PEEK材料成為3D打印技術在醫用領域的寵兒
時間：2018-05-31 09:50 來源：陜西聚高增材智造 作者：中國3D打印網 閱讀：次
聚醚醚酮（PEEK）材料是2013年經美國食品藥品監督管理局(FDA)批準上市的骨植入材料，為一種半結晶高性能聚合物高分子材料，在國際上被認為是未來最有希望取代鈦合金材料成為骨植入物原材料的下一代生物材料之一。這是因為相較于金屬材料，PEEK的密度與彈性模量更接近于原生骨骼本身，降低了術后的不適感，并可以有效緩解應力遮蔽效應，且對 X 射線透射呈半透明且無磁性，此外，PEEK材料力學性能優異，化學惰性好，能耐200℃以上高溫，可反復高溫消毒。
陜西聚高增材智造科技發展有限公司是一家高性能非金屬材料3D打印完整方案提供商，以西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室團隊為技術依托，專注于以PEEK為代表的高性能材料3D打印裝備和材料研發，為用戶提供完整的解決方案。目前，公司業務覆蓋醫療、航空航天、工業等眾多領域，尤其是在醫療行業，打開了PEEK材料臨床應用的新局面。始終堅持以客戶為中心，以“創新、誠信、發展、高效”為發展宗旨，竭誠為所有客戶提供優良的設備和高品質的服務，致力于成為PEEK材料3D打印技術領航者！
團隊實力
相關研究結果在生物設計/制造領域發表200余篇高水平論文，獲得國家發明專利80余項，2014年“個性化顱頜面骨替代物設計制造技術及應用”獲國家技術發明二等獎，2015年“個性化骨替代物設計”獲第一屆中國好設計金獎，2018年“個性化下頜骨重建假體”產品獲得了國內首個個性化產品CFDA注冊，成為我國3D打印技術醫學走向產業化的里程碑。多篇代表性論文被國際權威雜志選為年度“亮點論文”，學術成果得到了多名國際著名學者的引用和積極評價，被中央電視臺、新華社、人民日報等專題報道，產生了良好的社會效益。公司聘請李滌塵教授為高級技術顧問，與其團隊共同開展增材制造技術的研發及應用推廣。
技術實力
1. 掌握第二代、第三代PEEK材料3D打印技術
不同于一般應用于熔融沉積3D打印技術的熱塑性材料，如ABS、PLA等，PEEK材料是一種高熔點、高性能的半結晶熱塑性高分子材料，因此，在3D打印過程中，高熔點所帶來的冷卻收縮，結晶所造成的結晶收縮會使材料在制造過程中非常容易發生翹曲變形，從而容易導致3D打印的失敗。
第一代PEEK材料3D打印技術：微熱環境技術
第一代的PEEK材料3D打印技術，主要采用80℃~140℃的微熱環境技術去適當降低在打印過程中PEEK材料冷卻的收縮，這種技術是目前市面上的普遍技術，主要的代表公司有上海遠鑄、一邁智能、德國Apium公司、德國Indmatec公司等，但是目前這種技術對于材料冷卻收縮的降低效果有限，往往難以完成100mm*100mm*100mm尺寸以上的密實PEEK制件的有效制造。
第二代PEEK材料3D打印技術，主要采用300℃左右的超高溫環境來大幅降低在打印過程中PEEK材料冷卻時的收縮，陜西聚高是目前該技術的領先者，所自主研發的Doctor系列3D打印機正是基于此二代技術，其中獨特的液冷3D打印頭、航天級別的保溫隔熱箱體、強勁的高溫環境系統，不僅僅為PEEK材料3D打印提供了可靠條件，也為絕大多數熱塑性材料的3D打印提供了最大限度的可能。但是，這一代的技術也存在一定的缺陷，即打印完成后，PEEK制件隨著箱體冷卻時會發生二次收縮變形，或者積累大量的內應力。
第三代PEEK材料3D打印技術：控性冷沉積技術
第三代PEEK材料3D打印技術，是陜西聚高獨有的、自主研發突破的控性冷沉積技術，該技術基于PEEK材料高分子鏈聚集態可控機理，在很大程度上解決了PEEK材料的收縮翹曲問題，成形尺寸可達300mm*300mm以上，并且結合一定后處理工藝后，可以實現3D打印PEEK材料制件性能的可控，既可以成形為高韌性高塑性的產品，也可以成形為高強度高硬度的產品，甚至可以將兩者結合一身，形成不同性能區域的功能性產品。該技術獲得了2018年國際索爾維增材制造杯的全球銀獎。
