骨科展望：3D打印PEEK材料進(jìn)軍脊柱市場

來源：骨未來

PEEK材料憑借其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、較高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度且符合骨骼力學(xué)性能等特點(diǎn),，成為骨科植入物的優(yōu)秀材料,。該材料已被廣泛用于骨科領(lǐng)域的機(jī)械支撐應(yīng)用,，例如脊柱,、胸椎,、腰椎,、頸椎,、骨科和創(chuàng)傷植入物。但PEEK材料也有局限性,，如加工困難,，生物惰性高等，限制了該材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用,。如何提高聚醚醚酮植入材料生物安全性,、生物相容性、成骨效應(yīng)和其他生物活性是進(jìn)一步擴(kuò)展該材料應(yīng)用的重要突破點(diǎn),。

3D打印PEEK材料有望改變脊柱行業(yè)
Todd Reith 是一名軟件和制造工程師,，也是膨脹式植入物和 IndyCar 零部件制造商。他認(rèn)為3D打印PEEK材料可以徹底改變脊柱行業(yè),。起初,，Todd 在家庭實(shí)驗(yàn)室中制造打印機(jī)，經(jīng)過一年的調(diào)試,，在機(jī)器穩(wěn)定性方面取得了很大的進(jìn)展,，可以打印各種形狀和大小，這也讓他有信心和醫(yī)療器械公司開展交流。在實(shí)驗(yàn)室中,，他的目標(biāo)是制造一種新型設(shè)備,，將PEEK和鈦的最佳特點(diǎn)結(jié)合起來，這就需要新材料具備完全多孔,、模擬骨骼和骨整合的特性,。

▲圖：Inspire Porous PEEK頸椎間體系統(tǒng)

此后，Curiteva公司采用HAFUSE技術(shù)的Inspire Porous PEEK頸椎間體系統(tǒng)獲得了FDA 510(k)的許可,。該頸椎椎間植入系統(tǒng)是由專利的熔絲制造（FFF）3D打印機(jī)制造的，這款打印機(jī)由 Reith 及 Curiteva 公司的研發(fā)人員設(shè)計(jì)和構(gòu)建,。

2020年,，Curiteva收購了Todd Reith一手創(chuàng)辦的FossiLabs。公司的領(lǐng)導(dǎo)層致力于發(fā)展創(chuàng)新技術(shù),，并且希望盡快將這款產(chǎn)品推向市場,。

關(guān)于3D打印PEEK材料技術(shù)
幾十年來，脊柱領(lǐng)域一直在討論材料改性和表面處理技術(shù),。從PEEK到鈦,，再到使用3D打印技術(shù)制造的鈦植入物，對材料的剛度,、強(qiáng)度和骨融合的討論從未停止,。Curiteva表示，經(jīng)研究證明,，公司已經(jīng)開發(fā)出的產(chǎn)品優(yōu)于市場上的其它產(chǎn)品,。

表面來看，這好像只是以不同方式打印的PEEK材料,，但事實(shí)并非如此,。Curiteva 公司制造的這款新材料比傳統(tǒng)PEEK材料更強(qiáng)、更堅(jiān)韌,，同時(shí)其結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)越的生物骨融合能力,。Inspire是一種完全互連和集成的多孔結(jié)構(gòu)，遍布整個(gè)植入物,。該技術(shù)是HAFUSE納米技術(shù)表面和多孔PEEK結(jié)構(gòu)的首次組合,。

▲圖片源自Curiteva公司官網(wǎng)（下同）

關(guān)于PEEK材料的優(yōu)缺點(diǎn)已經(jīng)有充分的記錄說明，該材料的彈性模量與松質(zhì)骨相匹配,，其優(yōu)秀的透射性讓外科醫(yī)生能夠更好地評估骨融合的進(jìn)展,。然而，PEEK材料是疏水性的,，可能導(dǎo)致出現(xiàn)纖維組織并阻止骨長入到植入物內(nèi)部,。

Curiteva 的3D打印過程結(jié)合了HAFUSE涂層，保持了材料的優(yōu)點(diǎn)并克服了其局限性。專利熔絲制造（FFF）技術(shù)可在材料上打印出菱形孔,，孔徑大小在100到600微米之間,。孔狀機(jī)構(gòu)提供了優(yōu)越的生物力學(xué)和生物學(xué)性能,，而孔徑尺寸也能促進(jìn)骨傳導(dǎo),。這樣打印出的植入物具有完全互連的多孔結(jié)構(gòu)，比壓縮成型的PEEK材料具有更高的抗拉強(qiáng)度,。Curiteva 的研究表明,，其植入物的壓縮強(qiáng)度比傳統(tǒng)PEEK植入物高70%至80%。

