3DプリントPEEKポリマーの医療分野への応用展望の分析

PEEK は、エンジニアリング業界から「21 世紀で最も有望な素材」と呼ばれています。現在、200 万を超える製品が人体に埋め込まれています。この素材は、その優れた性能と品質により多くの医療機器メーカーや外科医に認められ、脊椎、外傷、関節の分野で広く使用されています。

ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）樹脂は、1970年代後半に開発された超高性能な特殊エンジニアリングプラスチックです。 PEEK は数ある医療用原材料の中でも際立っており、その優れた生体適合性は密接に関係しています。生体適合性は、材料がインプラントに適しているかどうかを判断する最も基本的な要件です。インプラント材料は、細胞毒性、変異原性、発がん性、アレルギー性がないものでなければなりません。南極熊は、第四軍医科大学唐渡病院が最近、3DプリントPEEK肋骨の移植を完了したと報告しました。次に、PEEKポリマーの医療分野における応用特性と現状について、詳細な分析を紹介します。唐渡病院胸部外科オープンデーでの 3D プリント PEEK 胸骨置換手術のデモンストレーション

他の特殊エンジニアリングプラスチックと比較して、PEEKは、耐高温性、優れた機械的特性、良好な自己潤滑性、耐化学腐食性、難燃性、剥離耐性、耐放射線性、安定した絶縁性、耐加水分解性、加工の容易さなど、多くの重要な利点を備えています。航空宇宙、自動車製造、電子・電気、医療、食品加工の分野で広く使用されています。 PEEKにブレンド、充填、繊維複合などの強化改質処理を施すことで、さらに優れた性能を持つPEEK複合材料が得られ、「21世紀で最も期待される材料」と言われています。

ポリエーテルエーテルケトン樹脂の基本特性：

（1）耐高温性： PEEKはガラス転移温度（Tg = 143℃）と融点（Tm = 334℃）が高く、負荷熱変形温度は316℃と高く、長期使用温度は260℃、瞬間使用温度は300℃に達することがあります。

（２）靭性と剛性： PEEKは靭性と剛性に優れ、特に交番応力下での疲労耐性は合金材料に匹敵します。

（３）耐クリープ性：優れた性能を有し、熱可塑性樹脂の中で最も優れた耐クリープ性材料です。

（4）自己潤滑性（耐摩耗性）： PEEKは優れた摺動特性を有し、低摩擦係数と耐摩耗性が厳しく要求される用途に適しています。特に、炭素繊維、グラファイト、PTFEで改質されたPEEKは優れた耐摩耗性を備えています。

（５）耐腐食性：濃硫酸を除き、PEEKはあらゆる溶剤、強酸、アルカリに不溶性であり、加水分解に耐性があり、化学的安定性が高い。

（6）耐加水分解性： PEEK製品は、250℃の蒸気中や高圧水に浸漬しても明らかな性能低下がなく、数千時間連続して使用できます。エンジニアリングプラスチックの中で、PEEKは最高の耐加水分解性と耐蒸気性を備えています。

（7）耐放射線性：高線量ガンマ線放射線に対して極めて強い耐性を有し、機械的性質を十分に保持できるため、一般樹脂の中ではポリスチレンの最高の耐放射線性を超えており、原子力機器の耐放射線部品として使用できます。

（８）難燃性：ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）は自己消火性があり、難燃剤を添加しなくてもUL規格94V-0（最高レベル）に達することができます。

（９）無毒：食品衛生、医療機器等の分野で使用可能。

（10）耐疲労性： PEEKはあらゆる樹脂の中で、最も優れた耐疲労性を持っています。

（11）加工が容易： PEEK樹脂は超耐熱樹脂であるが、高温流動性が良好で、熱分解温度が高いという利点があり、射出成形、押し出し成形、圧縮成形、ブロー成形、溶融紡糸、回転成形、粉体噴霧などのさまざまな方法で加工することができる。

医療機器の分野では、脊椎手術、外傷、整形外科用医療製品の製造業者が PEEK を採用するケースが増えています。チタンやコバルトクロム合金などの一般的な医療用インプラント材料と比較して、PEEK には次のような多くの利点があります。

（１）弾性率が低いと応力遮蔽を防ぎ、周囲の骨の強度を維持できる。
（２）X線は透過しますが、CTやMRIスキャンでは透過しないため、骨の成長や治癒過程の評価が容易になります。インプラントを観察する必要がある場合は、樹脂の修正によってこれを実現することもできます。
（３）優れた殺菌性能。高温蒸気、エチレンオキシド、ガンマ線に長時間さらされても、本来の特性をほとんど失わずに維持します。
（４）生体適合性が良好である。
（５）炭素繊維、硫酸バリウム、ガラス繊維などの添加剤を加えることで機械的性質を調整し、さまざまな特定の用途要件を満たすことができます。たとえば、インプラントグレードの PEEK ポリマーに短い炭素繊維を追加すると、摩擦と摩耗の特性が向上します。連続炭素繊維で強化された PEEK の機械的強度は、コバルトクロム合金、チタン、アルミニウム合金、ステンレス鋼に匹敵します。
（6）設計の自由度が高く、半完成ブランクから機械加工したり、射出成形で製造したりすることができます。

