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Publicação
Additive Manufacturing of Polyetheretherketone (PEEK) for Patient-Specific Implant (PSI) Applications. Developments in the mechanical performance and biofunctionalization of 3D-printed PEEK for the production of load-bearing implantable medical devices
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 10.35 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Polyetheretherketone (PEEK) is a high-performance thermoplastic that has emerged as a bio-
material alternative to metals like titanium for load-bearing implant manufacture due to its
unique set of properties. Additionally, PEEK can be processed using extrusion-based additive
manufacturing (AM) where the use of intricate geometries and patient-specific designs enable
new possibilities for implant design and manufacturing. Despite this potential, 3D-printed
PEEK's use in clinical practice remains limited due to the challenges associated with the control
of additive manufacturing outcomes for demanding applications like implantable medical de-
vices. In face of these challenges, this thesis explores developments in the mechanical perfor-
mance and biofunctionalization of 3D-printed PEEK for patient-specific implant (PSI) manufac-
ture. Regarding mechanical performance, PEEK specimens were tested under tensile, flexural,
and compressive loads to identify effective printing strategies in the enhancement of strength
and stiffness. Results showed that the best strength and stiffness outcomes are obtained with
an effective reduction of the void contents of PEEK prints that can be achieved with a modified
interlayer translation printing strategy paired with temperatures and deposition sequences that
distribute the heat from the nozzle to the entire deposition region. Additionally, fatigue tests
highlighted PEEK’s superior strength under high-cycle loading compared to other additively
manufactured thermoplastics. Concerning PEEK's biofunctionalization, cell culture assays re-
vealed that modifying rough-surface PEEK with sulfonation and hydroxyapatite (HA) created a
better environment for fibroblast adhesion and proliferation, especially when compared with
unmodified as-printed samples. Lastly, this work discusses the clinical use of 3D-printed PEEK,
outlining regulatory requirements and design considerations for PSI production. Together,
these developments aim to overcome the challenges posed by the performance and reliability
of 3D-printed PEEK for implant manufacture, creating new opportunities for advanced medical
solutions in surgical procedures for bone reconstruction.
O poliéter-éter-cetona (PEEK) é um termoplástico de alto desempenho que, por reunir um conjunto de propriedades específico, emergiu como um biomaterial alternativo a metais como titânio para a produção de implantes sujeitos a carregamentos mecânicos. Além disso, o PEEK pode ser processado utilizando fabrico aditivo (FA) baseado em extrusão de filamento, que permite a criação de geometrias complexas e modelos específicos ao paciente, abrindo novas possibilidades para o design e produção de próteses. No entanto, devido a desafios associados ao controlo dos resultados obtidos com FA, a utilização do PEEK produzido por impressão 3D em aplicações mais exigentes continua limitada, como é o caso do seu uso clínico para dispositivos médicos implantáveis. Face a estes desafios, esta dissertação explora desenvolvimentos no desempenho mecânico e na biofuncionalização do PEEK impresso para a produção de próteses específicas ao paciente (PSI). Relativamente ao desempenho mecânico, provetes de PEEK foram testados sob cargas de tração, flexão e compressão para identificar estratégias de impressão eficazes em melhorar a resistência e rigidez. Os melhores resultados em termos de resistência e rigidez foram obtidos com estratégias de impressão que reduzem o conteúdo de vazios nas impressões de PEEK, como a translação entre camadas e adaptação do processo de impressão a uma melhor distribuição do calor proveniente da extrusora. Adicionalmente, testes de fadiga destacaram a superioridade da resistência do PEEK em comparação com outros termoplásticos impressos. No que diz respeito à biofuncionalização do PEEK, ensaios com culturas de células revelaram que a modificação de PEEK impresso com superfície rugosa através de ataque de ácido sulfúrico e incorporação de hidroxiapatite (HA) criou um ambiente mais favorável à adesão e proliferação de fibroblastos, especialmente quando comparado com amostras de PEEK não modificadas. Por último, este trabalho discute a utilização clínica do PEEK produzido por impressão 3D, abordando os requisitos regulamentares e considerações técnicas para o design e fabrico de próteses adaptadas ao paciente. Em conjunto, os desenvolvimentos deste trabalho visam mitigar os desafios relacionados com desempenho e com a confiança nos resultados de impressão 3D de PEEK para a produção de próteses, criando novas oportunidades para soluções médicas mais avançadas aplicadas à reconstrução óssea.
O poliéter-éter-cetona (PEEK) é um termoplástico de alto desempenho que, por reunir um conjunto de propriedades específico, emergiu como um biomaterial alternativo a metais como titânio para a produção de implantes sujeitos a carregamentos mecânicos. Além disso, o PEEK pode ser processado utilizando fabrico aditivo (FA) baseado em extrusão de filamento, que permite a criação de geometrias complexas e modelos específicos ao paciente, abrindo novas possibilidades para o design e produção de próteses. No entanto, devido a desafios associados ao controlo dos resultados obtidos com FA, a utilização do PEEK produzido por impressão 3D em aplicações mais exigentes continua limitada, como é o caso do seu uso clínico para dispositivos médicos implantáveis. Face a estes desafios, esta dissertação explora desenvolvimentos no desempenho mecânico e na biofuncionalização do PEEK impresso para a produção de próteses específicas ao paciente (PSI). Relativamente ao desempenho mecânico, provetes de PEEK foram testados sob cargas de tração, flexão e compressão para identificar estratégias de impressão eficazes em melhorar a resistência e rigidez. Os melhores resultados em termos de resistência e rigidez foram obtidos com estratégias de impressão que reduzem o conteúdo de vazios nas impressões de PEEK, como a translação entre camadas e adaptação do processo de impressão a uma melhor distribuição do calor proveniente da extrusora. Adicionalmente, testes de fadiga destacaram a superioridade da resistência do PEEK em comparação com outros termoplásticos impressos. No que diz respeito à biofuncionalização do PEEK, ensaios com culturas de células revelaram que a modificação de PEEK impresso com superfície rugosa através de ataque de ácido sulfúrico e incorporação de hidroxiapatite (HA) criou um ambiente mais favorável à adesão e proliferação de fibroblastos, especialmente quando comparado com amostras de PEEK não modificadas. Por último, este trabalho discute a utilização clínica do PEEK produzido por impressão 3D, abordando os requisitos regulamentares e considerações técnicas para o design e fabrico de próteses adaptadas ao paciente. Em conjunto, os desenvolvimentos deste trabalho visam mitigar os desafios relacionados com desempenho e com a confiança nos resultados de impressão 3D de PEEK para a produção de próteses, criando novas oportunidades para soluções médicas mais avançadas aplicadas à reconstrução óssea.
Descrição
Palavras-chave
Polyetheretherketone (PEEK Additive Manufacturing Mechanical Performance Biofunctionalization Patient-Specific Implants (PSIs)