基于3D打印树脂模具的注塑聚醚醚酮下颌骨植入物的初步临床应用研究

2024-01-08刘绘龙孙文森陈若梦王春雨刘彦普刘亚雄

中国材料进展 2023年12期

刘绘龙，田磊，孙文森，秦勉，陈若梦，吴艳，王春雨，刘彦普，刘亚雄，5

(1.郑州大学第一附属医院医学3D打印中心，河南郑州 450052)(2.空军军医大学第三附属医院口腔颌面外科，陕西西安 710032)(3.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西西安710049)(4.唐山学院河北省智能装备数字化设计及过程仿真重点实验室，河北唐山 063000)(5.季华实验室，广东佛山 528200)

1 前言

由创伤、疾病、先天畸形等引起的骨缺损是世界范围内一个具有重大挑战性的临床问题[1-3]。据统计，在美国和欧洲，每年约有50万名患者面临着骨缺损修复的问题，预估费用超过30亿美元[4，5]；在全世界范围内，每年有超过220万例骨缺损(如骨科、神经外科和口腔科等)需要进行骨移植手术[6-9]。因此，开发出理想的骨骼替代物以满足临床骨缺损修复的任务迫在眉睫[10，11]。

理想的骨植入物(骨替代物)材料应具有良好的生物相容性、生物可降解性、骨传导性、成骨性和骨诱导性等，且机械强度和弹性模量应与人体自然骨接近[12-14]。目前常用的骨替代物材料有钛合金、不锈钢、氧化锆、生物陶瓷和高分子聚合物等[15]。然而，金属材料的弹性模量往往是人体自然骨的数十倍，会产生应力屏蔽现象，导致植入物松动和骨萎缩[16，17]。此外，有些金属植入物在人体环境内可能会向周围组织释放出对人体有害的金属离子[18]。陶瓷材料典型的脆性和低韧性限制了它们在骨替代物领域的应用[19]。

聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone，PEEK)以其较高的力学性能、化学稳定性、生物稳定性和生物相容性而闻名，受到越来越多生物医学及生物材料领域科研人员的关注[20-23]。

针对作者课题组提出的利用光固化3D打印树脂模具注塑成型PEEK植入物的工艺方法，作者课题组已发表了工艺探索和成型精度方面2篇论文[11，24]，结果表明，采用该工艺方法制造具有良好的综合力学性能的个性化PEEK植入物是可行的，而且光固化3D打印树脂模芯在极端注塑条件下仍具有良好的保形能力，完全可以注塑高熔点 PEEK 植入物，其成型精度可以通过设计模型的缩放补偿来保证。在此基础上，本文进一步对PEEK下颌骨植入物装配安全性进行评估，对PEEK原材料和PEEK注塑成型植入物进行体外细胞毒性实验，最后对PEEK注塑成型下颌骨进行初步临床应用研究。

2 PEEK下颌骨植入物装配安全性评估

与钛合金植入物相比，PEEK植入物主体部分与残余骨骼相连接的连接板强度往往较弱，在紧固过程中可能发生应力集中甚至破裂，因此需要对连接板受力变形进行实验研究。

在体外模拟安装PEEK下颌骨假体过程中，发现PEEK假体与自体骨接触存在一定的缝隙，形成假体与骨骼的悬空接触固定，需要钛合金螺钉压迫PEEK假体变形，以达到假体与自体骨贴合固定。此处需要测量PEEK下颌骨假体的韧性和抗弯性能，防止螺钉压迫变形导致PEEK假体开裂。

骨骼表面一般为光滑圆弧状，所以骨骼和假体的接触一般为2个圆弧状的匹配，存在如图1所示的3种接触类型(剖面下部为人体骨骼，上部为下颌骨假体)。第1种为边缘接触、内部架空的接触，后期通过螺钉压紧极易形成内应力并导致植入物的破裂；第2种为完全接触，这种在理论上很难实现，但在误差不大的情况下，实际接触效果最好；第3种为中心接触，螺钉压紧不会导致植入物的内应力，但接触面积小于第2种，且接触有缝隙。此处主要分析第1种这种具有破坏性的连接方式下PEEK假体受力及变形情况。

