“了解金屬的人會選擇塑料”，這句名言來自機械工程領域。按照工程師們的意思，塑料通常是更令人信服的金屬替代品。這種方式的改變現(xiàn)在也進入了醫(yī)學領域：創(chuàng)新型特種材料和增材制造帶來的新的技術可能，正在把高性能聚合物推向新高度。

聚合物用于植入物有著悠久的傳統(tǒng)：超交聯(lián)聚乙烯通常作為金屬或陶瓷的摩擦配合用材，被制成人工膝關節(jié)和髖關節(jié)。自20世紀80年代以來，高性能聚合物聚醚醚酮（PEEK）就一直作為鈦的補充材料，用于植入物。生物可吸收聚乳酸基聚合物由于能被人體自然降解，不留下任何異物，已經(jīng)在骨科應用了30多年。

長久以來，生產(chǎn)中存在的一些難題尚未解決：標準工藝是注射成型，特別是針對患者用的植入物，需要對半成品進行銑削，高達80%的材料可能會損失掉。

醫(yī)療技術中的3D打印

增材制造為個性化生產(chǎn)開辟了新途徑。它給植入物帶來的優(yōu)勢比其它任何領域都更為明顯，可為每位患者定制產(chǎn)品。塑料增材制造業(yè)的突破近在眼前，主要體現(xiàn)在三個方面：

◆有質(zhì)量保證的合適材料和相應的記錄可供植入物使用。

◆打印技術獲得進步，已經(jīng)能可靠地生產(chǎn)出高品質(zhì)部件。

◆根據(jù)醫(yī)療部門的質(zhì)量管理標準，建立適合生產(chǎn)的流程。

現(xiàn)在，由于第一次滿足了上述條件，原材料生產(chǎn)商、打印機制造商和醫(yī)療設備制造商之間結(jié)成的聯(lián)盟可以為這項技術帶來突破。

可打印的植入級線材

圖 1：Apium Additive Technologies 用 Vestakeep 經(jīng) 3D 打 印 的 柔性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

贏創(chuàng)是世界上最早為長期植入物提供3D打印醫(yī)用級線材的企業(yè)之一，包括旗下Vestakeep品牌提供的高性能聚合物PEEK，或是可以含有聚乳酸成分的Resomer品牌系列的可吸收聚合物。

為了充分挖掘3D打印在醫(yī)療領域的潛力，價值鏈中所有參與者的協(xié)作必不可少。例如，在過去幾年里，贏創(chuàng)與各種打印機制造商保持合作。這些3D打印設備制造商也成功地進一步改進了熔絲制造（FFF）設備。

圖 2：Resomer 線材打印的植入物樣本（? Evonik）

這次合作的一個重要發(fā)現(xiàn)是，打印策略對結(jié)果有決定性的影響（標題圖）。此外，不同打印層之間的結(jié)合強度對植入物的性能至關重要。這意味著，只有材料和設備生產(chǎn)商緊密合作，共享信息，用戶才能獲得良好的3D打印效果。

常規(guī)的臨床實踐也必須考慮在內(nèi)，贏創(chuàng)和Meditool之間的合作也說明了這一點。贏創(chuàng)的風險投資部門直接投資的這家總部位于上海的企業(yè)，利用計算機斷層掃描等成像技術的數(shù)據(jù)打印出PEEK植入物。其創(chuàng)始團隊擁有多年醫(yī)藥和工業(yè)經(jīng)驗，因此，雙方的聯(lián)合開發(fā)工作可以直接將手術室的要求以及當前的學術和臨床研究納入考慮范圍。

在歐洲，贏創(chuàng)與德國卡爾斯魯厄的ApiumAdditiveTechnologies，以及德國慕尼黑的Kumovis等公司進行密切合作。除了活躍于植入物領域，Apium還專注于探索將增材制造應用于牙科醫(yī)學中的可能。兩家公司都可提供醫(yī)療技術專用打印機。Kumovis開發(fā)的一種新型的溫度和潔凈度管理系統(tǒng)，顯著提高了3D打印部件，尤其是高性能塑料3D打印部件的質(zhì)量。

表 1：Resomer 線材特性（資料來源：贏創(chuàng)，表格：?Hanser）

贏創(chuàng)與其合作伙伴們一起，證明了在現(xiàn)階段，通過增材制造生產(chǎn)的零件可以達到與注塑件相同的機械性能。為了更好地利用3D打印的各種參數(shù)，我們有必要透徹了解打印過程和待打印部件的具體特征?？蛻舴答佭€表明，除了可打印性能優(yōu)異，Vestakeep的層間結(jié)合強度優(yōu)于其它PEEK聚合物。盡管PEEK通常被認為是一種非常堅硬的材料，但令人驚奇的是，這種材料卻可以通過3D打印技術打印出柔性結(jié)構(gòu)，如網(wǎng)格。因此，這在諸如心血管領域打開了新的應用空間（圖1）。

