高温空气辅助3D打印制备PEEK人工骨植入物的力学性能研究

本研究针对高熔点、高粘度PEEK材料在3D打印过程中因温度梯度导致的结晶度不足和层间结合强度下降问题，通过高温空气辅助技术优化打印工艺。研究通过单因素和正交实验确定240°C为最佳辅助温度，显著提升打印件的拉伸强度(152 MPa)和弯曲强度(194 MPa)，并证明圆形（多孔）结构在保持良好抗压强度的同时具有更高孔隙率，为骨植入物结构设计提供重要理论指导。

　　

随着生物医学工程的快速发展，聚醚醚酮(Polyether ether ketone, PEEK)作为一种高性能特种工程塑料，因其卓越的耐热性、机械强度、耐腐蚀性、自润滑性和生物相容性，在人工骨植入物领域展现出巨大应用潜力。传统制造工艺如注塑成型在制备复杂结构植入物时面临模具浪费、生产周期长、材料均匀性差等挑战，而减材制造又存在材料浪费严重的问题。3D打印技术特别是熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)为PEEK材料的个性化制造提供了新途径，但其应用仍面临重大技术瓶颈：PEEK材料熔点高达343°C，与室温打印环境之间存在显著温度梯度，导致挤出材料分子链排列受限，结晶结构形成不充分，最终造成打印件结晶度低、层间结合强度差等力学性能缺陷。

为突破这一技术瓶颈，发表在《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》的研究团队创新性地提出了高温空气辅助3D打印技术，系统研究了工艺参数对PEEK材料力学性能的影响规律，并深入探讨了不同孔隙结构植入物的力学性能与生物学性能的平衡关系。

研究人员采用高温空气辅助FDM技术，通过对称布置的热风枪持续供给洁净高温空气，减缓材料从加工温度到室温的冷却速率。研究采用单因素实验考察了高温空气温度(0-300°C)的影响，并通过正交实验系统分析了高温空气温度、打印速度、层厚和打印温度四个关键参数的交互作用。实验使用电子万能试验机进行单轴拉伸和三点弯曲测试， displacement控制加载速率为2 mm/min。针对植入物结构设计，研究了四种不同孔结构(菱形、六边形、椭圆形和圆形(多孔))的力学性能，并通过3D建模软件计算各结构的孔隙率。

单因素实验结果表明，高温空气辅助显著改善了3D打印PEEK材料的力学性能。随着高温空气温度从60°C升高到240°C，拉伸强度和弯曲强度均呈现持续上升趋势；但当温度达到300°C时，力学性能开始下降。240°C被确定为最优高温空气温度，能最大化PEEK打印件的拉伸强度和弯曲强度。

正交实验结果进一步揭示了各参数对力学性能的影响规律。范围分析显示，影响拉伸强度的因素按显著性降序排列为：高温空气温度 > 打印速度 > 层厚 > 打印温度；弯曲强度的因素显著性顺序相同。方差分析表明，高温空气温度是唯一具有统计学显著性的因素(P < 0.01)。最优参数组合确定为：高温空气温度240°C、打印速度20 mm/s、层厚0.2 mm、打印温度440°C，该组合下打印的验证试样拉伸强度达到152 MPa，弯曲强度达到194 MPa，均超过正交实验中的9组实验结果。

在植入物结构设计研究中，研究人员发现填充密度对抗压强度有显著影响：填充密度越高，抗压强度越大。50%的填充密度(应变10%时应力为142 MPa)即可满足人工植入物的基本功能要求(110-150 MPa)，同时降低材料消耗和打印时间。

四种孔结构植入物的力学性能对比表明，六边形孔结构表现出最高的抗压强度，椭圆形孔结构的抗压强度最低。圆形(多孔)结构虽然具有最高的孔隙率(68.2%)，但其抗压强度仅次于六边形结构。这一现象说明孔结构的抗压强度不仅取决于孔隙率，还与孔的形状密切相关。椭圆形孔结构的低强度可归因于应力集中效应：椭圆长轴两端作为显著的应力集中区(类似裂纹尖端)，当长宽比较大时，局部应力可达平均应力的3-5倍。相比之下，圆形和六边形孔结构能促进均匀应力分布，没有尖锐拐角；菱形孔结构虽然包含锐角，但通过角度优化可有效分散应力。

研究结论表明，高温空气辅助技术显著改善了3D打印PEEK材料的力学性能，240°C被确定为最优高温空气温度。通过正交实验优化得到了最佳工艺参数组合，能同时最大化拉伸强度和弯曲强度。在植入物结构设计方面，圆形(多孔)结构不仅表现出良好的抗压强度，还提供了更高的孔隙率和表面积，有利于骨细胞长入、增殖和扩散。这些发现为高熔点、高粘度材料及其复合材料的3D打印质量提升提供了重要理论指导，特别是在3D打印成型温度和多孔植入物孔结构设计方面。

该研究的重要意义在于解决了PEEK材料3D打印中的关键工艺难题，通过高温空气辅助技术有效控制了打印过程中的温度梯度，提高了材料结晶度和层间结合强度。同时，系统研究了不同孔结构对植入物力学性能和生物学性能的影响，为个性化人工骨植入物的设计与制造提供了科学依据和实践指导。这些成果不仅推动了PEEK材料在生物医学领域的应用发展，也为其他高熔点、高粘度材料的3D打印技术优化提供了可借鉴的思路和方法。