阅读说明：本技术 混入生物活性无机添加剂的热塑性材料 (Thermoplastic material incorporating bioactive inorganic additives ) 是由 B·普拉布 M·达塞坦 S·博达克 A·卡劳 M·克内贝尔 R·利齐奥 S·冯卡萨-维尔 于 2019-03-25 设计创作，主要内容包括：包含热塑性聚合物材料如聚芳醚酮(PAEK)和无机添加剂物类的复合材料,所述无机添加剂物类用于提高所述热塑性聚合物材料的加工性能和由此导致的机械、热和生物学特性,在将两种材料通过热处理方法混合后,所述复合材料随后可用于各种医疗应用。无机添加剂物类可以是钙盐,并可以包含氟离子。(Composite materials comprising a thermoplastic polymeric material, such as a Polyaryletherketone (PAEK), and inorganic additive species for improving the processability and the resulting mechanical, thermal and biological properties of the thermoplastic polymeric material, which composite materials are subsequently useful in various medical applications after the two materials have been mixed by a heat treatment process. The inorganic additive species may be a calcium salt and may contain fluoride ions.)

混入生物活性无机添加剂的热塑性材料

发明领域

本发明涉及包含热塑性聚合物材料作为主要组分且第二相由粒子形式的无机添加剂填料组成的组合物，其组合可随后应用于医疗植入物或其部件的制造中。

背景技术

在骨科植入物材料中使用生物活性材料是已知的。向材料中引入生物活性添加剂可以为通常生物惰性的材料赋予生物学响应。提高这些生物活性添加剂的浓度可以增加生物学响应，但也可能降低材料的加工性和机械性能。

已经描述了用于制备医疗植入物的多种材料，其具有实现有效治疗所需的机械和生物学特性。例如，基于金属的材料（如钛）由于其引发快速骨生长的能力以及其机械鲁棒性已经用于骨科植入物应用。

由于基于聚合物的植入物的有利性能，与通常选择的金属植入物相比，基于聚合物的医疗植入物已经引起了越来越多的关注。例如，基于聚合物的器械的植入对于相邻的骨结构是有益的，因为缓解了与金属植入物的刚度提高相关联的应力屏蔽的常见问题。此外，当与不透射线的金属材料相比时，基于聚合物的植入物对X射线是可透的，在放置植入物后允许进行更彻底的检查。

基于PAEK（特别是聚醚醚酮（PEEK））的植入物，已经频繁地用于骨科医疗应用中，特别是以与骨结构相邻***的植入物形式。尽管PAEK材料的机械性能以及其耐化学性和生物稳定性（定义为在体内不被分解或降解的能力），但是已知PAEK材料不能引发积极的生物学响应（如骨生长），常见的生物学响应开始使纤维组织在材料上生长，导致植入物陷没。

为了赋予一定程度的生物活性，将PAEK材料与生物活性添加剂配混以制造复合材料（定义为向聚合物材料中添加辅助材料）近来变得活跃。当添加到生物稳定的PAEK材料中时，这些生物活性添加剂能够在植入后引发积极的生物学响应，如骨生长。随着这些添加剂在PAEK材料中的浓度增加，生物活性也得以提高。在骨科植入物领域中，通常将这些添加剂选择为具有模拟天然骨组织组成的组成，由此促进植入后的自然响应。

但是，在添加这些辅助材料后，PAEK材料的加工性能和由此导致的机械性能发生变化。例如，添加辅助材料降低了共混物的流动性，并因此提高了实现辅助材料在整个聚合物材料中的充分混合所需要的剪切力。这导致产生辅助材料在聚合物材料基质内的附聚。这些附聚不仅进一步提高了复合材料的加工难度，而且它们还降低了复合材料的整体机械性能。例如，此类复合材料的加工中常用的方法是双螺杆挤出，其中同向旋转的螺杆用于将熔融的聚合物材料与辅助添加剂混合，以力图使添加剂均匀地分布在整个聚合物基质中。随着添加剂浓度的增加，聚合物基质与添加剂表面之间的界面反应会抑制挤出机发挥功能。

例如，WO2015/092398教导了聚合物材料（其优选为聚醚醚酮）和磷灰石（例如含羟基磷灰石）用作牙科植入物。然而，其并未教导使用此类材料来提高流动性，或者添加剂的临界粒度范围以用于改善流动性。

