3D打印方向?qū)�聚醚醚酮人工關節(jié)材料的生物摩擦學性能影響

來源： 生物設計與制造BDM

本研究論文聚焦聚醚醚酮（PEEK）在熔融沉積成型過程中打印方向?qū)ζ渖�物摩擦學性能的影響規(guī)律研究。

自然關節(jié)復雜的組織解剖結(jié)構(gòu)和多樣的力學環(huán)境使其易受創(chuàng)傷、疾病等因素影響，人工關節(jié)假體可以替代缺損部位，為患者消除疼痛和重建運動功能。PEEK在體內(nèi)除了具有良好的生物相容性和穩(wěn)定的理化性能，還具有匹配骨組織的力學強度和優(yōu)異的耐摩擦性能，這使其成為新一代聚合物人工關節(jié)材料。3D打印為個性化人工關節(jié)假體提供了制備技術的支持，同時成型原理也決定了打印方向是影響其摩擦學性能的重要因素之一。本研究通過熔融沉積成型制備了具有不同打印方向的PEEK銷，和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）盤組成摩擦副，在25%小牛血清潤滑液中通過銷盤實驗研究摩擦學性能。


通過磨損后的表面形貌和物相分析，發(fā)現(xiàn)了UHMWPE盤產(chǎn)生的磨屑轉(zhuǎn)移到PEEK表面，形成牢固的轉(zhuǎn)移膜。分析了轉(zhuǎn)移膜的數(shù)量、尺寸與打印方向之間的關系，揭示了相近的材料特性、階梯狀的表面紋理和穩(wěn)定的應力作用對轉(zhuǎn)移膜形成的協(xié)同作用。在此基礎上，以膝關節(jié)假體為例，提出了一種股骨單髁假體打印方向的分區(qū)設計路徑：外層設計為同心圓路徑，中間層設計為垂直線路徑，內(nèi)層設計為多孔路徑，實現(xiàn)了耐摩擦、力學和骨融合性能的多功能設計。本研究建立了打印方向和PEEK摩擦學性能之間的映射關系，并為關節(jié)假體的多功能性設計提出了一種新的打印策略。

圖1 不同打印方向的聚醚醚酮（PEEK）表面磨損形貌和股骨單髁假體的打印路徑設計策略圖

圖2 不同打印方向聚醚醚酮（PEEK）銷的制備工藝和摩擦學實驗方案。(a) 成型工藝；(b) 后處理；(c) 銷盤摩擦實驗的示意圖

圖3 不同打印方向的聚醚醚酮（PEEK）銷和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）盤對摩后的摩擦學性能。(a) 摩擦系數(shù)曲線；(b) 平均摩擦系數(shù)；(c) PEEK銷和UHMWPE盤各自的磨損體積；(d) 總體磨損體積

圖4 聚醚醚酮（PEEK）磨損后的表面形貌。(a1-e1) 0°、25.5°、45°、67.5°、90° PEEK磨損后的低倍表面形貌；(a2-e2) 0°、25.5°、45°、67.5°、90° PEEK磨損后的高倍表面形貌；(f-j) 0°、25.5°、45°、67.5°、90° PEEK表面形成的轉(zhuǎn)移膜頻率分布直方圖；(k) 轉(zhuǎn)移膜在PEEK表面的平均面積和面積占比

圖5 聚醚醚酮（PEEK）表面形成轉(zhuǎn)移膜的表征。(a1-a4) PEEK磨損前和(b1-b4) 磨損后的SEM形貌；(c) PEEK磨損前后的XPS圖譜；(d) PEEK磨損前的C1s分峰圖譜；(e) PEEK磨損后的C1s分峰圖譜；(f) XRD圖譜；(g) FTIR圖譜

圖6 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）磨損后的表面形貌。(a-e) UHMWPE和0°、25.5°、45°、67.5°、90°聚醚醚酮（PEEK）對摩后的2D表面形貌；(f-j) UHMWPE和0°、25.5°、45°、67.5°、90° PEEK對摩后的3D表面形貌和磨痕深度曲線；(k) 表面粗糙度Ra和磨痕深度

圖7 不同屈曲角度的單髁膝關節(jié)有限元模擬。(a1-d1) -30°、0°、45°和90°單髁膝關節(jié)有限元模型；(a2-d2) -30°、0°、45°和90°股骨單髁的應力跡線分布

圖8 基于膝關節(jié)運動形式的打印路徑設計。(a) 股骨單髁整體應力跡線；(b) 膝關節(jié)運動形式；(c) 分區(qū)打印路徑設計

圖9 股骨單髁假體的打印。(a) 股骨單髁假體模型的放置形式；(b) 聚醚醚酮（PEEK）股骨單髁假體

圖10 不同打印方向的聚醚醚酮（PEEK）表面形成轉(zhuǎn)移膜的機理示意圖