米蓮，柏娜*

（1.青島大學(xué) 附屬醫(yī)院 口腔修復(fù)科，山東 青島 266003；2.青島大學(xué) 口腔醫(yī)學(xué)院，山東 青島 266003）

聚醚醚酮（poly-ether-ether-ketone，PEEK）是半結(jié)晶的高分子芳香族類材料，具有在高溫下化學(xué)性能穩(wěn)定、摩擦性能優(yōu)異的理化特點(diǎn)，同時具備良好的生物相容性、力學(xué)性能、機(jī)械性能、X射線可透射性及無細(xì)胞毒性等優(yōu)勢，被認(rèn)為是可以用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的口腔科材料（如金屬或陶瓷材料）。此外，PEEK彈性模量更接近人體皮質(zhì)骨及牙本質(zhì)的彈性模量，避免了應(yīng)力遮擋效應(yīng)；其與牙體組織顏色接近，提高患者的舒適度和滿意度，因其具有諸多優(yōu)勢而被深入研究［1-2］。在口腔醫(yī)療領(lǐng)域中，齲病、牙周病、外傷及頜面部腫瘤等疾病常會導(dǎo)致不同程度的牙體缺損、牙列缺損和牙列缺失，相較于傳統(tǒng)的修復(fù)材料，PEEK已被用于顱頜面部缺損植入物、口腔正畸矯治器械、根管樁、活動義齒和種植體基臺等材料領(lǐng)域中，初步取得了良好的臨床效果［3］。

然而，PEEK作為口腔頜面部骨缺損植入物，由于其存在生物活性較低和自主抑菌性能不足的缺點(diǎn)，PEEK不僅影響與骨組織的結(jié)合造成骨吸收或感染等并發(fā)癥，而且增加了手術(shù)失敗的風(fēng)險。研究發(fā)現(xiàn)PEEK可通過表面處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打印技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可以精準(zhǔn)地將改性后的PEEK復(fù)合材料打印成與患者個體匹配的具有優(yōu)良性能的口腔修復(fù)體或植入物，節(jié)省了患者因修復(fù)體不合適而多次就診的時間，同時提高了醫(yī)生在臨床診療中的工作效率［5］。本文將就目前3D打印的PEEK方法、PEEK復(fù)合材料及其表面處理方法及其在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的臨床應(yīng)用研究展開綜述，為廣大研究者提供參考。

1 3D打印PEEK方法

PEEK是由含一個酮鍵和兩個醚鍵的重復(fù)單元所構(gòu)成的高分子熱塑性材料，其玻璃化溫度為334℃，結(jié)晶度最大可達(dá)48%左右。相較于其他材料，PEEK具有獨(dú)特的性能，能夠在250℃的高溫條件下長時間使用，并保持較高的強(qiáng)度［6］。此外，PEEK具有良好的力學(xué)性能、機(jī)械性能和生物相容性，口腔領(lǐng)域逐漸嘗試使用PEEK及復(fù)合材料替代部分口腔材料，如活動局部義齒、種植基臺等。目前，PEEK制作口腔修復(fù)體的加工方法為真空加壓注塑法、計算機(jī)輔助設(shè)計與制造（computer-aided design and manufacturing，CAD／CAM）切削法及3D打印技術(shù)。真空加壓注塑法技術(shù)要求高，制作程序復(fù)雜，同時由于PEEK耐高溫，熔化時流動性小，存在注塑不完全的風(fēng)險。CAD／CAM切削法簡化了制作程序，減少了制作時間，獲得的模型較準(zhǔn)確，但具有對醫(yī)師及技工人員較充分的計算機(jī)知識的要求，浪費(fèi)原材料等缺點(diǎn)［7］。3D打印技術(shù)具有快速高效、節(jié)省成本等優(yōu)勢，越來越多的研究者將PEEK和3D打印技術(shù)的結(jié)合作為目前的研究應(yīng)用方向。

