3D打印又稱增材制造，是直接通過原材料的逐層堆積進行物體構造。相對傳統減材制造而言，3D打印具有制造形狀復雜的物品而不增成本、不要求制造技能、可減少廢棄物等優點，適合小批量、定制化、形狀復雜的產品。

經過30多年的發展，3D打印已經逐漸成熟，也形成了比較完整的產業鏈。在其下游應用端，醫療是一個可深度鏈接的行業，因為手術導板、醫療植入物、義齒等醫療器械對個性化定制的要求很高。

當前3D打印技術正以前所未有的速度迅猛發展，相關的技術包括熔融層積成型（FDM）技術、光固化（SLA）成型技術、3D噴?。?DPI）技術、選擇性激光燒結（SLS）技術等。在打印技術不斷成熟的過程中，打印材料的局限性致使其無法滿足醫療領域的苛刻要求，從而阻礙了3D打印技術更廣泛地應用于臨床實踐。為突破打印材料的瓶頸，研究者們開展了許多相關的基礎研究，近年來取得較大突破，不斷有新材料應用于醫學打印。PEEK（聚醚醚酮）材料就是其中的佼佼者。

自從PEEK材料被確認為適用于3D打印技術，通過增材制造方式獲得可用于人體的高性能植入物，這使得醫療植入物的高度定制化又多一條途徑。

隨著醫療技術的突破和3D打印技術的成熟，兩者相結合發揮出了“1+1≥2”的效果，在醫療界也有很多應用3D打印成功治療了骨折、心臟搭橋、牙齒等難度不一的手術案例。例如，巴塞爾大學的研究人員應用PEEK來治療眼窩骨折，降低了術后的排斥風險。

揭秘PEEK

PEEK是一種在機械性能、耐腐蝕性能以及耐高溫等方面指標都非常優秀的高性能材料，其長期工作溫度可達260°C，能適應各種極端惡劣的工作環境。由于其綜合性能的優異，也被工程界稱為“21世界最有前途的材料之一”。

PEEK是由英國帝國化學工業公司（ICI）于1978年開發出來的超高性能特種工程塑料，至20世紀80年代中期我國國內開始研制，于1990年吉林大學發表了制造專利。雖然PEEK材料發展至今已有30多年歷史，但是由于PEEK材料的熔點是334 ℃，因此導致其推廣應用受限于3D打印機的發展。而近年來，隨著3D打印機的飛速發展，這種材料逐漸可用于3D打印技術進行加工，引起了醫學界的興趣，甚至被稱為“21世紀最有前途的材料。

PEEK的發展歷程

初始孕育階段（1978-1992年）：PEEK是由英國帝國化學工業公司公司（ICI）于1978年開發出來的超高性能特種工程塑料，ICI對其進行申請專利并工業化，產能達1000噸/年，主要用于國防軍工領域。

壟斷發展及瓦解階段（1993-2004年）：英國威格斯（Victrex）公司從ICI收購PEEK業務，呈現壟斷式發展態勢，并不斷擴大生產規模，2003年產能增加至2800噸/年，其后杜邦、BASF、日本三井東壓化學公司、美國爾特普等也先后開發出類似產品，PEEK應用領域也從最初的軍用拓展至工業及生物醫療等民用領域。

長期以來PEEK被巴黎統籌委員會列為戰略物資對我國實行封鎖、禁運。國家為了滿足國防事業和民用高科技發展的需求，國家將其列入“七五”~“十五”國家重點科技攻關項目和“863計劃”進行攻關研究。在我國政策大力扶持下，吉林大學吳忠文教授團隊自主研發出具有獨立知識產權的PEEK專利技術，創建了吉大高新材料有限責任公司并投產。

全面發展階段（2005-至今）：2005年，贏創（Evonik）收購了吉大高新，索爾維（Solvay）收購了印度Garda的PEEK業務；2009年，我國金發科技股份有限公司、盤錦中潤特塑有限公司等進入該領域，PEEK進入全面發展階段。此外，PEEK的改性復合及加工技術逐步發展，應用領域也在不斷擴大。因全球專業從事PEEK生產的廠商眾多，其市場競爭程度也將日趨白熱化。目前，英國威格斯、比利時索爾維、德國贏創是全球規模最大的三家PEEK生產商。

在醫療領域，對PEEK材料的研究也比較熱門，首先因為它具有良好的生物相容性，彈性模量也與人體骨接近。如果用它作為植入物材料，不會有金屬離子溶出導致的不良反應，在一定程度上還可減弱甚至消除應力遮擋效應，有利于植入物與骨組織之間的整合。

PEEK材料一般只有每立方厘米1.3g和人體骨骼，密度相似，彈性模量和人體骨組織相當，可以更好的和左右鄰居協同工作，減少金屬常見的應力遮擋現象（Stress Shielding Effect）。應力遮擋是指當兩種或者多種具有不同剛度的材料共同承載外力時，具有剛度較高的材料將會承擔較多的載荷，而剛度較低的載荷則只需承載較低的載荷，從而低剛度的骨骼沒有很好的刺激，從而退化。最新研究結果表明，PEEK材料的植入物不僅能帶來合適的承載強度，整體質量也比較輕。