関連医療機器製品<br /> 現在、PEEK 材料は優れた特性を備えているため、外傷、脊椎、関節の外科用インプラントなどの分野で幅広く使用されています。具体的な用途は、次のとおりです。

（１）脊椎手術インプラント
①PEEKは椎間固定ケージに使用されます。
②PEEKは腰椎椎弓根スクリュー動的固定システムに使用されます。
③PEEKは腰椎棘突起インプラントシステムに使用されます。
④PEEKは人工椎間板や人工髄核に使用されています。

（２）関節手術インプラント
①PEEKは大腿骨ステム人工関節に使用されます。
②股関節の摩擦面にはPEEKを採用。
③PEEKは人工股関節寛骨臼に使用されます。
④PEEKは他の人工関節にも使用されています。
⑤PEEKは関節鏡縫合アンカーに使用されます。
（３）頭蓋顎顔面関連製品
（4）歯科関連製品
（５）その他関連商品

通常、PEEK は、軽量化、設計の自由度の向上、機能統合などの大きな利点を実現するために医療製品に追加され、ステンレス鋼や他の材料のより安価な代替品としても機能します。

医療用途に適した peek の独自の特性は次のとおりです。
PEEK は生体適合性が高いため、さまざまな医療用途に適しています。
· Peek は従来の洗浄剤に対して高い耐薬品性があり、幅広い用途に使用できます。
· ピークは過熱蒸気滅菌に耐え、手術器具のハンドルなどの再利用可能な医療製品に最適です。この高性能ポリマーは、現在使用されている他のプラスチックと比較して、殺菌性が向上しているため、耐用年数が長くなります。また、着色が簡単なので色分けも可能です。
· PEEK はガンマ線や X 線などの高エネルギー放射線に対しても非常に耐性があります。
PEEK の優れた X 線透過性は、固定剤使用時の X 線上のアーティファクトの防止など、手術室で多くの興味深い用途に使用できます。
PEEK のもう一つの興味深い応用分野は障害者スポーツです。PEEK は機械的強度、耐摩耗性、耐衝撃性に優れているため、義肢の作成に使用できます。
・PEEKは寸法安定性に優れ、高精度部品にも使用できます。さらに、電気絶縁性にも優れています。これら 2 つの特性は、整形外科手術で使用される電池式ドライバーなどの医療機器にとって特に重要です。
さらに、PEEK は水、溶剤、化学薬品に対する優れた耐加水分解性を備えています。

医療業界での使用開始からまだ日が浅いものの、peek の幅広い機能は、外科用器具、内視鏡検査、体外診断、整形外科、脊椎、歯科、分析機器、医薬品計量など、さまざまな興味深い用途に適しています。脊椎手術、外傷手術、整形外科インプラント、医療機器製造の分野では、製造材料としてポリエーテルエーテルケトン（PEEK）を選択するメーカーが増えています。この素材は生体適合性に優れ、体液に対して不活性であり、加工や成形が容易です。 PEEK は、チタンなどの従来のインプラント材料と比較して、X 線透過性が高く、骨と同様の弾力性を持つという利点があります。 PEEK はその優れた特性により、実際の生産においてチタンインプラントの最も重要な熱可塑性代替品となっています。

インプラントは一生使用される可能性が高いため、インプラントの製造に使用する材料は生体安定性と耐荷重性の両方を備えている必要があります。このため、この分野では長い間チタンとコバルトクロム合金が主流となってきました。現在、この状況は逆転しています。PEEK には多くの利点があり、インプラントの製造でますます広く使用されています。半製品は機械加工が容易で、金型に直接注入できるため、設計の自由度が高まります。

第四軍医大学は最近、3DプリントされたPEEK肋骨移植手術を完了しました。PEEK印刷プロセスでは、周囲温度とノズル温度に対する要件が非常に高いため、機械は一定の温度環境を維持し、キャビティ温度を正確に制御する必要があります。 PEEK 材料の熱融点は約 343°C であるため、ノズルの温度は 350°C 以上に達し、印刷プロセス中にこの温度を維持する必要があります。 PEEK 素材のガラス転移温度は 143°C を超えており、250°C を超える高温で使用しても、優れた機械的強度、靭性、硬度、曲げ強度、ねじり強度を発揮します。

出典：ヤボプラスチックスなど

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