基于3D打印樹脂模具的注塑聚醚醚酮下頜骨植入物的初步臨床應用研究

劉繪龍，田 磊，孫文森，秦 勉，陳若夢，吳 艷，王春雨，劉彥普，劉亞雄，5

(1.鄭州大學第一附屬醫院醫學3D打印中心，河南 鄭州 450052)(2.空軍軍醫大學第三附屬醫院口腔頜面外科，陜西 西安 710032)(3.西安交通大學 機械制造系統工程國家重點實驗室，陜西 西安710049)(4.唐山學院 河北省智能裝備數字化設計及過程仿真重點實驗室，河北 唐山 063000)(5.季華實驗室，廣東 佛山 528200)

1 前 言

由創傷、疾病、先天畸形等引起的骨缺損是世界范圍內一個具有重大挑戰性的臨床問題[1-3]。據統計，在美國和歐洲，每年約有50萬名患者面臨著骨缺損修復的問題，預估費用超過30億美元[4，5]；在全世界范圍內，每年有超過220萬例骨缺損(如骨科、神經外科和口腔科等)需要進行骨移植手術[6-9]。因此，開發出理想的骨骼替代物以滿足臨床骨缺損修復的任務迫在眉睫[10，11]。

理想的骨植入物(骨替代物)材料應具有良好的生物相容性、生物可降解性、骨傳導性、成骨性和骨誘導性等，且機械強度和彈性模量應與人體自然骨接近[12-14]。目前常用的骨替代物材料有鈦合金、不銹鋼、氧化鋯、生物陶瓷和高分子聚合物等[15]。然而，金屬材料的彈性模量往往是人體自然骨的數十倍，會產生應力屏蔽現象，導致植入物松動和骨萎縮[16，17]。此外，有些金屬植入物在人體環境內可能會向周圍組織釋放出對人體有害的金屬離子[18]。陶瓷材料典型的脆性和低韌性限制了它們在骨替代物領域的應用[19]。

聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone，PEEK)以其較高的力學性能、化學穩定性、生物穩定性和生物相容性而聞名，受到越來越多生物醫學及生物材料領域科研人員的關注[20-23]。

針對作者課題組提出的利用光固化3D打印樹脂模具注塑成型PEEK植入物的工藝方法，作者課題組已發表了工藝探索和成型精度方面2篇論文[11，24]，結果表明，采用該工藝方法制造具有良好的綜合力學性能的個性化PEEK植入物是可行的，而且光固化3D打印樹脂模芯在極端注塑條件下仍具有良好的保形能力，完全可以注塑高熔點 PEEK 植入物，其成型精度可以通過設計模型的縮放補償來保證。在此基礎上，本文進一步對PEEK下頜骨植入物裝配安全性進行評估，對PEEK原材料和PEEK注塑成型植入物進行體外細胞毒性實驗，最后對PEEK注塑成型下頜骨進行初步臨床應用研究。

2 PEEK下頜骨植入物裝配安全性評估

與鈦合金植入物相比，PEEK植入物主體部分與殘余骨骼相連接的連接板強度往往較弱，在緊固過程中可能發生應力集中甚至破裂，因此需要對連接板受力變形進行實驗研究。

在體外模擬安裝PEEK下頜骨假體過程中，發現PEEK假體與自體骨接觸存在一定的縫隙，形成假體與骨骼的懸空接觸固定，需要鈦合金螺釘壓迫PEEK假體變形，以達到假體與自體骨貼合固定。此處需要測量PEEK下頜骨假體的韌性和抗彎性能，防止螺釘壓迫變形導致PEEK假體開裂。

骨骼表面一般為光滑圓弧狀，所以骨骼和假體的接觸一般為2個圓弧狀的匹配，存在如圖1所示的3種接觸類型(剖面下部為人體骨骼，上部為下頜骨假體)。第1種為邊緣接觸、內部架空的接觸，后期通過螺釘壓緊極易形成內應力并導致植入物的破裂；第2種為完全接觸，這種在理論上很難實現，但在誤差不大的情況下，實際接觸效果最好；第3種為中心接觸，螺釘壓緊不會導致植入物的內應力，但接觸面積小于第2種，且接觸有縫隙。此處主要分析第1種這種具有破壞性的連接方式下PEEK假體受力及變形情況。

圖1 植入物與骨骼的接觸情形

2.1 實驗設計

PEEK下頜骨假體是個體化定制設計的，因此沒有固定的尺寸特征。一般將假體固定端類比為弧狀薄殼結構，然后測量獲得弧狀薄殼結構的厚度、寬度和弧度。測量本研究所制造的PEEK下頜骨假體可得到：下頜骨假體的固定端厚度為2.05 mm，寬度為13.43 mm，弧度半徑為 7.59 mm。