3D打印技術(shù)又稱增材制造（additively manufactured，AM）是一種基于計算機(jī)輔助設(shè)計3D模型，將模型加工處理，自下而上逐層堆積形成個性化的加工方法。3D打印主要流程為：（1）數(shù)字化軟件獲得數(shù)據(jù)并建立三維模型；（2）將模型文件轉(zhuǎn)化格式后導(dǎo)入打印設(shè)備中，利用3D打印的方法打印成個性化的修復(fù)體。相較于傳統(tǒng)切削減材方式，3D打印具有可以制備多層次復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)的樣品、避免浪費(fèi)原材料、減少生產(chǎn)成本以及提高工作效率的特點(diǎn)［8-10］。但如何將PEEK復(fù)合材料通過3D打印的方法制作出理想的口腔修復(fù)體是當(dāng)前面臨的重大挑戰(zhàn)。

目前的主流3D打印PEEK材料的技術(shù)為選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）和熔融沉積技術(shù)（fused deposition modeling，F(xiàn)DM），SLS是在設(shè)置好的材料上方控制激光，選擇性地對粉末照射，被照射的粉末吸收激光能量并轉(zhuǎn)換為熱動能，加熱到特定溫度的粉末接觸面增大、氣孔縮小，冷卻后形成致密、堅硬的燒結(jié)體。FDM是將3D打印所需材料通過高溫打印噴頭熔融擠出的方法，同時執(zhí)行打印機(jī)內(nèi)的運(yùn)動指令，最終實現(xiàn)三維實體物件的制備［11］。最初，PEEK的加工制作主要由SLS技術(shù)完成，但由于激光燒結(jié)的難度較大，成形結(jié)束后需要清理殘余粉末或需要固化等復(fù)雜的后處理工藝，而FDM具有使用方法較簡單、自動化程度高、不受外形限制等優(yōu)勢，所以現(xiàn)已逐步由FDM技術(shù)替代［12］。Basgul等［13］測試了由PEEK制成的3D打印腰椎間融合器的機(jī)械強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)通過熔絲制造形成的3D打印的椎間融合器在脊柱融合手術(shù)中的應(yīng)用有足夠的強(qiáng)度，并且證實了印刷速度和孔隙率之間的關(guān)聯(lián)性，即印刷速度越高孔隙率越高。Li等［14］為了改善3D打印PEEK的機(jī)械性能，通過FDM的方法探討了不同打印溫度、打印方向、打印路徑及層厚等多因素對3D打印PEEK樣品的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、結(jié)晶度和晶粒度的影響，結(jié)果表明當(dāng)打印層厚度為0.1mm、打印路徑為180°、溫度為525℃時，樣品的拉伸強(qiáng)度達(dá)到87.34 mPa，延伸率達(dá)到38%，基本超過了現(xiàn)有文獻(xiàn)報道的3D打印PEEK的拉伸性能。樣品的抗拉強(qiáng)度越大，尺寸越均勻，材料結(jié)晶度越高。Wu等［15］在研究FDM打印PEEK時發(fā)現(xiàn)層厚為300μm，光柵角度為0°時，PEEK的機(jī)械性能最佳。Wang等［16］探索FDM打印參數(shù)對PEEK性能的影響，發(fā)現(xiàn)打印PEEK的最佳參數(shù)為加熱溫度440℃，打印速度20 mm／s，打印層厚0.1 mm。因此，3D打印PEEK根據(jù)不同的性能要求有不同的最佳參數(shù)，目前尚無統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，仍需進(jìn)一步研究確定。

2 3D打印PEEK復(fù)合材料及其特性

由于PEEK存在生物活性較低和自主抑菌性能不足的問題，嚴(yán)重影響其與骨結(jié)合效率，研究發(fā)現(xiàn)通過FDM方法打印的PEEK復(fù)合材料加入納米活性粒子或者纖維增強(qiáng)材料后可有效改善PEEK生物活性，提高與骨組織的結(jié)合效率。目前，上述復(fù)合材料主要包括優(yōu)化成骨活性的3D打印羥基磷灰石-PEEK復(fù)合材料、優(yōu)化力學(xué)性能的3D打印碳纖維增強(qiáng)-PEEK復(fù)合材料。

