3D打印聚醚醚酮及复合材料在口腔医学领域的研究进展

米莲，柏娜*

（1.青岛大学 附属医院 口腔修复科，山东 青岛 266003；2.青岛大学 口腔医学院，山东 青岛 266003）

聚醚醚酮（poly-ether-ether-ketone，PEEK）是半结晶的高分子芳香族类材料，具有在高温下化学性能稳定、摩擦性能优异的理化特点，同时具备良好的生物相容性、力学性能、机械性能、X射线可透射性及无细胞毒性等优势，被认为是可以用来代替传统的口腔科材料（如金属或陶瓷材料）。此外，PEEK弹性模量更接近人体皮质骨及牙本质的弹性模量，避免了应力遮挡效应；其与牙体组织颜色接近，提高患者的舒适度和满意度，因其具有诸多优势而被深入研究［1-2］。在口腔医疗领域中，龋病、牙周病、外伤及颌面部肿瘤等疾病常会导致不同程度的牙体缺损、牙列缺损和牙列缺失，相较于传统的修复材料，PEEK已被用于颅颌面部缺损植入物、口腔正畸矫治器械、根管桩、活动义齿和种植体基台等材料领域中，初步取得了良好的临床效果［3］。

然而，PEEK作为口腔颌面部骨缺损植入物，由于其存在生物活性较低和自主抑菌性能不足的缺点，PEEK不仅影响与骨组织的结合造成骨吸收或感染等并发症，而且增加了手术失败的风险。研究发现PEEK可通过表面处理或加入不同材料的方法有效改善其生物活性、成骨效能和抗菌性能［4］。3D打印技术具有独特的优势，可以精准地将改性后的PEEK复合材料打印成与患者个体匹配的具有优良性能的口腔修复体或植入物，节省了患者因修复体不合适而多次就诊的时间，同时提高了医生在临床诊疗中的工作效率［5］。本文将就目前3D打印的PEEK方法、PEEK复合材料及其表面处理方法及其在口腔医学领域的临床应用研究展开综述，为广大研究者提供参考。

1 3D打印PEEK方法

PEEK是由含一个酮键和两个醚键的重复单元所构成的高分子热塑性材料，其玻璃化温度为334℃，结晶度最大可达48%左右。相较于其他材料，PEEK具有独特的性能，能够在250℃的高温条件下长时间使用，并保持较高的强度［6］。此外，PEEK具有良好的力学性能、机械性能和生物相容性，口腔领域逐渐尝试使用PEEK及复合材料替代部分口腔材料，如活动局部义齿、种植基台等。目前，PEEK制作口腔修复体的加工方法为真空加压注塑法、计算机辅助设计与制造（computer-aided design and manufacturing，CAD／CAM）切削法及3D打印技术。真空加压注塑法技术要求高，制作程序复杂，同时由于PEEK耐高温，熔化时流动性小，存在注塑不完全的风险。CAD／CAM切削法简化了制作程序，减少了制作时间，获得的模型较准确，但具有对医师及技工人员较充分的计算机知识的要求，浪费原材料等缺点［7］。3D打印技术具有快速高效、节省成本等优势，越来越多的研究者将PEEK和3D打印技术的结合作为目前的研究应用方向。

3D打印技术又称增材制造（additively manufactured，AM）是一种基于计算机辅助设计3D模型，将模型加工处理，自下而上逐层堆积形成个性化的加工方法。3D打印主要流程为：（1）数字化软件获得数据并建立三维模型；（2）将模型文件转化格式后导入打印设备中，利用3D打印的方法打印成个性化的修复体。相较于传统切削减材方式，3D打印具有可以制备多层次复杂精细结构的样品、避免浪费原材料、减少生产成本以及提高工作效率的特点［8-10］。但如何将PEEK复合材料通过3D打印的方法制作出理想的口腔修复体是当前面临的重大挑战。

