骨科展望：3D打印PEEK材料進(jìn)軍脊柱市場(chǎng)

來(lái)源：骨未來(lái)

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(guò)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(kāi)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(lái)，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(zhuān)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(gòu)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(chǎng)。

關(guān)于3D打印PEEK材料技術(shù)
幾十年來(lái)，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(duì)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(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品優(yōu)于市場(chǎng)上的其它產(chǎn)品。

表面來(lái)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(shuō)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(píng)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(zhǎng)入到植入物內(nèi)部。

Curiteva 的3D打印過(guò)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(zhuān)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�？谞顧C(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(zhuān)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(kāi)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(shuō)道：“我們可以自信地說(shuō)，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?cè)谶@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(guò)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(cè)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(wú)法通過(guò)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(kāi)發(fā)的3D打印工藝直接相關(guān)。雖然其它公司也已開(kāi)發(fā)出了利用聚合物的3D打印機(jī)，但 Curiteva 的專(zhuān)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(guò)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(wú)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(guò)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(duì)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(guò)程的關(guān)鍵活動(dòng)。Curiteva 公司創(chuàng)建了一個(gè)儀表板，監(jiān)測(cè)打印機(jī)的傳感器，并將信息記錄到一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，其中包含實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)過(guò)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(lái)說(shuō)，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(kāi)展合作，并利用他們的專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)應(yīng)對(duì)FDA的各種問(wèn)題和測(cè)試要求。

未來(lái)展望
Curiteva 公司計(jì)劃在美國(guó)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(kāi)發(fā)和制造。目前，Curiteva 專(zhuān)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(tái)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(chǎng)潛力，包括足踝、手腕、顱頜面等。

總體來(lái)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。