2.1  聚醚醚酮复合材料的特性  由于聚醚醚酮不具备生物活性、表面成骨效能较低，研究者通过在聚醚醚酮基体中引入羟基磷灰石、生物活性玻璃等生物活性材料的方法将聚醚醚酮制备成复合材料，这些方法可以明显改善聚醚醚酮的生物活性，但其力学性能往往显著降低[6]。在复合材料中添加碳纤维则可以平衡聚醚醚酮的生物活性与力学性能。 聚醚醚酮-羟基磷灰石复合材料：羟基磷灰石具有无毒无抗原性的特点，并且具有良好的生物活性、生物相容性和骨传导性[7]，是一种极具前景的骨组织替代材料。WALSH等[8]将聚醚醚酮-羟基磷灰石增强组和聚醚醚酮对照组以骨钉形式植入成年绵羊松质骨和皮质骨中，分别在第4，12周进行检测，在第6，12，26周进行椎间颈椎融合。对种植体-骨界面进行放射学和组织学评估，结果表明将羟基磷灰石与聚醚醚酮基质结合，促进了骨生长，颈椎间融合较好。 聚醚醚酮-生物活性玻璃复合材料: 生物活性玻璃脆性大、韧性差，但具有很高的生物活性，能够刺激成骨细胞发生增殖从而促进骨的生长和愈合，生物活性玻璃与骨组织之间能形成牢固的骨整合，能更好地修复人体的受损骨组织[9]。郑延延等[10]将生物活性玻璃引入到聚醚醚酮/碳纳米管中后，对聚醚醚酮/碳纳米管/生物活性玻璃复合材料的体外成骨细胞相容性进行了研究，通过扫描电镜观察了成骨细胞在聚醚醚酮/碳纳米管/生物活性玻璃复合材料表面的黏附与生长情况，实验结果表明引入生物活性玻璃后有利于成骨细胞的黏附、铺展和生长，提高了细胞在复合材料表面的增殖能力。 聚醚醚酮-羟基磷灰石-碳纤维复合材料: 碳纤维可以对聚醚醚酮起到一定的增强作用，对其摩擦学性能也有重要影响。SHARMA等[11]对碳纤维进行液氮等离子体处理后，使碳纤维与聚醚醚酮基体之间的结合力得到了增强，并且提高了碳纤维/聚醚醚酮复合材料的抗摩擦性。在聚醚醚酮中加入羟基磷灰石后会使复合材料的成骨效能增加的同时脆性增大，力学性能降低。冯惺等[12]将质量分数为30%的短碳纤维引入到聚醚醚酮-羟基磷灰石复合材料后制备了聚醚醚酮-羟基磷灰石-碳纤维复合材料，研究了碳纤维对聚醚醚酮-羟基磷灰石复合材料力学性能的影响。结果表明引入碳纤维后聚醚醚酮-羟基磷灰石-碳纤维复合材料的强度和模量明显提高，在一定程度上弥补了聚醚醚酮-羟基磷灰石复合材料脆性较高的不足。相比于聚醚醚酮-羟基磷灰石复合材料，聚醚醚酮-羟基磷灰石-碳纤维复合材料具有更优良的力学性能，与人体骨骼的力学性能更加匹配。 颗粒增强聚醚醚酮复合材料: WU等[13]将TiO2颗粒引入聚醚醚酮中制备出纳米TiO2-聚醚醚酮复合材料。通过生物活性检测发现成骨细胞更加倾向于选择性地黏附在TiO2颗粒暴露的位置。KUO等[14]在聚醚醚酮基体中引入纳米级SiO2或Al2O3颗粒制备成SiO2-聚醚醚酮或Al2O3-聚醚醚酮复合材料，研究了SiO2或Al2O3颗粒分别在不同含量时对复合材料力学性能的增强效果，结果显示引入的颗粒质量分数在5.0%-7.5%时，可以明显改善复合材料的硬度、弹性模量与拉伸强度。 2.2  基于聚醚醚酮的3D打印方案 医学3D打印技术：3D打印技术是一种通过三维CAD建模软件虚拟建模，设计出模型后利用各种成型工艺逐层打印出实物模型的过程[15]，并被推广至生物医学工程领域。3D打印成形植入性假体，可以根据确切体型匹配定制，制造的医疗植入物可以提高特殊群体的生活质量。3D打印假体流程见图2。3D打印技术非常适合于植入性假体的制作，主要体现在以下方面：①可以根据特点患者需要的几何参数形状与尺寸，利用CT、MRI等医学扫描技术精确预制个性化植入体，不需要按标准系列执行；②3D打印工艺环节少，不需要传统的模具，制作周期短，即可研制高性能的假体。 "