目前的主流3D打印PEEK材料的技术为选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）和熔融沉积技术（fused deposition modeling，FDM），SLS是在设置好的材料上方控制激光，选择性地对粉末照射，被照射的粉末吸收激光能量并转换为热动能，加热到特定温度的粉末接触面增大、气孔缩小，冷却后形成致密、坚硬的烧结体。FDM是将3D打印所需材料通过高温打印喷头熔融挤出的方法，同时执行打印机内的运动指令，最终实现三维实体物件的制备［11］。最初，PEEK的加工制作主要由SLS技术完成，但由于激光烧结的难度较大，成形结束后需要清理残余粉末或需要固化等复杂的后处理工艺，而FDM具有使用方法较简单、自动化程度高、不受外形限制等优势，所以现已逐步由FDM技术替代［12］。Basgul等［13］测试了由PEEK制成的3D打印腰椎间融合器的机械强度，发现通过熔丝制造形成的3D打印的椎间融合器在脊柱融合手术中的应用有足够的强度，并且证实了印刷速度和孔隙率之间的关联性，即印刷速度越高孔隙率越高。Li等［14］为了改善3D打印PEEK的机械性能，通过FDM的方法探讨了不同打印温度、打印方向、打印路径及层厚等多因素对3D打印PEEK样品的拉伸强度、弯曲强度、结晶度和晶粒度的影响，结果表明当打印层厚度为0.1mm、打印路径为180°、温度为525℃时，样品的拉伸强度达到87.34 mPa，延伸率达到38%，基本超过了现有文献报道的3D打印PEEK的拉伸性能。样品的抗拉强度越大，尺寸越均匀，材料结晶度越高。Wu等［15］在研究FDM打印PEEK时发现层厚为300μm，光栅角度为0°时，PEEK的机械性能最佳。Wang等［16］探索FDM打印参数对PEEK性能的影响，发现打印PEEK的最佳参数为加热温度440℃，打印速度20 mm／s，打印层厚0.1 mm。因此，3D打印PEEK根据不同的性能要求有不同的最佳参数，目前尚无统一的国际标准参数，仍需进一步研究确定。

2 3D打印PEEK复合材料及其特性

由于PEEK存在生物活性较低和自主抑菌性能不足的问题，严重影响其与骨结合效率，研究发现通过FDM方法打印的PEEK复合材料加入纳米活性粒子或者纤维增强材料后可有效改善PEEK生物活性，提高与骨组织的结合效率。目前，上述复合材料主要包括优化成骨活性的3D打印羟基磷灰石-PEEK复合材料、优化力学性能的3D打印碳纤维增强-PEEK复合材料。

2.1 优化成骨活性的3D 打印羟基磷灰石-PEEK复合材料

羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）是由无机成分（如骨骼、牙齿）和有机成分（如胶原纤维）等构成，具有良好的生物安全性及成骨活性，其与人类骨组织的成分相似，因此在临床上常被用作骨替代材料。然而，单纯的HA脆性较大，不适合单独用于修复缺损较大的骨组织，因此对其研究主要着重于作为改善其他生物材料特性等方面［17］。Rodze´n等［18］将HA和PEEK粉末混合制成细丝，用改造后的3D打印机打印出不同质量分数（0%～30%）的PEEK-HA样品。扫描电子显微镜下发现HA颗粒均匀分布在样品表面。Oladapo［19］使用FDM制备出了不同质量分数的羟基磷灰石（0%～20%）的PEEK／CHAP复合材料，测试研究样品的拉伸性能和弹性模量，结果显示15%的PEEK／CHAP力学性能较为理想。体外高糖培养基（Dulbecco'smodified eagle medium，DMEM）培养上清液的检测结果也表明了PEEK／CHAP复合材料比纯PEEK具有更好的黏附性、增殖性和细胞活性。Zheng等［20］通过FDM打印出PEEK-HA复合支架，随后在其上进行小鼠胚胎成骨细胞前体细胞（mouse embryo osteoblast precursor cells，MC3T3-E1）细胞增殖实验，发现具有微孔结构表面的PEEK-HA复合材料能显著促进MC3T3-E1细胞附着和矿化。因此，HA与PEEK结合可显著提高细胞的成骨活性，改善PEEK的生物活性。

2.2 优化力学性能的3D打印纤维增强-PEEK复合材料

碳纤维（carbon fiber，CF）主要由碳元素组成，具有导电、耐摩擦、高强度等性能［21］。玻璃纤维（fiberglass，GF）是有硅酸盐熔体制成的玻璃态纤维，与碳纤维类似，其具有多种优良性能，包括高弹性模量、耐高温及耐腐蚀等特点，两者多被用作复合材料的增强体。为改善PEEK的力学性能，研究者发现加入不同含量的CF或GF可增强PEEK的机械强度［22］。Han等［23］将FDM的纯PEEK和碳纤维增强的PEEK复合材料（CFRPEEK）进行力学性能测试，同时对样品表面进行了粗化和细化处理，分析了表面粗糙度和表面形貌对生物相容性和细胞黏附的影响，结果表明，3D打印后的CFR-PEEK试样的机械强度明显优于纯PEEK样品。Wang［24］探讨了3D打印不同参数（喷嘴温度、平台温度、层厚等）对纯PEEK、CF／PEEK、GF／PEEK的力学性能的影响，实验结果显示5% CF／PEEK和5% GF／PEEK具有更高的拉伸强度和抗弯曲强度。因此，3D打印后的PEEK加入适量碳纤维或玻璃纤维可以提高材料的机械性能，更符合人体骨组织的力学性能。

