標題圖 中國初創企業Meditool用Vestakeep線材經3D打印的植入器材樣本企（?贏創）
“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。這種方式的改變現在也進入了醫學領域：創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：超交聯聚乙烯通常作為金屬或陶瓷的摩擦配合用材，被制成人工膝關節和髖關節。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，已經在骨科應用了30多年。
長久以來，生產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。
醫療技術中的3D打印
增材制造為個性化生產開辟了新途徑。它給植入物帶來的優勢比其它任何領域都更為明顯，可為每位患者定制產品。塑料增材制造業的突破近在眼前，主要體現在三個方面：
◆有質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，已經能可靠地生產出高品質部件。
◆根據醫療部門的質量管理標準，建立適合生產的流程。
現在，由于第一次滿足了上述條件，原材料生產商、打印機制造商和醫療設備制造商之間結成的聯盟可以為這項技術帶來突破。
可打印的植入級線材
贏創是世界上最早為長期植入物提供3D打印醫用級線材的企業之一，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打印在醫療領域的潛力，價值鏈中所有參與者的協作必不可少。例如，在過去幾年里，贏創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。
這次合作的一個重要發現是，打印策略對結果有決定性的影響（標題圖）。此外，不同打印層之間的結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商緊密合作，共享信息，用戶才能獲得良好的3D打印效果。
圖1 Apium Additive Technologies用Vestakeep經3D打印的柔性格構 圖2 Resomer線材打印的植入物樣本（? Evonik）
常規的臨床實踐也必須考慮在內，贏創和Meditool之間的合作也說明了這一點。贏創的風險投資部門直接投資的這家總部位于上海的企業，利用計算機斷層掃描等成像技術的數據打印出PEEK植入物。其創始團隊擁有多年醫藥和工業經驗，因此，雙方的聯合開發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學中的可能。兩家公司都可提供醫療技術專用打印機。Kumovis開發的一種新型的溫度和潔凈度管理系統，顯著提高了3D打印部件，尤其是高性能塑料3D打印部件的質量。
贏創與其合作伙伴們一起，證明了在現階段，通過增材制造生產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，我們有必要透徹了解打印過程和待打印部件的具體特征。客戶反饋還表明，除了可打印性能優異，Vestakeep的層間結合強度優于其它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構，如，網格。因此，這在諸如心血管領域打開了新的應用空間（圖1）。
在開發Resomer的過程中，贏創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）、聚己內酯（PLGA）、聚己內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年的體內吸收時間。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）以及可用于再生醫學和軟組織替代品的柔性塑料（如聚二氧烷酮和聚己內酯）。表1簡單介紹了可用的線材。
3D 打印技術帶領塑料醫療植入物走向新征程
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別。圖3為一些樣品結果，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。通過選擇恰當的參數，3D打印部件可以獲得與常規生產部件相似的強度。
直到2020年2月，贏創推出全球第一款按照GMP標準商業化生產的SLS（選擇性激光燒結）專用粉末材料——生物可吸收Resomer材料PrintPowder。激光燒結技術也首次得以用于生產供臨床用、機械性能得到精確調節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3 用Resomer聚物材料打印和注塑的部件的機械性能（來源：贏創；圖表：? Hanser）
增材制造以其獨特的可能性，與當前的傳統生產方法相補充。它減少了材料消耗，并開啟了前所未有的全新設計可能。如，贏創與美國FossiLabs公司的合作就證明了這一點，雙方共同開發出了特種軟件，用以打印具有特定的多孔結構，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的生長，就如脊柱手術的椎間盤置換或關節置換手術期望的那樣。
圖4 3D打印聚己內酯基Resomer線材的掃描 電子顯微照片（? Evonik）
研究證實3D打印植入物的優勢
瑞士巴塞爾大學的研究人員發現了一個有趣的現象。在對FFF技術打印件進行體外試驗時，研究人員發現，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。
圖5 3D打印工件中的微孔結構有助于加速成骨細胞的生 長（?贏創）
可吸收材料的生物相容性給3D打印提出了特殊的挑戰，因為材料所包含的任何外來顆粒都會因其在體內的降解而被釋放。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合（圖6）。
圖6 細胞在聚乳酸和聚己內酯表面的附著情況（來源：贏創；圖片：? Hanser）
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）材料相結合，為3D打印帶來了全新的可能。在這里，原材料生產商、打印機生產商和醫療器械公司之間的合作是關鍵。3D打印聚合物植入物已發展到臨床應用的邊緣。由奧地利麥迪津尼斯大學（MedizinischeUniversity?tGraz）協調的CAMed（醫用臨床增材制造）研究項目（贏創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到2022年10月的研究，成為常規使用的增材制造患者定制型植入物的重要一步。
圖7 由Kumovis打印機打印得Vestakeep（外部）和Resomer（內部）材料制成的組合式脊柱固定器（椎間隙固定器）
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