2.1 優(yōu)化成骨活性的3D 打印羥基磷灰石-PEEK復(fù)合材料

羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）是由無機(jī)成分（如骨骼、牙齒）和有機(jī)成分（如膠原纖維）等構(gòu)成，具有良好的生物安全性及成骨活性，其與人類骨組織的成分相似，因此在臨床上常被用作骨替代材料。然而，單純的HA脆性較大，不適合單獨(dú)用于修復(fù)缺損較大的骨組織，因此對其研究主要著重于作為改善其他生物材料特性等方面［17］。Rodze′n等［18］將HA和PEEK粉末混合制成細(xì)絲，用改造后的3D打印機(jī)打印出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0%～30%）的PEEK-HA樣品。掃描電子顯微鏡下發(fā)現(xiàn)HA顆粒均勻分布在樣品表面。Oladapo［19］使用FDM制備出了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的羥基磷灰石（0%～20%）的PEEK／CHAP復(fù)合材料，測試研究樣品的拉伸性能和彈性模量，結(jié)果顯示15%的PEEK／CHAP力學(xué)性能較為理想。體外高糖培養(yǎng)基（Dulbecco'smodified eagle medium，DMEM）培養(yǎng)上清液的檢測結(jié)果也表明了PEEK／CHAP復(fù)合材料比純PEEK具有更好的黏附性、增殖性和細(xì)胞活性。Zheng等［20］通過FDM打印出PEEK-HA復(fù)合支架，隨后在其上進(jìn)行小鼠胚胎成骨細(xì)胞前體細(xì)胞（mouse embryo osteoblast precursor cells，MC3T3-E1）細(xì)胞增殖實驗，發(fā)現(xiàn)具有微孔結(jié)構(gòu)表面的PEEK-HA復(fù)合材料能顯著促進(jìn)MC3T3-E1細(xì)胞附著和礦化。因此，HA與PEEK結(jié)合可顯著提高細(xì)胞的成骨活性，改善PEEK的生物活性。

2.2 優(yōu)化力學(xué)性能的3D打印纖維增強(qiáng)-PEEK復(fù)合材料

碳纖維（carbon fiber，CF）主要由碳元素組成，具有導(dǎo)電、耐摩擦、高強(qiáng)度等性能［21］。玻璃纖維（fiberglass，GF）是有硅酸鹽熔體制成的玻璃態(tài)纖維，與碳纖維類似，其具有多種優(yōu)良性能，包括高彈性模量、耐高溫及耐腐蝕等特點(diǎn)，兩者多被用作復(fù)合材料的增強(qiáng)體。為改善PEEK的力學(xué)性能，研究者發(fā)現(xiàn)加入不同含量的CF或GF可增強(qiáng)PEEK的機(jī)械強(qiáng)度［22］。Han等［23］將FDM的純PEEK和碳纖維增強(qiáng)的PEEK復(fù)合材料（CFRPEEK）進(jìn)行力學(xué)性能測試，同時對樣品表面進(jìn)行了粗化和細(xì)化處理，分析了表面粗糙度和表面形貌對生物相容性和細(xì)胞黏附的影響，結(jié)果表明，3D打印后的CFR-PEEK試樣的機(jī)械強(qiáng)度明顯優(yōu)于純PEEK樣品。Wang［24］探討了3D打印不同參數(shù)（噴嘴溫度、平臺溫度、層厚等）對純PEEK、CF／PEEK、GF／PEEK的力學(xué)性能的影響，實驗結(jié)果顯示5% CF／PEEK和5% GF／PEEK具有更高的拉伸強(qiáng)度和抗彎曲強(qiáng)度。因此，3D打印后的PEEK加入適量碳纖維或玻璃纖維可以提高材料的機(jī)械性能，更符合人體骨組織的力學(xué)性能。

