1、3D 打印技术在口腔医学领域中的应用及展望 缪卫东 北京有色金属研究总院有研医疗器械(北京)有限公司 3D 打印技术, 又称“增材制造”, 是快速成型技术的一种, 它借助于计算机设计和特定的成型设备, 将材料通过高温熔融、光固化、烧结、喷射等方式, 逐层堆积出目标构件。该技术集设计和制造于一体, 可实现多种材料、多个维度、复杂结构构件的一次成型, 材料利用率高、加工便捷, 能很好地满足个性化需求。3D 打印技术源于 20 世纪 80 年代的美国, 3D Systems 公司创始人查尔斯胡尔 (Charles W.Hull) 发明的光固化技术和 Stratasys 公司创始人斯科特克伦普 (Sc
2、ott Crump) 发明的熔融层积成型技术是早期的 2 项主流技术。之后随着相关技术和互联网的发展, 3D 打印技术成功拓展到口腔医学领域, 由起初的医疗模型和手术导板的制备, 到个性化植入体的定制, 再到生物组织工程材料的研究, 应用的广度和深度逐渐加大, 表明 3D 打印技术在口腔医学领域中有着广阔的应用前景。3D 打印技术在我国口腔医学基础研究及临床应用方面基本与国际同步, 以北京大学口腔医院、上海交通大学附属第九人民医院为代表的多家单位均引进了 3D打印机, 或与外单位展开相关合作, 有力推进了 3D 打印技术在口腔修复、口腔正畸、颌面外科、口腔种植等领域的应用, 我国口腔医学正在大
3、步向 3D 时代迈进。一、3D 打印技术概述1. 主要成型方式3D 打印成型方式主要包括立体光固化成型 (SLA) 、熔融沉积成型 (FDM) 、激光立体近净成型 (LENS) 、三维印刷 (3DP) 、激光选区熔化 (SLM) 、激光选区烧结 (SLS) 、分层实体制造 (LOM) 、聚合物喷射成型 (Poly Jet) 以及电子束选区熔融 (EBM) 等。近年来, 我国清华大学、华中科技大学、北京航空航天大学、西安交通大学、北京有色金属研究总院等单位对 3D 打印技术展开了深入的基础及应用研究。通常的, SLA 技术可用于制作种植手术导板、修复树脂熔模, FDM 技术可用于制作包埋铸造用蜡
4、型、修复树脂熔模、种植手术导板, 3DP 技术可用于制作种植手术导板、陶瓷修复体, SLS 技术可用于制作金属基底冠桥和种植体等。2. 材料从物理状态来看, 3D 打印材料有粉末材料、块体材料、液态材料和丝状材料;从化学成分角度, 可分为金属 (钴合金、钛及钛合金、贵金属、铝合金、不锈钢等) 、高分子 (ABS 树脂、PLA 聚乳酸、PVA 聚乙烯醇、光敏树脂、弹性塑料、聚碳酸酯、石蜡等) 、无机非金属材料 (如石膏、陶瓷、碳纤维等) , 以及细胞组织等生物材料。3D 打印材料代表性生产厂家有美国 Stratasys、3D Systems、德国Envisiontec、EOS、瑞士 Arcam、
5、中国航空工业集团公司和武汉滨湖机电技术产业有限公司等, 但我国目前有能力生产医用级 3D 打印材料的企业较少, 主要依赖于进口, 成本较高, 成为制约相关产业发展的瓶颈。3. 设备3D 打印设备代表性生产厂家有美国 3D Systems、Stratasys、Maker Bot, 德国EOS、ZPrinter、Nanoscribe, 瑞典 Arcam, 以及北京隆源自动成型系统有限公司 (简称“北京隆源”) 、湖南华曙高科技有限责任公司、武汉滨湖机电技术产业有限公司、上海联泰科技股份有限公司、北京太尔时代科技有限公司、陕西恒通智能机器有限公司、上海富奇凡机电科技有限公司等。我国首台 SLS 快速
