构建取向对SLS打印骨植入PEEK性能的多维度影响：从表面-物理-力学特性到体外细胞响应的系统研究

本研究针对SLS（选择性激光烧结）技术制备PEEK（聚醚醚酮）骨植入物时构建取向这一关键工艺参数的影响机制尚不明确的问题，系统研究了0°至80°不同构建取向对PEEK样品的表面形貌、力学性能和细胞响应的影响。研究发现构建取向通过调控微观结构完整性导致表面粗糙度呈非线性变化（30°时Ra峰值达21.5μm）和显著力学各向异性，同时发现基底倾角（30°-60°范围）作为外在生物力学因素对细胞活力调控具有主导作用。该研究为SLS-PEEK植入物的工艺优化和临床应用提供了重要理论依据。

　　

随着增材制造技术在医疗领域的快速发展，选择性激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS）技术因其高设计自由度和制造精度，已成为制备个性化聚醚醚酮（Polyether Ether Ketone, PEEK）植入物的前沿技术。PEEK作为一种高性能聚合物，其弹性模量（2-4 GPa）与人体骨骼相近，能有效减少应力屏蔽效应，且具有优异的生物相容性、化学稳定性和射线可透性，正逐步取代传统金属材料成为新一代植入物材料。然而，作为SLS工艺核心参数的构建取向（build orientation）如何影响PEEK植入物的综合性能，特别是其表面特性、力学性能和生物学响应之间的内在关联，仍是未深入探索的关键科学问题。

针对这一研究空白，西安交通大学机械工程学院智能制造系统全国重点实验室的刘英杰等人开展了一项系统研究，相关成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》上。研究人员通过制备0°、30°、60°和80°四种不同构建取向的SLS-PEEK样品，综合运用表面形貌分析、力学性能测试和体外细胞实验等多学科方法，揭示了构建取向通过调控微观结构完整性影响材料最终性能的作用机制。

研究采用的主要关键技术方法包括：采用自制SLS设备制备不同取向PEEK样品；通过扫描电镜（SEM）和轮廓仪进行表面形貌和粗糙度分析；利用万能力学试验机进行压缩和三点弯曲测试；选用正常人真皮成纤维细胞（NHDFs）进行体外培养；采用激光共聚焦显微镜观察细胞形态；通过Western blot检测黏着斑蛋白（Talin和Vinculin）表达；使用MTT法评估细胞活力；并创新性地引入基底倾角实验模拟体内重力挑战。

表面表征结果显示，构建取向通过阶梯效应和粉末颗粒融合机制显著影响表面特性。30°构建取向样品表现出最高表面粗糙度（Ra=21.5μm），而0°取向样品最为光滑（Ra=11.3μm）。有趣的是，尽管表面粗糙度存在显著差异，所有样品均保持疏水性（接触角>80°），表明PEEK的本征非极性化学特性对润湿性的影响超越了表面形貌的影响。

力学性能方面，研究发现了明显的各向异性行为。压缩性能在不同取向上保持一致，压缩模量1.41-1.60GPa，强度124.43-142.90MPa。然而，弯曲性能对构建取向高度敏感，SLS-60和SLS-80组表现出更高的弯曲模量（5.01-5.44GPa），但SLS-80组的弯曲强度最低（106.83MPa）。断口分析显示，高构建取向样品存在明显的未融合缺陷和球状孔隙，解释了其提前脆性断裂的原因。

体外生物学评价揭示了表面粗糙度和基底倾角的复杂相互作用。在早期培养阶段（第2天），低粗糙度表面（SLS-L）促进更高的细胞密度，但到第5天时，两种表面的细胞密度趋于一致。Western blot分析证实两种表面均能支持成熟的黏着斑形成。更重要的是，研究发现基底倾角是调控细胞活力的主导因素——当倾角从30°增加到60°时，细胞活力显著下降约50%，表明存在关键的生物力学阈值。

讨论部分深入分析了构建取向通过粉末融合机制调控表面特性的内在原理，解释了30°取向出现峰值粗糙度的特殊现象（松散粉末颗粒粘附效应）。力学各向异性被归因于层内和层间结合的综合效应：短扫描矢量增强层内融合提高模量，但阶梯几何导致层间结合薄弱降低强度。生物学响应方面，研究人员提出了表面形貌与生物力学环境相互竞争的新见解——粗糙表面在早期提供抗剪切锚定点，但长期培养中持续的生物力学应力成为主导因素。

该研究的结论强调：SLS制备的PEEK具有满足骨植入物应用的力学性能和细胞相容性；构建取向通过微观结构缺陷引起性能各向异性；基底倾角作为模拟体内重力挑战的外在因素，在30°-60°范围内存在调控细胞响应的关键阈值。这些发现不仅为SLS-PEEK植入物的工艺设计提供了重要指导，更强调了在植入物设计和性能评估中必须同时考虑制造参数和生理环境因素的综合影响。未来研究需要关注多孔结构和生物活性表面改性等策略，以确保植入物在复杂体内环境中的均匀组织整合和长期稳定性。