設計如圖2的結構模擬PEEK假體與人體骨骼的裝配關系。根據以上實際尺寸參數，裝配實驗的結構的尺寸參數包括：薄殼厚度b、接觸前最大垂直高度h、接觸連接的跨距L。設計并制備9組(每組3個樣件)不同尺寸參數的薄殼結構，PEEK弧狀薄殼結構與底面的接觸連接跨距L均為13 mm；薄壁厚度b分別為1，2，3 mm；兩接觸面接觸前最大垂直高度h分別為2.3，3.2，3.7 mm。對這些樣件分別進行強制壓迫連接實驗，統計最終薄殼結構破裂的結果。

圖2 壓彎實驗的模型設計

2.2 實驗過程

使用高分子模芯注塑獲得PEEK弧狀薄殼樣件。手術中使用直徑為1.8 mm的鈦合金螺釘連接PEEK假體與骨骼，在制造的PEEK薄殼樣件中部鉆取直徑為2 mm安裝孔。

實驗選用M2螺栓連接，螺栓壓迫PEEK薄殼樣件與金屬底面貼合。安全指的是在M2螺栓擰緊過程中未出現破裂的情況。在實驗中若M2螺栓在壓迫擰緊過程中出現滑絲等現象，無法提供足夠的壓緊力，換用臺虎鉗提供壓迫力，直到樣件出現破壞，該情況仍視為安全，其僅用于研究此類厚壁樣件的破壞形式及類型。PEEK薄殼結構部分樣件壓彎前如圖3所示，PEEK薄殼結構部分樣件壓彎后如4所示。

圖3 PEEK薄殼部分樣件壓彎前宏觀照片

圖4 PEEK薄殼部分樣件壓彎后宏觀照片

2.3 實驗結果分析

圖5統計了不同厚度和不同接觸前最大垂直高度的PEEK薄殼樣件經過壓彎連接實驗后的破裂程度。

圖5 PEEK薄殼壓彎連接實驗的結果統計

在實驗中發現部分2 mm厚度及全部3 mm厚度的PEEK樣件無法通過M2螺栓壓緊破壞，需借用臺虎鉗提供壓力進行壓緊。接觸前最大垂直高度為3.7 mm的樣件易發生彎曲斷裂破壞。相同的接觸前最大垂直高度，2 mm厚度PEEK薄殼樣件彎曲安全系數高于1 mm厚度的PEEK薄殼樣件。觀察破損PEEK樣件可以看出，1 mm厚度的PEEK薄殼強度不高，易引起撕裂破損。由圖5統計結果可知，在設計PEEK假體時厚度應不小于2 mm，而3 mm及以上厚度的PEEK殼狀樣件強度較高，在螺栓固定過程中不易破壞。因此，在PEEK下頜骨假體的設計和裝配中，保證PEEK下頜骨假體固定端最小厚度高于2 mm，假體大部分厚度處于3 mm及以上范圍，裝配間隙在0.2 mm以內，通過螺栓固定壓緊就不會造成PEEK假體固定過程中的破壞。

付軍科認為，ERAS不僅僅是一項技術，更多的是一種理念的更新，其核心就是圍繞患者圍手術期的加速康復采取一系列優化措施。“這和國家講的時刻為患者利益考慮，讓患者獲得優質醫療服務的理念是高度契合的。”付軍科說，本著這樣的核心理念，以患者為中心，想辦法預防一些并發癥的發生，就會自然啟動ERAS的各個程序，伴隨而來的便是醫療質量的提升及對精細化醫療管理的踐行。

圖6為根據實際情況繪制的加壓接觸時破裂試樣示意圖，破裂位置均從螺紋孔中心穿過，且弧狀薄殼結構的厚度越大，其內側的彎曲應力越大，屬于典型的彎曲破壞。隨著PEEK試樣的厚度增加，加壓后試樣的狀態由屈服變為斷裂。

3 PEEK植入物細胞毒性實驗

3.1 實驗方法

采用體外細胞毒性實驗對原材料和注塑成型植入物進行檢測。

首先將L929小鼠成纖維細胞加入到96孔板中，保持恒定的溫度和二氧化碳濃度培養24 h使細胞處于對數生長速度階段，然后分別向其中加入PEEK原材料和PEEK注塑成型植入物的浸提液，孵育24 h，最后通過細胞形態學和細胞生長能力進行評價，與對照組細胞進行比較，評價各個濃度PEEK原材料和PEEK注塑成型植入物材料浸提液的細胞毒性。細胞形態學評價相對比較初淺，作為輔助方法。細胞生長能力評價通過CCK-8試劑盒檢測完成。

