PEEK材料成為3D打印技術(shù)在醫(yī)用領(lǐng)域的寵兒

聚醚醚酮（PEEK）材料是2013年經(jīng)美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)上市的骨植入材料，為一種半結(jié)晶高性能聚合物高分子材料,，在國際上被認(rèn)為是未來最有希望取代鈦合金材料成為骨植入物原材料的下一代生物材料之一。這是因?yàn)橄噍^于金屬材料,，PEEK的密度與彈性模量更接近于原生骨骼本身,，降低了術(shù)后的不適感，并可以有效緩解應(yīng)力遮蔽效應(yīng),，且對 X 射線透射呈半透明且無磁性,，此外,，PEEK材料力學(xué)性能優(yōu)異，化學(xué)惰性好,，能耐200℃以上高溫,，可反復(fù)高溫消毒。

陜西聚高增材智造科技發(fā)展有限公司是一家高性能非金屬材料3D打印完整方案提供商,，以西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)為技術(shù)依托,，專注于以PEEK為代表的高性能材料3D打印裝備和材料研發(fā)，為用戶提供完整的解決方案,。目前,，公司業(yè)務(wù)覆蓋醫(yī)療、航空航天,、工業(yè)等眾多領(lǐng)域,，尤其是在醫(yī)療行業(yè)，打開了PEEK材料臨床應(yīng)用的新局面,。始終堅(jiān)持以客戶為中心,，以“創(chuàng)新、誠信,、發(fā)展,、高效”為發(fā)展宗旨，竭誠為所有客戶提供優(yōu)良的設(shè)備和高品質(zhì)的服務(wù),，致力于成為PEEK材料3D打印技術(shù)領(lǐng)航者,！

團(tuán)隊(duì)實(shí)力

   

圖1 盧秉恒院士、李滌塵教授

公司核心技術(shù)和管理團(tuán)隊(duì)均畢業(yè)于西安交通大學(xué),，過半數(shù)成員具有碩士以及博士學(xué)位,，且研究方向均為增材制造（3D打印）技術(shù),。公司技術(shù)來源于西安交通大學(xué)盧秉恒院士,、李滌塵教授團(tuán)隊(duì)，其中李滌塵教授團(tuán)隊(duì)是國內(nèi)外最早開始開展生物3D打印研究的科研團(tuán)隊(duì)之一,，率先形成了制造領(lǐng)域新的學(xué)科和醫(yī)工交叉應(yīng)用方向：1999年獲得首項(xiàng)生物3D打印的國家自然科學(xué)基金資助,，2001年國際首次將3D打印個性化鈦合金替代物應(yīng)用于臨床，比國外早十年獲得應(yīng)用,；建立了個性化顱頜面骨替代物微觀結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)及系列產(chǎn)品和制造設(shè)備,，研究成果臨床案例達(dá)到萬例；發(fā)明了性能可控的聚醚醚酮（PEEK）3D打印技術(shù),，實(shí)現(xiàn)了國際上首例PEEK胸骨,、肋骨的臨床應(yīng)用，自2017年以來已經(jīng)在西安、上海,、南京,、鄭州等地應(yīng)用近30例，有望取代鈦合金成為骨替代物形成新的產(chǎn)業(yè),；發(fā)明了可降解氣管外支架,、乳腺支架設(shè)計(jì)和4D打印制造技術(shù)，在西京醫(yī)院實(shí)現(xiàn)了國際首次臨床應(yīng)用,，解決了傳統(tǒng)技術(shù)無法解決的軟組織醫(yī)療修復(fù)難題,；對人體典型軟硬組織（肝臟、骨）以及軟硬組織固定界面（韌帶/軟骨/骨）開展微觀結(jié)構(gòu)促進(jìn)組織再生機(jī)制研究工作,。

相關(guān)研究結(jié)果在生物設(shè)計(jì)/制造領(lǐng)域發(fā)表200余篇高水平論文,，獲得國家發(fā)明專利80余項(xiàng),，2014年“個性化顱頜面骨替代物設(shè)計(jì)制造技術(shù)及應(yīng)用”獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎,，2015年“個性化骨替代物設(shè)計(jì)”獲第一屆中國好設(shè)計(jì)金獎，2018年“個性化下頜骨重建假體”產(chǎn)品獲得了國內(nèi)首個個性化產(chǎn)品CFDA注冊,，成為我國3D打印技術(shù)醫(yī)學(xué)走向產(chǎn)業(yè)化的里程碑,。多篇代表性論文被國際權(quán)威雜志選為年度“亮點(diǎn)論文”，學(xué)術(shù)成果得到了多名國際著名學(xué)者的引用和積極評價,，被中央電視臺,、新華社、人民日報等專題報道,，產(chǎn)生了良好的社會效益,。公司聘請李滌塵教授為高級技術(shù)顧問，與其團(tuán)隊(duì)共同開展增材制造技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用推廣,。

