摘要：据统计在北美和欧洲每年有超过50万名患者需要进行骨骼植入修复手术，其总花费约30亿美元，而在世界范围内，每年需要进行骨骼修复或移植手术的患者达到了220万人以上。

随着运动损伤、先天疾病、人口老龄化等因素引起骨骼损伤患者的增加，骨科植入物的需求也在不断增长。

据统计在北美和欧洲每年有超过50万名患者需要进行骨骼植入修复手术，其总花费约30亿美元，而在世界范围内，每年需要进行骨骼修复或移植手术的患者达到了220万人以上。

常用的骨科植入物材料包括金属、聚合物和复合材料。目前金属材料如钛合金、钴铬钼合金和316L不锈钢被广泛应用于骨科植入物中，具有优异的机械强度和延展性。

然而，金属材料植入物的弹性模量与人体骨骼不匹配，在植入人体后由于其弹性模量远超过人体骨骼，在承受外力时就会造成应力遮蔽效应。

除此以外金属植入物还存在例如腐蚀问题、与磁共振成像（Magnetic resonance imaging，MRI）、电子计算机断层扫描（Computed tomography，CT）等影像技术不兼容等问题。

聚醚醚酮（Poly ether ether ketone，PEEK）属于特种高分子材料，其主链中含有两个醚键和一个酮键，具备耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐辐照、阻燃、无毒等诸多优异性能。

在此基础上，聚醚醚酮材料具有与人体骨骼相近的弹性模量、稳定的物化性能、良好的生物相容性，可以与MRI、CT等医学技术相兼容等特性，被视为替代金属植入物的新型骨科植入物材料。

对聚醚醚酮材料进行纤维增强、填充等改性处理，可以得到性能更优异的聚醚醚酮复合材料。

碳纤维增强聚醚醚酮（Carbon fiber reinforced poly ether ether ketone，CF/PEEK）复合材料是一种以聚醚醚酮为连续相树脂基体，以碳纤维为分散相增强体的复合材料，在保留了PEEK材料优势的同时具有更好的拉伸强度、弯曲强度及弹性模量。

纯PEEK的弹性模量为3.68 ± 0.72 GPa，经碳纤维增强可至21.1 ± 2.3 GPa，与骨组织十分接近，是目前新兴的应用于人体骨科植入物的材料之一。

然而，应变导致的人体骨科植入物脱落是造成植入物失效的重要因素，如何实现人体骨科植入物服役状态的实时监测是检视患者恢复和及时调整治疗方案的关键难题之一。

目前人体骨科植入物的服役状态往往需要使用X射线来进行监测，且集成在骨科植入物上的应变传感器大多是通过光刻方法制造的，并且需要通过环氧树脂牢固地黏附在植入物上，增加制造成本的同时也可能会缩短其使用寿命。

因此，亟需一种便于制造的、能够实时反馈植入物应变状态的人体骨科植入物应变传感器。

为此，针对人体骨科植入物服役状态不便监测这一难题，以碳纤维增强 PEEK材料为基体，在其表面直写监测电路，设计并研发一种功构一体化的、可监测其应变状态的CF/PEEK基骨科植入物应变传感器。

并对不同的基体成形方式、电路成形参数进行研究，探究3D打印成形、编织预浸料热压成形、单向预浸料热压成形、交叉预浸料热压成形四种基体成形方式。

导电银浆点胶直径、点胶速度、点胶长度、固化温度、对不同基体的润湿性等电路成形参数对该用于CF/PEEK基骨科植入物应变传感器的力学性能、电学性能、应用性能的影响。

从而为CF/PEEK基骨科植入物应变传感器的一体化成形及监测提供一种技术途径。

PEEK在骨科植入领域应用现状分析目前，由于PEEK材料优异的防腐性、耐磨性、生物相容性等特点，越来越成为人体植入物的首选材料。

在此之前，骨科植入物材料以钛合金为主，但随着高分子科学的迅速发展以及材料领域的突破，高分子及其复合材料在医疗领域的应用愈发广泛。

自PEEK材料应用于临床医疗以来，作为新型的骨科植入物材料应用于牙科、骨科等众多领域。

特别是PEEK材料拥有接近人体骨骼的弹性模量、 与X射线、MRI兼容等特性，使其在人体骨科植入物领域拥有广泛的应用空间。

评估了钛合金以及聚醚醚酮材料修复牙槽骨的临床效果，并对伤患者进行了手术前、手术后一周、手术后6个月的影像学评估，发现所有病例患者的伤口愈合顺利，骨增长量良好。

研发了一种通过3D打印PEEK植入物对下颌骨缺陷进行修复的方法， 结合生物活性评价了该植入物在咀嚼过程中的性能，并对植入体的生物力学和力学特性进行了研究，从而证明了修复方法的安全性及实用性。

