骨科展望：3D打印PEEK材料進軍脊柱市場

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)強度且符合骨骼力學(xué)性能等特點，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一步擴展該材料應(yīng)用的重要突破點。

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 在家庭實驗室中制造打印機，經(jīng)過一年的調(diào)試，在機器穩(wěn)定性方面取得了很大的進展，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。在實驗室中，他的目標是制造一種新型設(shè)備，將PEEK和鈦的最佳特點結(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打印機制造的，這款打印機由 Reith 及 Curiteva 公司的研發(fā)人員設(shè)計和構(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，但事實并非如此。Curiteva 公司制造的這款新材料比傳統(tǒng)PEEK材料更強、更堅韌，同時其結(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度。Curiteva 的研究表明，其植入物的壓縮強度比傳統(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)，可促進更快、更強的骨融合和骨生成。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，因為它是互連多孔結(jié)構(gòu)，孔徑分布在100到600微米，這就像我們在這個結(jié)構(gòu)中設(shè)計了骨移植物。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胞，它們分化并表達出的基因和蛋白質(zhì)已經(jīng)驗證可促進骨生成。我們已經(jīng)證明了這種技術(shù)在細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
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，但 Curiteva 的專利工藝，包括切片和溫度控制，賦予了Inspire更強的機械和生物特性。

Reith表示：“通過溫度調(diào)節(jié)，我們能夠控制材料的非晶態(tài)，因此材料的機械特性更加強化。熔融沉積打印機最大的挑戰(zhàn)是Z層粘結(jié)。重點在于無論用何種方式連接這些層，永遠不可能達到100%。但是在打印過程中，我們向活動打印層傳遞能量，可以同時獲得粘結(jié)并拉伸細絲，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設(shè)計的唯一考慮因素，設(shè)備驗證和可擴展性對于項目也是至關(guān)重要的。IQ、OQ和PQ是驗證醫(yī)療器械制造過程的關(guān)鍵活動。Curiteva 公司創(chuàng)建了一個儀表板，監(jiān)測打印機的傳感器，并將信息記錄到一個數(shù)據(jù)庫中，其中包含實時統(tǒng)計過程控制數(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)許可從提交到批準需要90天的時間，但Inspire花費了18個月的時間完成。Curiteva在項目中與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)化推出首個椎間植入物。公司堅信Inspire是平臺技術(shù)，計劃利用這項技術(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。