3.2 實驗步驟

(1)孵育細胞：制備細胞懸液，調整細胞密度為1×105cells/mL。向96孔板的每個孔中加入100 μL培養基，再向其中加入100 μL細胞懸液，相當于每孔104個細胞。孵育24 h在孔板形成半融合單層，在倒置相差顯微鏡DMIRBHC下檢查培養板各孔細胞增長是否相對相等。

(2)加入浸提液孵育：浸提液是由供試品按照0.1 g/mL的比例浸于培養基中放置24 h得到100%浸提原液，接著用培養基進行稀釋，分別制備75%浸提液、50%浸提液和25%浸提液。向每孔加入100 μL系列濃度的浸提液、陰性對照組、陽性對照組、空白組(表1)，

表1 樣品編號及浸提液制備

再孵育24 h。其中，陰性對照組為高密度聚乙烯浸提液，陽性對照組為含0.64%苯酚的培養液，空白對照組為含5%胎牛血清的新鮮培養液。

(3)移除培養基，在每孔加入100 μL新鮮培養液和 10 μL CCK8溶液，將培養板在培養箱內孵育3 h，用酶標儀測定培養板實驗樣品在450 nm處的吸光度，計算得到細胞存活率。

3.3 實驗結果與評價

(1)形態學觀察：用浸提液培養24 h后，使用相差顯微鏡觀察對照組、實驗組中細胞的生長特性，由于實驗組較多，僅選取A1組、B4組、陰性對照組 、陽性對照組及空白對照組進行展示。細胞形態照片見圖7～9。從圖7和圖8可以看出：無論是PEEK原材料浸提液還是PEEK注塑成型植入物的浸提液培養的細胞，均增殖明顯，細胞輪廓清晰。圖9b顯示，陽性對照組中細胞邊緣毛糙，生長狀態不佳，無細胞活性，可見受到苯酚培養液的毒性破壞。

圖7 在不同濃度PEEK原材料浸提液(A1)培養后的細胞形態

圖8 在不同濃度PEEK注塑成型植入物浸提液(B4)培養后的細胞形態

圖9 對照組中細胞形態

(2)細胞生長能力評價：實驗并計算得到在各濃度PEEK原材料和PEEK注塑成型植入物材料的浸提液培養后的細胞存活率，列于表2。從表2可以看出，在PEEK原材料和注塑成型植入物的浸提液中培養后，細胞存活率均在90%以上，CCK-8染色結果和形態學觀察結果一致，表明：PEEK原材料和注塑成型植入物對細胞均無毒害作用。

表面細胞粘附性能是骨植入物重要的評價指標，而材料表面的親水性又對該性能具有極大的影響。接觸角是表征材料表面親水性的一種簡單有效的方法。如表3所示，測得PEEK注塑件的平均接觸角為59.8°，而親水性與疏水性的接觸角界限為90°，因此PEEK注塑件具有良好的親水性，這將為細胞粘附提供有利條件，在一定程度上證明了PEEK注塑件植入物具有良好的生物相容性。

表3 PEEK注塑件接觸角測量結果

4 個性化PEEK下頜骨植入物臨床應用

4.1 患者病情及手術方案

患者女性，26歲，首診首治。圖10是患者的頭部CT圖像，病人患有重度“半側顏面短小綜合征”，自幼面部發育不良，一側顳下頜關節先天性缺失，另一側畸形生長，嚴重影響其正常容貌及進食、語言等生理功能。

圖10 患者頭部CT圖像及三維重建模型

醫生和作者課題組聯合討論后確定治療方案：上頜骨高位Le Fort I型截骨、左側下頜骨矢狀劈開術、右側顳頜關節置換術。計劃采用數字化正頜外科技術聯合個體化PEEK全顳下頜關節重建的方法，精確恢復患者頜骨完整性，重建正常面容和咬合功能。

將患者的頭部CT數據導入Mimics軟件中重建，進行術前手術模擬分析，確定截骨線的位置和牽引向量以及擬牽引長度，并制作手術導板。先對上頜骨進行Le FortⅠ型截骨，然后將上頜骨旋轉、下降，通過預先設計制備的3D打印手術導板定位骨骼的擺放位置和距離，用鈦合金接骨板固定上下頜的骨骼，然后進行PEEK假體的植入。正頜手術方案及效果模擬圖如圖11所示。