仍然需要能够实现赶上或超过原生聚合物材料的流动特性，并由此提供优异的加工优势，导致产生改善的性能的复合材料。这些属性在商业热处理中是至关重要的，例如用于骨科、脊柱和牙科应用的医疗器械棒材、半成品型材（stock shapes）和/或最终医疗器械植入物的配混、挤出、模制和增材制造，其由于浓度越来越高的基于磷酸钙的添加剂的增强而容易发生脆性破坏。这些添加剂和不同比例的添加剂共混物还表现出可能优于已知现有技术以及起始的原生聚合物基质的性能。

发明内容

本公开的发明的目的是解决与无机添加剂共混的聚合物材料的制造和由此导致的低劣物理特性及其加工性方面的困难相关的问题，这在使用常规加工方法时通常遇到挑战。

本公开的发明的另一目的是利用陶瓷无机添加剂的组合来解决复合材料的形成中与无机添加剂共混的聚合物材料的低劣加工性和低劣机械性能。

具有提高的机械性能和加工性的骨传导性复合材料的组合物，其中复合材料内的生物活性添加剂的几何形状为颗粒状，平均直径为大约0.5 μm至大约5 μm，其中聚合物材料基质在加工前包含粉末，其平均直径为大约500 μm至大约2500 μm。

优选的是，在熔体加工前将聚合物粉末和添加剂颗粒物理共混。还优选在加工前将物理共混的粉末和颗粒干燥。

所述组合物例如可用于形成其中需要增强的生物活性、延性和强度的成型制品和骨科植入物。本文公开的组合物还有助于此类复合材料的加工性。

因此，从这样的教导可以理解，本公开的发明实现了能够提高加工性（表现为复合材料的流动性）以及复合材料的机械和生物学特性的新型组合物。

本发明描述了在强度、延性和用于加工的流动性方面具有新颖性能的组合物。可以进行这样的加工以便形成例如但不限于骨科医疗器械，例如但不限于合成骨假体、脊柱笼、缝合锚钉、髋关节植入物、膝关节植入物等等。

附图说明

图1描绘了在处理之前氟化羟基磷灰石（FHA）、β-磷酸三钙（β-TCP）和双相磷酸钙（BCP）粉末的样品的SEM，及其平均粒度频数分布图。

图2描绘了含本文公开的组合物对本文公开的复合材料的熔体体积流动速率（MVR）的影响。

图3描绘了含本文公开的组合物对本文公开的复合材料的断裂伸长率（延性）的影响。

图4描绘了含本文公开的组合物对本文公开的复合材料的拉伸强度的影响。

图5描绘了含本文公开的组合物对本文公开的复合材料的弯曲强度的影响。

图6描绘了含本文公开的组合物对本文公开的复合材料的缺口冲击强度的影响。

图7描绘了含本文公开的组合物对本文公开的复合材料的拉伸模量的影响。

图8描绘了含本文公开的组合物对本文公开的复合材料的弯曲模量的影响。

图9A描绘了使用含20% BCP的PEEK复合长丝通过熔丝制造法制造的弯曲棒材具有与包含相同组合物的注塑PEEK复合材料试样相当的弯曲强度。

图9B描绘了使用含20% BCP的PEEK复合长丝通过熔丝制造法制造的弯曲棒材与包含相同组合物的注塑PEEK复合材料试样相比在弯曲模量方面提高了10%。

图10A描绘了使用含20% BCP的PEEK复合长丝通过熔丝制造法制造的拉伸棒材具有与包含相同组合物的注塑PEEK复合材料试样相当的拉伸强度。

图10B描绘了使用含20% BCP的PEEK复合长丝通过熔丝制造法制造的弯曲棒材的拉伸模量在包含相同组合物的注塑PEEK复合材料试样的15%以内。

图11描绘了使用含20% BCP的PEEK复合长丝通过熔丝制造法制造的脊柱椎体间融合笼在与机加工器械相比时在压缩测试下的弹性模量方面提高了6%。

图12A描绘了样品的孔径。

图12B描绘了“混合孔隙”包含“小”和“大”孔隙的组合，其中孔径从构建表面垂直移动而增加。类似于注塑PEEK复合材料表面，在3D打印PEEK复合材料的表面上细胞保持其存活力。3D打印PEEK复合材料表面为细胞生长提供了更大的表面积。

