PEEK聚合物在医疗领域的应用前景

2018/10/18 09:59

来源:南极熊

 PEEK被工程界称为“21世纪最有前途的材料”。如今已经有超过200万件产品被植入人体。该材料以其优异的性能和质量得到了众多医疗器械制造商和外科医生的认可,已经在脊柱、创伤和关节领域全面进入使用。

聚醚醚酮(PEEK)树脂是于上世纪70年代末研发出来的一种具有超高性能的特种工程塑料。PEEK能在众多医用原材料中脱颖而出,与其自身的特性——优异的生物相容性密不可分。生物相容性是一种材料是否适用于植入体的最基本的要求。植入材料必须无细胞毒性、诱变性、致癌性,且不致引发过敏。以下将为大家深入解析一下PEEK聚合物在医疗领域的应用特性和现状。

 PEEK与其他特种工程塑料相比具有诸多显著优势,如耐高温、机械性能优异、自润滑性好、耐化学品腐蚀、阻燃、耐剥离性、耐辐照性、绝缘性稳定、耐水解和易加工等,在医疗、航空航天、汽车制造、电子电气和食品加工等领域得到广泛应用。对PEEK进行共混、填充、纤维复合等增强改性处理,可以得到性能更加优异的PEEK复合材料,其被称为“21世纪最有前途的材料”。

 

PEEK的基本特性

(1)耐高温性:PEEK具有较高的玻璃化转变温度(Tg=143℃)和熔点(Tm=334℃),其负载热变形温度高达316℃,长期使用温度为260℃,瞬时使用温度可达300℃。

(2)韧性和刚性:PEEK具有韧性和刚性,特别是对交变应力下的抗疲劳性非常突出,可与合金材料相媲美。

(3)抗蠕变性:性能优异,是热塑性树脂最好的抗蠕变材料。

(4)自润滑性(耐磨性):PEEK具有优良的滑动特性,适合于严格要求低摩擦系数和耐磨耗用途的场合;特别是用碳纤维、石墨、PTFE改性的PEEK耐磨性非常优越。

(5)耐腐蚀性:浓硫酸外,PEEK不溶于任何溶剂和强酸、强碱,而且耐水解,具有很高的化学稳定性。

(6)耐水解性:在温度250℃的蒸汽或处在高压的水中浸泡,PEEK制品仍可以连续工作数千小时而不出现明显的性能下降;在所有的工程塑料中,PEEK具有最好的耐水解性和耐蒸汽性。

 (7)抗辐射性:具有极强的抗高剂量γ射线辐射的性能,机械性能可得到完整的保留,超过了通用树脂中耐辐射性能最好的聚苯乙烯,可用作核设备中的耐辐射零件。

(8)阻燃性:聚醚醚酮PEEK具有自熄性,即使不加任何阻燃剂,可达UL标准的94V-0级(最高级)。

(9)无毒性:可用于食品卫生、医疗器械等领域。

(10)耐疲劳性:在所有的树脂中,PEEK具有最好的耐疲劳性。

(11)易加工性:PEEK树脂虽然是超耐热树脂,但由于它具有高温流动性好、热分解温度很高等优点,可采用注射成型、挤出成型、模压成型、吹塑成型、熔融纺丝、旋转成型及粉末喷涂等多种加工方式。

在医疗器械领域,越来越多的脊柱手术、外伤和骨科类医疗产品制造商开始转向使用PEEK。与钛、钴铬合金等典型的医用植入材料相比,PEEK提供了许多额外优势:

(1)较低的弹性模量,可防止应力遮蔽效应,可使周边骨头保持强度。

(2)可透过X射线,在CT和MRI扫描时不可见,可较容易地评估骨头生长和治愈过程;而在某些情况下需要看到植入体时,也可以通过树脂改性来实现。

(3)优异的消毒性能,即时长期暴露在热蒸汽、环氧乙烷和伽马射线下,仍能保持其原有性质不改变。

(4)较好的生物相容性。

(5)机械性能可调整,可以加入不同的添加剂,包括碳纤维、硫酸钡以及玻璃纤维,以满足不同的特定应用需求。例如将短的碳纤维加入植入级PEEK聚合物可提高其摩擦磨损性能,连续碳纤维加固的PEEK机械强度可以与钴-铬合金、钛、铝合金以及不锈钢的强度相媲美。