3 3D打印PEEK 復(fù)合材料的表面處理方法

PEEK由于自身結(jié)構(gòu)特殊性導(dǎo)致的生物學(xué)惰性，可以通過表面改性的方法增強(qiáng)其活性。3D打印PEEK復(fù)合材料表面改性是指利用不同材料和不同的涂層方法提高PEEK的生物活性和表面性能，目前主要的PEEK表面處理方法有低溫等離子體處理、羥基磷灰石涂層和銀離子修飾等。

3.1 低溫等離子體處理

低溫等離子體是由帶電離子、電子、自由基等組成的近似電中性的氣體。低溫等離子體粒子溫度較低，容易獲取和維持，因此在材料改性方面研究較多。低溫等離子體主要用于口腔修復(fù)材料表面改性、根管消毒、牙齒美學(xué)修復(fù)及抗菌等方面，其可在不改變材料基本性能基礎(chǔ)上，提高材料潤濕性及細(xì)胞生物相容性［25-26］。Kruse［27］通過在PEEK表面用等離子體浸沒，離子注入處理相結(jié)合3D打印的方法，為PEEK提供了高密度的自由基，改善了親水性，并使其能夠與生物分子形成共價鍵，實驗證實經(jīng)處理后的樣品成骨細(xì)胞增殖率增加了20%，提高了骨結(jié)合能力。PEEK材料大多用于骨科植入物，經(jīng)低溫等離子體處理后的植入物，可有效減少術(shù)后植入?yún)^(qū)的感染，降低手術(shù)的并發(fā)癥。但低溫等離子體處理是否會影響PEEK的機(jī)械性能，目前尚缺乏足夠的實驗證據(jù)。

3.2 羥基磷灰石涂層

羥基磷灰石涂層是指利用涂層技術(shù)將HA噴涂至材料表面，可有效提高材料生物活性。黎國英等［28］研究發(fā)現(xiàn)，用羥基磷灰石涂層及成骨多肽接枝雙重改性方法處理3D打印的PEEK后，可顯著地提高其生物活性，與純PEEK相比，改性后的材料接觸角減小，細(xì)胞附著和增殖能力均增強(qiáng)，堿性磷酸酶活性提高，鈣結(jié)節(jié)形成增多。另外，有學(xué)者采用離子束輔助沉積技術(shù)在PEEK植入物表面制備了HA和氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（yttria-stabilized zirconia，YSZ）組成的生物活性雙層涂層，發(fā)現(xiàn)與未涂層的PEEK相比，熱處理的HA／YSZ涂層具有更好的骨再生能力和骨-種植體接觸面積［29］。

3.3 納米銀顆粒修飾

銀作為一種光譜抗菌劑，具有較強(qiáng)的殺菌作用。納米銀顆粒（AgNPs）可通過兒茶酚和銀離子的還原反應(yīng)沉積在材料表面。Deng等［30］通過AgNPs修飾3D打印PEEK，抑菌環(huán)、細(xì)菌動力學(xué)曲線和抗菌膜試驗結(jié)果表明：AgNPs修飾的三維聚醚醚酮支架對革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌均有明顯的抑菌作用，將人骨肉瘤細(xì)胞（human osteosarcoma cells，MG-63）接種于標(biāo)本上，進(jìn)行細(xì)胞增殖和堿性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）活性檢測。結(jié)果表明，與純PEEK支架相比，AgNPs修飾的支架能夠支持細(xì)胞增殖，提高堿性磷酸酶活性。

4 3D打印PEEK及復(fù)合材料在口腔臨床的應(yīng)用

2016年美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)3D打印PEEK應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，2020年1月起，我國也開始嘗試用3D打印PEEK的方法制作個性化的生物假體。3D打印PEEK作為新型材料在口腔臨床的應(yīng)用尚處于起步階段，國內(nèi)外僅少許病例報告取得較好的結(jié)果。