具体实施方式

为了促进理解本文公开的发明的原理，而非作为对本文公开的发明的潜在实施方案的限制，将参考具有用于描述它的特定语言的特定实施方案。因此，要理解的是，本文公开的发明的范围不应限制为本文中描述的优选实施方案或所公开的发明的进一步修改，其中此类进一步修改和/或应用是本文公开的发明所属的领域和相关研究领域的技术人员通常将想到的那些。

本发明涉及聚合物复合材料组合物及其增强的机械、生物学和加工性能。在本发明的某些实施方案中，所述组合物包含生物相容性聚合物材料和生物活性添加剂的均匀混合物，其中所述生物活性添加剂能够改善复合材料的流动性。在进一步优选的实施方案中，通过热处理将添加剂包埋或以其它方式分散在聚合物基质中。

生物相容性聚合物（如高粘度、高强度聚合物）可以获自合成或天然来源。可以选择生物相容性聚合物，以使其起到增加复合材料的鲁棒性，和例如提高承载能力的作用。此外，生物相容性聚合物可以包含生物可吸收或生物不可吸收的聚合物。优选的生物不可吸收性聚合物的实例包括但不限于聚芳醚酮，如聚醚酮酮、聚醚酮和聚醚醚酮。

在本发明的一个方面，提供了一种组合物，其是包含生物活性添加剂在生物相容性聚合物基质中的均匀分散体的复合材料，所述生物相容性聚合物基质例如但不限于可购自Evonik Industries的VESTAKEEP AR1176。将各组分充分混合在一起，以使添加剂以最少量的添加剂附聚均匀地分散在整个聚合物基质中。生物活性添加剂的平均粒度有利地为不小于大约0.5 μm且不大于大约5 μm。优选地，添加剂尺寸不大于大约2.5 μm。此外，优选尺寸包括不大于大约1.0 μm且最有利地不大于大约0.75 μm的平均粒度。表1描述了添加剂的粒度分布。图1的添加剂尺寸和分子组成可以有利地促进两相之间的分散以及界面反应，以便改善机械、生物学和加工性能（即流动性）。所述组合物可以有利地用于形成可用于骨科应用的成型制品，所述骨科应用例如但不限于合成骨移植物、脊柱笼和缝合锚钉。例如，本文公开的组合物的增强的流动性可以有利地用于挤出半成品型材以便于随后的承载制品（如椎间笼、骨螺钉（如界面螺钉和缝合锚钉）、固定板（如桡骨骨折板）和各种其它骨科植入物制品）的机加工。

表1

添加剂	D10	D50	D90
				羟基磷灰石	0.42μm	0.83μm	1.3μm
双相磷酸钙	0.35μm	0.68μm	1.04μm
				氟磷灰石	0.38μm	0.76μm	1.21μm
β-磷酸三钙	0.37μm	0.69μm	1.05μm

本文公开的发明的其它形式需要优化注塑参数以获得型制品。例如，需要对注塑的狗骨样品进行优化，并且必须将温度从大约380±5℃的正常操作范围提高至大约410±5℃以避免样品填充不足（short-shot）并产生完整的狗骨样品。此外，本公开的发明提供了用于改善复合材料组合物的加工性（在本文中定义为流动性）的本发明组合物。现在参考图2，与类似的市售复合材料相比，在加入添加剂物类后，熔体体积流动速率（MVR）得以改善。例如，再次参照图2，向聚醚醚酮（PEEK）材料中引入双相磷酸钙导致了与不含添加剂的原生聚醚醚酮（PEEK）材料相当的熔体体积流动速率（MVR）。此外，再次参照图2，单独混入β-磷酸三钙（β-TCP）具有与原生聚醚醚酮（PEEK）材料相当的熔体体积流动速率（MVR）。同样由图2所示，添加未烧结的氟化羟基磷灰石显示出优于原生聚醚醚酮（PEEK）材料的熔体体积流动速率。再次参照图2，含有β-磷酸三钙（β-TCP）和氟化羟基磷灰石（FHA）的共混物能够产生与原生聚醚醚酮（PEEK）材料相当和优于原生聚醚醚酮（PEEK）材料的熔体体积流动速率。提高至高于原生聚醚醚酮（PEEK）材料的熔体体积流动速率（MVR）可能是由于图1的粒度和随后的均匀分散的影响导致的结果，所述影响导致了添加剂与聚合物基质之间的有益界面反应。具体而言，可以理解的是，在本实例中，β-磷酸三钙充当流动助剂，这可能是由于聚合物基质内的β-磷酸三钙与氟化羟基磷灰石之间的离子相互作用或以其它方式发生的相互作用。

