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大尺寸個體化PEEK植入物精準設計與控性定制研究

大尺寸個體化PEEK植入物精準設計與控性定制研究

來源:機械工程學報  發布日期:2019-03-27
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我國每年因各種原因造成骨缺損的患者達300萬人,其中僅2%得到了有效的治療,另外98%的患者由于缺乏理想的人工植入物,而成為功能受限者,此類患者目前已累計有1 500萬人以上,占我國總人口的1%??梢?,個體化植入物已經成為我國從經驗醫療轉型精準醫療的關鍵部分。聚醚醚酮(Poly-ether-ether-ketone,PEEK)材料被普遍認為是目前最為理想的個體化植入物原材料之一,它是一種半結晶高性能聚合物高分子材料,至今已有超過200萬件假體植入人體。相較于金屬材料,PEEK的密度與彈性模量更接近于原生骨骼本身,降低了術后的不適感,并可以有效緩解應力遮蔽效應,且對X射線透射呈半透明且無磁性,此外,PEEK材料力學性能優異,化學惰性好,能耐200 ℃以上高溫,可反復高溫消毒。但是,個體化PEEK植入物的復雜結構(尤其是大尺寸植入物)需要綜合考慮PEEK材料性能、制造方法工藝特性、臨床植入應用環境等多方面的交叉影響,而傳統的設計方法與制造技術已經難以滿足個體化植入物臨床應用的實際需求。因此,面向個體化PEEK植入物的設計方法與制造技術成為了生物醫療、模型設計、制造技術交叉領域的研究熱點與難點。

2015年至今,美國科羅拉多大學ANDERSON等,西班牙ARAGON等 ,ARANDA等分別進行了個性化植入物的模型設計工作,并對其植入效果進行了分析,發現植入物結構設計與植入物材料和應用環境具有密切關系,不當的設計會帶來臨床的負面影響。2013年至今,國外斯洛文尼亞的BOGDAN 等,德國Indmatec公司,德國EOS公司,英國南安普頓大學的MOHAMMAD等人,陸續開發了一種用于PEEK熔融沉積的高溫3D打印機或者PEEK粉末燒結成型的3D打印機,初步驗證了所打印出來的PEEK骨植入體存在一定的應用潛力,但未解決大尺寸零件的翹曲變形與可控成形問題,并且制件的力學性能,尤其是材料韌性,難以滿足實際臨床要求;而自2012年以來,西安交通大學系統研究了面向個體化PEEK假體的精準設計方法以及控性冷沉積3D打印制造方法,克服了大尺寸PEEK假體的最優應力分布問題與零件的結晶收縮與翹曲問題,相關技術自2017年4月份以來,與空軍軍醫大學附屬第二醫院等醫院在陜西、北京、上海、河南、四川、深圳等地合作了完成33例3D打印PEEK胸肋骨假體的臨床案例,診斷-設計-打印-評估-應用的整個流程平均周期不超過5天,目前所有患者術后恢復效果好,最早出院的患者持續15個月隨訪結果優秀。

西安交通大學李滌塵教授團隊在《機械工程學報》2018年23期以封面文章發表了《大尺寸個體化PEEK植入物精準設計與控性定制研究》一文,該文介紹了面向大尺寸個體化PEEK植入物的精準設計方法與控性定制3D打印方法,確立了個體化植入物設計方法與制造技術的幾點準則,并描述了研究技術在一例大范圍胸骨腫瘤治療上的應用過程,所設計與制造的PEEK材料一體式胸肋骨假體,最終植入患者體內,協助大尺寸缺損胸壁的重建。

個體化精準設計流程
臨床案例流程圖

結論與展望

(1) 本文所提面向大尺寸PEEK個性化假體的精準設計方法和控性冷沉積3D打印定制方法,可以實現大尺寸PEEK假體的制造,實現了臨床應用。

(2) 目前本技術完成了胸壁的結構修復,通過術后效果分析,后期需要引入肋軟骨仿生設計與制造,從而協助胸式呼吸功能的恢復。

(3) 單一PEEK材料具有生物惰性,需要通過材料、裝備、工藝的新方法,解決材料惰性問題,形成軟組織-PEEK-骨共生狀態的下一代植入物。

主創介紹

李滌塵,男,1964年出生,博士,長江學者特聘教授,西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室主任,博士研究生導師。主要研究方向為增材制造與生物制造。

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