圖 3：用 Resomer 聚物材料打印和注塑的部件的機械性能（來源：贏創(chuàng)；圖表：? Hanser）

在開發(fā)Resomer的過程中，贏創(chuàng)公司有意識地設計出用途盡可能廣泛的生物可吸收分子的組合，其中以聚乳酸（PLA）、聚己內(nèi)酯（PLGA）、聚己內(nèi)酯和聚二氧烷作為基礎原料。通過這種方法，我們可以獲得幾個月至數(shù)年的體內(nèi)吸收時間。該線材組合還包括具有骨科應用所需機械強度的材料，如PLA和PLGA（植入物樣品見圖2）以及可用于再生醫(yī)學和軟組織替代品的柔性塑料（如聚二氧烷酮和聚己內(nèi)酯）。表1簡單介紹了可用的線材。

圖 4：3D 打印聚己內(nèi)酯基 Resomer 線材的掃描電子顯微照片（? Evonik）

3D打印的Resomer拉伸試樣桿的機械性能與對應的注塑件幾乎沒有區(qū)別。圖3為一些樣品結(jié)果，圖4為樣件表面的掃描電子顯微圖。其性能取決于打印策略和所用設備。通過選擇恰當?shù)膮?shù)，3D打印部件可以獲得與常規(guī)生產(chǎn)部件相似的強度。

圖 5：3D 打印工件中的微孔結(jié)構(gòu)有助于加速 成骨細胞的生長（? 贏創(chuàng)）

直到2020年2月，贏創(chuàng)推出全球第一款按照GMP標準商業(yè)化生產(chǎn)的SLS（選擇性激光燒結(jié)）專用粉末材料——生物可吸收Resomer材料PrintPowder。激光燒結(jié)技術也首次得以用于生產(chǎn)供臨床用、機械性能得到精確調(diào)節(jié)的復雜可生物吸收植入物。

3D打印帶來更高的設計自由度

圖 6：細胞在聚乳酸和聚己內(nèi)酯表面的附著情況（來源：贏創(chuàng)；圖片：? Hanser）

增材制造以其獨特的可能性，與當前的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法相補充。它減少了材料消耗，并開啟了前所未有的全新設計可能。如，贏創(chuàng)與美國FossiLabs公司的合作就證明了這一點，雙方共同開發(fā)出了特種軟件，用以打印具有特定的多孔結(jié)構(gòu)，骨組織能夠在3D打印的植入物（圖5）上生長，加速了術后骨組織向植入物內(nèi)的生長，就如脊柱手術的椎間盤置換或關節(jié)置換手術期望的那樣。

研究證實3D打印植入物的優(yōu)勢

瑞士巴塞爾大學的研究人員發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象。在對FFF技術打印件進行體外試驗時，研究人員發(fā)現(xiàn)，天然粗糙表面上的成骨細胞生長情況明顯更好：僅5天后，打印部件上的細胞活性就達到光滑部件上的兩倍，比噴砂部件上的細胞活性高3倍。這表明，通過選擇性地改變植入物的表面特性，可以加速身體的愈合過程。

可吸收材料的生物相容性給3D打印提出了特殊的挑戰(zhàn)，因為材料所包含的任何外來顆粒都會因其在體內(nèi)的降解而被釋放。與德國漢諾威大學的合作表明，用Resomer線材打印的植入物不具有細胞毒性，并能促進細胞與表面的結(jié)合（圖6）。

圖 7 ：由 Kumovis 打印機打印的 Vestakeep（外 部）和 Resomer（內(nèi)部）材料制成的組合式脊柱固定器（椎間隙固定器）

通過組合不同的材料，例如將具有良好機械性能的耐久性材料Vestakeep與天然生物可吸收Resomer（圖7）材料相結(jié)合，為3D打印帶來了全新的可能。在這里，原材料生產(chǎn)商、打印機生產(chǎn)商和醫(yī)療器械公司之間的合作是關鍵。3D打印聚合物植入物已發(fā)展到臨床應用的邊緣。由奧地利麥迪津尼斯大學（MedizinischeUniversity?tGraz）協(xié)調(diào)的CAMed（醫(yī)用臨床增材制造）研究項目（贏創(chuàng)公司也參與了該項目）正準備完成世界上第一個在奧地利進行的將3D打印PEEK植入人體的臨床研究。這也使得該項資金支持將持續(xù)到2022年10月的研究，成為常規(guī)使用的增材制造患者定制型植入物的重要一步。