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行业动态

PEEK材料成为3D打印技术在医用领域的宠儿

发布时间:2019-03-09 16:38 点击数:
  

  聚醚醚酮(PEEK)材料是2013年经美国食品药品监督管理局(FDA)批准上市的骨植入材料,为一种半结晶高性能聚合物高分子材料,在国际上被认为是未来最有希望取代钛合金材料成为骨植入物原材料的下一代生物材料之一。这是因为相较于金属材料,PEEK的密度与弹性模量更接近于原生骨骼本身,降低了术后的不适感,并可以有效缓解应力遮蔽效应,且对X射线透射呈半透明且无磁性,此外,PEEK材料力学性能优异,化学惰性好,能耐200℃以上高温,可反复高温消毒。

  陕西聚高增材智造科技发展有限公司是一家高性能非金属材料3D打印完整方案提供商,以西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室团队为技术依托,专注于以PEEK为代表的高性能材料3D打印装备和材料研发,为用户提供完整的解决方案。目前,公司业务覆盖医疗、航空航天、工业等众多领域,尤其是在医疗行业,打开了PEEK材料临床应用的新局面。始终坚持以客户为中心,以“创新、诚信、发展、高效”为发展宗旨,竭诚为所有客户提供优良的设备和高品质的服务,致力于成为PEEK材料3D打印技术领航者!

  图1卢秉恒院士、李涤尘教授公司核心技术和管理团队均毕业于西安交通大学,过半数成员具有硕士以及博士学位,且研究方向均为增材制造(3D打印)技术。公司技术来源于西安交通大学卢秉恒院士、李涤尘教授团队,其中李涤尘教授团队是国内外最早开始开展生物3D打印研究的科研团队之一,率先形成了制造领域新的学科和医工交叉应用方向:1999年获得首项生物3D打印的国家自然科学基金资助,2001年国际首次将3D打印个性化钛合金替代物应用于临床,比国外早十年获得应用;建立了个性化颅颌面骨替代物微观结构仿生设计制造一体化技术及系列产品和制造设备,研究成果临床案例达到万例;发明了性能可控的聚醚醚酮(PEEK)3D打印技术,实现了国际上首例PEEK胸骨、肋骨的临床应用,自2017年以来已经在西安、上海、南京、郑州等地应用近30例,有望取代钛合金成为骨替代物形成新的产业;发明了可降解气管外支架、乳腺支架设计和4D打印制造技术,在西京医院实现了国际首次临床应用,解决了传统技术无法解决的软组织医疗修复难题;对人体典型软硬组织(肝脏、骨)以及软硬组织固定界面(韧带/软骨/骨)开展微观结构促进组织再生机制研究工作。

  相关研究结果在生物设计/制造领域发表200余篇高水平论文,获得国家发明专利80余项,2014年“个性化颅颌面骨替代物设计制造技术及应用”获国家技术发明二等奖,2015年“个性化骨替代物设计”获第一届中国好设计金奖,2018年“个性化下颌骨重建假体”产品获得了国内首个个性化产品CFDA注册,成为我国3D打印技术医学走向产业化的里程碑。多篇代表性论文被国际权威杂志选为年度“亮点论文”,学术成果得到了多名国际著名学者的引用和积极评价,被中央电视台、新华社、人民日报等专题报道,产生了良好的社会效益。公司聘请李涤尘教授为高级技术顾问,与其团队共同开展增材制造技术的研发及应用推广。

  不同于一般应用于熔融沉积3D打印技术的热塑性材料,如ABS、PLA等,PEEK材料是一种高熔点、高性能的半结晶热塑性高分子材料,因此,在3D打印过程中,高熔点所带来的冷却收缩,结晶所造成的结晶收缩会使材料在制造过程中非常容易发生翘曲变形,从而容易导致3D打印的失败。

  第一代的PEEK材料3D打印技术,主要采用80℃~140℃的微热环境技术去适当降低在打印过程中PEEK材料冷却的收缩,这种技术是目前市面上的普遍技术,主要的代表公司有上海远铸、一迈智能、德国Apium公司、德国Indmatec公司等,但是目前这种技术对于材料冷却收缩的降低效果有限,往往难以完成100mm*100mm*100mm尺寸以上的密实PEEK制件的有效制造。

