的支持，同時(shí)成型原理也決定了打印方向是影響其摩擦學(xué)性能的重要因素之一。本研究通過熔融沉積成型制備了具有不同打印方向的PEEK銷，和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）盤組成摩擦副，在25%小牛血清潤滑液中通過銷盤實(shí)驗(yàn)研究摩擦學(xué)性能。


通過磨損后的表面形貌和物相分析，發(fā)現(xiàn)了UHMWPE盤產(chǎn)生的磨屑轉(zhuǎn)移到PEEK表面，形成牢固的轉(zhuǎn)移膜。分析了轉(zhuǎn)移膜的數(shù)量、尺寸與打印方向之間的關(guān)系，揭示了相近的材料特性、階梯狀的表面紋理和穩(wěn)定的應(yīng)力作用對(duì)轉(zhuǎn)移膜形成的協(xié)同作用。在此基礎(chǔ)上，以膝關(guān)節(jié)假體為例，提出了一種股骨單髁假體打印方向的分區(qū)設(shè)計(jì)路徑：外層設(shè)計(jì)為同心圓路徑，中間層設(shè)計(jì)為垂直線路徑，內(nèi)層設(shè)計(jì)為多孔路徑，實(shí)現(xiàn)了耐摩擦、力學(xué)和骨融合性能的多功能設(shè)計(jì)。本研究建立了打印方向和PEEK摩擦學(xué)性能之間的映射關(guān)系，并為關(guān)節(jié)假體的多功能性設(shè)計(jì)提出了一種新的打印策略。

圖1 不同打印方向的聚醚醚酮（PEEK）表面磨損形貌和股骨單髁假體的打印路徑設(shè)計(jì)策略圖

圖2 不同打印方向聚醚醚酮（PEEK）銷的制備工藝和摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)方案。(a) 成型工藝；(b) 后處理；(c) 銷盤摩擦實(shí)驗(yàn)的示意圖

圖3 不同打印方向的聚醚醚酮（PEEK）銷和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）盤對(duì)摩后的摩擦學(xué)性能。(a) 摩擦系數(shù)曲線；(b) 平均摩擦系數(shù)；(c) PEEK銷和UHMWPE盤各自的磨損體積；(d) 總體磨損體積

圖4 聚醚醚酮（PEEK）磨損后的表面形貌。(a1-e1) 0°、25.5°、45°、67.5°、90° PEEK磨損后的低倍表面形貌；(a2-e2) 0°、25.5°、45°、67.5°、90° PEEK磨損后的高倍表面形貌；(f-j) 0°、25.5°、45°、67.5°、90° PEEK表面形成的轉(zhuǎn)移膜頻率分布直方圖；(k) 轉(zhuǎn)移膜在PEEK表面的平均面積和面積占比

圖5 聚醚醚酮（PEEK）表面形成轉(zhuǎn)移膜的表征。(a1-a4) PEEK磨損前和(b1-b4) 磨損后的SEM形貌；(c) PEEK磨損前后的XPS圖譜；(d) PEEK磨損前的C1s分峰圖譜；(e) PEEK磨損后的C1s分峰圖譜；(f) XRD圖譜；(g) FTIR圖譜

圖6 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）磨損后的表面形貌。(a-e) UHMWPE和0°、25.5°、45°、67.5°、90°聚醚醚酮（PEEK）對(duì)摩后的2D表面形貌；(f-j) UHMWPE和0°、25.5°、45°、67.5°、90° PEEK對(duì)摩后的3D表面形貌和磨痕深度曲線；(k) 表面粗糙度Ra和磨痕深度

圖7 不同屈曲角度的單髁膝關(guān)節(jié)有限元模擬。(a1-d1) -30°、0°、45°和90°單髁膝關(guān)節(jié)有限元模型；(a2-d2) -30°、0°、45°和90°股骨單髁的應(yīng)力跡線分布

圖8 基于膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)形式的打印路徑設(shè)計(jì)。(a) 股骨單髁整體應(yīng)力跡線；(b) 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)形式；(c) 分區(qū)打印路徑設(shè)計(jì)

圖9 股骨單髁假體的打印。(a) 股骨單髁假體模型的放置形式；(b) 聚醚醚酮（PEEK）股骨單髁假體

圖10 不同打印方向的聚醚醚酮（PEEK）表面形成轉(zhuǎn)移膜的機(jī)理示意圖