3D打印材料聚醚醚酮支架在耳廓再造中的應(yīng)用前景

吳 迪， 鐘自玲， 韓 星(綜述)， 瞿申紅(審校)

聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)是聚芳醚酮(polyaryletherketone,PAEK)家族的重要成員之一，具有耐水解、易加工、耐受消毒處理、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)良性能，在植入材料領(lǐng)域有著很大的發(fā)展前景[1]。近年來(lái)，PEEK被廣泛應(yīng)用于整形外科、口腔、骨科、脊椎植入及心臟瓣膜等醫(yī)療領(lǐng)域，并取得了良好的臨床效果。隨著整體醫(yī)療水平的提升，3D打印技術(shù)在耳廓再造領(lǐng)域中應(yīng)用也逐漸增多。為此，本文通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，介紹了3D打印PEEK支架在耳廓再造中的優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)了3D打印材料PEEK在國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，并展望了結(jié)合3D打印技術(shù)制備個(gè)性化PEEK植入物或假體的應(yīng)用前景[2-3]。

1 耳廓再造現(xiàn)狀

先天性小耳畸形、外傷或手術(shù)原因造成的耳廓缺失，一定程度上影響患者心理健康，降低其生活質(zhì)量。解決這些問題主要是通過耳廓再造的方式對(duì)患耳進(jìn)行重塑[4]。近年來(lái)，臨床治療耳廓缺損再造以手術(shù)為主，包括自體肋軟骨移植和異體植入[5]。自體肋軟骨移植已被廣泛接受，即通過切取患者同側(cè)肋軟骨，人工雕刻成耳廓形狀，然后將其植入缺損耳處的皮下的方式，用患者皮膚包覆人造耳。但是自體肋軟骨移植的局限性很大，原因在于：(1)需要取患者的肋軟骨進(jìn)行雕刻，易引起氣胸、肺不張、呼吸困難等并發(fā)癥[6]；(2)手工雕刻肋軟骨對(duì)醫(yī)師的技術(shù)要求很高，往往需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)共同來(lái)完成，而一旦雕刻失敗，將對(duì)患者造成嚴(yán)重后果[7]；(3)自體肋軟骨雕刻適用范圍小，僅適用于年齡較小、胸肋骨發(fā)育正常、軟骨生命力旺盛的兒童；(4)雕刻的肋軟骨對(duì)肋骨的要求較高，只有沒有鈣化、生長(zhǎng)良好、沒有感染的軟骨才適用于移植耳雕刻。高密度多孔聚乙烯耳廓重建是自體肋軟骨的一種替代選擇。有研究表明，高密度多孔聚乙烯材料制作的耳支架雖然成功移植入人體，但外耳輪質(zhì)地偏硬，不耐摩擦，受壓易產(chǎn)生變形，容易出現(xiàn)支架外露[8]。因此，三維掃描、建模和打印技術(shù)的最新進(jìn)展將大大有助于耳廓畸形的治療和重建選擇，從而提高患者生活質(zhì)量[9]。耳廓再造的現(xiàn)狀推動(dòng)我們尋求更好的耳廓修復(fù)方式，3D打印支架和打印材料的研究逐漸成為現(xiàn)代植入領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究[10-11]。

2 3D打印技術(shù)在耳廓修復(fù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

3D打印是近10年來(lái)新興的多學(xué)科交叉技術(shù)，它能滿足患者的個(gè)性化需求[12]，因此越來(lái)越受到外科醫(yī)師和科研人員的重視，近幾年在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展迅速[13-14]。同樣3D打印技術(shù)在耳廓畸形再造的應(yīng)用中能提供定制的三維框架，被認(rèn)為能很好地替代傳統(tǒng)手術(shù)方法[15]。Jeon等[16]對(duì)7例耳廓畸形兒童的健側(cè)耳朵進(jìn)行三維掃描生成耳廓模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的耳廓重建，減少了手術(shù)期間不必要的工作量。Zhu和Chen[17]對(duì)20例小耳畸形患者分別利用3D打印模板模型進(jìn)行耳廓重建與傳統(tǒng)二維模板重建，術(shù)后滿意度比較，得出前者取得了較好的臨床效果。Chen等[5]利用60例小耳畸形患者健側(cè)耳廓資料，通過3D打印重建出患側(cè)耳廓實(shí)體模型并應(yīng)用于耳廓再造術(shù)，縮短了平均手術(shù)時(shí)間，同時(shí)在耳廓的位置和外觀上有較高的滿意度[18]。