图1 植入物与骨骼的接触情形

2.1 实验设计

PEEK下颌骨假体是个体化定制设计的，因此没有固定的尺寸特征。一般将假体固定端类比为弧状薄壳结构，然后测量获得弧状薄壳结构的厚度、宽度和弧度。测量本研究所制造的PEEK下颌骨假体可得到：下颌骨假体的固定端厚度为2.05 mm，宽度为13.43 mm，弧度半径为 7.59 mm。

设计如图2的结构模拟PEEK假体与人体骨骼的装配关系。根据以上实际尺寸参数，装配实验的结构的尺寸参数包括：薄壳厚度b、接触前最大垂直高度h、接触连接的跨距L。设计并制备9组(每组3个样件)不同尺寸参数的薄壳结构，PEEK弧状薄壳结构与底面的接触连接跨距L均为13 mm；薄壁厚度b分别为1，2，3 mm；两接触面接触前最大垂直高度h分别为2.3，3.2，3.7 mm。对这些样件分别进行强制压迫连接实验，统计最终薄壳结构破裂的结果。

图2 压弯实验的模型设计

2.2 实验过程

使用高分子模芯注塑获得PEEK弧状薄壳样件。手术中使用直径为1.8 mm的钛合金螺钉连接PEEK假体与骨骼，在制造的PEEK薄壳样件中部钻取直径为2 mm安装孔。

实验选用M2螺栓连接，螺栓压迫PEEK薄壳样件与金属底面贴合。安全指的是在M2螺栓拧紧过程中未出现破裂的情况。在实验中若M2螺栓在压迫拧紧过程中出现滑丝等现象，无法提供足够的压紧力，换用台虎钳提供压迫力，直到样件出现破坏，该情况仍视为安全，其仅用于研究此类厚壁样件的破坏形式及类型。PEEK薄壳结构部分样件压弯前如图3所示，PEEK薄壳结构部分样件压弯后如4所示。

图3 PEEK薄壳部分样件压弯前宏观照片

图4 PEEK薄壳部分样件压弯后宏观照片

2.3 实验结果分析

图5统计了不同厚度和不同接触前最大垂直高度的PEEK薄壳样件经过压弯连接实验后的破裂程度。

图5 PEEK薄壳压弯连接实验的结果统计

在实验中发现部分2 mm厚度及全部3 mm厚度的PEEK样件无法通过M2螺栓压紧破坏，需借用台虎钳提供压力进行压紧。接触前最大垂直高度为3.7 mm的样件易发生弯曲断裂破坏。相同的接触前最大垂直高度，2 mm厚度PEEK薄壳样件弯曲安全系数高于1 mm厚度的PEEK薄壳样件。观察破损PEEK样件可以看出，1 mm厚度的PEEK薄壳强度不高，易引起撕裂破损。由图5统计结果可知，在设计PEEK假体时厚度应不小于2 mm，而3 mm及以上厚度的PEEK壳状样件强度较高，在螺栓固定过程中不易破坏。因此，在PEEK下颌骨假体的设计和装配中，保证PEEK下颌骨假体固定端最小厚度高于2 mm，假体大部分厚度处于3 mm及以上范围，装配间隙在0.2 mm以内，通过螺栓固定压紧就不会造成PEEK假体固定过程中的破坏。

付军科认为，ERAS不仅仅是一项技术，更多的是一种理念的更新，其核心就是围绕患者围手术期的加速康复采取一系列优化措施。“这和国家讲的时刻为患者利益考虑，让患者获得优质医疗服务的理念是高度契合的。”付军科说，本着这样的核心理念，以患者为中心，想办法预防一些并发症的发生，就会自然启动ERAS的各个程序，伴随而来的便是医疗质量的提升及对精细化医疗管理的践行。

图6为根据实际情况绘制的加压接触时破裂试样示意图，破裂位置均从螺纹孔中心穿过，且弧状薄壳结构的厚度越大，其内侧的弯曲应力越大，属于典型的弯曲破坏。随着PEEK试样的厚度增加，加压后试样的状态由屈服变为断裂。