基于聚醚醚酮特性改进3D打印设备：聚醚醚酮不同于一般常用于3D打印的高分子材料，其熔点高且具有半结晶特性，对材料在熔体冷却成形的黏流态-高弹态-玻璃态的持续转变过程中造成很大影响，产生较大的冷却收缩与结晶收缩[16-17]。在打印聚醚醚酮制件时，需改进3D打印设备，以保证高温成形环境和温度均匀性。李涤尘等[17]采用控性冷沉积方法打印聚醚醚酮材料，并通过控制3D打印的环境温度、打印温度等热条件，对聚醚醚酮成形后的结晶度进行精确控制，进而控制材料的强度、模量等性能，制备出了力学性能良好的胸骨假体，植入后重建修复患者胸壁，术后2周患者在各方面的检查指标均显示正常。史长春等[18]设计了聚醚醚酮材料成形的高温成形腔体结构，模拟仿真和工艺实验结果表明，采用接近聚醚醚酮玻璃化温度的高温成形腔体环境，可以显著减小聚醚醚酮试样的翘曲变形。 2.3  个性化3D打印聚醚醚酮植入物在骨缺损修复中的应用现状  目前聚醚醚酮在骨缺损修复与重建中的应用领域主要有聚醚醚酮椎间融合器、聚醚醚酮人造骨关节(人工髋关节、人工膝关节等)、颅骨缺损修复、颌骨缺损修复、脊柱/腰椎修复、口腔修复和其他骨缺损修复等。 2.3.1  聚醚醚酮植入物应用于颅骨缺损修复  聚醚醚酮材料被认为是一种适用于颅骨重建的材料。上颌面部和颅骨区域的解剖复杂性要求前额和眶壁的修复具有完美的对称性和良好的功能、形态和美学效果[19]。PANAYOTOV等[20]报道了应用定制的个性化聚醚醚酮植入物进行颅骨重建的病例。这种定制的个性化聚醚醚酮植入物适用于颅骨损伤严重或颅骨圆顶全层的结构组织大范围切除后的修复，在这些病例中发现颅骨成形术具有明显的美容优势，且恢复了颅骨对创伤的物理屏障作用。LETHAUS等[21]研究了聚醚醚酮和钛合金植入物在颅骨成形术中的不同力学行为。结果表明2种植入物都能承受高于导致颅骨骨折所需的力，相比于钛合金植入物，聚醚醚酮的弹性和吸能特性更接近人的骨骼，聚醚醚酮的力学性能适合于颅骨缺损的重建。 感染和暴露是颅骨成形术中最为常见的2种并发症。冀培刚等[22]研究了11例应用聚醚醚酮材料进行颅骨缺损修复的患者，术后随访半年并分析术后并发症和临床效果。结果显示术后所有患者都康复出院，没有死亡或感染病例，患者随访半年后均无切口迟发性感染及植入物外露的情况发生，显示聚醚醚酮材料有良好组织相容性，实现了与患者颅骨的完美契合，非常适用于颅骨缺损修复患者。张国斌等[23]将数字化植入体加工定制的聚醚醚酮植入体植入11例患者颅骨缺损处后，记录术后长达1年的患者生命体征变化，结果显示所有患者的伤口愈合良好，术后感觉无异常，没有出现其他远期并发症，使用聚醚醚酮植入物进行颅骨成形术具有可行性且疗效安全可靠。