3 基于PEEK的3D打印

3.13D打印技術(shù)原理 醫(yī)學(xué)3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，利用各種成型工藝逐層打印出三維實(shí)體的技術(shù)[19]。3D打印技術(shù)之所以適用于植入性假體的制作，主要有以下原因：(1)可以根據(jù)患者需求，利用CT、MRI等數(shù)據(jù)打印個(gè)性化植入支架，定制出任意復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)；(2)3D打印操作簡(jiǎn)單，對(duì)專業(yè)技能要求較低，短時(shí)間即可打印出符合病情的假體[2]。3D打印耳廓假體流程見圖1。

圖1 3D打印耳廓假體流程圖

3.2PEEK作為耳廓再造植入材料所需性能 隨著3D打印技術(shù)在耳廓畸形修復(fù)中的不斷發(fā)展，對(duì)3D打印所需要的材料要求也越來(lái)越高。選擇材料要考慮生物相容性、安全性等諸多因素[7]。耳廓支架植入物的材料應(yīng)具備以下特點(diǎn)：(1)植入材料應(yīng)具有生物安全性，對(duì)人體組織不產(chǎn)生毒性和致敏性，無(wú)刺激性和致癌性[20]。(2)具有良好的生物相容性，即能與人體的組織器官和免疫系統(tǒng)等長(zhǎng)期共存，不會(huì)產(chǎn)生排斥反應(yīng)和組織壞死、癌變等反應(yīng)[21]。(3)具有足夠的化學(xué)穩(wěn)定性。耳廓支架植入后會(huì)長(zhǎng)期與組織貼附，材料必須是耐生物老化，不與組織發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。(4)具有良好的力學(xué)性能。因?yàn)橥舛氖芰Ρ容^復(fù)雜，在受外力作用下必須擁有足夠的強(qiáng)度，保持植入的耳廓支架形狀不發(fā)生改變。

3.3PEEK基本性能 根據(jù)以上耳廓植入物所必備特點(diǎn)分析PEEK作為耳廓再造材料的優(yōu)勢(shì)，整體來(lái)說(shuō)PEEK具有良好的生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能，并且具有放射線透過性及MRI掃描不會(huì)產(chǎn)生偽影等優(yōu)點(diǎn)。

3.3.1 生物相容性 PEEK具有良好的生物相容性，這是判定一種材料是否適用于植入人體最基本的要求。Zhao等[22]通過磺化和磺化后水浸的研究方法制備了具有生物官能團(tuán)的多孔結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PEEK具有良好的生物相容性，且經(jīng)過改性PEEK適合于矯形外科植入物。劉利君等[23]通過對(duì)急性毒性和溶血試驗(yàn)結(jié)果的收集和分析，認(rèn)為PEEK具有良好的生物相容性。Rivard等[24]通過向12只新西蘭大白兔神經(jīng)組織內(nèi)注射高濃度的PEEK顆粒的方法評(píng)估PEEK的生物相容性，結(jié)果顯示硬膜和神經(jīng)根未見明顯壞死和腫脹，表明PEEK能夠很好地與周圍組織相適應(yīng)。

