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蘇州3D打印機：FDM3D打印PEEK聚合物在醫療領域的應用介紹

2020-09-28

PEEK被工程界稱為“21世紀最有前途的材料”。如今已經有超過200萬件產品被植入人體。該材料以其優異的性能和質量得到了眾多醫療器械制造商和外科醫生的認可，已經在脊柱、創傷和關節領域全面進入使用。

聚醚醚酮（PEEK）樹脂是由上世紀70年代末發出來的一種具有超高性能的特種工程塑料。PEEK能在眾多醫用原材料中脫穎而出，與其自身的特性密不可分優異的生物相容性。生物相容性是一種材料是否適用于植入體的最基本的要求。植入材料必須無細胞毒性、誘變性、致癌性，且不致引發過敏。南極熊曾報道，第四軍醫大學唐都醫院最近完成了3D打印PEEK肋骨的植入手術，接下來就為大家深入解析一下PEEK聚合物在醫療領域的應用特性和現狀。唐都醫院胸外科手術開放日3D打印PEEK胸骨置換手術展示

蘇州3D打印機

PEEK與其他特種工程塑料相比具有諸多顯著優勢，如耐高溫、機械性能優異、自潤滑性好、耐化學品腐蝕、阻燃、耐剝離性、耐輻照性、絕緣性穩定、耐水解和易加工等，在航空航天、汽車制造、電子電氣、醫療和食品加工等領域得到廣泛應用。對PEEK進行共混、填充、纖維復合等增強改性處理，可以得到性能更加優異的PEEK復合材料，其被稱為“21世紀最有前途的材料”。

聚醚醚酮樹脂基本特性：

（1）耐高溫性:PEEK具有較高的玻璃化轉變溫度(Tg=143℃)和熔點(Tm=334℃)，其負載熱變形溫度高達316℃，長期使用溫度為260℃，瞬時使用溫度可達300℃。

（2）韌性和剛性:PEEK具有韌性和剛性，特別是對交變應力下的抗疲勞性非常突出，可與合金材料相媲美。

（3）抗蠕變性:性能優異，是熱塑性樹脂最好的抗蠕變材料。

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（4）自潤滑性（耐磨性）:PEEK具有優良的滑動特性，適合于嚴格要求低摩擦系數和耐磨耗用途的場合；特別是用碳纖維、石墨、PTFE改性的PEEK耐磨性非常優越。

（5）耐腐蝕性:濃硫酸外，PEEK不溶于任何溶劑和強酸、強堿，而且耐水解，具有很高的化學穩定性。

（6）耐水解性:在溫度250℃的蒸汽或處在高壓的水中浸泡，PEEK制品仍可以連續工作數千小時而不出現明顯的性能下降；在所有的工程塑料中，PEEK具有最好的耐水解性和耐蒸汽性。

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（7）抗輻射性:具有極強的抗高劑量γ射線輻射的性能,機械性能可得到完整的保留，超過了通用樹脂中耐輻射性能最好的聚苯乙烯，可用作核設備中的耐輻射零件。

（8）阻燃性:聚醚醚酮PEEK具有自熄性，即使不加任何阻燃劑，可達UL標準的94V-0級（最高級）。

（9）無毒性:可用于食品衛生、醫療器械等領域。

（10）耐疲勞性：在所有的樹脂中，PEEK具有最好的耐疲勞性。

（11）易加工性:PEEK樹脂雖然是超耐熱樹脂，但由于它具有高溫流動性好、熱分解溫度很高等優點，可采用注射成型、擠出成型、模壓成型、吹塑成型、熔融紡絲、旋轉成型及粉末噴涂等多種加工方式。

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在醫療器械領域，越來越多的脊柱手術、外傷和骨科類醫療產品制造商開始轉向使用PEEK。與鈦、鈷鉻合金等典型的醫用植入材料相比，PEEK提供了許多額外優勢：