圖11 正頜手術方案(a)及效果(b)模擬圖

4.2 個性化PEEK顳下頜關節設計與制造

根據醫生的手術方案，將病變部分骨骼切除，然后利用頜面骨骼先天自然對稱原則，參照左側下頜骨原始數據，通過鏡像、布爾運算等命令，設計制作出右側下頜骨假體初步模型。對髁突部分的設計，根據醫生要求進行降低高度和等比例縮小體積的處理。圖12所示為下頜骨假體(黑色部分)透視圖。

圖12 下頜骨假體(黑色部分)透視圖

顳下頜關節控制人的張口和閉口運動，由肌肉和重力綜合驅動髁突在關節窩內旋轉和滑移。顳骨關節面的凹部為關節窩，容納髁突，下頜骨髁突略呈橢圓形。關節窩比髁突大得多，這使髁突運動時非常靈活，能在較大的窩內做回旋運動，這對咀嚼運動有重要意義。關節窩假體是為了固定下頜骨假體的位置，防止下頜骨假體在咬合過程中錯位，偏離預定的運動軌道。圖13是關節窩假體的設計效果圖。最終的全顳下頜關節整體原位假體設計效果圖如圖14所示。

圖13 病變側關節窩假體設計效果圖

圖14 全顳下頜關節整體原位假體設計效果圖

下頜骨假體的模芯設計采用最大輪廓線分型法，關節窩假體的模芯設計采用局部破壞模芯分型法。采用光固化3D打印成型的樹脂模芯，選擇合適的注塑工藝參數注塑得到個性化PEEK顳下頜關節假體(圖15)，并進行后處理。對二者進行打孔，與采用熔融沉積成型技術3D打印制造的頭顱模型進行組裝，如圖16所示。

圖15 注塑成型的PEEK顳下頜關節假體：(a)PEEK下頜骨假體，(b)PEEK關節窩假體

4.3 個性化PEEK顳下頜關節植入手術

術前，對PEEK假體進行3次無水乙醇超聲波清洗和1次超純水超聲波清洗，密封高溫滅菌；患者進行全口潔牙，并給予漱口水含漱，術前一日預行頜間牽引用牙弓夾板結扎，同時經鼻留置鼻飼胃管。

手術采用常規頜下切口，沿線切開皮膚、皮下及頸闊肌，于頜下腺上緣、下頜下緣下分離出面動脈及面前靜脈，分別結扎并切斷之。依據術前設計，用高速搖擺鋸切斷上頜骨和左側下頜骨，用高速磨頭修整骨斷端，使之達到良好密合。按術前設計先后安裝關節窩假體和下頜骨假體，并于PEEK假體螺孔處用高速鉆對骨骼進行鉆孔，用鈦釘將假體固定于骨骼上。用絲線縫合兩側肌肉，經PEEK假體上預留孔縫扎于PEEK下頜骨假體表面，消除PEEK下頜骨假體兩側死腔。對位縫合下頜骨殘余骨膜、頸闊肌、皮下及皮膚。圖17為個性化PEEK顳下頜關節植入手術現場。

圖17 PEEK顳下頜關節假體植入手術現場照片：(a)PEEK關節窩假體安裝，(b)PEEK下頜骨假體安裝

4.4 治療效果

個體化PEEK顳下頜關節假體被準確地植入到預設位置，整個手術一次性解決了患者下頜骨短小、關節缺失、咬合紊亂、張口偏斜、軟組織不對稱的問題，該病例一次手術實現了原來需要多次手術或多個術區手術才能達到的效果。

患者術后傷口愈合良好無感染，面型明顯改善，張口度與咬合關系均正常。術后CT顯示，顳下頜關節被精確重建，頜骨位置與術前設計匹配度好，平均位置誤差約為1.1 mm。患者術后各項血液檢查指標均正常，患者對手術效果主觀滿意度高。

5 結 論

(1)對PEEK下頜骨植入物裝配的實驗評估結果顯示，PEEK下頜骨假體的設計厚度應不低于2 mm；3 mm及以上厚度的PEEK殼狀樣件剛性較高，不易變形。

(2)體外細胞毒性實驗結果表明，該工藝方案所使用的PEEK原材料和PEEK注塑成型假體對細胞無毒害作用，而且在整個工藝過程中沒有引入新的有毒物質。

(3)PEEK注塑件接觸角測試結果表明，材料具有良好的親水性，表面細胞粘附性能優異。

(4)3D打印技術結合注塑工藝可以精確制造個性化PEEK顳下頜關節假體，結合數字化正頜外科技術，可通過一次手術實現顳下頜關節重建、下頜骨缺損修復和偏頜畸形的精確矯正，手術效果好、手術安全、患者滿意度高，是治療重度“半側顏面短小綜合征”的有效方法。