Apium M220助力PEEK植入物精准制造

       PEEK（聚醚醚酮）材料因其优异的生物相容性和机械性能，被广泛应用于颅骨修复和重建。相比传统金属材料，PEEK 植入物具有更低的弹性模量，可以减轻应力屏蔽效应，有利于骨组织再生。另外，PEEK 植入物无磁性、透X线，可以进行MRI和CT扫描随访，满足临床需要。但是，PEEK属高温热塑性高分子材料，增材制造过程中的温度波动会影响材料的结晶度和力学性能。下面将介绍采用熔融沉积模型（FFF）技术制备PEEK植入物，考察不同打印参数对材料机械性能和表面质量的影响，以找到既满足力学要求又具备光洁表面和均匀颜色的最佳工艺方案，使PEEK植入物的应用更广泛。

▍走近研究中的Apium M220 3D打印机

     研究中使用的是Apium M220 3D打印机和VESTAKEEP® 3DF-T PEEK材料，通过单因素测试方法评估不同打印参数对PEEK植入物性能的影响。

1、材料和设备

    使用Apium M220 3D打印机，配合直径为1.75mm的VESTAKEEP® i4 3DF-T PEEK打印材料。改变打印速度、气流温度(0-280°C)、层高(0.15-0.30mm)、壳数(1-3)等参数(见表1)。 

2.、样品制备

    设置不同打印参数矩阵(见表2)，分别打印PEEK植入物样品,进行后续性能测试。打印参数包括气流温度、构建方向、层高、壳数等。

▍针对PEEK所做的测试

1、机械性能测试：进行正割顺应性、动态顺应性和冲击实验(见图1和图2)，评价弹性和抗冲击性能。测试发现构建方向为180°时，植入物机械性能最好。

 2、热分析：采用DSC测试(见图3)，分析不同打印参数下PEEK植入物的熔点和结晶度。结果显示气流温度会影响样品的结晶度。

图 3. 在构建方向 (BO))为 90 和不同气流温度 (AF))(a))的条件下，机械加工 PEEK 与 3D 打印 PEEK 的代表性 DSC 曲线对比。所有分析的打印曲线和机械加工植入物的熔化温度 (TM))(b) 和结晶度 (Xc) (c)(每组 n = 2 的平均值和标准偏差).

3、表面分析：使用显微镜和分光光度计(见图4)，测试不同参数打印样品的表面形貌、颜色均匀性。发现水平打印表面质量较差。

图 4. 具有代表性的 PEEK PSCI 的顶部和底部表面在 90 (BO 90)构建方向上的显微镜图像，以及铣制植入体(右上角)在 40 倍放大率下的图像。图像下方给出了种植体上表面(黑色)和下表面(红色)沿所显示测量长度的波浪度剖面图.

4、结果对比：系统地比较不同参数下样品的力学性能、热性能和表面质量(见图5)，找出最优化的打印方案。

图 5. FFF 和机械加工 PEEK 颅骨植入物在机械完整性(最大冲击力 - FM、总吸收能量 - ET 和直至失效的位移 - lT 之间的关系)、植入物质量（结晶度 - Xc、底面波纹跨度和变色程度 ΔEab∗)和可用时间方面的比较。显示了在两种不同气流温度 (AF)下的三种不同构建方向 (BO)(标准 = AF 210)。此外，还显示了 5 mm厚(T 5)的 BO 180 种植体，该种植体在机械性能上与机械加工种植体最为匹配.

▍研究结果

       水平打印机械性能佳，但表面质量差（图2b）；竖直打印表面质量佳，机械性能弱（图6），气流温度与结晶度及颜色的关系（图6，3）。

图 6. PEEK PSCI 的单个印刷轮廓示例及其打印时间(h：mm)(右下角)。右上角显示的是机械加工植入物.

       研究结果显示，采用Apium M220 3D打印机制备的PEEK植入物，其构建方向对机械性能和表面质量有重要影响。

       水平打印时，植入物的机械性能最佳，这是因为加载方向与打印层方向垂直，但表面质量较差，主要由于表面残留支撑结构造成。竖直打印时，植入物表面质量最好，但机械性能较弱，因为加载方向与打印层方向相同。

       另外，调节气流温度可以改变样品的冷却速率，从而影响植入物的结晶度和颜色均匀性。气流温度越高，冷却速率越慢，样品结晶度越高，颜色越均匀。