4.1 3D打印PEEK應(yīng)用于下頜骨重建的研究

因創(chuàng)傷、感染和頜面部腫瘤導(dǎo)致的頜骨缺損修復(fù)是口腔頜面外科關(guān)注的問題，如何利用生物材料恢復(fù)其生理功能，同時兼顧解剖形態(tài)和美觀效果是一大挑戰(zhàn)。金屬鈦及鈦合金常用于固定自體骨移植，而鈦板暴露或術(shù)后引起的感染是手術(shù)失敗的并發(fā)癥之一［31］，PEEK作為一種綜合性能優(yōu)良的材料用來替代鈦及鈦合金具有良好的生物安全性，為頜骨缺損修復(fù)治療提供新思路。MOUNIR［32］用自體骨或異體骨修復(fù)重度缺損的牙槽骨，比較了3D打印的預(yù)彎鈦網(wǎng)和PEEK網(wǎng)固定植骨區(qū)的臨床效果，術(shù)前、術(shù)后1個月、術(shù)后6個月后的影像學(xué)分析發(fā)現(xiàn)兩種方法均獲得良好的骨增量。Kang等［33］采用自體腓骨移植與生物材料相結(jié)合的方法來修復(fù)下頜骨成釉細(xì)胞瘤術(shù)后大面積骨缺損，術(shù)者將3D打印的PEEK作為植入物用來固定腓骨，恢復(fù)下頜骨的連續(xù)性，結(jié)果表明這種新方法具有較高的初期穩(wěn)定性和安全性。

顳下頜關(guān)節(jié)是下頜左右雙側(cè)聯(lián)動關(guān)節(jié)，運(yùn)動規(guī)律復(fù)雜，解剖結(jié)構(gòu)獨(dú)特。當(dāng)外傷或腫瘤導(dǎo)致髁突損傷時，常采用顳下頜關(guān)節(jié)置換術(shù)，PEEK應(yīng)用于顳下頜關(guān)節(jié)重建可以較好地恢復(fù)正常的口頜系統(tǒng)功能。林凱等［34］采用3D打印Ba-PEEK復(fù)合材料制作個性化顳下頜關(guān)節(jié)假體，將其置入比格犬髁突內(nèi)進(jìn)行關(guān)節(jié)重建術(shù)，結(jié)果表明比格犬術(shù)后的開口功能良好，與術(shù)前相比，未見明顯口頜系統(tǒng)障礙，證實3D打印PEEK可作為顳下頜關(guān)節(jié)植入物，并可以恢復(fù)顳下頜關(guān)節(jié)的生理功能。郭芳等［35］對3D打印個性化PEEK髁突假體進(jìn)行有限元分析和壓縮性能測試，結(jié)果表明3D打印個性化PEEK髁突假體顯示出均勻的應(yīng)力分布和較好的力學(xué)性能。