本公开的发明的其它实施方案可能需要具有提高的机械性能如拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击强度的复合材料。现在参照图4、图5和图6，要理解的是，本公开的发明能够产生拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击强度均优于原生聚醚醚酮（PEEK）和类似的市售复合材料的复合材料。

本发明还能够产生具有增强的拉伸模量和弯曲模量的复合材料，所述模量可以理解为材料的刚度。现在参照图7，可以看出，与原生聚醚醚酮（PEEK）材料相比，本公开的包含例如羟基磷灰石（HA）、双相磷酸钙或氟化羟基磷灰石（FHA）的组合物具有改善的刚度值。本公开的发明的其它组合物具有与类似的市售复合材料相当的模量值，但保持了如上文所述且描绘在图2中的流动性。

在本公开的发明的其它形式中，不小于大约5重量%且不大于大约45重量%的组合物包含生物活性添加剂，其余成分是占不小于大约55重量%且不大于大约95重量%的生物相容性聚合物材料。其它优选的组合物含有不小于大约15重量%且不大于大约30重量%的包含生物活性添加剂的组合物。

本文公开的发明的一个实施方案（但不限于此）包含所述生物活性添加剂，生物活性添加剂包含能够引发生物学响应的陶瓷。优选地，所述生物学响应允许在本文公开的复合材料组合物的表面处的细胞结合。本公开的发明能够促进在材料表面上磷灰石层的形成以及成骨细胞的附着和增殖。在一个实施方案中，其显示了将本公开的本发明组合物浸入模拟体液中的效果和所导致的磷灰石生长——骨生长的体外评估和模拟。在另一实施方案中，其显示了在原生聚合物材料表面上的成骨细胞的附着和增殖以及本公开的本发明组合物对成骨细胞的附着和增殖的影响。

上述陶瓷可以选自多种陶瓷，包括合成陶瓷、天然陶瓷、生物可吸收的陶瓷或生物不可吸收的陶瓷。优选地，陶瓷选自一种类型的钙盐。优选地，所述钙盐是磷酸钙、硫酸钙或碳酸钙。在本文公开的发明的进一步的实施方案中（但不限于此），生物活性添加剂选自金属物类如镁、锌、锶、钡或铋。优选地，这样的金属物类能够引发积极的细胞响应，同时还增强所述组合物的机械性能。

在进一步的实施方案中，添加剂可以是经由水解制备的陶瓷。例如，水解制备的磷酸钙导致更快地吸收离子（如氟）。这种增加的氟吸收潜力对本发明是有益的，因为在本发明的组合物中公开了用离子物类（例如氟）掺杂钙盐有益于机械、生物学和加工性能。

在进一步的实施方案中，添加剂可以是优选碳酸化的陶瓷。例如，碳酸化羟基磷灰石可以通过用碳酸根离子替代羟基磷灰石中的羟离子导致产生碳酸化磷灰石来形成。

此外，在本公开的发明中显示，其中碳酸根基团替代大约1摩尔%至大约6摩尔%的羟基的碳酸化羟基磷灰石能够导致改善的生物学和加工性能。

在进一步的实施方案中，添加剂可以含有掺杂剂物类。优选地，掺杂剂物类占添加剂的不小于大约0.5摩尔%至不大于大约4摩尔%。此外，掺杂剂物类优选为氟。合适地，这样的氟可以有助于生物活性添加剂与聚合物基质之间的界面结合，因此增强了机械性能如缺口冲击强度。

