:::

產業技術評析

醫用材料界的萬人「醚」-頭角崢嶸的聚醚醚酮(PEEK)
發表日期:2016-08-10
作者:謝秀欣(工研院IEK)
摘要:
PEEK是種半結晶熱塑性聚合物,具有卓越的機械性能和化學穩定性;通常是通過烷基化後的雙酚類鹽的逐步聚合來合成。

全文:
一、PEEK因優越性能而廣為應用;醫療領域主要應用在植入物

PEEK是種半結晶熱塑性聚合物,具有卓越的機械性能和化學穩定性;通常是通過烷基化後的雙酚類鹽的逐步聚合來合成;典型的反應是4,4'-difluorobenzophenone 和氫醌與碳酸鈉反應生成的氫醌二鈉作用。反應在大約300℃的非質子溶劑,比如二苯硫碸中進行(如圖1所示); PEEK的主要性能包括能耐高溫(熔點334℃,長期使用溫度為250℃,短期作用溫度可達300℃)、柔韌性(軟化點168℃)、拉伸強度132~148MPa、阻燃性(UL94V-0級自燃性,低發煙)、耐藥性(只溶於濃硫酸),而且可和玻璃纖維或碳纖維複合製備成高強度材料,加工成型效果佳,因此在許多特殊領域可以替代金屬、陶瓷等傳統材料,成為當今最熱門的高性能工程塑料之一,主要可應用於航空航太、國防軍事、汽車工業、能源、家電、電子電氣和醫療器材等領域。而在醫療領域使用的PEEK可在134℃下經受約3,000次迴圈的高壓滅菌,這一特性能滿足滅菌要求高、需反覆使用的手術和牙科設備的製造,加上它的抗扭變和耐水解性,因此可製造需高溫蒸汽消毒的各種醫療器材;更重要的是PEEK無毒、質輕、耐腐蝕,是與人體骨骼最接近的材料,因此可採用PEEK代替金屬製造人體骨科植入物。

雖然PEEK具有許多優良性能,但是價格昂貴,限制了其在一些領域的應用。另外,PEEK的衝擊強度較差,為了進一步提高其性能,以滿足各個領域的綜合性能和多樣化需要,因此採用填充、共混、交聯、接枝等方法對其進行改質,以得到性能更加優異的PEEK塑膠合金或PEEK複合材料。本篇將觀測全球在醫療用PEEK的研究和產品應用的最新進展,進而剖析其未來的發展趨勢及其改善醫療產業的潛力。

圖1 聚醚醚酮PEEK結構
資料來源:工研院產經中心ITIS計畫整理(2016/08)。
圖1 聚醚醚酮PEEK結構

二、PEEK在醫療領域應用蓬勃發展

聚醚醚酮(polyetheretherketone, PEEK) 是由英國帝國化學工業公司公司(ICI)於1978年開發出來的超高性能特種工程塑料,一直被各國作為重要的戰略性國防軍工材料;自從VICTREX(威格斯)接手後,開始應用在民用高科技領域應用,而且每年都有約15%的市場成長率;根據Research and Markets預測,2018年全球PEEK將迎來需求高峰,屆時其市值將達到8.31億美元;同時預計未來幾年,中國大陸、印度、東南亞等新興市場將成為全球PEEK需求增長的主要驅動力。目前PEEK的主要廠商是以英國VICTREX(威格斯)、比利時Solvay(蘇威先進)和德國德固賽公司(現為贏創工業公司)為主,其他還有包括杜邦、BASF、Evonik、日本三井東壓化學公司、美國爾特普等也先後開發出類似產品。

整體而言,PEEK的應用還是在汽車運輸業(占比約39%)、電子產業(占比約24%)和機械化工業(占比約26%)為大宗,而應用在醫療產業僅約6%(如圖2所示);但近年因為成為3D列印的專用高分子材料而聲名大噪,也讓PEEK在醫療領域的應用更加蓬勃。

圖2 PEEK在各領域應用占比
資料來源:工研院產經中心ITIS計畫整理(2016/08)。
圖2 PEEK在各領域應用占比

三、PEEK藉由改質推陳出新,開展更廣泛的醫療應用

雖然PEEK在醫療應用上具有高性能,但仍存在部分材料應用的侷限性,為了能更廣泛應用在醫療領域,廠商採用填充、共混、交聯、接枝等方法對其進行改質,所得到的改質PEEK能擴大在醫療的應用範疇,在此摘錄簡述從2015年底迄今,材料方面與結構設計方面的主要研究新進展:

(1) 比利時Solvay公司和華大基因合作,將PEEK應用在基因學研究

全球最大的基因組織華大基因(BGI)宣布使用Solvay公司的醫療級KetaSpire ®聚醚醚酮(PEEK),應用於新一代定序平台BGISEQ-500。此定序平台BGISEQ-500結合了聯合探針錨定聚合技術(cPAS)和改進型DNA奈米球(DNB)技術,並使用KetaSpire ®PEEK為基因晶片支架,由於KetaSpire ®PEEK相較一般玻璃晶片支架穩定不易破碎,且不會吸收試劑或與之反應、尺寸穩定可以精確安裝在晶片平台,使得整體定序平台BGISEQ-500能具有高度精確、靈活、高速、簡單操作和可擴展性。