(6)更大的设计自由度,可以很容易地用半成品坯件机加工而成,或者通过注塑成型生产。

相关医疗器械产品

目前,由于PEEK材料的相关优异性能,可广泛应用于创伤、脊柱及关节外科内植入物等领域。其具体应用简单列举如下:

(1)脊柱外科植入物

①PEEK用于椎间融合器;

②PEEK用于腰椎经椎弓根螺钉动态固定系统;

③PEEK 应用于腰椎棘突间植入物系统;

④PEEK应用于人工椎间盘及人工髓核;

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(2)关节外科植入物

①PEEK应用于股骨柄假体;

②PEEK应用于髋关节摩擦界面;

③PEEK应用于髋关节臼杯假体;

④PEEK应用在其它关节假体中;

⑤PEEK应用于关节镜缝合锚钉;

(3)颅颌面相关产品

(4)牙科相关产品

(5)其他领域相关产品

通常,聚醚醚酮可添加到医疗产品中,以实现更大益处,包括减轻重量、提高设计自由度和功能整合,也可作为不锈钢或其他材料的廉价替代品。

以下是peek适于医疗应用的特有性能:

聚醚醚酮的生物相容性使其适于多种医疗应用领域。

PEEK对传统清洁剂等具有较高的抗化学性,使用范围极其广泛。

PEEK承受过热蒸汽杀菌,非常适用于可重复使用的医疗产品,例如手术器械的把柄。和目前使用的其他塑料相比,这种高性能聚合物可以提供更好的可消毒性,从而延长使用寿命。

此外,由于易于着色,还可进行彩色编码。

PEEK抵抗伽马射线或X射线等高能辐射的性能也极其优异。

PEEK良好的X射线透射性使其在手术室中有很多有趣的应用,例如可防止使用定影剂时在X射线照片上产生伪像。

由于具有优异的机械强度、耐磨性和冲击强度,PEEK的另一个有趣的应用领域是残疾人运动,可用于制造假肢。

PEEK具有良好的尺寸稳定性,可用于高精密零件。此外,还具有出色的电绝缘性。这两种性能对医疗装置尤为重要,例如整形外科用的电池供电螺丝刀。

除此之外,PEEK对水、溶剂和化学品还具有出色的耐水解性。

尽管应用于医疗业的时间并不算长,PEEK的广泛性能使其可以满足一系列有趣的应用,例如外科手术器械、内窥镜、体外诊断、整形外科、脊柱和牙科领域,以及分析仪器和药品计量。在脊椎外科手术、外部创伤手术及整形手术植入物和医疗设备制造领域,越来越多的制造商会选择聚醚醚酮(PEEK)作为制造材料。这种材料有优良的生物相容性,对体液呈高惰性,且易于加工塑形。与传统植入物材料钛相比,PEEK更具X射线透射性,及与骨骼弹性相近的优势。因其出众的特性,PEEK在实际生产中已经成为了钛植入物最主要的热塑性替代品。

因为植入物极可能被终生使用,所以其制造材料必须兼具生物稳定性和荷载承受性。正因如此,在很长一段时期内,这一领域都被钛和钴铬合金所独占。而如今,这种局面已经被扭转,诸多优势使得PEEK越来越广泛地应用于植入物制造,其半成品更易于进行机器加工,或者也可以直接采用注入塑形工艺,这为设计带来了更大的自由空间。

第四军医大学唐都医院已经完成了3D打印PEEK肋骨的植入手术,因为PEEK打印过程中对环境温度与喷头温度要求非常高,所以必须要求机器具备一个恒温的环境,需要对腔体温度精细的控制。PEEK的材料热熔点在343℃左右,所以要求喷头温度必须达到350℃以上,并且在打印过程中保持这个温度。PEEK材料具有高于143℃的玻璃化温度, 在超过250℃的高温下使用时,依旧可以表现出卓越的机械强度、韧性、硬度、弯曲强度和扭转强度。

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