钛合金和PEEK颅骨修复体的传统和3D打印制造方式及面临的问题
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颅骨修补是脑外科最常见的一种手术。由于个体差异巨大，颅骨植入物除了对生物相容性和机械性能有着严格的要求外，对个性化的需求也极高。作为3D打印在医疗领域的重要应用，激光（电子束）打印的钛合金和FDM技术制造的PEEK在颅骨修复方面发挥了重要作用。本期，我们就来探讨这两种材料颅骨修复体的传统和3D打印制造方式，以及他们所面临的问题。
医用钛合金
1. 医疗优点
医用钛合金具有较好的生物相容性和机械强度，易加工、费用相对低廉。采用该材料制造的钛网和钛板植入物，通过钛钉就能固定，一直是国内神经外科医师和患者治疗颅骨缺损的首选。
2. 加工方式
临床上，钛合金颅骨植入物加工方式有印模和多点成形，数控加工以及 3D打印。
CNC颅骨钛网
印模和多点成形成本较低，但精度较差，不适宜加工尺寸小、形状复杂的植入物；数控加工能达到很高的精度，但材料浪费严重，存在吃刀、让刀等问题，而且等待的时间非常长，往往需要两到三周。
SLM制造的多孔钛网
相比传统的植入物加工方式，3D打印的优势主要表现在：加工速度快，植入物在1-2天时间内即可完成制造，减少病人的等待时间；类人体骨骼的多孔贯通结构，可有效克服植入物普遍存在的应力屏蔽和生物活性低的难题，同时可使颅腔中的热耗散最小化，维持正常的导热水平。
电子束3D打印的多孔钛网
3. 可能存在的潜在问题
钛合金在术后CT或MRI成像高亮，患者术后颅内植入物附近如果出现血肿或肿瘤，影像上会比较难判定；而且钛的模量比骨骼高 2-3 个数量级，应力屏蔽可引发骨溶解与松动；金属热传导的问题也会使患者对天气变化更加敏感。这些材料本身的固有属性影响了医疗效果，而通过结构设计进行3D打印梯度、多孔材料制造可有效减少不良影响。
PEEK
1. 医疗优点
PEEK是一种高分子材料，具有良好的生物相容性、耐磨性和稳定的化学特性，可以用高温蒸汽或伽马辐照消毒。自20世纪80年代起，PEEK主要用作椎间融合器和人工关节置换材料， 2009年首次有报道采用PEEK进行颅骨重建，并表现出广阔的应用前景。
PEEK颅骨修复体
PEEK可塑性强，其弹性、强度、隔热性、稳定性等方面都与自体颅骨相当，所以一般不会有排异反应。X射线可穿透，不具有磁性，在CT或MRI图像中无伪影，不影响患者术后影像学分析。
2. 加工方式
PEEK 的熔点极高（玻璃化温度 143℃，熔点达到343℃），使其加工极其困难。目前，国内可用于 PEEK 材料成形的方法主要包括数控加工和快速成形两种。
数控加工是当前国内 PEEK 材料成形的主流的方法，通过数控加工模具，采用注塑的办法来完成 PEEK 材料的成形，但采用这种方法加工的缺点是材料浪费非常严重，加工成本非常高。
3D打印的PEEK颅骨修复体（层叠纹可见）
第二种方法是3D打印（熔融沉积、激光烧结），相较于数控加工，3D打印提高了PEEK制造的灵活性，克服了材料浪费、难加工等困难，制造速度也是显而易见的。
3. 存在的问题
PEEK相较于钛合金有着很多优点，然而该材料在目前的推广上却有很多困难，主要问题还是受限于材料和加工手段。PEEK的价格极其昂贵，国际市场上标准级的 PEEK 售价一般为 70-80 美元/Kg，PEEK 个性化颅骨的手术费用则至少是钛合金的 3-5 倍。
此外，据西交大的参考资料，单纯采用FDM制造的PEEK 快速成形件材质疏松，机械性能达不到医用要求，但从越来越多的植入案例也可以看出，这种现象正在得到解决。采用激光烧结打印PEEK，目前仅有德国EOS一家拥有相关的设备和技术。
因此，价格和技术上的双重门槛，限制了其在个性化颅骨修复手术上的应用。
END
到目前为止，还没有一种材料被证实是理想的颅骨修复材料，任何材料都会有这样那样的问题。同样的，作为病患仍旧没有过多担心的必要，本文探讨的仅是科学问题，技术的进步正在使植入物的医疗效果越来越好。
中国在使用3D打印技术制作植入体方面有着极为广阔的市场，相关的临床案例会越来越多，而更加先进的组织工程骨修复也将是未来颅骨重建的重要发展方向。
本文参考：
《颅骨缺损 的 临床修复进展》
《面向个性化颅骨植入物的多点组合式注塑成形工艺研究》
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原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：钛合金和PEEK颅骨修复体的传统和3D打印制造方式及面临的问题