FFF技术在颅面重建中的PEEK材料3D打印应用研究

       随着个性化医疗的发展，患者专用植入体(PSI)在颅面重建手术中的应用日益广泛。聚醚醚酮(PEEK)作为一种新型生物相容性材料，具有优异的机械性能和无磁共振成像伪影的特点，被广泛应用于椎体融合手术。近年来，PEEK材料也开始被用于定制颅骨植入体的制造。与传统的铣削加工相比，基于熔融沉积制造(FFF)的3D打印技术使得PEEK植入体实现个性化设计成为可能，特别适合小批量定制生产。然而，PEEK聚合物的玻璃化转变温度高达143°C，给FFF打印工艺的温度控制带来很大挑战。在医用级PEEK植入体打印过程中，很难实现均匀的材料排布，经常出现无定形区域和内应力残留，导致打印出的植入体机械性能不均匀。此外，复杂的解剖结构也增加了FFF工艺参数的优化难度。

       来自瑞士和荷兰的几家医疗和学术机构开展了一项关于3D打印定制PEEK植入物在颅面重建应用中的研究。这些参与机构包括瑞士的巴塞尔大学医院、瑞士巴塞尔大学和瑞士巴塞尔兰州医院等医疗机构，以及荷兰阿姆斯特丹大学等学术研究机构。开展PEEK打印参数的优化研究，评估其在颅面重建手术中的临床应用效果，对推进该技术的临床转化意义重大。

▍材料与方法

1、3D打印设备：Apium M220 3D打印机的参数规格(表1)。

2、加工材料：PEEK打印丝材的参数指标。

       研究所用打印材料为1.75mm医用级PEEK打印丝(VESTAKEEP® i4 G， Evonik Industries AG)。这种PEEK材料不含增强填料，属于自然颜色的高粘度热塑性聚合物，密度为1.30 g/cm³，熔融温度为380°C。该型号PEEK材料专门用于长期植入性医疗设备的制造，具有优异的生物相容性。

3、方法：基于田口DOE方法设计打印参数试验方案(表2，表3)。

       为优化PEEK植入体的打印参数，采用田口设计实验法设计了打印试验方案。选择了4个印刷参数：层厚（150/200/250 μm）、填充率（60%/70%/80%）、壳数（1/2/3）和填充模式（线性/矩形/三角），每个参数设置3个水平（表2）。基于L9（34）正交数组，得到9组参数组合(表3)，分别打印测试样品。使用数位千分表（精度±0.001mm）测量样品尺寸，每个样品每个方向测12点，每点重复测3次取平均值。根据公式（1）计算尺寸变化百分比：

             （1）         

       其中xm为测量平均值，xr为CAD设计值20mm。

      采用公式(2)计算均方根，评价样品整体3D偏差：

                  （2）

       其中xi和yi为对应点坐标，n为点对数。RMS值越小表示样品尺寸精度越高。

       通过单因素方差分析和信噪比分析，找出使CD和RMS最小的最优参数组合，以提高PEEK植入体的打印精度。

表3： 为实验生成的田口 L9（34）正交阵列.

4.、制备样品：打印参数组合样品，记录尺寸精度变化数据。

       根据L9正交数组生成的9组打印参数组合(表3)，共制备了9个测试样品。为减少试验误差的影响，每个样品在打印机构建平台的中心单独制备。样品为边长20mm的立方体，使用CAD软件设计并输出为STL文件(图1)。

图 1. 测试物体的投影视图，显示地标点：绿色点代表测量的地标点，蓝色符号代表测试物体在 x、y 和 z 轴的尺寸相等（20 mm）.

