熔絲制造（FFF）3D 打印的PEEK脊柱融合器

供稿人：宋發(fā)成 王玲 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

聚醚醚酮（PEEK）材料因具有良好的生物相容性，且機械性能與人體骨接近的特性適得其成為目前制造椎間融合器最常用的材料之一。傳統(tǒng)的PEEK椎間融合器大多以PEEK棒料為毛坯，采用機加工的方式加工而成。這種加工方式往往伴隨著大量的材料浪費并且限制了椎間融合器的外型設計。隨著3D打印技術的發(fā)展，以增材制造的方式打印PEEK椎間融合器成為可能。目前這種3D打印的PEEK椎間融合器大多處于研究階段，在臨床上還未得到廣泛應用。美國克里夫蘭州立大學機械學院的Akshay Saini等研究者以熔絲制造技術（Fused filament fabrication，FFF）打印制造了PEEK椎間融合器，并研究了打印工藝參數對椎間融合器的機械性能和熱性能的影響。

研究者參照ASTM標準（圖1a）設計椎間融合器試樣，并使用熔絲制造3D打印設備FUNMAT HT（Intamsys），以PEEK絲材（ThermaXTM）為原材料進行打印制造。所有椎間融合器樣件打印時均采用以下打印工藝參數：柵格掃描方向為0°、填充率100%、層高0.2mm、打印速度為50mm/s。通過控制變量法改變打印機噴嘴溫度（380℃、400℃、410℃）、熱床溫度（100℃、130℃）以及成型室溫度（25℃、50℃、90℃）獲得所需測試的樣件，切片過程以及打印的樣件成品如圖1b所示。對所制造樣件分別進行CT斷層掃描（圖1c）、熱分析以及電鏡觀察，并按照標準ASTM F2077對樣件進行機械性能測試。

圖1 熔絲制造3D打印PEEK椎間融合器

圖2所示為在不同噴嘴溫度下椎間融合器表面的光學圖像和掃描電鏡圖像。圖中黃色箭頭所指區(qū)域的熔融粘合效果比其他區(qū)域更好，表明噴嘴溫度在410℃時，層間熔融結合的更加牢固。椎間融合器表面掃描電鏡圖中，紅色箭頭所指區(qū)域為打印時形成的間隙和小孔，此間隙和小孔的存在將削弱打印樣件的機械強度。隨著噴嘴溫度的升高，這類間隙及小孔隨之減少，表明更高的噴嘴溫度有助于加強層間結合作用。

圖2 不同噴嘴溫度下椎間融合器表面形貌

熱分析結果數據（表1）表明，當熱床溫度、成型室溫度以及噴嘴溫度時，打印的椎間融合器的結晶度相應的提高。其中，當成型室溫度增加到90℃時，椎間融合器的結晶度增加了29%，表明成型室溫度對結晶的形成有顯著作用。

表1 不同打印溫度下椎間融合器的熱性能

機械性能測試結果如圖3所示，由圖中可知提高噴嘴溫度及成型室溫度有助于提升融合器的剛度和強度。研究者還根據以上結果做出如下推論：首先，打印時使用較高的噴嘴溫度避免間隙和小孔的形成，從而提高融合器的機械性能。第二，更高的成型室溫度能夠促進打印過程中的熱傳導，從而提高融合器的結晶度、整體強度、剛度和承載能力。第三，增加熱床溫度不能顯著地增加融合器的強度。

圖3 不同打印溫度下椎間融合器機械性能

本研究得出結論，采用熔絲制造（FFF）工藝3D打印PEEK椎間融合器時，能夠使得打印的融合器有最佳壓縮強度的打印溫度參數為：噴嘴溫度410℃、熱床溫度130℃、成型室溫度90℃。

參考文獻：
Akshay Saini, Karim Elhattab, et al. "Fused filament fabrication-3D printing of poly-ether-ether-ketone (PEEK) spinal fusion cages." Materials Letters (2022).