本文公开的发明的组合物具有广泛的应用。例如，所述组合物可以形成复合材料，所述复合材料可以承载，并可用于形成成型医疗植入物制品，如椎间融合笼。其它实施方案也可以找到本发明的有利用途，其中所述应用需要用于骨科应用的高强度和/或高延性组合物。例如（但不限于此），组合物可以如表2中所示存在。

表2

诸如本文公开的那些的复合材料的加工可以通过使用混合和共混来制造。例如，为了改善添加剂在整个聚合物材料中的分散，可以通过首先使用旋转式混合器将各成分粉末物理共混来实现。然后，可以通过热方法（如使用双螺杆挤出机）来处理物理共混的添加剂和聚合物。作为通过双螺杆挤出进行处理的潜在方法的一个实例，加热区可以包括下文所列的那些，但不限于表3中公开的具体值。

表3

本文公开的发明的进一步实施方案可以涵盖将本文提供的组合物制造成用于骨科植入物的净形或近净形制品。本文公开的组合物可以容易地注塑和/或压塑。由于本公开的发明的提高的流动性，可以实现螺钉制品的注塑。此外，还可以实现承载器械（例如脊柱笼）的压塑和随后的机加工。

因此，从这样的教导可以理解，本公开的发明实现了能够增强复合材料的加工性（表现为复合材料的流动性）以及机械和生物学特性的新型组合物。

本发明描述了在强度、延性和用于加工的流动性方面具有新颖性能的组合物。可以进行这样的加工以便形成例如但不限于骨科医疗器械，例如但不限于合成骨假体、脊柱笼、缝合锚钉等等。

优选实施方案详述

为了促进对本公开的发明的充分理解而非限制本文公开的发明的潜在未来实施方案，参考具有用于描述它的特定语言的特定实施方案，在下文中给出了本文公开的发明的潜在实施方案的实施例。因此，要理解的是，本文公开的发明的范围不应限于本文中描述的优选实施方案的实施例或所公开的发明的进一步修改，其中此类进一步修改和/或应用是本文公开的发明所属的领域和相关研究领域的技术人员通常将想到的那些。

实施例1

将聚醚醚酮（PEEK）与20重量%的羟基磷灰石（HA）配混。

首先通过使用反转式混合器（inversion blender）物理共混粉末，由此将混合物配混在一起。然后将共混的材料在160℃的炉温下干燥4小时，直到通过使用Computrac®Vapor Pro®水分分析仪测定的水分含量达到小于500 ppm。

然后使用常规的熔体挤出设备通过热处理将物理共混的干燥粉末配混在一起。在这些条件下，模头温度保持在410℃，在该温度下PEEK熔融，HA形态不变。将所得共混物挤出成用于进一步加工（如模塑）的形式、挤出的半成品型材等等。

实施例2

以与实施例1类似的方式，将PEEK粉末与20重量%的双相磷酸钙（BCP）配混。

首先通过使用反转式混合器物理共混粉末，由此将混合物配混在一起。然后将共混的材料在160℃的炉温下干燥4小时，直到通过使用Computrac® Vapor Pro®水分分析仪测定的水分含量达到小于500 ppm。

然后使用常规的熔体挤出设备通过热处理将物理共混的干燥粉末配混在一起。在这些条件下，模头温度保持在410℃，在该温度下PEEK熔融，BCP形态不变。将所得共混物挤出成用于进一步加工（如模塑）的形式、挤出的半成品型材等等。

实施例3

以类似于实施例1和实施例2的方式，将PEEK粉末与20重量%的β-磷酸三钙（β-TCP）配混。

首先通过使用反转式混合器物理共混粉末，由此将混合物配混在一起。然后将共混的材料在160℃的炉温下干燥4小时，直到通过使用Computrac® Vapor Pro®水分分析仪测定的水分含量达到小于500 ppm。

然后使用常规的熔体挤出设备通过热处理将物理共混的干燥粉末配混在一起。在这些条件下，模头温度保持在410℃，在该温度下PEEK熔融，β-TCP形态不变。将所得共混物挤出成用于进一步加工（如模塑）的形式、挤出的半成品型材等等。

实施例4

以与实施例1、实施例2和实施例3类似的方式，将PEEK粉末与5重量%的FHA和15重量%的β-磷酸三钙（β-TCP）配混。

首先通过使用反转式混合器物理共混粉末，由此将混合物配混在一起。然后将共混的材料在160℃的炉温下干燥4小时，直到通过使用Computrac® Vapor Pro®水分分析仪测定的水分含量达到小于500 ppm。