       打印完成后，使用数显电子游标卡尺(Sheffield，精度±0.001mm)测量每个样品在x、y、z轴的12个线性尺寸，每个尺寸重复测量3次取平均值。根据公式(1)计算每个样品在不同方向的尺寸变化百分比。

       这9组不同参数下制备的样品的尺寸精度数据，为后续优化实验提供了详细的定量依据。下面将应用单因素方差分析等统计学方法，找出导致尺寸变化最小的最优参数组合。

▍结果与分析

1、打印参数优化结果

       通过方差分析和信噪比分析，确定了使尺寸变化最小的最优打印参数组合为A2B2C2D2，即层厚150μm、填充率80%、壳数2层、线性填充(表4和图2)。这组参数在保证充分填充的前提下，减小了层厚度和填充线路，有助于提高尺寸精度。

 2、不同种类PSI精度评估结果 

       研究评估了两种不同解剖结构的PEEK颅骨植入体样品的打印精度。第1组显示出更大的误差，平均偏差为0.731mm，中位偏差为0.704mm(图3)；而第2组误差较小，平均偏差0.238mm，中位偏差0.241mm(图7)。计算均方根结果也显示第1组误差最大可达0.790mm，第2组仅0.241mm(表5)。

图 4：第 2 组 PSI 的描述性数据分布，说明计划和 FFF 3D 打印 PEEK PSI（PSI 型号 1-3）之间的差异。(a) 平均差异 ± SD（mm）和 (b) 中位差异（Q1 至 Q3）（mm）。第 1 组 PEEK PSI 的比较分析显示，平均差（± SD）为 0.731 ± 0.051 mm，中位差（Q1 至 Q3）为 0.704 (0.699-0.790) mm。另一方面，第 2 组 PSI 的比较分析显示，平均差（± SD）为 0.238 ± 0.006 mm，中位差（Q1 至 Q3）为 0.241 (0.232-0.242) mm.

表 5. 对 FFF 3D 打印的 PEEK 患者专用植入体（PSI）尺寸精度的均方根值（毫米）的定量评估.

3、两种PSI精度差异原因

      第1组PSI结构更复杂，曲面跨度更大，因此打印难度及误差更大。另外第1组打印过程中出现结晶不均导致颜色变深的区域(图5)，与误差区域对应；而第2组颜色均匀。

图 5. 第 1 组 PSI 有轻微褪色迹象（深褐色区域）.

4、工艺挑战

      结果表明，支撑结构位置以及PEEK的打印方向会影响表面质量(图6)；打印大型复杂植入体时还可能出现断层现象(图7)。这需要优化热管理，降低内应力，以提高打印质量。

图6. 颅骨植入物不同方向的 FFF PEEK 3D 打印问题示意图。(a) 水平打印的颅骨植入物显示筏状脱落/翘曲效应（原位）；(b) 水平打印的颅骨植入物显示粗糙的内表面；(c) 垂直打印的颅骨植入物显示不同程度的结晶度（原位）；(d) 3D 打印的头骨生物模型与去除支撑结构后垂直打印的植入物；以及 (e) 退火后垂直打印的颅骨植入物显示无变色.

▍FFF技术打印PEEK材料在颅面重建手术中的优势

       相比传统制造技术，FFF技术可以定制设计和制造个性化的PEEK植入体，使颅骨重建手术实现真正意义上的精准医疗。本研究结果显示，利用优化的参数设置(图5)，第2组PEEK植入体的打印精度可以达到0.241mm(表5)，满足临床需求。

▍存在的问题及优化方向 

       对于第1组大型、曲率变化较复杂的PEEK植入体，打印精度仅达到0.790mm(表5)，无法满足临床要求。主要原因是热管理不佳，导致PEEK材料排布不均匀(图9)。这需要优化热管理策略，减少残余应力的产生。

▍应用前景

      随着FFF技术不断优化，基于PEEK材料的个性化植入体打印必将推进颅骨重建手术向精准医疗发展。未来可研发新型PEEK材料，优化打印路径，实现对复杂解剖结构的精确定制打印。这项技术发展前景广阔。

▍Apium  M220

为精准医疗按下“加速键”