6、成型设备由北京隆源于 1994 年研制成功, 以聚丙烯和塑料粉末为原材料, 可生产假牙、头骨等。通常 3D 打印设备配套有专用的软件, 如美国 Stratasys 公司推出了专为口腔医学应用设计的 Ortho Desk 系统, 可打印隐形矫治器和种植导板。4.3D 打印工艺流程以烤瓷金属牙冠的加工为例, 图 1-3 分别给出了传统加工、数控加工和 3D 打印生产工艺流程简图, 从 3 个图表中可以看出, 3D 打印工艺摆脱了传统加工的诸多复杂工序, 实现了从劳动密集型到技术密集型的转变。二、3D 打印技术在口腔医学领域中的应用1.3D 打印技术在口腔修复领域中的应用齿科修复体和熔模是需要根据患
7、者的不同需求而个性化设计的, 由于患者之间个体差异较大, 按照传统工艺设计生产符合患者特定需求的修复体流程复杂、时间长、价格高、难度大, 3D 打印技术可以借助于数字化影像技术, 扫描患者数据, 进行有针对性的制作。在口腔修复领域, 3D 打印技术主要用于制作全口义齿、可摘局部义齿支架、内冠、全冠、固定桥、桩核和修复体蜡型, 材质涉及金属、陶瓷、树脂等, 可由 3D 打印蜡型结合传统铸造, 也可直接 3D 打印制作成品。图 1 传统加工烤瓷金属牙冠工艺流程 下载原图图 2 数控加工烤瓷金属牙冠工艺流程 下载原图图 3 3D 打印烤瓷金属牙冠工艺流程图 下载原图在全口义齿方面, Bilgin M
8、S 等运用 CAD/CAM 和 3D 打印制作了上下颌全口义齿, 全过程无需技师, 大大缩短了椅旁诊疗时间, 义齿表面光滑、功能良好。3D 打印还可用于全口义齿石膏阴模的设计制作, 可以有效减少取模所致误差, 提高基托尺寸精确度。运用计算机辅助设计和直接喷墨印刷技术, Sun 等制作出了高精度的义齿石膏阴模, 并完成了全口树脂义齿。我国在 3D 打印义齿方面起步较早, 金树人等在 2003 年即摸索出制作树脂义齿全冠的技术路线;利用 3D 打印技术, 牛茂等制作了可摘局部义齿树脂支架, 其在牙合支托和连接体具有良好的适合性, 而由于光敏树脂光固化过程中发生体积收缩, 卡环部位精确度不够;吕培军
9、等人利用自主开发的设计软件, 进行数字化模型观测及可摘局部义齿支架设计及制作, 该技术不仅具有制作方便、快捷、精度高等优点, 还有效地避免了传统加工方式原材料浪费等缺点。目前利用激光烧结技术制作金属冠桥等已很常规, 且精度比传统铸造金属牙冠有了显著提升, 相应的也增强了冠边缘密合性, 减小了牙体颌面与内冠间的厚度, 治疗效果更好, 医生操作更便捷, 目前已应用于临床。刘治、张冬云等人研究表明, 与烤瓷铸造钴铬合金相比, 快速成型钴铬合金延展率稍低, 金瓷结合性能、强度、韧性、硬度、弹性模量和热膨胀系数等指标更优;胡江等采用SLS 技术打印出符合临床标准的镍铬合金及纯钛金属基底冠;2013 年福
10、建中科康钛材料科技有限公司生产的定制式固定义齿获准上市, 它是国内首个获得医疗器械注册证的 3D 打印口腔修复产品, 产品的金属冠部分采用合金粉末通过激光3D 打印技术加工成型。王忠东等人结合 CT 数据、Mimics 等逆向工程软件及 3D 打印技术, 成功制作出树脂桩核;陈炜等借助于桩核体的数字模型, 通过 SLA 技术制作出实体桩核, 与传统失蜡精密铸造法相比, 快速成型桩核的边缘适合性和内部适应性更好。3D 打印技术还可应用于复杂根管疾病的临床诊断及手术模拟。Kfir A 等在分析复杂 3 类牙内陷病例时, 借助于牙体根管 CT 数据制作出该病人根管的树脂模型, 在此基础上制定手术方案
