3D打印材料聚醚醚酮支架在耳廓再造中的应用前景

吴 迪， 钟自玲， 韩 星(综述)， 瞿申红(审校)

聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)是聚芳醚酮(polyaryletherketone,PAEK)家族的重要成员之一，具有耐水解、易加工、耐受消毒处理、化学稳定性好等优良性能，在植入材料领域有着很大的发展前景[1]。近年来，PEEK被广泛应用于整形外科、口腔、骨科、脊椎植入及心脏瓣膜等医疗领域，并取得了良好的临床效果。随着整体医疗水平的提升，3D打印技术在耳廓再造领域中应用也逐渐增多。为此，本文通过查阅相关文献，介绍了3D打印PEEK支架在耳廓再造中的优点，总结了3D打印材料PEEK在国内外的研究进展，并展望了结合3D打印技术制备个性化PEEK植入物或假体的应用前景[2-3]。

1 耳廓再造现状

先天性小耳畸形、外伤或手术原因造成的耳廓缺失，一定程度上影响患者心理健康，降低其生活质量。解决这些问题主要是通过耳廓再造的方式对患耳进行重塑[4]。近年来，临床治疗耳廓缺损再造以手术为主，包括自体肋软骨移植和异体植入[5]。自体肋软骨移植已被广泛接受，即通过切取患者同侧肋软骨，人工雕刻成耳廓形状，然后将其植入缺损耳处的皮下的方式，用患者皮肤包覆人造耳。但是自体肋软骨移植的局限性很大，原因在于：(1)需要取患者的肋软骨进行雕刻，易引起气胸、肺不张、呼吸困难等并发症[6]；(2)手工雕刻肋软骨对医师的技术要求很高，往往需要一个团队共同来完成，而一旦雕刻失败，将对患者造成严重后果[7]；(3)自体肋软骨雕刻适用范围小，仅适用于年龄较小、胸肋骨发育正常、软骨生命力旺盛的儿童；(4)雕刻的肋软骨对肋骨的要求较高，只有没有钙化、生长良好、没有感染的软骨才适用于移植耳雕刻。高密度多孔聚乙烯耳廓重建是自体肋软骨的一种替代选择。有研究表明，高密度多孔聚乙烯材料制作的耳支架虽然成功移植入人体，但外耳轮质地偏硬，不耐摩擦，受压易产生变形，容易出现支架外露[8]。因此，三维扫描、建模和打印技术的最新进展将大大有助于耳廓畸形的治疗和重建选择，从而提高患者生活质量[9]。耳廓再造的现状推动我们寻求更好的耳廓修复方式，3D打印支架和打印材料的研究逐渐成为现代植入领域的热点研究[10-11]。

2 3D打印技术在耳廓修复的应用现状

3D打印是近10年来新兴的多学科交叉技术，它能满足患者的个性化需求[12]，因此越来越受到外科医师和科研人员的重视，近几年在医学领域发展迅速[13-14]。同样3D打印技术在耳廓畸形再造的应用中能提供定制的三维框架，被认为能很好地替代传统手术方法[15]。Jeon等[16]对7例耳廓畸形儿童的健侧耳朵进行三维扫描生成耳廓模型进行简单的耳廓重建，减少了手术期间不必要的工作量。Zhu和Chen[17]对20例小耳畸形患者分别利用3D打印模板模型进行耳廓重建与传统二维模板重建，术后满意度比较，得出前者取得了较好的临床效果。Chen等[5]利用60例小耳畸形患者健侧耳廓资料，通过3D打印重建出患侧耳廓实体模型并应用于耳廓再造术，缩短了平均手术时间，同时在耳廓的位置和外观上有较高的满意度[18]。

3 基于PEEK的3D打印

3.13D打印技术原理 医学3D打印技术是一种以数字模型为基础，利用各种成型工艺逐层打印出三维实体的技术[19]。3D打印技术之所以适用于植入性假体的制作，主要有以下原因：(1)可以根据患者需求，利用CT、MRI等数据打印个性化植入支架，定制出任意复杂形状和结构；(2)3D打印操作简单，对专业技能要求较低，短时间即可打印出符合病情的假体[2]。3D打印耳廓假体流程见图1。

图1 3D打印耳廓假体流程图

3.2PEEK作为耳廓再造植入材料所需性能 随着3D打印技术在耳廓畸形修复中的不断发展，对3D打印所需要的材料要求也越来越高。选择材料要考虑生物相容性、安全性等诸多因素[7]。耳廓支架植入物的材料应具备以下特点：(1)植入材料应具有生物安全性，对人体组织不产生毒性和致敏性，无刺激性和致癌性[20]。(2)具有良好的生物相容性，即能与人体的组织器官和免疫系统等长期共存，不会产生排斥反应和组织坏死、癌变等反应[21]。(3)具有足够的化学稳定性。耳廓支架植入后会长期与组织贴附，材料必须是耐生物老化，不与组织发生化学反应。(4)具有良好的力学性能。因为外耳的受力比较复杂，在受外力作用下必须拥有足够的强度，保持植入的耳廓支架形状不发生改变。