3D打印、PEEK材料、個性化骨科植入物對傳統醫療假體模型的設計提出了新的要求：3D打印的增材制造方式會使零件存在各向異性——模型設計中需要考慮應力環境；PEEK材料的應用會改變3D打印工藝情況——模型設計中需要考慮PEEK材料的特性；個性化骨科植入物的實際應用條件十分苛刻——模型設計中需要高可靠性。陜西聚高擁有一支具有十多年經驗的個性化假體設計團隊，針對3D打印特點，PEEK材料特性形成了一套完整、可靠、安全的個性化假體設計方案，通過個性化設計、建模、有限元分析技術與平行試驗技術，對于模型進行了全面的評估以及測試，可以獲得安全系數很高的個性化骨科植入物模型數據。
自主生產的3D打印PEEK絲材
位于超凈室的3D打印絲材擠塑機，可自主進行PEEK材料改性，制成PEEK復合材料絲材：
自主研發的3D打印裝備
專注于PEEK骨科植入物3D打印的Surgeon/Surgeon Plus系列裝備（基于第三代PEEK材料3D打印技術）：
環境溫度可高達300℃，擁有雙打印頭，可面向多種高性能材料的Doctor系列（基于第二代PEEK材料3D打印技術）：
500℃ 高溫雙打頭，適用于所有3D打印專用熱塑性高分子材料，附帶水冷送料，不堵頭，不卡絲。
高精度&高性能
高精3D打印技術，零件精度最高可到±0.05mm；高性能沉積技術，力學性能接近注塑零件性能。
高溫微環境
300℃均勻熱環境，可控材料結晶，可提供在線熱后處理。
7英寸觸摸彩屏
配備全彩中文觸摸屏，操作簡單，界面友好。提供一鍵預熱，一鍵打印等多種快捷操作
超凈、無菌的獨立空間，集成3D打印、后處理、清洗、檢測、封裝一體的醫療高端定制版Surgeon MI裝備，醫療植入物一體化解決方案：
1、3D打印
2、后處理
3、熱處理
4、清 洗
5、封 裝
6、紫外無菌
7、百級潔凈
自主研究的工藝技術
聚高團隊是國內外最早開展針對PEEK材料3D打印技術進行工藝研究的團隊之一，相關研究成果發表了SCI論文，獲得了國際專利、國內發明專利，榮獲多項國內外高水平獎項。
典型應用
2017年4月與空軍軍醫大學（原第四軍醫大學）唐都醫院合作完成了世界首例3D打印PEEK肋骨假體的臨床實驗之后，同年5月、7月又相繼完成了第二例以及第三例。2017年8月，一次偶然的機會促成陜西聚高與上海兒童醫學中心合作，完成了一例3D打印PEEK“護心板”臨床實驗，得到中央電視臺、東方衛視等主流媒體的報道。同時與空軍軍醫大學唐都醫院合作完成了世界首例3D打印PEEK胸骨假體的臨床實驗，9月份完成了世界第二例。2017年11月，與空軍軍醫大學西京醫院合作完成了世界首例3D打印PEEK肩胛骨假體的臨床實驗。截止2018年6月，在一年的時間內陜西聚高共完成3D打印PEEK骨科植入物臨床應用近30余例，涉及胸外科、骨科、顱頜面外科等眾多領域；臨床合作單位10余家，范圍覆蓋陜西、北京、上海、河南、四川、深圳等地。
陜西聚高增材智造科技發展有限公司是一家高性能非金屬材料3D打印完整方案提供商，以西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室團隊為技術依托，專注于以PEEK為代表的高性能材料3D打印裝備和材料研發，為用戶提供完整的解決方案。目前，公司業務覆蓋醫療、航空航天、工業等眾多領域，尤其是在醫療行業，打開了PEEK材料臨床應用的新局面。始終堅持以客戶為中心，以“創新、誠信、發展、高效”為發展宗旨，竭誠為所有客戶提供優良的設備和高品質的服務，致力于成為PEEK材料3D打印技術領航者！
團隊實力