11、并模拟操作, 实现了在不破坏髓腔的情况下填充空腔。近年来, 人们以细胞为打印材料, 对 3D 打印组织和器官替代物进行了探索性研究。2013 年, 薛世华等人对 3D 生物打印人牙髓细胞与海藻酸钠-明胶水溶液共混物展开研究, 显示细胞存活率达 (872) %, 为牙齿再生提供了实验支撑。2.3D 打印技术在口腔正畸领域中的应用在正畸领域, 3D 打印技术能制作出个性化、高精度的牙颌模型、带环、扩弓器、舌侧托槽和唇腭裂矫正器等器材, 有力推动了正畸技术的发展。隐适美牙套的制造商 Align Technology 公司, 在患者牙齿扫描数据的基础上, 进行牙颌数字模型三维重建和牙齿移动模拟, 制定
12、出阶段诊疗方案后, 使用 3D打印出各阶段个性化牙颌精确模型, 再通过热压膜技术制作出适用于各阶段的隐形矫正器, 并实现大规模商业化应用。3D 打印还可用于制作个性化舌侧托槽。首先通过锥束 CT 和牙颌模型扫描仪获得数据, 再通过计算机辅助设计和 3D 打印出齿科托槽, 无需粘接剂厚度补偿, 舌侧托槽与牙齿舌侧面即可实现精密吻合;武汉大学人民医院和杭州口腔医院分别对 40 例口腔舌侧正畸托槽粘接效果进行了分组观察, 得到了类似的结论:与常规托槽相比, 3D 打印托槽具有更高的吻合度, 更准确的粘接定位, 更便捷的治疗流程和更好的远期效果。Groningen 大学的学者在齿科树脂聚合物中加入具有
13、抗菌性能的季铵盐, 用 3D打印出正畸牙套和假牙等, 能有效杀灭口腔中的变形链球菌, 为有效预防口腔疾病提供了一种崭新的治疗方式。3.3D 打印技术在颌面外科领域中的应用在口腔颌面外科领域, 人们采用 3D 打印技术设计制作个性化的颌面修复体、手术导板、颌骨囊肿塞治器和固定装置等, 用于口腔颌面部缺损修复、骨折错位愈合手术。颌面部解剖形态复杂, 个体化差异大, 加之毗邻颅脑等重要器官, 疾患诊治难度较大。3D 打印技术可以优化颌面外科手术和器材设计, 方便地制作出产品形态和弹性模量与人体骨组织更匹配的植入物, 有效减少供区伤害, 缩短治疗时间, 完成高质量的成形修复手术, 提升术后面部外形恢复
14、效果。1993 年, Tideman 等率先将个性化钛网支架成功应用于颌面外科手术;2011 年, 荷兰医生给一名 83 岁的老人安装了一块由比利时哈瑟尔特大学生物医学研究院采用 EBM 法制备的金属下颌骨, 整个手术仅耗费 4h, 患者术后 1 天就恢复了部分说话和吞咽功能;2015 年, Wang W 等使用 3D 打印多孔钛合金植入物治疗严重颌面部损伤, 并取得良好效果。龚振宇等将 3D 打印技术运用到颌面骨性病变 43 例的治疗中, 通过制作颌面骨骼模型、手术方案预设计和评估, 手术时间大大缩短, 手术质量得到提高;上海交通大学医学院附属第九人民医院运用计算机辅助设计制造和 3D 打印
15、技术, 制作个性化颌骨病灶模型, 并据此进行纯钛支架设计, 用于因外伤或手术所致颌骨畸形和缺损的患者, 效果显著;王静等对 20 例颌面部缺损修复重建病例进行了分组观察, 结果表明, 与传统手术组相比, 3D 打印组手术时间缩短, 术中出血量减少, 两组患者面容及咬合关系恢复均良好, 差异无统计学意义;李志刚等对 108 例口腔癌整复病例进行了分组研究, 结果表明, 采用颈阔肌皮瓣联合 3D打印预成型钛重建板, 可以节约手术时间和住院费用, 减少钛板外露、伤口感染、皮瓣坏死等并发症, 具有创伤小、恢复快、效果好等优点。除了颌面硬组织外科修复, 人们还致力于将 3D 打印技术应用于颌面软组织及器