聚醚醚酮材料具有极好的强度、硬度和韧性，而聚醚醚酮颅骨植入物具有低成本、高性能、无毒、生物相容性良好、减小应力屏蔽效应以及远期并发症较少等优点，这些优点使其在颅骨修复领域成为钛的替代材料的潜能越来越显著。 2.3.2  聚醚醚酮植入物应用于颌骨缺损修复  创伤、感染、肿瘤等原因导致的颌骨缺损使患者的生活质量下降，修复颌骨缺损，提高患者的生活质量是口腔颌面外科学急需解决的问题[24]。在颌面部手术中，3D打印技术可准确仿制出患者特定解剖结构的轮廓模型以及定制个性化植入物[25]。李劲松[26]通过3D打印技术为5例单侧上颌骨良性或低度恶性肿瘤累及眶底患者定制了个性化聚醚醚酮植入物以修复患者的眶-上颌骨缺损，术后CT扫描测量假体植入位点与虚拟手术方案的误差，随访并评估眼球位置、眼球运动及视觉功能变化。结果显示患者在伤口愈合期内没有出现明显并发症，3D打印个性化聚醚醚酮假体可以精确修复眶底缺损，改善因眼球移位造成的视觉功能障碍，获得良好的功能与美观效果。GOODSON等[27]利用光固化快速成型技术制备出双片式聚醚醚酮眶颧骨植入物，将植入物分别植入1例眶缘和眶底骨折的患者和1例颧骨复合体扁平的患者，显示定制的植入物与患者缺损结构高度匹配，缩短了手术时间。术后检测显示2例患者恢复良好，随访12个月均未出现明显并发症，定制的双片式聚醚醚酮植入物在眶颧骨重建中具有可行性。韩明林等[28]将碳纤维增强型聚醚醚酮假体置入兔颞下颌关节突缺损处，研究了碳纤维增强聚醚醚酮人造关节假体置入后的固位和替代修复效果并进行了CT影像学检查。结果显示植入的碳纤维增强聚醚醚酮假体有良好的固位，可以替代正常关节发挥作用，碳纤维增强聚醚醚酮假体可以有效恢复兔的正常咀嚼功能，是一种重建颞下颌关节突的理想材料。BERRONE等[29]将定制的个性化聚醚醚酮假体置入患者颌骨缺损区域以矫正下颌骨不对称，术后进行影像学检查显示植入物固定良好、与周围骨组织结合紧密。随访8个月后无临床及影像学并发症，颌部获得了较好的美学效果，显示定制的聚醚醚酮假体可应用于下颌不对称病例的治疗。未来3D打印技术在个性化颌骨植入物或假体的定制中有着巨大的潜能，个性化聚醚醚酮植入物具有良好的美学效果、生物相容性和力学性能，能有效减小应力屏蔽效应，在颌骨的修复与重建中有望成为传统金属的替代材料。 2.3.3  聚醚醚酮植入物应用于脊椎/腰椎修复  腰椎后路椎板减压术是一种常见的治疗腰椎疾病的手术，可以有效治疗腰椎管狭窄症、腰椎间盘突出症、腰椎爆裂性骨折及腰椎肿瘤等腰椎疾病。边卫国等[30]将3D打印聚醚醚酮人工椎板植入患者全椎板切除后的缺损处，术后进行3个月及末次随访，通过影像学和日本骨科协会评分标准评定疗效，结果显示所有患者的症状有明显的改善，其中5例达到了治愈，1例达到了显效；影像学检查结果显示椎管形态在术后维持较好，椎管容积及矢状径得到了明显改善，患者均无人工椎板碎裂的情况发生。早期人工椎板的置入确保了足够的支撑强度，聚醚醚酮人工椎板有良好的生物相容性，所有患者均未出现相关不良反应。LAUX等[31]将碳纤维/聚醚醚酮植入物置入1例脊椎损伤(T12椎体)患者的缺损处，在与自体髂骨移植和脱矿骨基质相结合的情况下，进行了T11-L1的无侧位背侧固定和融合。