3.3.2 細(xì)胞毒性 Zhao等[25]通過培養(yǎng)對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的L929成纖維細(xì)胞系檢測(cè)PEEK的體外細(xì)胞毒性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)胞接觸PEEK 24 h后，培養(yǎng)基內(nèi)成纖維細(xì)胞的存活率高達(dá)98%以上，未出現(xiàn)細(xì)胞毒性反應(yīng)。Katzer等[26]通過細(xì)菌培養(yǎng)的方法研究PEEK是否有細(xì)胞毒性致突變效應(yīng)，研究結(jié)果提示即使在高PEEK濃度的條件下，同樣活體細(xì)胞數(shù)目中存活的菌落數(shù)仍在溶劑控制范圍內(nèi)或低于溶劑控制范圍，未發(fā)現(xiàn)PEEK直接損傷細(xì)胞的證據(jù)。Kurtz和Devine[27]研究認(rèn)為，PEEK在臨床應(yīng)用中至今還未發(fā)現(xiàn)有致癌性的任何證據(jù)。

3.3.3 化學(xué)性能 PEEK分子鏈上的苯環(huán)是通過對(duì)位的醚鍵和酮鍵連接而成，形成了相對(duì)穩(wěn)定的共軛結(jié)構(gòu)，分子鏈上的軌道電子具有很高的離域效應(yīng)，使得PEEK具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，除濃硫酸外，PEEK幾乎可以耐受所有的化學(xué)試劑，能很好地適應(yīng)體內(nèi)的酸堿環(huán)境[27]。

3.3.4 阻射性 PEEK作為生物材料還具有獨(dú)特的分析和成像能力，具有X射線、MRI和CT等在掃描時(shí)不產(chǎn)生偽影和放射線透過性等優(yōu)點(diǎn)，此性能可以實(shí)現(xiàn)通過CT和核磁成像輔助手術(shù)操作，術(shù)后更好地評(píng)估恢復(fù)情況[28]。這也是PEEK在醫(yī)療領(lǐng)域的重要應(yīng)用，例如作為腰椎融合器、心臟瓣膜等非金屬材料，同樣在耳廓再造領(lǐng)域也有著很好的應(yīng)用前景。

3.3.5 力學(xué)性能 PEEK具有良好的延展性、較高的拉伸強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度，彈性模量為3～4 GPa，接近人的骨密度，這使PEEK不會(huì)因應(yīng)力遮蔽造成骨吸收[29]。Deng等[30]通過對(duì)PEEK試件的彎曲強(qiáng)度和破壞強(qiáng)度的研究，反映了其塑性變形能力，表明PEEK能夠承受一定的塑性變形。滿足在耳廓復(fù)雜的受力環(huán)境中，能夠保持支架不發(fā)生變形，從而保證耳廓支架植入手術(shù)的成功率。

3.3.6 生物惰性 PEEK具備植入物的優(yōu)點(diǎn)，也存在自身不足。因?yàn)镻EEK本身存在一定的生物惰性，使得材料表面生物活性低，與人體組織的粘接性不高，針對(duì)這一研究熱點(diǎn)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)PEEK表面進(jìn)行改性，達(dá)到提高PEEK的生物活性的目的。有研究表明利用濕化學(xué)法使PEEK攜帶-ONa，OH，F(xiàn)，OH(CFCl3)等官能團(tuán)增加其生物活性[31]，見圖2。通過紫外光處理的方式同樣可以增加PEEK的表面活性。通過加速中性離子束的方式可以使PEEK與人體組織具有更好的粘接性[32]。

?未處理的材料表面；?具有官能團(tuán)的材料表面

4 結(jié)語(yǔ)

PEEK目前在耳廓再造的應(yīng)用中主要以模型教學(xué)為主，雖然目前還未有文獻(xiàn)和臨床報(bào)道PEEK用于耳廓再造的臨床病例，但隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟和對(duì)打印材料的不斷探究，人們對(duì)醫(yī)用材料要求也會(huì)越來(lái)越高，而對(duì)于PEEK這種全能型高分子材料的要求也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格。為了滿足未來(lái)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)EEK的需求，研究人員會(huì)探究更適合的添加材料及成分比例，制備出更適用的醫(yī)用PEEK，使其在醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域擁有更廣闊的前景，在耳廓的修復(fù)與重建中有望逐漸替代傳統(tǒng)修復(fù)材料。