4.2 3D打印PEEK應(yīng)用于口腔修復(fù)體的研究

PEEK用于口腔修復(fù)體具有良好的力學(xué)性能和美學(xué)效果?；顒恿x齒是牙列缺損及缺失時恢復(fù)咀嚼功能和外觀的重要修復(fù)方式之一。義齒的固位力、穩(wěn)定性和舒適度是義齒修復(fù)效果的重要因素。Chen等［36］制備了不同比例的TiO2和PEEK制成PMMA復(fù)合樹脂，利用3D打印技術(shù)制成的義齒基托，其力學(xué)性能及抗菌性能都達(dá)到理想效果。陸偉等［37-38］通過3D打印PEEK修復(fù)材料顏料共混改性和結(jié)晶度行為調(diào)控的方法，建立了一體化雙色（牙色／牙齦色）的可摘活動義齒和軟腭阻塞器，義齒的固位力、適合性均有良好的效果，但機(jī)械性能還有待進(jìn)一步研究，透光性能仍需提高；另外該作者設(shè)計的由3D打印復(fù)合二氧化鈦-PEEK材料制成的軟腭缺損語音球贗復(fù)體使用輕便，無明顯的異物感。王詩維等［39］在治療先天性缺牙患者時，比較了傳統(tǒng)口腔修復(fù)與在其基礎(chǔ)上經(jīng)過3D打印PEEK修復(fù)治療方法，作為可摘局部義齒的固定修復(fù)體，以原位嵌入的方法修復(fù)缺損部位，治療后3個月修復(fù)體的咬合功能、牙周指數(shù)及美學(xué)效果結(jié)果顯示，3D打印PEEK在先天性缺牙患者修復(fù)中的應(yīng)用能夠促進(jìn)牙周清潔，減少并發(fā)癥，提高臨床療效和美學(xué)效果。

4.3 3D打印PEEK應(yīng)用于口腔正畸矯治器的研究

3D打印PEEK材料的機(jī)械性能及加工性能均可以滿足臨床的需求。前牙反?？梢栽缙诎l(fā)現(xiàn)并采取措施干預(yù)來達(dá)到糾正反的效果。冀堃等［40］通過3D打印技術(shù)制作的PEEK個性化斜面導(dǎo)板矯治器治療前牙反，通過數(shù)字化掃描獲得口內(nèi)印模，設(shè)計斜面導(dǎo)板糾正咬合，結(jié)合3D打印的方式獲得PEEK下頜斜面導(dǎo)板矯治器，僅2周時間較好地糾正前牙反問題，3個月后21顆牙反解除。與傳統(tǒng)矯治器相比，無論是美觀程度、舒適度均獲得較好的效果。目前3D打印PEEK在口腔正畸的應(yīng)用研究較少，原因可能是由于CDM／CAM技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，并且與口腔正畸領(lǐng)域結(jié)合緊密，有學(xué)者利用CAD／CAM和PEEK材料結(jié)合的方法制備出PEEK弓絲和間隙保持器等，具有較好的臨床效果［41］，但3D打印PEEK材料能否進(jìn)一步用于口腔正畸滿足臨床需求，仍需研究者們深入證實。

5 總結(jié)與展望

隨著口腔醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，人們對醫(yī)療材料的性能及美學(xué)要求越來越高。PEEK因其優(yōu)異的理化性能、力學(xué)性能及X線透射性等優(yōu)勢，逐漸被用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究。目前發(fā)現(xiàn)通過復(fù)合材料、表面改性的方式，可有效改善PEEK的生物活性和美學(xué)效果，提高與骨組織的結(jié)合能力。此外，數(shù)字化技術(shù)逐漸成為口腔醫(yī)學(xué)臨床工作中的重要手段。通過3D打印技術(shù)制作個性化的口腔修復(fù)體，不僅省時省力，精密度更高，而且減少了臨床操作難度，提高了患者的滿意度，為口腔疾病的治療提供了高效、便捷的手段。3D打印PEEK及復(fù)合材料在臨床應(yīng)用仍處于初步試驗階段，長期使用后的機(jī)械性能、理化性能、美學(xué)性能以及可能出現(xiàn)的不良反應(yīng)尚不明確，還需大量的臨床研究來證實。如何將PEEK和數(shù)字化技術(shù)完美結(jié)合，制作出個性化的植入物是目前的研究重點(diǎn)。另外，PEEK的生物活性低及抗菌性差是阻礙其發(fā)展的重要因素［42-43］，如何克服這些問題將是未來PEEK的研究方向。綜上，3D打印PEEK在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價值，值得深入研究。

作者貢獻(xiàn)聲明

米蓮：提出研究思路，整理文獻(xiàn)，撰寫論文；柏娜：提出研究框架，修改論文。

利益沖突聲明

本研究未受到企業(yè)、公司等第三方資助，不存在潛在利益沖突。