技術(shù)實(shí)力
1. 掌握第二代,、第三代PEEK材料3D打印技術(shù)
不同于一般應(yīng)用于熔融沉積3D打印技術(shù)的熱塑性材料，如ABS,、PLA等,，PEEK材料是一種高熔點(diǎn)、高性能的半結(jié)晶熱塑性高分子材料,，因此,，在3D打印過程中，高熔點(diǎn)所帶來的冷卻收縮,，結(jié)晶所造成的結(jié)晶收縮會使材料在制造過程中非常容易發(fā)生翹曲變形,，從而容易導(dǎo)致3D打印的失敗。

第一代PEEK材料3D打印技術(shù)：微熱環(huán)境技術(shù)

第一代的PEEK材料3D打印技術(shù),，主要采用80℃~140℃的微熱環(huán)境技術(shù)去適當(dāng)降低在打印過程中PEEK材料冷卻的收縮,，這種技術(shù)是目前市面上的普遍技術(shù)，主要的代表公司有上海遠(yuǎn)鑄,、一邁智能,、德國Apium公司,、德國Indmatec公司等，但是目前這種技術(shù)對于材料冷卻收縮的降低效果有限,，往往難以完成100mm*100mm*100mm尺寸以上的密實(shí)PEEK制件的有效制造,。

圖2 來自德國Indmatec公司 HPP 155打印出的一些樣本

第二代PEEK材料3D打印技術(shù)：超高溫環(huán)境技術(shù)
第二代PEEK材料3D打印技術(shù)，主要采用300℃左右的超高溫環(huán)境來大幅降低在打印過程中PEEK材料冷卻時的收縮,，陜西聚高是目前該技術(shù)的領(lǐng)先者,，所自主研發(fā)的Doctor系列3D打印機(jī)正是基于此二代技術(shù)，其中獨(dú)特的液冷3D打印頭,、航天級別的保溫隔熱箱體,、強(qiáng)勁的高溫環(huán)境系統(tǒng)，不僅僅為PEEK材料3D打印提供了可靠條件,，也為絕大多數(shù)熱塑性材料的3D打印提供了最大限度的可能,。但是，這一代的技術(shù)也存在一定的缺陷,，即打印完成后,，PEEK制件隨著箱體冷卻時會發(fā)生二次收縮變形，或者積累大量的內(nèi)應(yīng)力,。

第三代PEEK材料3D打印技術(shù)：控性冷沉積技術(shù)
第三代PEEK材料3D打印技術(shù),，是陜西聚高獨(dú)有的、自主研發(fā)突破的控性冷沉積技術(shù),，該技術(shù)基于PEEK材料高分子鏈聚集態(tài)可控機(jī)理,，在很大程度上解決了PEEK材料的收縮翹曲問題，成形尺寸可達(dá)300mm*300mm以上,，并且結(jié)合一定后處理工藝后,，可以實(shí)現(xiàn)3D打印PEEK材料制件性能的可控，既可以成形為高韌性高塑性的產(chǎn)品,，也可以成形為高強(qiáng)度高硬度的產(chǎn)品,，甚至可以將兩者結(jié)合一身，形成不同性能區(qū)域的功能性產(chǎn)品,。該技術(shù)獲得了2018年國際索爾維增材制造杯的全球銀獎,。

圖3 極富韌性的3D打印PEEK肋骨假體

圖4 高強(qiáng)度的3D打印PEEK顱骨

2. 擁有高可靠的個性化假體模型設(shè)計(jì)體系
3D打印、PEEK材料,、個性化骨科植入物對傳統(tǒng)醫(yī)療假體模型的設(shè)計(jì)提出了新的要求：3D打印的增材制造方式會使零件存在各向異性——模型設(shè)計(jì)中需要考慮應(yīng)力環(huán)境,；PEEK材料的應(yīng)用會改變3D打印工藝情況——模型設(shè)計(jì)中需要考慮PEEK材料的特性；個性化骨科植入物的實(shí)際應(yīng)用條件十分苛刻——模型設(shè)計(jì)中需要高可靠性,。陜西聚高擁有一支具有十多年經(jīng)驗(yàn)的個性化假體設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì),，針對3D打印特點(diǎn)，PEEK材料特性形成了一套完整、可靠,、安全的個性化假體設(shè)計(jì)方案,，通過個性化設(shè)計(jì)、建模,、有限元分析技術(shù)與平行試驗(yàn)技術(shù),，對于模型進(jìn)行了全面的評估以及測試，可以獲得安全系數(shù)很高的個性化骨科植入物模型數(shù)據(jù),。

