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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

來源:機械工程學報  發(fā)布日期:2019-03-27

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?cè)丝诘?%??梢姡瑐€體化植入物已經(jīng)成為我國從經(jīng)驗醫(yī)療轉(zhuǎn)型精準醫(yī)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(jié)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(yōu)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(jié)構(gòu)(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(huán)境等多方面的交叉影響,而傳統(tǒng)的設計方法與制造技術已經(jīng)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(yī)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(fā)現(xiàn)植入物結(jié)構(gòu)設計與植入物材料和應用環(huán)境具有密切關系,不當?shù)脑O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(xù)開發(fā)了一種用于PEEK熔融沉積的高溫3D打印機或者PEEK粉末燒結(jié)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(tǒng)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(yōu)應力分布問題與零件的結(jié)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(yī)大學附屬第二醫(yī)院等醫(yī)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(xù)15個月隨訪結(jié)果優(yōu)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(fā)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(nèi),協(xié)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(jié)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(xiàn)大尺寸PEEK假體的制造,實現(xiàn)了臨床應用。

(2) 目前本技術完成了胸壁的結(jié)構(gòu)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(xié)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(tài)的下一代植入物。

主創(chuàng)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(tǒng)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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