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医疗:PEEK相较金属植入物的优势与不足

时间:2019-02-20 10:49 来源:未知 作者:中国3D打印机网 阅读:
        不锈钢、钛及其合金等传统的硬组织植入金属材料因具有较高的力学强度、良好的生物相容性和耐疲劳性等优异性能,在硬组织修复与替换领域有着广泛应用。但这些传统金属植入材料的弹性模量远远高于骨组织,难以形成合理的梯度强度,患者在遭受特殊外力后会损伤周围的正常器官,最终造成植入失败,即产生所谓的“应力屏蔽”效应。
 

第一个植入3D打印钛合金髋关节的患者已经10年
       此外,金属植入体可能释放出有害的金属离子,造成骨质溶解或形成变应原;且金属植入体与常用的核磁共振成像、计算机断层扫描技术不相容,不利于对骨生长及愈合进行监控。
 

热塑性特种工程塑料PEEK的化学结构特性赋予了其优良的机械性能、良好的生物相容性、耐化学性、易加工及可重复消毒等优异特性。自20世纪80年代开始,便受到材料学研究者和骨科学研究者越来越高的重视,有可能替代金属材料应用在硬组织修复与替换领域。随着3D打印应用的深入,PEEK获得了更多关注。

 

PEEK颅骨和椎间植入物


PEEK 替代金属植入物的优势
与金属植入物相比,PEEK 具有两个突出的优势。
第一,PEEK的弹性模量与皮质骨弹性模量接近,尤其是碳纤维增强PEEK的弹性模量与皮质骨弹性模量更为匹配。这种接近或匹配的弹性模量一定程度上减弱或消除了应力屏蔽效应,有利于植入体与骨组织之间的骨整合, 保证了 PEEK 种植体的长期稳定性。
 

PEEK半刚性棒

第二,PEEK可透过X射线,CT 或MRI扫描时不产生伪影,因而较容易监控骨生长和愈合过程。此外,PEEK还具有良好的生物相容性、耐磨损、耐疲劳、耐腐蚀、易加工等特点,而且PEEK比金属材料更加轻质。上述优点使PEEK广泛应用于创伤、脊柱和关节等领域。
 


用于牙科植入物的PEEK,比钛更轻、更舒适,并且没有金属味道,已获得FDA认证

与不锈钢、钛合金和超高分子量聚乙烯植入物相比,PEEK 及其复合材料具有良好的耐磨性能,可有效避免由于磨损颗粒引发的植入体周围炎症和骨溶解等问题。因此,聚醚醚酮在骨科种植体的应用中被认为是替代传统种植体的候选材料之一。

 

昆明医科大学第一附属医院运用3D打印PEEK材料假体替换锁骨


2017年4月,国内唐都医院完成国际首例PEEK肋骨植入手术,2018年1月,该医院完成国内首例PEEK植入体治疗胡桃夹综合征案例;同年8月,昆明医科大学第一附属医院首次运用3D打印PEEK材料假体替换锁骨。迄今为止,3D打印PEEK假体的临床案例已达几十例。然而这并不意味着PEEK就没有问题。

PEEK用于骨科植入的劣势
PEEK由于其相对疏水的表面而具有较低的表面能,从而限制了细胞的黏附。PEEK 的这种生物惰性使得 PEEK 植入体与宿主骨组织之间的骨整合能力较差,在临床上经常会遇到许多并发症,如种植体移位、笼陷或假性关节,这在体外和临床应用研究中都导致了令人不满意的结果。

理想的 PEEK 表面应能使细胞黏附、增殖、成骨细胞分化,促进 PEEK 植入体表面的矿化,产生大量的骨融合。

为了构建理想的PEEK表面,研究者们通过生物活性陶瓷填充、纤维增强、PEEK孔隙化等方法制备了一系列的PEEK及其复合材料,其最终目的是使该材料的植入体既具备维持血管新生和营养传输的功能,又具备足够的力学强度和耐磨性能,然而使各项指标保持平衡仍是当前研究的难点。

去年9月,由医学聚合物公司DiFusion开发的微孔亲水PEEK材料被整形外科医生评为2018年十大脊柱材料之一。该材料获得认可是因为它支持骨科植入物的生长,同时保留了传统PEEK的力学性能和成像能力。该材料可用于注塑、3D打印或机械加工,目前正在扩大规模,于2019年投入商用。

不可否认,PEEK具有极好的应用前景,但对于存在的问题也极为突出,材料突破将是其实现安全应用的关键。

其实任何一款产品都不可能是完美无缺的,即使金属植入材料有那么多不足之处,但第一个植入3D打印钛合金髋关节的患者已经健康行走10余年。本文旨在对于专业人员获取更多的知识,对于普通患者不需过多关注材料的优势与不足,医生会作出最好的决定。

(责任编辑:中国3D打印机网)