其次，與傳統的醫用鋁合金相比較，PEEK在3D打印的過程中保持著一種較高的精準水平，同時也比鋁合金材料輕，減輕了術后患者的負擔。

它可以實現多孔植入物，促進更多的細胞再生。高溫、可植入性聚合物PEEK的打印為更復雜的一代生物材料鋪平了道路。在醫療點實施FDM 3D打印可以減少材料浪費，加快植入物的生產，提高了成本效益，以及對不同病人實施針對性治療。

最后，金屬植入物在日后的影像學檢查中或多或少會存在CT或X光的偽影，從而影響日后疾病的診斷，而PEEK材料可以被X射線穿透，在CT、磁共振下也不產生偽影，更有利于術后觀察和跟蹤愈合過程，從而能對骨生長和愈合實現良好的監控。這意味著在醫療領域，它將是理想的人工骨材料，甚至能夠在未來更多場景中替代目前使用普遍的鈦合金材料，應用前景較為廣闊。

由PEEK制成的植入體

（1）骨骼替代物——頜面和顱骨植入體

（2）脊柱手術——脊椎椎間融合器

（3）骨頭和臀部替代物——關節植入體

（4）骨科設備：固定板和螺絲

（5）牙齒替代物——用CFR-PEEK做的牙科植入體，義齒，根內固位

（6）心臟手術——心臟泵和瓣膜

PEEK材料打印的頭骨

目前，PEEK憑借著自身優異性能，廣泛應用于創傷、牙科，脊柱及關節外科內植入物等眾多領域，但是該材料在目前推廣上卻有諸多困難：

首先，PEEK的價格極其昂貴 ，一次PEEK 個性化顱骨的手術費用至少是鈦合金的3-5倍。不過3D打印能減少材料損耗，從而可以彌補其價格缺陷。但想要真正應用PEEK材料，還要攻克打印技術上的難關。

而PEEK材料的打印難度大是業內公認，就連一些國際3D打印巨頭公司也遲遲未能推出自己的PEEK 3D打印，也從側面反映了這項技術的難度。

其次，PEEK材料使用FDM技術打印成型，就一定會存在著打印原型的表面有較明顯的條紋、打印精度相對其他打印方式較低、且成型速度慢的缺點。FDM技術的應用范圍比較廣泛，技術難度原本不是特別大。但PEEK材料熔點高達343℃，且對溫度變化十分敏感。這不僅要求打印機要進行高溫打印，還要保證打印中產品不會因為溫度變化而變形。

PEEK材料3D打印技術

不同于一般應用于熔融沉積3D打印技術的熱塑性材料，如ABS、PLA等，PEEK材料是一種高熔點、高性能的半結晶熱塑性高分子材料，因此，在3D打印過程中，高熔點所帶來的冷卻收縮，結晶所造成的結晶收縮會使材料在制造過程中非常容易發生翹曲變形，從而容易導致3D打印的失敗。

第一代PEEK材料3D打印技術：

微熱環境技術

第一代的PEEK材料3D打印技術主要采用80℃~140℃的微熱環境技術去適當降低在打印過程中PEEK材料冷卻的收縮，這種技術是目前市面上的普遍技術，主要的代表公司有德國Apium公司、德國Indmatec公司等，但是目前這種技術對于材料冷卻收縮的降低效果有限，往往難以完成100mm*100mm*100mm尺寸以上的密實PEEK制件的有效制造。

來自德國Indmatec公司 HPP 155打印出的一些樣本

第二代PEEK材料3D打印技術：

超高溫環境技術

第二代PEEK材料3D打印技術主要采用300℃左右的超高溫環境來大幅降低在打印過程中PEEK材料冷卻時的收縮，但是，這一代的技術也存在一定的缺陷，即打印完成后，PEEK制件隨著箱體冷卻時會發生二次收縮變形，或者積累大量的內應力。

第三代PEEK材料3D打印技術：

控性冷沉積技術

第三代PEEK材料3D打印技術基于PEEK材料高分子鏈聚集態可控機理，在很大程度上解決了PEEK材料的收縮翹曲問題，成形尺寸可達300mm*300mm以上，并且結合一定后處理工藝后，可以實現3D打印PEEK材料制件性能的可控，既可以成形為高韌性高塑性的產品，也可以成形為高強度高硬度的產品，甚至可以將兩者結合一身，形成不同性能區域的功能性產品。

極富韌性的3D打印PEEK肋骨假體

高強度的3D打印PEEK顱骨

據平安證券的行業報告顯示，預計2023年，我國3D打印行業規模將躋身百億美元級。當一個產業發展成熟時，下游應用服務端必定在產值貢獻中占據大頭。目前，3D打印下游應用市場正在逐步擴大，預計到2025年，3D打印服務的市場規模將占到整個市場的58%左右。醫療將是3D打印繁花盛開的領域，目前老齡化趨勢更為其在醫療領域的發展提供了廣闊空間。

3D打印、PEEK材料、個性化骨科植入物對傳統醫療假體模型的設計提出了新的要求：3D打印的增材制造方式會使零件存在各向異性——模型設計中需要考慮應力環境；PEEK材料的應用會改變3D打印工藝情況——模型設計中需要考慮PEEK材料的特性；個性化骨科植入物的實際應用條件十分苛刻——模型設計中需要高可靠性。

而PEEK材料的國內批量化生產的質量能否達到甚至趕超國外同類產品水平，3D打印機技術的發展能否支持PEEK材料進一步的應用。這些都是重要的影響因素，我們仍然還有一段路要走。