西交大李涤尘教授团队｜3D打印方向对PEEK人工关节的生物摩擦学性能影响

人工关节假体是一种替代受损关节的既定策略，可以有效地为患有严重关节疾病的患者提供活动性和舒适性。目前，金属关节假体被广泛用于制造人体的各种关节，如钛合金髋关节和钴铬合金膝关节。 然而，最近的发展逐渐转向聚合物材料，特别是聚醚醚酮（PEEK）假体。PEEK因其良好的生物相容性和令人印象深刻的机械性能而备受推崇，可与天然皮质骨强度相媲美。值得注意的是，PEEK具有比金属材料更出色的耐磨性和更低的密度，使其成为一种非常有前途的人工关节材料。

不同材料组成的人工关节

虽然人工关节假体目前使用注塑成型工艺制备，但它们受到形状结构复杂、模具开发成本高和制备周期长的限制。由于对具有改进治疗效果的关节假体的需求增加，必须开发个性化的关节假体。3D打印可以通过逐层堆叠材料，在短时间内直接构建个性化的外观结构，提供个性化且经济的解决方案。

需要指出的是人工关节和原生关节毕竟有不同之处。增材制造技术前沿查询发现，在人体的原生关节中，关节头和关节杯的表面有软骨组织覆盖，该组织能分泌适量的润滑液，形成一个良好的自润滑系统，使关节在70-80年中保持正常工作。人工关节植入破坏了原有的自润滑系统，工作中相对运动面会发生磨损，每年约产生500万颗磨损颗粒。这些磨粒在植入物与肌肉界面产生聚集，导致生物对异体的反应，诱发相应数量的细胞吞噬这这些颗粒，最终使原先紧密结合的"人工关节一人工骨"系统发生松动。

完整的peek膝关节系统，包括股骨组件、胫骨组件、聚乙烯衬垫和髌骨组件

增材制造技术前沿查询到，以PEEK为例的一套人工关节系统，其由PEEK和UHMWPE（超高分子量聚乙烯）形成“软对软”的关节配副形式。PEEK在3D打印过程中独特的打印方向决定了其摩擦学特性。摩擦副的摩擦系数和磨损速率略高于注塑成型摩擦副，这可能是由于几个原因造成的。

西安交通大学李涤尘教授团队研究了3D打印方向对PEEK关节假体摩擦学特性的影响，并以Transfer film effects induced by 3D-printed polyether-ether-ketone with excellent tribological properties for joint prosthesis为题发表在Bio-Design and Manufacturing上。

https://link.springer.com/article/10.1007/s42242-023-00258-y

在这项研究中，研究人员使用熔丝工艺制造制造了PEEK关节假体，并使用25% 新生小牛血清中的针板摩擦计研究了打印方向对其摩擦学特性的影响。由于3D打印凹槽形貌对磨损碎片的机械捕获，在PEEK表面形成超高分子量聚乙烯转移膜，这受到PEEK打印取向的显著影响。当打印方向平行于摩擦的滑动方向时，由于较高的稳应力，转移膜的数量和尺寸增加。该转移膜保护了基体，使摩擦副的摩擦系数和磨损率分别降低了39.13%和74.33%。此外，该研究结果为打印方向在膝关节假体设计中的作用提供了新的视角，促进了其实际应用。

(a) PEEK打印工艺；(b)不同打印方向制造的样品进行后处理；(c) 样品摩擦实验

打印方向在膝关节假肢设计中的应用；a 应力迹线b 膝关节的运动形式 c 3D打印路径设计

不同屈曲角度下膝关节的有限元（FE）分析

膝关节假体：a 模型的放置形式；b. PEEK 股骨髁假体

研究人员展示了在医疗设备（如膝关节假体）的设计中考虑打印方向的潜在好处。膝关节复杂的力学环境导致股骨髁突发生复杂的应力变化。因此，假肢的3D打印路径应结合不同位置的功能要求进行设计。在膝关节假体中，股骨髁的外部与胫骨托盘摩擦数年甚至更长时间。因此，理想的膝关节假体的股骨髁外应具有优良的耐磨性，内部应支撑骨组织向股骨髁的生长，以实现假体与骨组织之间的生物固定，以获得足够的生物活性。此外，膝关节假肢还必须具有足够的机械强度来承受外部载荷。当股骨髁的外部设计在同心路径上时，无论滚动或滑动，PEEK细丝的打印方向都可以保持一致的运动方向，从而使外部具有出色的耐磨性。由于通过3D打印对力学性能的各向异性，在外部同心路径的前提下，中间层的直线路径可以保证最佳的机械强度。总的来说，这个例子突出了3D打印方向在改善关节假体的性能和功能方面的潜力。