术后随访长达25个月，未观察到明显不良反应，显示碳纤维/聚醚醚酮植入物在术后随访成像、辅助放射治疗的应用和术中处理方面具有良好的临床适用性。由于独特的材料特性，肿瘤患者可能特别受益于碳纤维/聚醚醚酮植入物。李世梁等[32]研究了聚醚醚酮棒半刚性固定系统与钛棒刚性固定系统在治疗腰椎管狭窄症中的临床疗效，在接受腰椎管狭窄症手术治疗的38例患者中聚醚醚酮棒组18例，钛棒组20例。术后随访24-36个月并进行影像学检测，结果显示所有患者均无感染，聚醚醚酮棒组无内固定松动断裂情况。术后均可明显改善腰椎管狭窄症患者的临床症状且疗效满意，但聚醚醚酮棒半刚性固定系统在稳定脊柱的前提下可保留更多的腰椎活动范围。NOROTTE等[33]研究了聚醚醚酮-羟基磷灰石椎间融合器在治疗L5-S1退行性腰椎间盘病变中的有效性和安全性，对65例进行退行性腰椎间盘病变手术的患者术后随访12-24个月，进行临床和放射学检查以评估患者椎间融合情况和患者满意度。结果显示患者术后均无明显并发症，椎间融合率较高(95.4%)且临床疗效满意，聚醚醚酮-羟基磷灰石椎间融合器在治疗L5-S1退行性腰椎间盘病变中是一种有效而安全的方法。王琪等[34]通过CT扫描获取22例脊柱肿瘤患者数据并进行三维模型重建，利用3D打印机打印出患者病灶区域的脊柱模型。针对所打印出的脊柱模型为患者制定相应的手术方案、对手术操作进行模拟以及预处理内置物，这种方法为治疗提供了有效指导。结果显示所有患者的手术均成功完成，术后明显改善了患者的症状，经X射线复查后可见内植物固位良好，没有出现松动移位的情况。聚醚醚酮及其复合材料与传统脊柱腰椎金属修复材料相比，其植入物或假体置入后也能满足强度要求，重要的是其可有效减小应力屏蔽效应且并发症较少，因而长期疗效好。在脊柱腰椎修复中，3D打印技术制备的个性化脊柱腰椎植入物及导航导板有着巨大的医用潜能。相信未来随着3D打印技术的进一步完善、对聚醚醚酮材料研究的深入以及中国相关法律政策的完善，能研制出各种性能优良的脊柱腰椎植入物，并且能获得市场准入许可而进入临床应用。 2.3.4  聚醚醚酮应用于椎间融合器  聚醚醚酮融合器(聚醚醚酮-Cage)具有较好的透光性，X射线可透过性，便于观察植骨融合情况。聚醚醚酮-Cage对术后患者临床症状的改善明显，可达到良好的融合与稳定性。法国医生Vincent在2014年成功将MEDICREA公司制备出的聚醚醚酮材料3D打印椎间融合器应用于1例脊柱融合手术[35]。CHEN等[36]比较了钛合金与聚醚醚酮椎间融合器治疗脊髓型颈椎病的疗效。钛合金组有良好临床效果的患者比例为55.2%，聚醚醚酮组为74.2%。此外，单独的聚醚醚酮椎间融合器在不增加颈椎前板强度的情况下，可以很好地保持椎间高度和颈椎前凸，在长期随访中发现聚醚醚酮椎间融合器的临床效果优于钛合金椎间融合器。朱明智[37]研究了颈椎前路椎间盘切除减压后应用聚醚醚酮椎间融合器治疗颈椎病的临床疗效，46例颈椎病患者临床完成减压术后植入聚醚醚酮椎间融合器进行治疗。术后进行9个月随访及影像学检查，对椎体间隙高度、植骨融合情况以及颈椎生理曲度进行观察，结果显示对颈椎病患者完成颈椎前路椎间盘切除减压术后，选择聚醚醚酮椎间融合器的方法进行治疗可获得较高融合率，椎体间隙高度以及颈椎生理曲度恢复明显，显著提高了颈椎病患者的生活质量。