采用3D打印技术制备了钡/聚醚醚酮复合材料颞下颌关节髀突假体， 并使用比格犬作为生物植入对象。

结果表明，所有比格犬下颌关节植入物兼容良好，下颌功能无明显改变，证明了PEEK材料作为颞下颌关节髀突假体的可行性。

对熔融沉积成形及选择性激光烧结成形的PEEK髁突假体进行了有限元分析和压缩性能测试，对其力学性能及应力分布进行了评估。

结果表明，3D打印 PEEK假体具有均匀的应力分布和较好的机械力学性能。

由于患者损伤部位不同，所需的骨科植入物也不尽相同，为了满足患者个性化的植入物需求，采用3D打印技术来制造人体骨科植入物成为了优选的方案。

采用选择性激光烧结和熔融沉积成形工艺制备了PEEK支架生物反应器。

采用熔融沉积成形工艺制备了应用于骨科的PEEK植入物，并根据 PEEK材料的熔点、层间附着性等研究了PEEK材料的可打印性，实现了成本缩减。

研究了纯PEEK、填充二氧化钛粉末的PEEK、填充硫酸钡粉末的PEEK、填充碳纤维的PEEK材料的弹性模量及抗压强度等参数，表明PEEK材料及上述PEEK增强材料作为牙科植入物材料均有较好的性能。

探讨了增强聚醚醚酮复合材料固定义齿的不同制作方法对断裂载荷的影响，并对断裂载荷进行了数据统计分析，证明了预压能够增加PEEK 修复体的稳定性和可靠性。

采用注塑成形技术制备了聚醚醚酮复合材料股骨柄假体，并分析对比了聚醚醚酮植入物及传统金属骨科植入物在应力载荷下的力学及应力屏蔽性能， 结果表明聚醚醚酮复合材料植入物较金属材料植入物有更好的性能。

研究发现使用聚醚醚酮复合材料制备髋臼杯植入物的磨损率低于超高分子量聚乙烯材料，因此可以使用PEEK复合材料来延长髋关节植入体的寿命。

PEEK改性方式及应用领域现状分析PEEK材料的各项性能已被证明在人体骨科植入领域具有广阔的前景。

对PEEK 进行共混、填充、纤维复合等增强改性处理，可以得到性能更加突出的PEEK复合材料，其被称为“21世纪最有前途的材料”。

CF/PEEK复合材料是指碳纤维以颗粒、粉末、织物或连续纤维的形式掺入PEEK 基的复合材料。

其中医疗、军工等行业大多采用粉末热压成毛坯再加工成形，当连续纤维或织物增强时，复合材料的性能可以进一步提高。

CF/PEEK复合材料具有更优异的拉伸强度、抗弯强度和耐热性能，其密度只有1.7 g/cm3，不到钢的1/4，但强度是钢的几倍。

除此以外，CF/PEEK复合材料还具有重量轻、强度高、耐高低温、热膨胀系数小、一定的导电性和导热性、X光透光性好、生物相容性好等优点。

采用30%碳纤维增强的聚醚醚酮复合材料，在室温下其抗拉强度相比于纯PEEK 材料增加了一倍，在150 ℃下增加了两倍。

此外，碳纤维增强后的聚醚醚酮材料在抗弯强度、弹性模量和冲击强度上也有较大的提升，热变形温度可达300 ℃以上。

复合材料的冲击能量吸收率直接影响复合材料在冲击过程中的性能，碳纤维增强聚醚醚酮复合材料显示出高达180 KJ/kg的比吸能能力。

经碳纤维增强后的PEEK材料还能在一定程度上降低PEEK的热软化效应，形成高强度的转移膜，有效保护接触区域。

因此，CF/PEEK复合材料的摩擦系数和磨损率明显低于纯PEEK，采用碳纤维增强聚醚醚酮复合材料进行零部件的制造，可在一定程度上避免出现金属或陶瓷材料的表面裂纹等缺陷。

以多壁碳纳米管、纳米羟基磷灰石和碳纤维对聚醚醚酮进行增强，实验结果表明，碳纤维的表面粗糙度增加，多壁碳纳米管/纳米羟基磷灰石/碳纤维/聚醚醚酮四元复合材料的强度和弹性模量得到了很好的优化。

对69名植入脊椎螺钉的患者的愈合情况进行了评估，发现使用碳纤维增强改性聚醚醚酮植入物的患者，其术后成像检测时，相比于钛合金植入物成像伪影大幅度降低，这有助于术后放射规划和检测局部病情复发。

通过热压成形和注塑成形的方法制备不同种类和含量的碳纤维增强聚醚醚酮，对其力学性能和热学性能进行检测，并与传统纯钛植入物材料进行对比。

结果表明连续碳纤维增强聚醚醚酮的强度和硬度达到与纯钛相当的水平，且弹性模量仅为纯钛的一半，与骨组织的生物力学相容性好。

来源：Mr王医学科普