3D打印生物活性陶瓷增强聚醚醚酮(PEEK)椎间融合器成骨性能研究.pdf

摘要

疾病、生理变形和意外损伤等多种原因造成的大段骨缺损，是临床骨组织修

复中一项巨大挑战。有机高分子材料聚醚醚酮(Polyetheretherketone,PEEK)因其良

好的机械性能和生物相容性被广泛用于骨缺损治疗，然而，PEEK表现为生物惰

性，其低成骨性能限制了大段骨缺损修复。钙-硅-磷(CSP)基生物陶瓷具有良好成

骨性能，传统方法制备的材料机械性能差，无法用于承重部位。本研究以磷酸二

正硅酸钙(Nagel,CaSiPO)为模板，制备兼具机械性能和成骨性能的

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PEEK/Nagel复合椎间融合器，首先，通过熔盐法制备了具有优秀机械性能的

Nagel生物陶瓷。其次，采用直写式三维(3D)打印技术制备了结晶盐协同Nagel构

成双孔支架应用于多级复杂结构骨缺损修复。最后，设计PEEK/Nagel椎间融合

器，并采用直写式3D打印技术制备了多功能支架应用于椎间部位骨缺损修复。

主要研究成果描述如下：

为提升生物陶瓷机械性能，研究高结晶度Nagel材料。采用熔盐法、固相法

和溶胶凝胶法制备材料，在熔盐法中，液相熔盐能加速前驱体材料元素充分扩散，

促进高纯度材料合成，获得结晶度高、粒径分布均匀、颗粒表面平滑的Nagel材

料。通过压模成型技术制备Nagel陶瓷块，熔盐法样品孔隙率低、致密程度高，

机械性能提升约6.07倍，具有稳定降解性能和骨矿化能力，降解过程中不发生溃

散，为提高生物陶瓷机械性能提供了新见解。

为将高结晶度Nagel生物陶瓷应用于复杂多级结构，构建了大孔-微孔双孔支

架。采用3D打印技术制备结晶盐协同Nagel生物陶瓷支架，通过调控结晶盐添加

量，优化支架微孔孔隙结构，提升支架可打印性。采用ANSYS有限元软件对支

架在人体内力学行为进行仿真模拟。实验发现，致密后支架力学性能有所降低但

仍满足多级骨组织部位应用，与软件模拟结果一致。致密后的支架具有良好的生

物降解能力，可直接应用于多级结构部位。

为改善PEEK材料生物惰性，将生物陶瓷与PEEK有机结合。采用3D打印技

术制备PEEK/Nagel复合多孔支架，通过调控陶瓷含量，增强支架可打印性，在

380℃获得了具有良好力学性能的支架。参考人体椎间形状对椎间融合器建模，

对植入体内力学情况仿真模拟。通过实验表明，复合支架强度与仿真模拟一致。

随后进一步研究支架降解性能及体外成骨性能，为研发兼具高力学性能和成骨活

性的复合生物材料提供了新思路。

关键词：骨缺损修复；生物陶瓷；机械性能；仿生；3D打印；椎间融合器

Abstract

Thelargebonedefectcausedbydisease,physiologicaldeformation,andaccidental

injuryisagreatchallengeinclinicalbonetissuerepair.Polyetheretherketone(PEEK)is

widelyusedtotreatbonedefectsduetoitsgoodmechanicalpropertiesand

biocompatibility.However,PEEKisbioinertanditslowosteogenicpropertieslimitthe

repairoflargebonedefects.Calcium-silicon-phosphorus(CSP)basedbioceramicshave

goodosteogenicproperties,butthematerialspreparedbytraditionalmethodshavepoor

mechanicalpropertiesandcannotbeusedforload-bearingparts.Inthisstudy,calcium

diorthosilicatephosphate(Nagel,CaSiPO)was