LEMCKE等[38]对335例在颈椎前路减压融合术中使用了聚醚醚酮椎间融合器的患者进行了超过两三年的随访，其中在277例有完整回访记录的信息中可以发现，其中有118例患者根据日本骨科协会评分评估恢复较佳，112例患者为良好，只有20例患者评分表示恢复一般。曹盛生等[39]研究了前路颈椎间盘聚醚醚酮椎间融合器的临床应用及中远期疗效，对41例植入聚醚醚酮椎间融合器的患者进行定期随访，术后定期进行颈椎X射线、CT、MRI检查观察植骨融合、椎间隙高度、颈椎曲度等情况。结果显示在治疗颈椎病中，聚醚醚酮椎间融合器具有操作简单、出血量较少、相关并发症较少等优点，可以明显改善、维持颈椎曲度和椎间隙高度，获得了良好的中远期临床疗效。聚醚醚酮椎间融合器植入人体后的生物相容性良好，相关并发症的发生率较低，能有效减小应力屏蔽效应，具有放射线透过性，术后便于检测椎间融合情况，获得了良好的中远期临床疗效。3D打印技术在定制个性化椎间融合器中的优势显著，未来研究者需要更多地考虑如何将聚醚醚酮材料与3D打印技术进行有效结合以制备出综合性能优异的个性化聚醚醚酮椎间融合器。 2.3.5  聚醚醚酮应用于人工关节置换  人工关节置换术是医学上治疗严重关节疾病较为有效的一种方法，它的替换能可靠地减轻疼痛和恢复功能。磨损是人工关节置换中晚期失效的主要因素，而交叉剪切效应对于磨损性能的研究具有重要的意义。王俊元等[40]研究了交叉剪切效应对碳纤维增强聚醚醚酮磨损性能的影响，将棒状碳纤维增强聚醚醚酮和超高分子量聚乙烯试样在交叉剪切条件下进行磨损实验测试。实验结果表明，超高分子量聚乙烯具有与交叉剪切相关的磨损效应，而碳纤维增强聚醚醚酮材料无明显的交叉剪切效应。与超高分子量聚乙烯相比，碳纤维增强聚醚醚酮的耐磨性能具有显著的优势，其磨损系数约为超高分子量聚乙烯的50%。碳纤维增强聚醚醚酮材料在人工关节应用中有望成为超高分子量聚乙烯合适的替代材料。RUITER等[41]研究了聚醚醚酮股骨植入物在全膝关节置换术中的固定效果和应力屏蔽效应。对聚醚醚酮和钴铬合金植入物进行有限元仿真分析，根据股骨远端应变能密度分布评估应力屏蔽效应，并测试植入物-骨水泥界面的固定强度。结果表明聚醚醚酮植入物-骨水泥界面的固定强度高于钴铬合金植入物-骨水泥界面，与钴铬合金植入物相比，聚醚醚酮植入物的应力屏蔽效应明显降低。RANKIN  等[42]通过数字图像相关技术研究了全膝关节置换术中聚醚醚酮股骨植入物与钴铬合金植入物的骨应变分布差异。结果显示钴铬合金植入物植入后的表面模拟骨应变表现为应变屏蔽，而聚醚醚酮股骨植入物的骨应变更接近于天然骨，相比于钴铬合金植入物，聚醚醚酮植入物可有效减小应变屏蔽。碳纤维增强聚醚醚酮复合材料是一种各向异性的材料，具有弹性低强度高的特点，在关节置换领域里可有效减少应力屏蔽及由其引起的骨吸收、骨萎缩及假体松动等并发症。纪志华等[43]将碳纤维增强聚醚醚酮假体和钴铬钼合金假体分别植入8对成人尸体股骨标本中以完成假体置换。进行溶血实验研究了碳纤维增强聚醚醚酮的血液相容性，对置换后的碳纤维增强聚醚醚酮股骨头假体和钴铬钼合金股骨头假体的生物力学特性进行了比较。