圖1 盧秉恒院士、李滌塵教授
公司核心技術和管理團隊均畢業于西安交通大學，過半數成員具有碩士以及博士學位，且研究方向均為增材制造（3D打印）技術。公司技術來源于西安交通大學盧秉恒院士、李滌塵教授團隊，其中李滌塵教授團隊是國內外最早開始開展生物3D打印研究的科研團隊之一，率先形成了制造領域新的學科和醫工交叉應用方向：1999年獲得首項生物3D打印的國家自然科學基金資助，2001年國際首次將3D打印個性化鈦合金替代物應用于臨床，比國外早十年獲得應用；建立了個性化顱頜面骨替代物微觀結構仿生設計制造一體化技術及系列產品和制造設備，研究成果臨床案例達到萬例；發明了性能可控的聚醚醚酮（PEEK）3D打印技術，實現了國際上首例PEEK胸骨、肋骨的臨床應用，自2017年以來已經在西安、上海、南京、鄭州等地應用近30例，有望取代鈦合金成為骨替代物形成新的產業；發明了可降解氣管外支架、乳腺支架設計和4D打印制造技術，在西京醫院實現了國際首次臨床應用，解決了傳統技術無法解決的軟組織醫療修復難題；對人體典型軟硬組織（肝臟、骨）以及軟硬組織固定界面（韌帶/軟骨/骨）開展微觀結構促進組織再生機制研究工作。相關研究結果在生物設計/制造領域發表200余篇高水平論文，獲得國家發明專利80余項，2014年“個性化顱頜面骨替代物設計制造技術及應用”獲國家技術發明二等獎，2015年“個性化骨替代物設計”獲第一屆中國好設計金獎，2018年“個性化下頜骨重建假體”產品獲得了國內首個個性化產品CFDA注冊，成為我國3D打印技術醫學走向產業化的里程碑。多篇代表性論文被國際權威雜志選為年度“亮點論文”，學術成果得到了多名國際著名學者的引用和積極評價，被中央電視臺、新華社、人民日報等專題報道，產生了良好的社會效益。公司聘請李滌塵教授為高級技術顧問，與其團隊共同開展增材制造技術的研發及應用推廣。
技術實力
1. 掌握第二代、第三代PEEK材料3D打印技術
不同于一般應用于熔融沉積3D打印技術的熱塑性材料，如ABS、PLA等，PEEK材料是一種高熔點、高性能的半結晶熱塑性高分子材料，因此，在3D打印過程中，高熔點所帶來的冷卻收縮，結晶所造成的結晶收縮會使材料在制造過程中非常容易發生翹曲變形，從而容易導致3D打印的失敗。
第一代PEEK材料3D打印技術：微熱環境技術
第一代的PEEK材料3D打印技術，主要采用80℃~140℃的微熱環境技術去適當降低在打印過程中PEEK材料冷卻的收縮，這種技術是目前市面上的普遍技術，主要的代表公司有上海遠鑄、一邁智能、德國Apium公司、德國Indmatec公司等，但是目前這種技術對于材料冷卻收縮的降低效果有限，往往難以完成100mm*100mm*100mm尺寸以上的密實PEEK制件的有效制造。
圖2 來自德國Indmatec公司 HPP 155打印出的一些樣本
第二代PEEK材料3D打印技術：超高溫環境技術第二代PEEK材料3D打印技術，主要采用300℃左右的超高溫環境來大幅降低在打印過程中PEEK材料冷卻時的收縮，陜西聚高是目前該技術的領先者，所自主研發的Doctor系列3D打印機正是基于此二代技術，其中獨特的液冷3D打印頭、航天級別的保溫隔熱箱體、強勁的高溫環境系統，不僅僅為PEEK材料3D打印提供了可靠條件，也為絕大多數熱塑性材料的3D打印提供了最大限度的可能。但是，這一代的技術也存在一定的缺陷，即打印完成后，PEEK制件隨著箱體冷卻時會發生二次收縮變形，或者積累大量的內應力。
第三代PEEK材料3D打印技術：控性冷沉積技術
第三代PEEK材料3D打印技術，是陜西聚高獨有的、自主研發突破的控性冷沉積技術，該技術基于PEEK材料高分子鏈聚集態可控機理，在很大程度上解決了PEEK材料的收縮翹曲問題，成形尺寸可達300mm*300mm以上，并且結合一定后處理工藝后，可以實現3D打印PEEK材料制件性能的可控，既可以成形為高韌性高塑性的產品，也可以成形為高強度高硬度的產品，甚至可以將兩者結合一身，形成不同性能區域的功能性產品。該技術獲得了2018年國際索爾維增材制造杯的全球銀獎。
