标题图 中国初创企业Meditool用Vestakeep线材经3D打印的植入器材样本企（©赢创）

“了解金属的人会选择塑料”，这句名言来自机械工程领域。按照工程师们的意思，塑料通常是更令人信服的金属替代品。这种方式的改变现在也进入了医学领域：创新型特种材料和增材制造带来的新的技术可能，正在把高性能聚合物推向新高度。

聚合物用于植入物有着悠久的传统：超交联聚乙烯通常作为金属或陶瓷的摩擦配合用材，被制成人工膝关节和髋关节。自20世纪80年代以来，高性能聚合物聚醚醚酮（PEEK）就一直作为钛的补充材料，用于植入物。生物可吸收聚乳酸基聚合物由于能被人体自然降解，不留下任何异物，已经在骨科应用了30多年。

长久以来，生产中存在的一些难题尚未解决：标准工艺是注射成型，特别是针对患者用的植入物，需要对半成品进行铣削，高达80%的材料可能会损失掉。

医疗技术中的3D打印

增材制造为个性化生产开辟了新途径。它给植入物带来的优势比其它任何领域都更为明显，可为每位患者定制产品。塑料增材制造业的突破近在眼前，主要体现在三个方面：

◆有质量保证的合适材料和相应的记录可供植入物使用。

◆打印技术获得进步，已经能可靠地生产出高品质部件。

◆根据医疗部门的质量管理标准，建立适合生产的流程。

现在，由于第一次满足了上述条件，原材料生产商、打印机制造商和医疗设备制造商之间结成的联盟可以为这项技术带来突破。

可打印的植入级线材

赢创是世界上最早为长期植入物提供3D打印医用级线材的企业之一，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。

为了充分挖掘3D打印在医疗领域的潜力，价值链中所有参与者的协作必不可少。例如，在过去几年里，赢创与各种打印机制造商保持合作。这些3D打印设备制造商也成功地进一步改进了熔丝制造（FFF）设备。

这次合作的一个重要发现是，打印策略对结果有决定性的影响（标题图）。此外，不同打印层之间的结合强度对植入物的性能至关重要。这意味着，只有材料和设备生产商紧密合作，共享信息，用户才能获得良好的3D打印效果。

                                                                         图1 Apium Additive Technologies用Vestakeep经3D打印的柔性格构                                           图2 Resomer线材打印的植入物样本（© Evonik）

常规的临床实践也必须考虑在内，赢创和Meditool之间的合作也说明了这一点。赢创的风险投资部门直接投资的这家总部位于上海的企业，利用计算机断层扫描等成像技术的数据打印出PEEK植入物。其创始团队拥有多年医药和工业经验，因此，双方的联合开发工作可以直接将手术室的要求以及当前的学术和临床研究纳入考虑范围。

在欧洲，赢创与德国卡尔斯鲁厄的ApiumAdditiveTechnologies，以及德国慕尼黑的Kumovis等公司进行密切合作。除了活跃于植入物领域，Apium还专注于探索将增材制造应用于牙科医学中的可能。两家公司都可提供医疗技术专用打印机。Kumovis开发的一种新型的温度和洁净度管理系统，显著提高了3D打印部件，尤其是高性能塑料3D打印部件的质量。

赢创与其合作伙伴们一起，证明了在现阶段，通过增材制造生产的零件可以达到与注塑件相同的机械性能。为了更好地利用3D打印的各种参数，我们有必要透彻了解打印过程和待打印部件的具体特征。客户反馈还表明，除了可打印性能优异，Vestakeep的层间结合强度优于其它PEEK聚合物。尽管PEEK通常被认为是一种非常坚硬的材料，但令人惊奇的是，这种材料却可以通过3D打印技术打印出柔性结构，如，网格。因此，这在诸如心血管领域打开了新的应用空间（图1）。

在开发Resomer的过程中，赢创公司有意识地设计出用途尽可能广泛的生物可吸收分子的组合，其中以聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PLGA）、聚己内酯和聚二氧烷作为基础原料。通过这种方法，我们可以获得几个月至数年的体内吸收时间。该线材组合还包括具有骨科应用所需机械强度的材料，如PLA和PLGA（植入物样品见图2）以及可用于再生医学和软组织替代品的柔性塑料（如聚二氧烷酮和聚己内酯）。表1简单介绍了可用的线材。

3D 打印技术带领塑料医疗植入物走向新征程

3D打印的Resomer拉伸试样杆的机械性能与对应的注塑件几乎没有区别。图3为一些样品结果，图4为样件表面的扫描电子显微图。其性能取决于打印策略和所用设备。通过选择恰当的参数，3D打印部件可以获得与常规生产部件相似的强度。

直到2020年2月，赢创推出全球第一款按照GMP标准商业化生产的SLS（选择性激光烧结）专用粉末材料——生物可吸收Resomer材料PrintPowder。激光烧结技术也首次得以用于生产供临床用、机械性能得到精确调节的复杂可生物吸收植入物。

3D打印带来更高的设计自由度

图3 用Resomer聚物材料打印和注塑的部件的机械性能（来源：赢创；图表：© Hanser）

增材制造以其独特的可能性，与当前的传统生产方法相补充。它减少了材料消耗，并开启了前所未有的全新设计可能。如，赢创与美国FossiLabs公司的合作就证明了这一点，双方共同开发出了特种软件，用以打印具有特定的多孔结构，骨组织能够在3D打印的植入物（图5）上生长，加速了术后骨组织向植入物内的生长，就如脊柱手术的椎间盘置换或关节置换手术期望的那样。

图4 3D打印聚己内酯基Resomer线材的扫描 电子显微照片（© Evonik）

研究证实3D打印植入物的优势

瑞士巴塞尔大学的研究人员发现了一个有趣的现象。在对FFF技术打印件进行体外试验时，研究人员发现，天然粗糙表面上的成骨细胞生长情况明显更好：仅5天后，打印部件上的细胞活性就达到光滑部件上的两倍，比喷砂部件上的细胞活性高3倍。这表明，通过选择性地改变植入物的表面特性，可以加速身体的愈合过程。

图5 3D打印工件中的微孔结构有助于加速成骨细胞的生 长（©赢创）

可吸收材料的生物相容性给3D打印提出了特殊的挑战，因为材料所包含的任何外来颗粒都会因其在体内的降解而被释放。与德国汉诺威大学的合作表明，用Resomer线材打印的植入物不具有细胞毒性，并能促进细胞与表面的结合（图6）。

图6 细胞在聚乳酸和聚己内酯表面的附着情况（来源：赢创；图片：© Hanser）

通过组合不同的材料，例如将具有良好机械性能的耐久性材料Vestakeep与天然生物可吸收Resomer（图7）材料相结合，为3D打印带来了全新的可能。在这里，原材料生产商、打印机生产商和医疗器械公司之间的合作是关键。3D打印聚合物植入物已发展到临床应用的边缘。由奥地利麦迪津尼斯大学（MedizinischeUniversityätGraz）协调的CAMed（医用临床增材制造）研究项目（赢创公司也参与了该项目）正准备完成世界上第一个在奥地利进行的将3D打印PEEK植入人体的临床研究。这也使得该项资金支持将持续到2022年10月的研究，成为常规使用的增材制造患者定制型植入物的重要一步。

图7 由Kumovis打印机打印得Vestakeep（外部）和Resomer（内部）材料制成的组合式脊柱固定器（椎间隙固定器）