3D打印方向对聚醚醚酮人工关节材料的生物摩擦学性能影响

来源： 生物设计与制造BDM

本研究论文聚焦聚醚醚酮（PEEK）在熔融沉积成型过程中打印方向对其生物摩擦学性能的影响规律研究。

自然关节复杂的组织解剖结构和多样的力学环境使其易受创伤、疾病等因素影响，人工关节假体可以替代缺损部位，为患者消除疼痛和重建运动功能。PEEK在体内除了具有良好的生物相容性和稳定的理化性能，还具有匹配骨组织的力学强度和优异的耐摩擦性能，这使其成为新一代聚合物人工关节材料。3D打印为个性化人工关节假体提供了制备技术的支持，同时成型原理也决定了打印方向是影响其摩擦学性能的重要因素之一。本研究通过熔融沉积成型制备了具有不同打印方向的PEEK销，和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）盘组成摩擦副，在25%小牛血清润滑液中通过销盘实验研究摩擦学性能。


通过磨损后的表面形貌和物相分析，发现了UHMWPE盘产生的磨屑转移到PEEK表面，形成牢固的转移膜。分析了转移膜的数量、尺寸与打印方向之间的关系，揭示了相近的材料特性、阶梯状的表面纹理和稳定的应力作用对转移膜形成的协同作用。在此基础上，以膝关节假体为例，提出了一种股骨单髁假体打印方向的分区设计路径：外层设计为同心圆路径，中间层设计为垂直线路径，内层设计为多孔路径，实现了耐摩擦、力学和骨融合性能的多功能设计。本研究建立了打印方向和PEEK摩擦学性能之间的映射关系，并为关节假体的多功能性设计提出了一种新的打印策略。

图1 不同打印方向的聚醚醚酮（PEEK）表面磨损形貌和股骨单髁假体的打印路径设计策略图

图2 不同打印方向聚醚醚酮（PEEK）销的制备工艺和摩擦学实验方案。(a) 成型工艺；(b) 后处理；(c) 销盘摩擦实验的示意图

图3 不同打印方向的聚醚醚酮（PEEK）销和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）盘对摩后的摩擦学性能。(a) 摩擦系数曲线；(b) 平均摩擦系数；(c) PEEK销和UHMWPE盘各自的磨损体积；(d) 总体磨损体积

图4 聚醚醚酮（PEEK）磨损后的表面形貌。(a1-e1) 0°、25.5°、45°、67.5°、90° PEEK磨损后的低倍表面形貌；(a2-e2) 0°、25.5°、45°、67.5°、90° PEEK磨损后的高倍表面形貌；(f-j) 0°、25.5°、45°、67.5°、90° PEEK表面形成的转移膜频率分布直方图；(k) 转移膜在PEEK表面的平均面积和面积占比

图5 聚醚醚酮（PEEK）表面形成转移膜的表征。(a1-a4) PEEK磨损前和(b1-b4) 磨损后的SEM形貌；(c) PEEK磨损前后的XPS图谱；(d) PEEK磨损前的C1s分峰图谱；(e) PEEK磨损后的C1s分峰图谱；(f) XRD图谱；(g) FTIR图谱

图6 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）磨损后的表面形貌。(a-e) UHMWPE和0°、25.5°、45°、67.5°、90°聚醚醚酮（PEEK）对摩后的2D表面形貌；(f-j) UHMWPE和0°、25.5°、45°、67.5°、90° PEEK对摩后的3D表面形貌和磨痕深度曲线；(k) 表面粗糙度Ra和磨痕深度

图7 不同屈曲角度的单髁膝关节有限元模拟。(a1-d1) -30°、0°、45°和90°单髁膝关节有限元模型；(a2-d2) -30°、0°、45°和90°股骨单髁的应力迹线分布

图8 基于膝关节运动形式的打印路径设计。(a) 股骨单髁整体应力迹线；(b) 膝关节运动形式；(c) 分区打印路径设计

图9 股骨单髁假体的打印。(a) 股骨单髁假体模型的放置形式；(b) 聚醚醚酮（PEEK）股骨单髁假体

图10 不同打印方向的聚醚醚酮（PEEK）表面形成转移膜的机理示意图