圖3 極富韌性的3D打印PEEK肋骨假體
圖4 高強度的3D打印PEEK顱骨
2. 擁有高可靠的個性化假體模型設計體系3D打印、PEEK材料、個性化骨科植入物對傳統醫療假體模型的設計提出了新的要求：3D打印的增材制造方式會使零件存在各向異性——模型設計中需要考慮應力環境；PEEK材料的應用會改變3D打印工藝情況——模型設計中需要考慮PEEK材料的特性；個性化骨科植入物的實際應用條件十分苛刻——模型設計中需要高可靠性。陜西聚高擁有一支具有十多年經驗的個性化假體設計團隊，針對3D打印特點，PEEK材料特性形成了一套完整、可靠、安全的個性化假體設計方案，通過個性化設計、建模、有限元分析技術與平行試驗技術，對于模型進行了全面的評估以及測試，可以獲得安全系數很高的個性化骨科植入物模型數據。
圖5 個性化設計、建模、有限元分析技術與平行試驗技術
3. 獨立自主知識產權，走遍天下都不怕自主生產的3D打印PEEK絲材
位于超凈室的3D打印絲材擠塑機，可自主進行PEEK材料改性，制成PEEK復合材料絲材：
圖6 3D打印絲材擠塑機
圖7 純PEEK絲材、陶瓷改性PEEK絲材、碳纖維增強PEEK絲材
自主研發的3D打印裝備
專注于PEEK骨科植入物3D打印的Surgeon/Surgeon Plus系列裝備（基于第三代PEEK材料3D打印技術）：
聚醚醚酮(PEEK) 材料
整體取出，可快速進行后續打印工作
控形控性3D打印
根據需求調控模量、韌性等性能
適用于骨科植入物制造
顱骨、肋骨、胸骨、椎間融合器打印
環境溫度可高達300℃，擁有雙打印頭，可面向多種高性能材料的Doctor系列（基于第二代PEEK材料3D打印技術）：
500℃ 高溫雙打頭，適用于所有3D打印專用熱塑性高分子材料，附帶水冷送料，不堵頭，不卡絲。
高精度&高性能
高精3D打印技術，零件精度最高可到±0.05mm；高性能沉積技術，力學性能接近注塑零件性能。
高溫微環境
300℃均勻熱環境，可控材料結晶，可提供在線熱后處理。
7英寸觸摸彩屏
配備全彩中文觸摸屏，操作簡單，界面友好。提供一鍵預熱，一鍵打印等多種快捷操作
超凈、無菌的獨立空間，集成3D打印、后處理、清洗、檢測、封裝一體的醫療高端定制版Surgeon MI裝備，醫療植入物一體化解決方案：
1、3D打印
2、后處理
3、熱處理
4、清 洗
5、封 裝
6、紫外無菌
7、百級潔凈
自主研究的工藝技術
聚高團隊是國內外最早開展針對PEEK材料3D打印技術進行工藝研究的團隊之一，相關研究成果發表了SCI論文，獲得了國際專利、國內發明專利，榮獲多項國內外高水平獎項。
圖7 聚高榮譽墻
典型應用
2017年4月與空軍軍醫大學（原第四軍醫大學）唐都醫院合作完成了世界首例3D打印PEEK肋骨假體的臨床實驗之后，同年5月、7月又相繼完成了第二例以及第三例。2017年8月，一次偶然的機會促成陜西聚高與上海兒童醫學中心合作，完成了一例3D打印PEEK“護心板”臨床實驗，得到中央電視臺、東方衛視等主流媒體的報道。同時與空軍軍醫大學唐都醫院合作完成了世界首例3D打印PEEK胸骨假體的臨床實驗，9月份完成了世界第二例。2017年11月，與空軍軍醫大學西京醫院合作完成了世界首例3D打印PEEK肩胛骨假體的臨床實驗。截止2018年6月，在一年的時間內陜西聚高共完成3D打印PEEK骨科植入物臨床應用近30余例，涉及胸外科、骨科、顱頜面外科等眾多領域；臨床合作單位10余家，范圍覆蓋陜西、北京、上海、河南、四川、深圳等地。
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