3 PEEK植入物细胞毒性实验

3.1 实验方法

采用体外细胞毒性实验对原材料和注塑成型植入物进行检测。

首先将L929小鼠成纤维细胞加入到96孔板中，保持恒定的温度和二氧化碳浓度培养24 h使细胞处于对数生长速度阶段，然后分别向其中加入PEEK原材料和PEEK注塑成型植入物的浸提液，孵育24 h，最后通过细胞形态学和细胞生长能力进行评价，与对照组细胞进行比较，评价各个浓度PEEK原材料和PEEK注塑成型植入物材料浸提液的细胞毒性。细胞形态学评价相对比较初浅，作为辅助方法。细胞生长能力评价通过CCK-8试剂盒检测完成。

3.2 实验步骤

(1)孵育细胞：制备细胞悬液，调整细胞密度为1×105cells/mL。向96孔板的每个孔中加入100 μL培养基，再向其中加入100 μL细胞悬液，相当于每孔104个细胞。孵育24 h在孔板形成半融合单层，在倒置相差显微镜DMIRBHC下检查培养板各孔细胞增长是否相对相等。

(2)加入浸提液孵育：浸提液是由供试品按照0.1 g/mL的比例浸于培养基中放置24 h得到100%浸提原液，接着用培养基进行稀释，分别制备75%浸提液、50%浸提液和25%浸提液。向每孔加入100 μL系列浓度的浸提液、阴性对照组、阳性对照组、空白组(表1)，

表1 样品编号及浸提液制备

再孵育24 h。其中，阴性对照组为高密度聚乙烯浸提液，阳性对照组为含0.64%苯酚的培养液，空白对照组为含5%胎牛血清的新鲜培养液。

(3)移除培养基，在每孔加入100 μL新鲜培养液和 10 μL CCK8溶液，将培养板在培养箱内孵育3 h，用酶标仪测定培养板实验样品在450 nm处的吸光度，计算得到细胞存活率。

3.3 实验结果与评价

(1)形态学观察：用浸提液培养24 h后，使用相差显微镜观察对照组、实验组中细胞的生长特性，由于实验组较多，仅选取A1组、B4组、阴性对照组、阳性对照组及空白对照组进行展示。细胞形态照片见图7～9。从图7和图8可以看出：无论是PEEK原材料浸提液还是PEEK注塑成型植入物的浸提液培养的细胞，均增殖明显，细胞轮廓清晰。图9b显示，阳性对照组中细胞边缘毛糙，生长状态不佳，无细胞活性，可见受到苯酚培养液的毒性破坏。

图7 在不同浓度PEEK原材料浸提液(A1)培养后的细胞形态

图8 在不同浓度PEEK注塑成型植入物浸提液(B4)培养后的细胞形态

图9 对照组中细胞形态

(2)细胞生长能力评价：实验并计算得到在各浓度PEEK原材料和PEEK注塑成型植入物材料的浸提液培养后的细胞存活率，列于表2。从表2可以看出，在PEEK原材料和注塑成型植入物的浸提液中培养后，细胞存活率均在90%以上，CCK-8染色结果和形态学观察结果一致，表明：PEEK原材料和注塑成型植入物对细胞均无毒害作用。

表面细胞粘附性能是骨植入物重要的评价指标，而材料表面的亲水性又对该性能具有极大的影响。接触角是表征材料表面亲水性的一种简单有效的方法。如表3所示，测得PEEK注塑件的平均接触角为59.8°，而亲水性与疏水性的接触角界限为90°，因此PEEK注塑件具有良好的亲水性，这将为细胞粘附提供有利条件，在一定程度上证明了PEEK注塑件植入物具有良好的生物相容性。

表3 PEEK注塑件接触角测量结果

4 个性化PEEK下颌骨植入物临床应用

4.1 患者病情及手术方案

患者女性，26岁，首诊首治。图10是患者的头部CT图像，病人患有重度“半侧颜面短小综合征”，自幼面部发育不良，一侧颞下颌关节先天性缺失，另一侧畸形生长，严重影响其正常容貌及进食、语言等生理功能。