3.3PEEK基本性能 根据以上耳廓植入物所必备特点分析PEEK作为耳廓再造材料的优势，整体来说PEEK具有良好的生物相容性、化学稳定性和力学性能，并且具有放射线透过性及MRI扫描不会产生伪影等优点。

3.3.1 生物相容性 PEEK具有良好的生物相容性，这是判定一种材料是否适用于植入人体最基本的要求。Zhao等[22]通过磺化和磺化后水浸的研究方法制备了具有生物官能团的多孔结构，实验结果表明PEEK具有良好的生物相容性，且经过改性PEEK适合于矫形外科植入物。刘利君等[23]通过对急性毒性和溶血试验结果的收集和分析，认为PEEK具有良好的生物相容性。Rivard等[24]通过向12只新西兰大白兔神经组织内注射高浓度的PEEK颗粒的方法评估PEEK的生物相容性，结果显示硬膜和神经根未见明显坏死和肿胀，表明PEEK能够很好地与周围组织相适应。

3.3.2 细胞毒性 Zhao等[25]通过培养对数生长期的L929成纤维细胞系检测PEEK的体外细胞毒性，结果发现细胞接触PEEK 24 h后，培养基内成纤维细胞的存活率高达98%以上，未出现细胞毒性反应。Katzer等[26]通过细菌培养的方法研究PEEK是否有细胞毒性致突变效应，研究结果提示即使在高PEEK浓度的条件下，同样活体细胞数目中存活的菌落数仍在溶剂控制范围内或低于溶剂控制范围，未发现PEEK直接损伤细胞的证据。Kurtz和Devine[27]研究认为，PEEK在临床应用中至今还未发现有致癌性的任何证据。

3.3.3 化学性能 PEEK分子链上的苯环是通过对位的醚键和酮键连接而成，形成了相对稳定的共轭结构，分子链上的轨道电子具有很高的离域效应，使得PEEK具有良好的化学稳定性，除浓硫酸外，PEEK几乎可以耐受所有的化学试剂，能很好地适应体内的酸碱环境[27]。

3.3.4 阻射性 PEEK作为生物材料还具有独特的分析和成像能力，具有X射线、MRI和CT等在扫描时不产生伪影和放射线透过性等优点，此性能可以实现通过CT和核磁成像辅助手术操作，术后更好地评估恢复情况[28]。这也是PEEK在医疗领域的重要应用，例如作为腰椎融合器、心脏瓣膜等非金属材料，同样在耳廓再造领域也有着很好的应用前景。

3.3.5 力学性能 PEEK具有良好的延展性、较高的拉伸强度和断裂强度，弹性模量为3～4 GPa，接近人的骨密度，这使PEEK不会因应力遮蔽造成骨吸收[29]。Deng等[30]通过对PEEK试件的弯曲强度和破坏强度的研究，反映了其塑性变形能力，表明PEEK能够承受一定的塑性变形。满足在耳廓复杂的受力环境中，能够保持支架不发生变形，从而保证耳廓支架植入手术的成功率。

3.3.6 生物惰性 PEEK具备植入物的优点，也存在自身不足。因为PEEK本身存在一定的生物惰性，使得材料表面生物活性低，与人体组织的粘接性不高，针对这一研究热点进行了大量的实验，通过对PEEK表面进行改性，达到提高PEEK的生物活性的目的。有研究表明利用湿化学法使PEEK携带-ONa，OH，F，OH(CFCl3)等官能团增加其生物活性[31]，见图2。通过紫外光处理的方式同样可以增加PEEK的表面活性。通过加速中性离子束的方式可以使PEEK与人体组织具有更好的粘接性[32]。

ⓐ未处理的材料表面；ⓑ具有官能团的材料表面

4 结语

PEEK目前在耳廓再造的应用中主要以模型教学为主，虽然目前还未有文献和临床报道PEEK用于耳廓再造的临床病例，但随着3D打印技术的不断成熟和对打印材料的不断探究，人们对医用材料要求也会越来越高，而对于PEEK这种全能型高分子材料的要求也会越来越严格。为了满足未来医学领域对PEEK的需求，研究人员会探究更适合的添加材料及成分比例，制备出更适用的医用PEEK，使其在医疗应用领域拥有更广阔的前景，在耳廓的修复与重建中有望逐渐替代传统修复材料。