然后使用常规的熔体挤出设备通过热处理将物理共混的干燥粉末配混在一起。在这些条件下，模头温度保持在410℃，在该温度下PEEK熔融，FHA和β-TCP形态不变。将所得共混物挤出成用于进一步加工（如模塑）的形式、挤出的半成品型材等等。

实施例5

根据以下方案，进行本文公开的聚合物材料以及聚合物复合材料的注塑。

将含有本文公开的本发明组合物的样品的配混材料在160℃的炉温下干燥4小时。一旦干燥材料的水分含量达到小于500 ppm，将该材料注塑。喷嘴温度保持在360℃，模具温度保持在180℃。

实施例6

根据以下方案，进行本文公开的聚合物复合材料的压塑。

首先将共混粉末形式或呈挤出复合粒料的组合物在150℃的炉温下干燥3小时，否则，在120℃下干燥整夜。发现可以将少量的聚四氟乙烯（2-3%）有益添加至压塑模具以便更容易地脱模，但这不是必需的。一旦待模塑材料已沉降到模具中以允许粉末装填，则将均在420℃的温度下的加热压板压在一起。然后将冷却速率控制为40℃/小时。一旦压板温度达到140℃，则该制品能够脱模。

实施例6

根据以下方案，测定本文公开的聚合物材料以及聚合物复合材料的拉伸性能。

根据ISO 527，将狗骨样品装载到具有20 kN的测力传感器的Zwick Z020Retroline中以测定狗骨样品的拉伸强度。在23℃的室温下测试注塑的狗骨样品。将狗骨样品放置到20 mm标距的夹具中，并以5 mm/min的恒定速度加载，直到样品破坏。以相同的方式测试拉伸模量，其中加载速度变为1 mm/min。

实施例7

根据以下方案，测定本文公开的聚合物材料以及聚合物复合材料的弯曲性能。

根据ISO 178，将弯曲棒材样品装载到具有500 N测力传感器的Zwick 1445中以测定弯曲棒材样品的弯曲性能。在23℃的室温下测试注塑的弯曲棒材样品。将弯曲棒材样品放置在63±5 mm跨度上，并且加载鼻为5±0.2mm，支撑鼻为5±0.2mm，并以2 mm/min的恒定速度加载，直到样品破坏。

实施例8

根据以下方案，测定本文公开的聚合物材料以及聚合物复合材料的冲击强度。

根据ISO 180，将缺口冲击样品制成缺口半径为0.25±0.05 mm、缺口根部为8±0.2 mm、缺口角度为45±1°。将缺口冲击样品装载到具有1 J摆锤的Zwick HIT 5.5P中以测定狗骨样品的拉伸强度。然后在23℃±5℃的室温下测试缺口冲击样品。

实施例9

根据以下方案，测定本文公开的聚合物材料以及聚合物复合材料的流动性。

根据ISO 1133，流动性样品采取粒料形式，并装载到Göttfert 3010中。将测试区的温度升高至395℃±15℃并在测试的持续时间内保持该温度。将5 kg质量放置在熔体区上方以迫使熔体从加热区离开。然后通过测定10分钟后流动的样品的质量，将流动性记录为熔体体积流动速率。

实施例10

将本文公开的组合物的样品注塑成界面螺钉设计，如通常用于骨科植入物的那些。

实施例11

将本文公开的组合物的样品挤出成半成品型材，并随后机加工成脊柱笼设计，如通常用于骨科植入物的那些。

尽管已经在此列举了关于其成分组成的组合物，但是可以进一步加工所制得的粒料以制造需要优异的机械性能和促进骨生长的能力的器械，如医疗植入物。

显而易见的是，根据上述教导，本发明的许多修改和变化是可能的，因此，要理解的是，在所附权利要求的范围内，本发明可以以不同于本文中具体描述的方式实施。

实施例12

长丝制造

通过利用前述干燥、共混和配混方案使用双螺杆挤出机来制造复合材料的长丝。通过干法共混程序和随后经由双螺杆配混的热处理，将生物惰性聚合物（PEEK）与所添加的生物活性磷酸钙衍生物共混。首先，使用反转式混合器，称量各自的粉末形式的材料，以使其总组成比为80重量%的聚合物（80克PEEK）和20重量%的双相磷酸钙（20克磷酸钙衍生物粉末）。然后将共混的粉末在160℃下干燥整夜。在干燥后，将粉末共混物在温度分布在250℃和410℃之间的双螺杆配混机中进行处理。然后将所得挤出物拉成直径为1.7+/-0.1 mm的复合长丝并收集以用于熔丝制造。