圖5 個性化設(shè)計(jì),、建模、有限元分析技術(shù)與平行試驗(yàn)技術(shù)

3. 獨(dú)立自主知識產(chǎn)權(quán),，走遍天下都不怕
自主生產(chǎn)的3D打印PEEK絲材
位于超凈室的3D打印絲材擠塑機(jī),，可自主進(jìn)行PEEK材料改性，制成PEEK復(fù)合材料絲材：

圖6 3D打印絲材擠塑機(jī)

  

圖7 純PEEK絲材,、陶瓷改性PEEK絲材,、碳纖維增強(qiáng)PEEK絲材

自主研發(fā)的3D打印裝備
專注于PEEK骨科植入物3D打印的Surgeon/Surgeon Plus系列裝備（基于第三代PEEK材料3D打印技術(shù)）：

聚醚醚酮(PEEK) 材料

整體取出，可快速進(jìn)行后續(xù)打印工作

控形控性3D打印

根據(jù)需求調(diào)控模量,、韌性等性能

適用于骨科植入物制造

顱骨,、肋骨、胸骨,、椎間融合器打印

環(huán)境溫度可高達(dá)300℃，擁有雙打印頭,，可面向多種高性能材料的Doctor系列（基于第二代PEEK材料3D打印技術(shù)）：

高溫雙打頭
500℃ 高溫雙打頭,，適用于所有3D打印專用熱塑性高分子材料，附帶水冷送料,，不堵頭,，不卡絲。

高精度&高性能
高精3D打印技術(shù),，零件精度最高可到±0.05mm,；高性能沉積技術(shù)，力學(xué)性能接近注塑零件性能,。

高溫微環(huán)境
300℃均勻熱環(huán)境,，可控材料結(jié)晶，可提供在線熱后處理,。

7英寸觸摸彩屏
配備全彩中文觸摸屏,，操作簡單，界面友好,。提供一鍵預(yù)熱,，一鍵打印等多種快捷操作

超凈、無菌的獨(dú)立空間，集成3D打印,、后處理,、清洗、檢測,、封裝一體的醫(yī)療高端定制版Surgeon MI裝備,，醫(yī)療植入物一體化解決方案：

包含項(xiàng)目：
1、3D打印
2,、后處理
3,、熱處理
4、清    洗
5,、封    裝
6,、紫外無菌
7、百級潔凈

自主研究的工藝技術(shù)
聚高團(tuán)隊(duì)是國內(nèi)外最早開展針對PEEK材料3D打印技術(shù)進(jìn)行工藝研究的團(tuán)隊(duì)之一,，相關(guān)研究成果發(fā)表了SCI論文,，獲得了國際專利、國內(nèi)發(fā)明專利,，榮獲多項(xiàng)國內(nèi)外高水平獎項(xiàng),。

圖7 聚高榮譽(yù)墻

典型應(yīng)用
2017年4月與空軍軍醫(yī)大學(xué)（原第四軍醫(yī)大學(xué)）唐都醫(yī)院合作完成了世界首例3D打印PEEK肋骨假體的臨床實(shí)驗(yàn)之后，同年5月,、7月又相繼完成了第二例以及第三例,。2017年8月，一次偶然的機(jī)會促成陜西聚高與上海兒童醫(yī)學(xué)中心合作,，完成了一例3D打印PEEK“護(hù)心板”臨床實(shí)驗(yàn),，得到中央電視臺、東方衛(wèi)視等主流媒體的報道,。同時與空軍軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院合作完成了世界首例3D打印PEEK胸骨假體的臨床實(shí)驗(yàn),，9月份完成了世界第二例。2017年11月,，與空軍軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院合作完成了世界首例3D打印PEEK肩胛骨假體的臨床實(shí)驗(yàn),。截止2018年6月，在一年的時間內(nèi)陜西聚高共完成3D打印PEEK骨科植入物臨床應(yīng)用近30余例,，涉及胸外科,、骨科、顱頜面外科等眾多領(lǐng)域,；臨床合作單位10余家,，范圍覆蓋陜西、北京,、上海,、河南,、四川、深圳等地,。

來源：陜西聚高增材智造

造福人类也。

聚高在peek打印上,，多次出彩