仿生功能化聚醚醚酮颅骨植入体的抗冲击性能研究及其在颅骨成形术中的应用

为解决颅骨植入体机械强度不足和感染风险高的问题，研究人员开发了一种基于仿生设计和3D打印技术的聚醚醚酮(PEEK)复合植入体Amanita，通过标准化生物力学测试验证其抗冲击性能。结果显示该植入体在2 mm形变下可承受>100 N压力，6 mm形变时吸收>1000 mJ能量，且10 mm形变仍保持结构完整，为临床颅骨重建提供了兼具机械强度和生物活性的创新解决方案。

　　

颅骨缺损修复面临双重挑战：传统植入体难以兼顾机械保护与生物相容性，而感染风险始终是术后主要并发症。聚醚醚酮(PEEK)虽具有优良的生物相容性，但其机械性能与天然颅骨存在差距；生物活性玻璃(BAG)虽能促进骨整合，但单独使用缺乏结构支撑。如何通过创新设计融合这两种材料的优势，成为颅骨重建领域亟待突破的技术瓶颈。

Ambrocio Oy的研究团队在《Journal of Cranio-Maxillofacial Surgery》发表的研究中，开发出名为"Amanita"的革命性植入体。这种设计灵感源自毒蝇伞蘑菇的曲面结构和斑点图案，采用3D打印技术将PEEK与S53P4 BAG颗粒复合，通过独特的六边形Truchet网格结构实现力学性能优化。研究通过有限元分析(FEA)筛选设计，最终物理测试证实该植入体在模拟真实创伤的冲击测试中表现优异：2 mm形变时承受力达100 N，6 mm形变时能量吸收超过1000 mJ，且10 mm形变仍保持结构完整性，完全满足FDA对颅骨植入体的力学要求。

关键技术包括：(1)采用Apium P220 3D打印机实现PEEK网格结构的精确成型；(2)创新性采用"平面打印-后成型"工艺，先打印平面网格后填充BAG颗粒再热成型；(3)通过ISO 178:2019标准的三点弯曲试验获取材料参数；(4)运用SolidWorks软件进行FEA仿真优化；(5)参照临床标准建立铝制夹具模拟颅骨缺损的力学测试平台。

【研究结果】
3.1 设计筛选：FEA分析显示，带有交叉加强筋的Amanita X设计在300 N载荷下von Mises应力分布最优，且对螺钉固定模式(12/6奇数/6偶数)敏感性最低，被选为最终实施方案。

3.2 力学测试：与临床常用的玻璃纤维增强Glace植入体相比，Amanita在2-6 mm形变区间均显示出显著更高的抗压强度(P<0.05)和能量吸收能力(P<0.026)。值得注意的是，虽然10 mm形变时出现局部分层，但BAG颗粒仍被网格有效约束，未发生灾难性结构失效。

讨论部分揭示了多项创新价值：仿生网格结构既作为BAG的载体，又通过可控变形增强能量吸收；外表面网格设计促进软组织整合，而内表面致密PEEK层隔离BAG与硬脑膜，降低感染风险。与文献报道的"嵌入式"PEEK植入体相比，这种"覆盖式"设计在更薄厚度(1-3 mm)下实现了相当甚至更优的力学性能。研究还开创性地采用"二维打印+三维成型"工艺，解决了复杂空间结构打印的技术难题，使医院现场制造成为可能。

这项研究为颅骨重建提供了全新范式：通过仿生学原理优化力学性能，借助多材料3D打印实现结构-功能一体化，采用参数化设计适配个性化需求。Amanita植入体不仅满足临床对安全性的基本要求，其创新的制造流程更代表着医疗设备分布式生产的未来方向。后续研究将聚焦于其抗菌性能和临床转化评估，有望推动颅骨修复技术进入智能化、个性化、可持续的新阶段。