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科研进展

定制化功能仿生PEEK骨植入物增材制造技术及医疗应用

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  一、项目意义
  
  增材制造(3D打印)技术在定制化植入物方面优势巨大,预计2024年个性化植入物的医疗市场规模达96.39亿美元。PEEK(聚醚醚酮)材料克服了金属材料产生应力遮挡和辐射伪影等弊端,被认为是下一代骨植入物材料。目前将PEEK材料的优势与3D打印技术融合,可以改变过去植入材料的不足,实现定制化PEEK骨植入物的快速制造。但是为了满足更深层次的临床应用,如骨植入物的仿生功能需求,骨-PEEK-软组织生物活性强结合需求和植入物分区力学性能、生物功能可控需求等,需要进一步发展现有技术。因此,本项目提出定制化功能仿生PEEK骨植入物增材制造技术及医疗应用,旨在突破现有均质PEEK植入物制造方法,发展以仿生功能驱动的定制化植入物材料、设计制造与评价技术,为未来产业发展提供创新技术和产业化支撑。

  二、研究内容

  1、面向功能仿生PEEK骨植入物的设计研究

  根据植入物的功能需求,研发集外形结构、材料性能和功能一体化的优化设计方法,并建立个性化PEEK假体体内服役性能的分析和评价方法,最终将功能梯度需求转化成为可实施的工艺过程参数,实现模型的生物功能梯度分区设计。

功能仿生PEEK骨植入物的设计技术

  2、多材料控性熔融沉积3D打印设备研制

  进行面向功能仿生植入物的多材料控性熔融沉积3D打印设备的研制,主要功能模块包括全局成形热环境控制系统,热微环境控制系统,多材料在线复合改性挤出的打印头等,并集成其他辅助系统,形成新型控性熔融沉积3D打印设备。

多材料控性熔融沉积3D打印设备方案

  3、局部结晶调控与多材料按需分区可控工艺研究

为制造出仿生力学性能,建立温度条件-聚集状态(结晶状态)-PEEK材料性能的内在关系模型,实现力学性能的分区调控,并通过控制骨植入物不同部位的增强相含量与分布不同,实现力学性能强化可控。

局部结晶调控与多材料按需分区可控工艺原理

  4、定制化PEEK功能化植入物临床应用研究

开展力学仿生结构的生物学问题、骨-PEEK-软组织结合的生物学问题以及分区梯度功能的生物学问题的研究,结合PEEK功能化骨植入物动物实验和人体临床试验,建立定制化PEEK功能化植入物临床应用示范和技术标准。

  三、应用前景

目前已经与三十多家临床单位紧密合作,实现3D打印定制化PEEK骨植入物临床应用数百例,应用范围涵盖神经外科、颌面外科、口腔科、胸外科、骨科等科室,占国际范围见诸公开报道案例的98%以上,包括多项世界首例临床应用,并受邀发表《机械工程学报》封面文章,受央视CCTV9《超级装备》的专题报道。本项目目前已经在持续牵引定制化医疗器械行业的发展,在不久的未来将促进形成一批受国家监管部门准入的3D打印定制化PEEK骨植入物医疗器械,提升骨缺损患者的修复效果和恢复状态,进一步促动精准医疗产业的发展。

4 3D打印定制化PEEK骨植入物临床应用

 


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