实施例13

样品的熔丝制造

使用3NTR A4v3熔丝制造打印机来打印PEEK + 20% nBCP构建体。使用410℃的喷嘴温度、135℃的打印床温度和75℃的打印室温度来打印构建体。构建体的第一层以0.4 mm的厚度打印，而该部件的其余部分以0.1 mm的层高度打印。对于每个打印件都使用底座（raft）以防止部件翘曲和更好地粘附到构建平台板（build plate）上。进行该程序以制造所有复合材料测试样品，其变化仅存在于所选孔径的几何形状中。原生PEEK材料的样品以类似的方式打印，但需要使用Meditool打印机，将喷嘴温度提高到430℃，打印室和构建平台板温度提高到200℃。

实施例14

长丝的热重分析

对复合长丝进行热重分析以量化复合材料中生物活性添加剂（双相磷酸钙）的重量百分比。将大约25 mg的样品材料放入空气气氛下的TGA Q500中，并暴露于如下的温度分布：在25℃下平衡至少5分钟，随后以10℃/分钟升温至900℃并随后等温保持5分钟。将所报告的剩余质量取作复合材料中生物活性添加剂的量。

实施例15

3D打印样品的机械表征

3D打印样品的拉伸测试根据ISO 527如下进行。在经由注塑或熔丝制造（3D打印）制备拉伸样品后，将样品装载到Instron 3366中并施以0.2 mm/min的初始应变速率，然后将其提高至5 mm/min。测量并报告包括模量、屈服应力、最大载荷下的应力和断裂伸长率的性能（图10A、图10B）。类似地，对注塑样品和3D打印样品进行弯曲测试（图9A、图9B）。根据ISO178 (2010)，将跨度长度为64 mm的样品暴露于2 mm/min的应变速率直至破坏。测量并比较弯曲强度、弯曲模量和断裂弯曲应变（图9A、图9B）。

实施例16

医疗器械原型的压缩测试

如图11中所示，按照ASTM F2077建议的那样以微小的改动进行3D打印的脊柱融合笼的压缩测试。首先将铝板机加工成用于安装脊柱笼的负空间，以确保在整个测试表面上分配相等的载荷。在将笼放入铝固定装置中之后，将笼暴露于以1 mm/min的速率轴向渐增的压缩载荷以模拟存在于植入环境中的载荷。测量并比较机加工器械和3D打印器械的弹性模量和破坏载荷。

实施例17

MTS检测

为了研究制造技术对细胞存活力、附着和增殖的影响，通过注塑以及熔丝制造法（3D打印）制造了PEEK复合材料的样品。在前述加工方法中，如图12A中所示，还制造了具有不同程度的孔隙率和多种孔径的3D打印样品。将3D打印PEEK试样用70%的酒精消毒并在细胞接种前进行高压灭菌。将MC3T3-E1细胞（ATCC, Manassas, VA）以每孔4×10⁴的浓度铺在24孔板中的聚合物上方。在37℃下在α-MEM培养基+10% FBS（Invitrogen/ThermoFisher,Carlsbad, CA）中温育24小时后，将聚合物转移到新的24孔板中以便进一步温育或检测。遵循制造商的说明书进行LIVE/DEAD存活力/细胞毒性检测（Invitrogen/ThermoFisher）和Celltiter 96 Aqueous One Solution（MTS）检测（Promega, Madison, WI）。在温育24和72小时后进行检测。使用LSM 780（Zeiss）显微镜进行共聚焦显微术。图12B描绘了类似于注塑PEEK复合材料表面，在3D打印PEEK复合材料的表面上细胞保持其存活力。3D打印PEEK复合材料表面为细胞生长提供了更大的表面积。