图10 患者头部CT图像及三维重建模型

医生和作者课题组联合讨论后确定治疗方案：上颌骨高位Le Fort I型截骨、左侧下颌骨矢状劈开术、右侧颞颌关节置换术。计划采用数字化正颌外科技术联合个体化PEEK全颞下颌关节重建的方法，精确恢复患者颌骨完整性，重建正常面容和咬合功能。

将患者的头部CT数据导入Mimics软件中重建，进行术前手术模拟分析，确定截骨线的位置和牵引向量以及拟牵引长度，并制作手术导板。先对上颌骨进行Le FortⅠ型截骨，然后将上颌骨旋转、下降，通过预先设计制备的3D打印手术导板定位骨骼的摆放位置和距离，用钛合金接骨板固定上下颌的骨骼，然后进行PEEK假体的植入。正颌手术方案及效果模拟图如图11所示。

图11 正颌手术方案(a)及效果(b)模拟图

4.2 个性化PEEK颞下颌关节设计与制造

根据医生的手术方案，将病变部分骨骼切除，然后利用颌面骨骼先天自然对称原则，参照左侧下颌骨原始数据，通过镜像、布尔运算等命令，设计制作出右侧下颌骨假体初步模型。对髁突部分的设计，根据医生要求进行降低高度和等比例缩小体积的处理。图12所示为下颌骨假体(黑色部分)透视图。

图12 下颌骨假体(黑色部分)透视图

颞下颌关节控制人的张口和闭口运动，由肌肉和重力综合驱动髁突在关节窝内旋转和滑移。颞骨关节面的凹部为关节窝，容纳髁突，下颌骨髁突略呈椭圆形。关节窝比髁突大得多，这使髁突运动时非常灵活，能在较大的窝内做回旋运动，这对咀嚼运动有重要意义。关节窝假体是为了固定下颌骨假体的位置，防止下颌骨假体在咬合过程中错位，偏离预定的运动轨道。图13是关节窝假体的设计效果图。最终的全颞下颌关节整体原位假体设计效果图如图14所示。

图13 病变侧关节窝假体设计效果图

图14 全颞下颌关节整体原位假体设计效果图

下颌骨假体的模芯设计采用最大轮廓线分型法，关节窝假体的模芯设计采用局部破坏模芯分型法。采用光固化3D打印成型的树脂模芯，选择合适的注塑工艺参数注塑得到个性化PEEK颞下颌关节假体(图15)，并进行后处理。对二者进行打孔，与采用熔融沉积成型技术3D打印制造的头颅模型进行组装，如图16所示。

图15 注塑成型的PEEK颞下颌关节假体：(a)PEEK下颌骨假体，(b)PEEK关节窝假体

4.3 个性化PEEK颞下颌关节植入手术

术前，对PEEK假体进行3次无水乙醇超声波清洗和1次超纯水超声波清洗，密封高温灭菌；患者进行全口洁牙，并给予漱口水含漱，术前一日预行颌间牵引用牙弓夹板结扎，同时经鼻留置鼻饲胃管。

手术采用常规颌下切口，沿线切开皮肤、皮下及颈阔肌，于颌下腺上缘、下颌下缘下分离出面动脉及面前静脉，分别结扎并切断之。依据术前设计，用高速摇摆锯切断上颌骨和左侧下颌骨，用高速磨头修整骨断端，使之达到良好密合。按术前设计先后安装关节窝假体和下颌骨假体，并于PEEK假体螺孔处用高速钻对骨骼进行钻孔，用钛钉将假体固定于骨骼上。用丝线缝合两侧肌肉，经PEEK假体上预留孔缝扎于PEEK下颌骨假体表面，消除PEEK下颌骨假体两侧死腔。对位缝合下颌骨残余骨膜、颈阔肌、皮下及皮肤。图17为个性化PEEK颞下颌关节植入手术现场。