混合制造氮化硅涂层连续碳纤维增强PEKK复合材料：创伤骨板应用的新候选生物材料？

为解决金属创伤骨板弹性模量过高导致的骨愈合延迟及感染风险问题，研究人员通过融合沉积成型（FFF）结合单轴压缩模塑的混合制造技术，开发了具有不同纤维铺层取向（0°/90°、+45°/-45°、0°/90°/+45°/-45°）的连续碳纤维增强PEKK（CCF-PEKK）复合材料，并喷涂氮化硅（Si3N4）抗菌涂层。研究发现+45°/-45°铺层可模拟皮质骨弯曲模量（15.6 GPa），且Si3N4涂层不影响力学性能，为开发兼具生物相容性和抗感染功能的非金属骨板提供了新思路。

　　

在骨科创伤治疗领域，金属骨板（如钛合金Ti-6Al-4V）虽能提供稳定的骨折固定，但其弹性模量（通常超过100 GPa）远高于人体皮质骨（1.7-16.3 GPa），这种“应力屏蔽”效应会抑制骨痂形成，导致10%患者出现延迟愈合甚至骨不连。更棘手的是，金属和传统聚醚醚酮（PEEK）植入物还存在5%-10%的术后感染风险。面对这一临床困境，瑞士9T Labs的研究团队在《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》发表了一项突破性研究，他们创新性地将增材制造与热压工艺结合，开发出具有抗菌功能的氮化硅（Si₃N₄）涂层连续碳纤维增强聚醚酮酮（CCF-PEKK）复合材料，为下一代创伤骨板提供了全新解决方案。

研究采用融合沉积成型（FFF）结合单轴压缩模塑的混合制造技术，以短碳纤维增强PEKK（PEKK-SCF）为基体，嵌入聚丙烯腈（PAN）基连续碳纤维（CCF），制备了300×150 mm的平板试样。通过四组关键实验：不同铺层设计（0°/90°、+45°/-45°、0°/90°/+45°/-45°）的力学测试、Si₃N₄涂层喷涂、四点弯曲试验和扫描电镜（SEM）断口分析，系统评估了材料性能。

Can layup orientation be tuned to replicate the mechanical stiffness of cortical bone in flexion?
研究发现纤维取向显著影响弯曲性能：0°/90°铺层展现最高模量（67.6 GPa）和强度（1020 MPa），而+45°/-45°铺层模量（15.6 GPa）恰落入皮质骨范围，其轴向纤维排列能有效分散载荷，但强度仅217 MPa。混合铺层（0°/90°/+45°/-45°）则呈现中间值（53.2 GPa），说明通过铺层设计可精准调控刚度。

How does the structure of the different layups influence fracture behavior?
SEM显示0°/90°试样断裂面平整，表现为典型脆性断裂；而+45°/-45°试样呈现纤维拔脱和分层，这种能量耗散机制使其在保持适度刚度同时具备更好的损伤容限。

Do silicon nitride coatings affect flexural or fracture behavior?
亚微米级Si₃N₄涂层均匀覆盖表面（SEM证实），但四点弯曲测试表明涂层对模量和强度无显著影响（p>0.01），裂纹扩展路径也未改变，说明其抗菌功能不会牺牲力学性能。

这项研究首次证实：通过混合制造技术可制备兼具仿生力学性能和抗菌功能的PEKK基复合材料。+45°/-45°铺层设计成功复现了皮质骨刚度，解决了金属植入物刚性过大的历史难题；而Si₃N₄涂层通过表面水解产生的氨/铵离子（NH₃/NH₄⁺）可抑制细菌代谢，其3-5 nm厚的非晶硅氧氮化物层还能促进成骨细胞矿化。尽管仍需验证长期疲劳性能和体内生物活性，但该材料体系为开发“力学适配-抗感染-促愈合”三位一体的智能骨板奠定了坚实基础，未来或可替代传统金属植入物，显著提升创伤骨科治疗效果。