结果表明碳纤维增强聚醚醚酮有较好的血液相容性，置换后假体产生松动的程度较小，且假体有较大的扭转刚度和较好的稳定性，碳纤维增强聚醚醚酮假体具有一定的临床应用前景。目前在人工关节置换中应用最多的材料仍是钛合金等金属材料，聚醚醚酮人工关节植入物往往和钛植入物联合应用于关节置换术中，对聚醚醚酮植入物的研究尚处于初级的探索阶段，关于其他生物相容性和力学指标还要进一步研究。未来利用3D打印技术定制出与患者关节缺损处高度匹配且性能优异的聚醚醚酮关节植入物，并成功植入以完成关节缺损修复仍需进一步的临床试验研究。 2.3.6  聚醚醚酮应用于口腔修复  随着人们对口腔修复要求的不断提高，作为目前最主要的口腔种植体材料，钛及其合金由于存在变态反应、应力屏蔽效应和龈染色、有害金属离子释放及伴发炎症产生等问题，人们逐渐将目光转到一种新型医用材料聚醚醚酮上[44]。聚醚醚酮具有良好的机械性能、优异的耐化学性、高温稳定性、无细胞毒性、组织相容性、不导电、生物惰性和热绝缘性等，这些特性使其越来越多的被应用于口腔修 复[45]。LEE等[46]对聚醚醚酮种植体的应力屏蔽和疲劳极限进行了研究。在抗压强度测试中，将钛棒弯曲到4 mm位移没有断裂，而聚醚醚酮(玻璃纤维增强聚醚醚酮和碳纤维增强聚醚醚酮)试样断裂。结果显示直径为4 mm的玻璃纤维增强聚醚醚酮种植体具有310 N的疲劳极限，符合后牙修复的ISO 14801标准。4 mm直径的玻璃纤维增强聚醚醚酮种植体的静态抗压强度为256 N，提示玻璃纤维增强聚醚醚酮种植体足以承受前牙的循环咬合力(140-170 N)。这个结果可以减小因种植体直径的增加产生的不利于减小应力屏蔽效应及增加边缘骨丢失的风险。MOUNIR等[47]将定制的聚醚醚酮骨膜下植入物应用于5例上颌前牙槽嵴严重萎缩的患者以研究其临床疗效，术后进行12个月随访并影像学检查。结果显示所有植入物功能稳定，未出现暴露、松动及骨折的情况，患者对植入物感觉舒适，无明显并发症产生，聚醚醚酮植入物在严重萎缩性上颌前牙槽嵴修复中是一种可行的方法。金智文等[48]研究了聚醚醚酮可摘义齿人工牙与2种临床常用可摘义齿树脂人工牙的耐磨性及硬度，分别对聚醚醚酮人工牙、普通合成树脂牙及复合树脂牙进行了磨耗实验和硬度测试，应用扫描电镜观察牙的磨耗表面，人工牙的维氏硬度通过显微硬度计测得。结果显示，相比于普通合成树脂牙和复合树脂牙，聚醚醚酮可摘义齿人工牙具有适中的硬度和良好的耐磨性。 3D打印技术因其独特的优势，在个性化定制聚醚醚酮义齿如基于聚醚醚酮的牙齿矫正、牙冠、牙桥和口腔修复植入物等中得到了应用[49]。聚醚醚酮3D打印义齿具有准确性高、与个体患者的解剖结构相匹配、导电导热性差、耐用性好、质量轻、与X射线、CT扫描及MRI兼容等优点，因而能提高患者的舒适性[50]。通过3D打印技术个性化定制聚醚醚酮植入物以应用于口腔修复的流程见图3。利用CT、MRI等医学扫描技术可精确扫描获取患者的口腔和牙齿数据，Mimics、Ansys、Solid Works等软件可对模型进行修正[51]。借助熔融沉积成型打印机可打印出设计的聚醚醚酮牙齿植入物，打印完成后进行后处理，以提高强度或表面光洁度，对植入物进行力学性能、生物相容性等测试，最后进行临床应用。 "