（1）較低的彈性模量，可防止應力遮蔽效應，可使周邊骨頭保持強度。

（2）可透過X射線，在CT和MRI掃描時不可見，可較容易地評估骨頭生長和治愈過程；而在某些情況下需要看到植入體時，也可以通過樹脂改性來實現。

（3）優異的消毒性能，即時長期暴露在熱蒸汽、環氧乙烷和伽馬射線下，仍能保持其原有性質不改變。

（4）較好的生物相容性。

（5）機械性能可調整，可以加入不同的添加劑,包括碳纖維、硫酸鋇以及玻璃纖維,以滿足不同的特定應用需求。例如將短的碳纖維加入植入級PEEK聚合物可提高其摩擦磨損性能，連續碳纖維加固的PEEK機械強度可以與鈷-鉻合金、鈦、鋁合金以及不銹鋼的強度相媲美。

（6）更大的設計自由度，可以很容易地用半成品坯件機加工而成，或者通過注塑成型生產。

相關醫療器械產品

目前，由于PEEK材料的相關優異性能，可廣泛應用于創傷、脊柱及關節外科內植入物等領域。其具體應用簡單列舉如下：

（1）脊柱外科植入物

①PEEK用于椎間融合器；

②PEEK用于腰椎經椎弓根螺釘動態固定系統；

③PEEK 應用于腰椎棘突間植入物系統；

④PEEK應用于人工椎間盤及人工髓核；

（2）關節外科植入物

①PEEK應用于股骨柄假體；

②PEEK應用于髖關節摩擦界面；

③PEEK應用于髖關節臼杯假體；

④PEEK應用在其它關節假體中；

⑤PEEK應用于關節鏡縫合錨釘；

（3）顱頜面相關產品

（4）牙科相關產品

（5）其他領域相關產品

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通常，聚醚醚酮可添加到醫療產品中，以實現更大益處，包括減輕重量、提高設計自由度和功能整合，也可作為不銹鋼或其他材料的廉價替代品。

以下是peek適于醫療應用的特有性能：

· 聚醚醚酮的生物相容性使其適于多種醫療應用領域。

· peek對傳統清潔劑等具有較高的抗化學性，使用范圍極其廣泛。

· peek承受過熱蒸汽殺菌，非常適用于可重復使用的醫療產品，例如手術器械的把柄。和目前使用的其他塑料相比，這種高性能聚合物可以提供更好的可消毒性，從而延長使用壽命。此外，由于易于著色，還可進行彩色編碼。

· peek抵抗伽馬射線或X射線等高能輻射的性能也極其優異。

· peek良好的X射線透射性使其在手術室中有很多有趣的應用，例如可防止使用定影劑時在X射線照片上產生偽像。

· 由于具有優異的機械強度、耐磨性和沖擊強度，peek的另一個有趣的應用領域是殘疾人運動，可用于制造假肢。

· peek具有良好的尺寸穩定性，可用于高精密零件。此外，還具有出色的電絕緣性。這兩種性能對醫療裝置尤為重要，例如整形外科用的電池供電螺絲刀。

· 除此之外，peek對水、溶劑和化學品還具有出色的耐水解性。

盡管應用于醫療業的時間并不算長，peek的廣泛性能使其可以滿足一系列有趣的應用，例如外科手術器械、內窺鏡、體外診斷、整形外科、脊柱和牙科領域，以及分析儀器和藥品計量。在脊椎外科手術、外部創傷手術及整形手術植入物和醫療設備制造領域，越來越多的制造商會選擇聚醚醚酮（PEEK）作為制造材料。這種材料有優良的生物相容性，對體液呈高惰性，且易于加工塑形。與傳統植入物材料鈦相比，PEEK更具X射線透射性，及與骨骼彈性相近的優勢。因其出眾的特性，PEEK在實際生產中已經成為了鈦植入物最主要的熱塑性替代品。

因為植入物極可能被終生使用，所以其制造材料必須兼具生物穩定性和荷載承受性。正因如此，在很長一段時期內，這一領域都被鈦和鈷鉻合金所獨占。而如今，這種局面已經被扭轉，諸多優勢使得PEEK越來越廣泛地應用于植入物制造，其半成品更易于進行機器加工，或者也可以直接采用注入塑形工藝，這為設計帶來了更大的自由空間。

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