3 3D打印PEEK 复合材料的表面处理方法

PEEK由于自身结构特殊性导致的生物学惰性，可以通过表面改性的方法增强其活性。3D打印PEEK复合材料表面改性是指利用不同材料和不同的涂层方法提高PEEK的生物活性和表面性能，目前主要的PEEK表面处理方法有低温等离子体处理、羟基磷灰石涂层和银离子修饰等。

3.1 低温等离子体处理

低温等离子体是由带电离子、电子、自由基等组成的近似电中性的气体。低温等离子体粒子温度较低，容易获取和维持，因此在材料改性方面研究较多。低温等离子体主要用于口腔修复材料表面改性、根管消毒、牙齿美学修复及抗菌等方面，其可在不改变材料基本性能基础上，提高材料润湿性及细胞生物相容性［25-26］。Kruse［27］通过在PEEK表面用等离子体浸没，离子注入处理相结合3D打印的方法，为PEEK提供了高密度的自由基，改善了亲水性，并使其能够与生物分子形成共价键，实验证实经处理后的样品成骨细胞增殖率增加了20%，提高了骨结合能力。PEEK材料大多用于骨科植入物，经低温等离子体处理后的植入物，可有效减少术后植入区的感染，降低手术的并发症。但低温等离子体处理是否会影响PEEK的机械性能，目前尚缺乏足够的实验证据。

3.2 羟基磷灰石涂层

羟基磷灰石涂层是指利用涂层技术将HA喷涂至材料表面，可有效提高材料生物活性。黎国英等［28］研究发现，用羟基磷灰石涂层及成骨多肽接枝双重改性方法处理3D打印的PEEK后，可显著地提高其生物活性，与纯PEEK相比，改性后的材料接触角减小，细胞附着和增殖能力均增强，碱性磷酸酶活性提高，钙结节形成增多。另外，有学者采用离子束辅助沉积技术在PEEK植入物表面制备了HA和氧化钇稳定氧化锆（yttria-stabilized zirconia，YSZ）组成的生物活性双层涂层，发现与未涂层的PEEK相比，热处理的HA／YSZ涂层具有更好的骨再生能力和骨-种植体接触面积［29］。

3.3 纳米银颗粒修饰

银作为一种光谱抗菌剂，具有较强的杀菌作用。纳米银颗粒（AgNPs）可通过儿茶酚和银离子的还原反应沉积在材料表面。Deng等［30］通过AgNPs修饰3D打印PEEK，抑菌环、细菌动力学曲线和抗菌膜试验结果表明：AgNPs修饰的三维聚醚醚酮支架对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均有明显的抑菌作用，将人骨肉瘤细胞（human osteosarcoma cells，MG-63）接种于标本上，进行细胞增殖和碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）活性检测。结果表明，与纯PEEK支架相比，AgNPs修饰的支架能够支持细胞增殖，提高碱性磷酸酶活性。

4 3D打印PEEK及复合材料在口腔临床的应用

2016年美国食品药品监督管理局批准3D打印PEEK应用于医学，2020年1月起，我国也开始尝试用3D打印PEEK的方法制作个性化的生物假体。3D打印PEEK作为新型材料在口腔临床的应用尚处于起步阶段，国内外仅少许病例报告取得较好的结果。

4.1 3D打印PEEK应用于下颌骨重建的研究

因创伤、感染和颌面部肿瘤导致的颌骨缺损修复是口腔颌面外科关注的问题，如何利用生物材料恢复其生理功能，同时兼顾解剖形态和美观效果是一大挑战。金属钛及钛合金常用于固定自体骨移植，而钛板暴露或术后引起的感染是手术失败的并发症之一［31］，PEEK作为一种综合性能优良的材料用来替代钛及钛合金具有良好的生物安全性，为颌骨缺损修复治疗提供新思路。MOUNIR［32］用自体骨或异体骨修复重度缺损的牙槽骨，比较了3D打印的预弯钛网和PEEK网固定植骨区的临床效果，术前、术后1个月、术后6个月后的影像学分析发现两种方法均获得良好的骨增量。Kang等［33］采用自体腓骨移植与生物材料相结合的方法来修复下颌骨成釉细胞瘤术后大面积骨缺损，术者将3D打印的PEEK作为植入物用来固定腓骨，恢复下颌骨的连续性，结果表明这种新方法具有较高的初期稳定性和安全性。

