自然關節復雜的組織解剖結構和多樣的力學環境使其易受創傷、疾病等因素影響，人工關節義肢可以替代缺損部位，為患者消除疼痛和重建運動功能。PEEK在體內除了具有良好的化石相容性和穩定的理化效能，還具有匹配骨組織的力學強度和優異的耐摩擦效能，這使其成為新一代聚合物人工關節材料。3D打印為個人化人工關節義肢提供了制備技術的支持，同時成型原理也決定了打印方向是影響其摩擦學效能的重要因素之一。
論文連結：
https://link.springer.com/article/10.1007/s42242-023-00258-y
西安交通大學李滌塵教授團隊，透過熔融沈積成型制備了具有不同3D打印方向的PEEK銷，和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）盤組成摩擦副，在25%小牛血清潤滑液中透過銷盤實驗研究摩擦學效能。透過磨損後的表面形貌和物相分析，發現了UHMWPE磁碟機產生的磨屑轉移到PEEK表面，形成牢固的轉移膜。分析了轉移膜的數量、尺寸與打印方向之間的關系，揭示了相近的材料特性、階梯狀的表面紋理和穩定的應力作用對轉移膜形成的協同作用。在此基礎上，以膝關節義肢為例，提出了一種股骨單髁義肢打印方向的分區設計路徑：外層設計為同心圓路徑，中間層設計為垂直路線徑，內層設計為多孔路徑，實作了耐摩擦、力學和骨融合效能的多功能設計。該研究建立了打印方向和PEEK摩擦學效能之間的對映關系，並為關節義肢的多功能性設計提出了一種新的3D打印策略。
文章導讀
圖1 不同3D打印方向的聚醚醚酮（PEEK）表面磨損形貌和股骨單髁義肢的打印路徑設計策略圖。
圖2 不同3D打印方向聚醚醚酮（PEEK）銷的制備工藝和摩擦學實驗方案。(a) 成型工藝；(b) 後處理；(c) 銷盤摩擦實驗的示意圖。
圖3 不同3D打印方向的聚醚醚酮（PEEK）銷和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）盤對摩後的摩擦學效能。(a) 摩擦系數曲線；(b) 平均摩擦系數；(c) PEEK銷和UHMWPE磁碟機各自的磨損體積；(d) 總體磨損體積。
圖4 聚醚醚酮（PEEK）磨損後的表面形貌。(a1-e1) 0°、25.5°、45°、67.5°、90° PEEK磨損後的低倍表面形貌；(a2-e2) 0°、25.5°、45°、67.5°、90° PEEK磨損後的高倍表面形貌；(f-j) 0°、25.5°、45°、67.5°、90° PEEK表面形成的轉移膜頻率分布直方圖；(k) 轉移膜在PEEK表面的平均面積和面積占比。
圖5 聚醚醚酮（PEEK）表面形成轉移膜的表征。(a1-a4) PEEK磨損前和(b1-b4) 磨損後的SEM形貌；(c) PEEK磨損前後的XPS圖譜；(d) PEEK磨損前的C1s分峰圖譜；(e) PEEK磨損後的C1s分峰圖譜；(f) XRD圖譜；(g) FTIR圖譜。
圖6 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）磨損後的表面形貌。(a-e) UHMWPE和0°、25.5°、45°、67.5°、90°聚醚醚酮（PEEK）對摩後的2D表面形貌；(f-j) UHMWPE和0°、25.5°、45°、67.5°、90° PEEK對摩後的3D表面形貌和磨痕深度曲線；(k) 表面粗糙度Ra和磨痕深度。
圖7 不同屈曲角度的單髁膝關節有限元模擬。(a1-d1) -30°、0°、45°和90°單髁膝關節有限元模型；(a2-d2) -30°、0°、45°和90°股骨單髁的應力跡線分布。
圖8 基於膝關節運動形式的打印路徑設計。(a) 股骨單髁整體應力跡線；(b) 膝關節運動形式；(c) 分區打印路徑設計。
圖9 股骨單髁義肢的3D打印。(a) 股骨單髁義肢模型的放置形式；(b) 聚醚醚酮（PEEK）股骨單髁義肢。
圖10 不同3D打印方向的聚醚醚酮（PEEK）表面形成轉移膜的機理示意圖。
論文參照資訊：
Li Y, Zheng J, Sun C, et al., 2024. Transfer film effects induced by 3D-printed polyether-ether-ketone with excellent tribological properties for joint prosthesis. Bio-des Manuf 7(1):43-56. https://doi.org/10.1007/s42242-023-00258-y
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