(2) 含碳纖維的PEEK複合材料,應用在3D列印製造

3D列印科學材料公司Impossible Objects創造了一種用PEEK(聚醚醚酮)與複合型增材製造(CBAM)相結合的製作方法。主要是CBAM採用傳統的熱噴墨列印頭在複合材料片層上進行層層列印,包括碳纖維PEEK、紡綸、玻璃纖維等;而後將紙張塗上粉末狀的聚合物,如尼龍。一旦多餘的粉末材料處於真空狀態,複合材料層就會在加壓和加熱熔化之前堆積起來,讓圖案成為一個堅固的實體。一旦所有的層被成功地結合在一起,碳纖維板的其餘部分就可以被移除或者用噴砂或化學處理,餘下的即是具標的產物。該公司所推出的碳纖維複合材料結合CBAM方式製作,未來預期將朝向骨科植入物的應用開發。

(3) 結合HA的PEEK-OPTIMA HA增强型聚合物,在中國大陸完成生物相容性測試

Invibio 是威格斯(VICTREX)公司的子公司,也是一家國際性的材料供應商, 提供關於聚醚醚酮(PEEK)的生物材料解決方案。Invibio 公司的PEEK-OPTIMA HA增強型聚合物是醫療級的植入用材料,整合了兩種經臨床驗證的先進生物材料,可促進植入物表面的骨沉積:

  • PEEK-OPTIMA:是來自 Invibio 公司的主要PEEK生物材料,已經有逾15年成功臨床應用歷史
  • 羥基磷灰石(HA),也是眾所周知的安全有效的骨傳導材料。

新型PEEK-OPTIMA HA增強型材料所製造的植入器材已經取得歐洲(CE 認證)和美國(510k 許可)合規機構審查,應用於頸椎和腰椎箱型椎間融合器材。通過審查的公司包括:SpineFrontier™ 公司應用PEEK-OPTIMA HA增強型材料在Arena-C HA領域製造頸椎椎間融合器材(2014年10月)、Meditech Spine 公司應用PEEK-OPTIMA HA增強型材料製造新一代頸椎椎間融合器材(2015年4月)Cutting Edge Spine公司應用PEEK-OPTIMA HA增強型材料為其歐洲脊椎骨質疏鬆研究(EVOS)製造腰椎椎間植入器材(2015年7月)。現在Invibio 公司的PEEK-OPTIMA HA增強型聚合物已經在中國國家食品藥品監督管理局(CFDA) 天津醫療器械監督檢驗中心成功完成生物相容性測試,包括遲髮型超敏反應、皮膚過敏、基因毒性、系統毒性、體外細胞毒性、亞慢性毒性和 26 周骨植入的檢測報告。其中“26周骨植入試驗”(該試驗在26周時評估骨植入過程)的成功具有特別重大的意義,因為這有助於使用本材料的器材製造商尋求 CFDA 批准時,將可以縮短申請過程的時間。

四、醫療PEEK的需求仍續擴大,市場切入需要突破合成工藝 並取得醫療認證

聚醚醚酮(PEEK)材料通常用以提高醫療產品的功能性,其出眾的性能包括:生物相容性、耐化學性、抗伽馬射線和X射線,此外它還具有優異的耐熱蒸汽消毒性、高機械強度、耐磨損以及良好的電絕緣性和耐水解性。但也因為PEEK的合成工藝複雜,市場素來被威格斯 (VICTREX)公司所佔據,也因此價格一直居高,也僅主要使用在高單價的植入物;舉例威格斯 (VICTREX)公司在2015年販售PEEK的均價是1公斤62.5歐元(2014年的均價是1公斤71.1歐元),而若是醫療用PEEK的售價將更高於此均價基準。現在已經有許多廠商陸續投入進行PEEK的開發,包括PEEK製程開發、PEEK原料改質、或是PEEK的醫療產品開發,因而漸漸的改變VICTREX公司佔據市場的現況,也使得國際上PEEK的價格也不在僅是單一定價,而是開始有議價的空間。

除了製程開發與投入之外,PEEK的應用也開始藉由與其他領域的合作而有新的契機,例如與華大基因的合作切入基因檢測,或是再添加碳纖維或HA而合成複合材料,能在既有骨科植入物應用上,增加產品的附加價值。我國目前亦有石化廠商正進行PEEK的製程開發,同時也有3D列印廠商與學研單位合作投入進行應用在3D列印的PEEK材料;但是我國使用在骨科植入物的PEEK材料仍是購自國外,期待未來若能完整PEEK製程技術,同時通過醫療材料的相關檢測,對於我國在材料的發展,以及器材產品的供應鏈和附加價值將可以逐步完善與建構。

(本文作者為工研院IEK ITIS計畫產業分析師)

* 點閱數5851
更新日期:2019-04-25

回上一頁 回首頁