优化FFF技术打印参数助力PEEK颅骨植入物标准化生产

     莱奥本矿业大学和格拉兹医科大学开展了一项关于聚醚醚酮（PEEK）颅骨植入物制造的联合研究。研究认为，PEEK因其优异的生物相容性和机械性能，被广泛认为是创伤后颅骨重建手术的“黄金标准”材料。PEEK具有与颅骨相当的机械强度，可承受高温灭菌，同时具有生物惰性和非吸湿性。此外，PEEK材料在X射线下呈半透明状，允许通过CT和MRI进行影像学检查，突破了金属植入物的局限性。PEEK植入物可轻松塑形和抛光，能够恢复患者的美观，提高手术满意度。

    目前，PEEK植入物的制造周期长，成本较高，利用增材制造（AM）技术可实现高自由度设计、减少工艺步骤、缩短供应链，其中FFF技术因操作简便、成本低廉而备受关注。但FFF工艺存在诸多挑战，关键工艺参数与PEEK植入物性能之间的内在关系尚不明确，适宜的工艺方案仍有待探究。现有研究主要针对PEEK机械测试样品，较少考虑临床应用需求。因此，研究团队认为，需要系统评估不同FFF工艺参数对PEEK植入物机械完整性、打印质量和制造周期的影响，找到兼顾植入物性能与生产效率的适应工艺方案，推动FFF技术在PEEK植入物制造中的标准化和规范化应用。

▍走进研究

     研究中使用的是Apium M220 3D打印机，系统评估不同工艺参数对PEEK植入物性能的影响。

▍研究内容

1、水平打印（180°构建方向）的PSCI机械性能最佳，例如180° T5样品的最大冲击力FM可达2.4kN，接近机械加工植入物的2.2kN；但其表面质量较差，波纹度较大（图5、6）。

图5. 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.

 2、直立打印（90°构建方向）的PSCI表面质量最佳，颜色分布最均匀（图2）；但机械性能较弱，最大冲击力FM仅为1.1kN，总吸收能量ET也较低。

3、研究中数据显示，机械加工植入物的最大冲击力FM为2.2kN，总吸收能量ET为3.5J（图1）。

图1.与机械加工植入体相比，采用不同打印轮廓制造的 PEEK PSCI 在冲击试验中得出的具有代表性的力－位移曲线.

4、气流温度越高，样品颜色越均匀，结晶度也越高（图3），这与无定形区域的减少有关。气流温度为0°C时，样品出现大量棕色无定形区域。

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）.

       综合机械性能与表面质量，180°构建方向的性能较佳，但表面质量较差。确定更优益工艺方案仍需权衡性能与质量。

5、优化参数测试：采用优化的参数（180°构建方向、210°C气流温度、0.15mm层厚，如图4）打印的PEEK植入物，其最大冲击力可达2.4kN，接近机械加工样品的2.2kN；颜色均匀性明显提高，结晶度达34.5，优于非优化参数样品的结晶度11%。

图4.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.

      相反，在非优化参数（90°构建方向、无加热）条件下，打印样品的最大冲击力仅1.3kN，颜色不均匀，结晶度11%，性能整体低于优化参数样品。这表明优化后的FFF技术打印参数能获得性能更优益的PEEK植入物。

▍不同工艺参数对PEEK植入物性能的影响

1、构建方向对植入物的机械性能和表面质量有显著影响。采用180°水平方向打印时，最大冲击力可达2.4kN（图1b），接近机械加工植入物的2.2kN的水平，显示出更好的机械性能。但从表面形貌可见，水平打印样品的波纹度较大（图5、6），表面质量有待改进。

2、升高气流温度可以显著提升样品的颜色均匀性（图2）和结晶度（图3c），210°C气流温度时结晶度可达34.5%。这与气流辅助，减缓冷却速率，延长结晶时间，抑制无定形区域生成有关。

3、综合各项性能指标，采用180°构建方向、210°C气流温度、0.15mm层厚可以获得较优植入物打印质量（图4）。但由于表面质量仍可优化，还需继续研究碳化参数的组合，以实现既保证机械完整性，又具备优良表面形貌的优益化打印方案。

▍应用前景

      结合以上数据，研究系统地评估了FFF技术打印参数对PEEK颅骨植入物机械性能、打印质量和制造时间的影响。研究发现，FFF技术使PEEK植入物表面形成特殊的各向异性纹理，这不仅提高了细胞的附着和增殖，也增加了植入物的断裂路径控制能力，有利于避免植入物破裂后对软组织和骨骼的二次损伤。

     PEEK作为植入材料，具有优异的生物相容性和机械性能。FFF技术打印PEEK植入物整体上具有制造灵活、个性化定制以及交付时间短的优势。尽管仍需进一步优化找到更适宜的打印参数，但PEEK材料与FFF技术的结合在植入物制造领域展现出巨大应用潜力。在后续研究中，Apium M220 期待与您一起继续优化打印参数，考虑不同植入物形状对最优参数的影响，以找到既满足生物和机械性能需求，又兼顾制造效率的通用优益方案。