  图2来自德国Indmatec公司HPP155打印出的一些样本第二代PEEK材料3D打印技术:超高温环境技术

  第二代PEEK材料3D打印技术,主要采用300℃左右的超高温环境来大幅降低在打印过程中PEEK材料冷却时的收缩,陕西聚高是目前该技术的领先者,所自主研发的Doctor系列3D打印机正是基于此二代技术,其中独特的液冷3D打印头、航天级别的保温隔热箱体、强劲的高温环境系统,不仅仅为PEEK材料3D打印提供了可靠条件,也为绝大多数热塑性材料的3D打印提供了最大限度的可能。但是,这一代的技术也存在一定的缺陷,即打印完成后,PEEK制件随着箱体冷却时会发生二次收缩变形,或者积累大量的内应力。

  第三代PEEK材料3D打印技术,是陕西聚高独有的、自主研发突破的控性冷沉积技术,该技术基于PEEK材料高分子链聚集态可控机理,在很大程度上解决了PEEK材料的收缩翘曲问题,成形尺寸可达300mm*300mm以上,并且结合一定后处理工艺后,可以实现3D打印PEEK材料制件性能的可控,既可以成形为高韧性高塑性的产品,也可以成形为高强度高硬度的产品,甚至可以将两者结合一身,形成不同性能区域的功能性产品。该技术获得了2018年国际索尔维增材制造杯的全球银奖。

  3D打印、PEEK材料、个性化骨科植入物对传统医疗假体模型的设计提出了新的要求:3D打印的增材制造方式会使零件存在各向异性——模型设计中需要考虑应力环境;PEEK材料的应用会改变3D打印工艺情况——模型设计中需要考虑PEEK材料的特性;个性化骨科植入物的实际应用条件十分苛刻——模型设计中需要高可靠性。陕西聚高拥有一支具有十多年经验的个性化假体设计团队,针对3D打印特点,PEEK材料特性形成了一套完整、可靠、安全的个性化假体设计方案,通过个性化设计、建模、有限元分析技术与平行试验技术,对于模型进行了全面的评估以及测试,可以获得安全系数很高的个性化骨科植入物模型数据。

  图5个性化设计、建模、有限元分析技术与平行试验技术3.独立自主知识产权,走遍天下都不怕

  位于超净室的3D打印丝材挤塑机,可自主进行PEEK材料改性,制成PEEK复合材料丝材:

  环境温度可高达300℃,拥有双打印头,可面向多种高性能材料的Doctor系列(基于第二代PEEK材料3D打印技术):

  500℃高温双打头,适用于所有3D打印专用热塑性高分子材料,附带水冷送料,不堵头,不卡丝。

  高精3D打印技术,零件精度最高可到±0.05mm;高性能沉积技术,力学性能接近注塑零件性能。

  配备全彩中文触摸屏,操作简单,界面友好。提供一键预热,一键打印等多种快捷操作

  聚高团队是国内外最早开展针对PEEK材料3D打印技术进行工艺研究的团队之一,相关研究成果发表了SCI论文,获得了国际专利、国内发明专利,荣获多项国内外高水平奖项。

  典型应用2017年4月与空军军医大学(原第四军医大学)唐都医院合作完成了世界首例3D打印PEEK肋骨假体的临床实验之后,同年5月、7月又相继完成了第二例以及第三例。2017年8月,一次偶然的机会促成陕西聚高与上海儿童医学中心合作,完成了一例3D打印PEEK“护心板”临床实验,得到中央电视台、东方卫视等主流媒体的报道。同时与空军军医大学唐都医院合作完成了世界首例3D打印PEEK胸骨假体的临床实验,9月份完成了世界第二例。2017年11月,与空军军医大学西京医院合作完成了世界首例3D打印PEEK肩胛骨假体的临床实验。截止2018年6月,在一年的时间内陕西聚高共完成3D打印PEEK骨科植入物临床应用近30余例,涉及胸外科、骨科、颅颌面外科等众多领域;临床合作单位10余家,范围覆盖陕西、北京、上海、河南、四川、深圳等地。




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