中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

专注于为医疗器械研发与生产服务

2019年 9月25日-27日 | 上海世博展览馆

用于新型植入式医疗器械的 PEEK 配方

2018-04-11

自1990年代末以来,聚醚醚酮 就凭借其射线可透性和解剖学特性成为了矫形植入物制造商的首选材料。如今,PEEK 的定制配方使得该聚合物有了新的潜在应用。


一名55岁女性的BNEN31腰椎背面X光片,显示有一处接受了脊柱融合术。照片摄于2010年。[图片由Foster公司提供]

在现代的植入式医疗器械中,聚合物总是发挥着一定的作用。但直到 1990 年代末,由于长期植入物可能在内在低材料体积市场引发诉讼责任,因此许多供应商仍然限制长期植入物的使用。因此,金属仍然是该世纪未的首选材料。

但若干因素已经改变了植入式聚合物的范式,包括 1998 年通过的《生物材料获取保证法案》,该法案限制了材料供应商的民事责任。供应商也开始开发商业模型来提供低材料体积产品销售的充分回报。因此,进入 21 世纪,用于植入式医疗器械的聚合物供应和创新风起云涌。没有任何聚合物比聚醚醚酮(PEEK)更能代表这一动态增长。

在不到二十年的时间里,PEEK 已经成为椎间融合器等一些矫形外科植入物的一种可选材料。这部分可归功于 PEEK 的解剖学相容性和这种材料固有的射线可透性。

包括椎间融合器在内的许多传统矫形外科植入物在过去是以钛和不锈钢制造的。这些材料极其坚硬,弹性模数分别为100 GPa (14,500 ksi) 和 193 GPa (28,000 ksi)。相比之下,骨头的弹性模数约为 18 GPa (2,610 ksi)。这一刚度差异可造成植入物附近骨骼结构的应力集中。

与此相比,未增强的 PEEK 的弹性模数为 3.7 GPa (540 ksi),拉伸伸长率为 45%。这种材料提供了一种半刚性但仍然坚韧的植入物,能减少附近骨头的应力集中。人们还开发了用短切碳纤维增强的 PEEK 复合物制成的植入物,其刚度与骨头的相同,使得植入物与骨头有更大的结构连续性。

此外,金属植入物对 X 射线是不透明的(射线不可透),这一点限制了一些手术必需的术后可见性。PEEK 椎间融合器比金属椎间融合器好的主要优点为其固有的对术后评估的 X-射线透明度(射线可透性)。

椎间融合器的成功使用提升了人们对 PEEK 在其他应用方面的关注,包括矫形外科创伤固定术、脊骨稳定化、牙科植入物和韧带锚。PEEK 固有的射线可透性使其适合用于脊柱融合术,但这些新医疗器械中的一些必须为射线不可透的。

可向 PEEK 加入射线不可透的填料来提高 x-射线可见性。适宜填料的选择与加载根据临床要求、组件尺寸和在体内的位置决定。提高医用聚合物射线不可透性最常用的添加剂为碱式碳酸铋、三氧化二铋、氯化氧铋和硫酸钡。PEEK 的熔化温度高,超过了 335oC 这限制了这些射线不可透的填料中的几种。

碱式碳酸铋被局限于熔化加工温度不超过 的应用,超过该温度它会变得不稳定并由白色变为黄色;三氧化二铋在 PEEK 的加工温度会由白色变成棕色。氯化氧铋可以在较高的温度下加工,但它会降低熔化的 PEEK 流动,对零件的模制或挤出成型有不利影响。

硫酸钡是射线不可透 PEEK 配方中最常见的添加剂。它在这种聚合物中分散良好,并且能耐受加工温度而不发生颜色改变。硫酸钡也是生物相容性的,已经被用在微创器械和骨水泥等长期植入物中。

随着 PEEK 继续扩展应用领域到新的临时性和长期植入式器械,设计来提高其关键性质的定制配方的可得性将会增加。提高该聚合物的混合与组件加工温度将是考虑适合添加剂的最前沿。