用于骨科和牙科应用的基于 3D 打印技术的碳纤维增强 PEEK 复合材料

供稿人：张明杰 导师：田小永 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

与肿瘤、外伤、感染或先天性畸形相关的颅颌面缺陷是口腔颌面外科医生重建的极具挑战性的任务。目前，最流行的矫形/牙科植入物人造材料是钛 (Ti) 及其合金等金属。然而，Ti 有一些严重的缺点，其中之一是应力屏蔽，它可能在负载转移过程中出现在 Ti 和骨骼之间的界面上，并导致周围的骨质流失。而PEEK因其优秀的性能和较高的生物相容性被认为是 Ti 的替代材料，此外，PEEK 的机械强度可以通过加入其他材料（例如碳纤维）来增强，使其弹性模量接近人体皮质骨。熔融沉积建模 (FDM) 是发展最快的3D打印方法之一，然而FDM 打印的碳纤维增强 PEEK 复合材料的机械性能和生物相容性仍不清楚。

图宾根大学的Xingting Han等人和西安交通大学李涤尘教授团队合作通过FDM 打印纯 PEEK 和碳纤维增强 PEEK（CFR-PEEK）复合材料，完成了其机械测试的表征，并分析了表面粗糙度和形貌对一般生物相容性（细胞毒性）和细胞粘附的影响。

图 1 ( a ) PEEK的临床应用；熔融沉积建模 (FDM) 打印的 PEEK ( b ) 胸骨和 ( c ) 鼻重建

图 2 培养24小时后，PEEK和CFR-PEEK样品上L929细胞的LIVE/DEAD染色，Ti 作为额外的对照。( a ) 未经处理的PEEK；( b )抛光PEEK；( c ) 喷砂PEEK；( d ) 未经处理的CFR-PEEK；( e ) 抛光CFR-PEEK；( f ) 喷砂CFR-PEEK；( g ) 钛。( h , i ) 显示细胞覆盖的平均表面积的定量细胞密度和定量。数据表示为平均值±标准偏差，* p〈 0.05。P：聚醚醚酮；CP：CFR-PEEK；黑条：未处理组；橙色条：抛光组；蓝条：喷砂组。细胞毒性作用，由死（染红）细胞表示，无法检测

本研究首次系统地研究了 FDM 打印碳纤维增强 PEEK 复合材料的力学性能，与纯 PEEK 的打印结果相比，打印的 CFR-PEEK 试样表现出显着改善的机械性能。此外，还首次评估了 FDM 打印的 PEEK 及其复合材料的表面形貌和粗糙度对生物相容性和细胞粘附的影响，并证实了碳纤维增强PEEK复合材料在打印过程中并不会引入有毒物质，影响其生物相容性，且其因打印工艺所形成的粗糙表面十分适合细胞附着和扩散，这使得 CFR-PEEK在生物方面的应用尤为重要。

参考文献：
Han, X.; Yang, D.; Yang, C.; Spintzyk, S.; Scheideler, L.; Li, P.; Li, D.; Geis-Gerstorfer, J.; Rupp, F. Carbon Fiber Reinforced PEEK Composites Based on 3D-Printing Technology for Orthopedic and Dental Applications. J. Clin. Med. 2019, 8, 240. https://doi.org/10.3390/jcm8020240