颞下颌关节是下颌左右双侧联动关节，运动规律复杂，解剖结构独特。当外伤或肿瘤导致髁突损伤时，常采用颞下颌关节置换术，PEEK应用于颞下颌关节重建可以较好地恢复正常的口颌系统功能。林凯等［34］采用3D打印Ba-PEEK复合材料制作个性化颞下颌关节假体，将其置入比格犬髁突内进行关节重建术，结果表明比格犬术后的开口功能良好，与术前相比，未见明显口颌系统障碍，证实3D打印PEEK可作为颞下颌关节植入物，并可以恢复颞下颌关节的生理功能。郭芳等［35］对3D打印个性化PEEK髁突假体进行有限元分析和压缩性能测试，结果表明3D打印个性化PEEK髁突假体显示出均匀的应力分布和较好的力学性能。

4.2 3D打印PEEK应用于口腔修复体的研究

PEEK用于口腔修复体具有良好的力学性能和美学效果。活动义齿是牙列缺损及缺失时恢复咀嚼功能和外观的重要修复方式之一。义齿的固位力、稳定性和舒适度是义齿修复效果的重要因素。Chen等［36］制备了不同比例的TiO2和PEEK制成PMMA复合树脂，利用3D打印技术制成的义齿基托，其力学性能及抗菌性能都达到理想效果。陆伟等［37-38］通过3D打印PEEK修复材料颜料共混改性和结晶度行为调控的方法，建立了一体化双色（牙色／牙龈色）的可摘活动义齿和软腭阻塞器，义齿的固位力、适合性均有良好的效果，但机械性能还有待进一步研究，透光性能仍需提高；另外该作者设计的由3D打印复合二氧化钛-PEEK材料制成的软腭缺损语音球赝复体使用轻便，无明显的异物感。王诗维等［39］在治疗先天性缺牙患者时，比较了传统口腔修复与在其基础上经过3D打印PEEK修复治疗方法，作为可摘局部义齿的固定修复体，以原位嵌入的方法修复缺损部位，治疗后3个月修复体的咬合功能、牙周指数及美学效果结果显示，3D打印PEEK在先天性缺牙患者修复中的应用能够促进牙周清洁，减少并发症，提高临床疗效和美学效果。

4.3 3D打印PEEK应用于口腔正畸矫治器的研究

3D打印PEEK材料的机械性能及加工性能均可以满足临床的需求。前牙反常可以早期发现并采取措施干预来达到纠正反的效果。冀堃等［40］通过3D打印技术制作的PEEK个性化斜面导板矫治器治疗前牙反，通过数字化扫描获得口内印模，设计斜面导板纠正咬合，结合3D打印的方式获得PEEK下颌斜面导板矫治器，仅2周时间较好地纠正前牙反问题，3个月后21颗牙反解除。与传统矫治器相比，无论是美观程度、舒适度均获得较好的效果。目前3D打印PEEK在口腔正畸的应用研究较少，原因可能是由于CDM／CAM技术已经发展成熟，并且与口腔正畸领域结合紧密，有学者利用CAD／CAM和PEEK材料结合的方法制备出PEEK弓丝和间隙保持器等，具有较好的临床效果［41］，但3D打印PEEK材料能否进一步用于口腔正畸满足临床需求，仍需研究者们深入证实。

5 总结与展望

随着口腔医疗技术的发展，人们对医疗材料的性能及美学要求越来越高。PEEK因其优异的理化性能、力学性能及X线透射性等优势，逐渐被用于医学领域的研究。目前发现通过复合材料、表面改性的方式，可有效改善PEEK的生物活性和美学效果，提高与骨组织的结合能力。此外，数字化技术逐渐成为口腔医学临床工作中的重要手段。通过3D打印技术制作个性化的口腔修复体，不仅省时省力，精密度更高，而且减少了临床操作难度，提高了患者的满意度，为口腔疾病的治疗提供了高效、便捷的手段。3D打印PEEK及复合材料在临床应用仍处于初步试验阶段，长期使用后的机械性能、理化性能、美学性能以及可能出现的不良反应尚不明确，还需大量的临床研究来证实。如何将PEEK和数字化技术完美结合，制作出个性化的植入物是目前的研究重点。另外，PEEK的生物活性低及抗菌性差是阻碍其发展的重要因素［42-43］，如何克服这些问题将是未来PEEK的研究方向。综上，3D打印PEEK在口腔医学领域有潜在的应用价值，值得深入研究。

作者贡献声明

米莲：提出研究思路，整理文献，撰写论文；柏娜：提出研究框架，修改论文。

利益冲突声明

本研究未受到企业、公司等第三方资助，不存在潜在利益冲突。