融入專利HAFUSE羥基磷灰石表面納米結(jié)構(gòu),，可促進(jìn)更快,、更強(qiáng)的骨融合和骨生成。由Promimic開發(fā)的HAFUSE將植入物從疏水表面轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水表面,，涂層與植入物表面和整個(gè)結(jié)構(gòu)粘結(jié)在一起,，允許患者骨骼迅速錨定到植入物表面并構(gòu)建機(jī)械穩(wěn)定性。Curiteva 已獲得了全球許可權(quán),，可在使用在多孔PEEK植入物上使用HAFUSE技術(shù),。

Curiteva 公司的首席科學(xué)官 Erbe 博士說道：“我們可以自信地說，植入物是具有骨傳導(dǎo)性的,，因?yàn)樗�是互連多孔結(jié)構(gòu),，孔徑分布在100到600微米，這就像我們在這個(gè)結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了骨移植物,。由于這種結(jié)構(gòu)和HA納米涂層相結(jié)合,，我們已經(jīng)證明了其骨生成潛力。通過接觸人骨髓干細(xì)胞,，它們分化并表達(dá)出的基因和蛋白質(zhì)已經(jīng)驗(yàn)證可促進(jìn)骨生成,。我們已經(jīng)證明了這種技術(shù)在細(xì)胞測定中具有骨生成潛力，并且還表現(xiàn)出免疫調(diào)節(jié)反應(yīng),。這就是為什么無法通過其它手段獲得同種結(jié)構(gòu)的原因,。”

關(guān)于3D打印機(jī)
Inspire產(chǎn)品的技術(shù)成功與 Reith 和 Curiteva 聯(lián)合開發(fā)的3D打印工藝直接相關(guān),。雖然其它公司也已開發(fā)出了利用聚合物的3D打印機(jī),，但 Curiteva 的專利工藝，包括切片和溫度控制,，賦予了Inspire更強(qiáng)的機(jī)械和生物特性,。

Reith表示：“通過溫度調(diào)節(jié)，我們能夠控制材料的非晶態(tài),，因此材料的機(jī)械特性更加強(qiáng)化,。熔融沉積打印機(jī)最大的挑戰(zhàn)是Z層粘結(jié),。重點(diǎn)在于無論用何種方式連接這些層，永遠(yuǎn)不可能達(dá)到100%,。但是在打印過程中,，我們向活動(dòng)打印層傳遞能量，可以同時(shí)獲得粘結(jié)并拉伸細(xì)絲,，最終呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu),。”

制造新型植入物的能力并不是最終確定打印機(jī)設(shè)計(jì)的唯一考慮因素,，設(shè)備驗(yàn)證和可擴(kuò)展性對于項(xiàng)目也是至關(guān)重要的,。IQ、OQ和PQ是驗(yàn)證醫(yī)療器械制造過程的關(guān)鍵活動(dòng),。Curiteva 公司創(chuàng)建了一個(gè)儀表板,，監(jiān)測打印機(jī)的傳感器，并將信息記錄到一個(gè)數(shù)據(jù)庫中,，其中包含實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)過程控制數(shù)據(jù)。

Reith 和 Erbe 博士表示,，F(xiàn)DA高度關(guān)注3D打印工藝,、儀表板監(jiān)控和植入物的最終材料化學(xué)成分。一般來說,，F(xiàn)DA 510(k)許可從提交到批準(zhǔn)需要90天的時(shí)間,，但I(xiàn)nspire花費(fèi)了18個(gè)月的時(shí)間完成。Curiteva在項(xiàng)目中與Empirical Technologies,、MCRA和Evonik公司開展合作,，并利用他們的專業(yè)知識來應(yīng)對FDA的各種問題和測試要求。

未來展望
Curiteva 公司計(jì)劃在美國重要的學(xué)術(shù)中心推出Inspire產(chǎn)品,。公司在阿拉巴馬州擁有一個(gè)35000平方英尺的工廠,，這讓他們能夠控制新型植入物的產(chǎn)品開發(fā)和制造。目前,，Curiteva 專注于商業(yè)化推出首個(gè)椎間植入物,。公司堅(jiān)信Inspire是平臺技術(shù)，計(jì)劃利用這項(xiàng)技術(shù)打造脊柱產(chǎn)品組合,，并看到各種植入物應(yīng)用的市場潛力,，包括足踝、手腕,、顱頜面等,。

總體來看，PEEK材料的生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異,，密度和力學(xué)性能均與人體骨骼接近,，是一種理想的骨替代物材料,，其與3D打印技術(shù)結(jié)合有望在骨科植入物領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。