16、官修复的研究。有学者利用 SLA 技术制造光敏分子修饰的聚富马酸二丙酯 PPF支架, 其力学性能与人松质骨接近, 还能促进成纤维细胞的爬附与分化;美国OPM 公司研制的聚醚酮酮 (PEKK) 颅颌面骨修补片, 已通过美国 FDA 审查, 获准上市;美国史赛克公司生产的多孔高密度聚乙烯面部填充种植体也已获批进入国内市场。此外, 人们正尝试利用干细胞打印出可自行分化为肌肉、皮肤、血管、神经的组织。2015 年, Konopnicki S 等将 -磷酸三钙结合聚乙酸内酯通过 3D 打印出立体结构, 并种上猪骨髓干细胞后, 成功实现猪下颌骨的早期修复;2016 年, Kang H W 等人利用人干细胞
17、打印出下颌骨缺损模型, 且打印过程没有影响细胞活性。4.3D 打印技术在口腔种植领域中的应用3D 打印技术在种植修复领域的应用主要包括种植导板及种植体的制作。通过专用种植软件, 可以得到种植区域骨量和组织位置, 以及种植体与上颌窦和下牙槽神经管等结构距离的详细数据, 设计出种植体种类尺寸和植入参数, 从而可以制定出详细而精确的手术方案。在此基础上用 3D 打印技术制作出种植导板和种植体, 可以避免传统种植手术适应症不广、容易发生植入位置不正等弊端, 还能简化手术流程, 提高植入效果。莫晖等人使用 3D 打印树脂导板模型后再铸造成金属缕空导板, 与传统树脂导板相比, 提高了钻头切削牙槽骨时的冷却
18、速度, 适应症广, 精确度高;中南大学湘雅口腔医院将 3D 种植导板应用于牙齿种植手术, 克服了牙槽骨手术条件不佳等劣势, 精确引导植入方向和植入角, 种植牙的植入精确度和种植质量得到显著提高。2012 年, M.Figliuzzi 等利用 SLM 技术打印出牙根状钛种植体, 并在患者拔牙后实施即刻种植, 效果良好;北京大学口腔医院唐志辉团队自 2012 年起致力研究 3D 打印个性化根形种植牙, 并获得发明专利, 采用电子束熔融技术制作的个性化根形种植牙精度可达 0.2mm, 种植体植入小型猪体内一月后, 骨结合率达40%50%。目前, 应用于口腔种植领域的种植体材料主要有纯钛和钛合金, 为
19、提高钛种植体的生物相容性和力学相容性, 人们采取了多种表面处理方式, 包括羟基磷灰石涂层、高速喷丸、酸蚀处理等。为促进植入后成骨细胞的形成, 提高种植体与骨结合的稳定性, Qian C 和 Xiong Y 等人采用 3D 打印技术分别制造了钛/羟基磷灰石复合材料种植体和多孔钛种植体, 羟基磷灰石可促进成骨细胞在种植体表面的生长, 多孔种植体中相互联通的孔隙也有利于成骨细胞向内生长, 促进与自体骨的结合;El-Hajje A 等应用 3D 打印技术制备多孔钛种植体, 通过调整材料成分和熔融温度等工艺参数控制种植体孔隙率和力学性能, 所制得样品的弹性模量与人体松质骨相近, 有利于植入后诱导成骨。3
20、D 打印技术还可以设计和制作特定的种植体内部结构, 即骨小梁结构, 意大利 Leader 公司的 Tixos钛骨种植体就具有特定的中空结构, 不但降低了种植体弹性模量, 减轻了质量, 还可以引导组织长入植入物中, 增加植后稳定性。5.3D 打印技术在口腔医学其他领域中的应用作为一种新颖、直观、有效的辅助手段, 3D 打印技术还在口腔医学教学及科研、口腔手术辅助工具、医患沟通、医疗器械研发等方面得到了广泛应用。(1) 3D 打印模型与传统影像资料和模型相比, 3D 打印模型能够更加直观清晰、丰富全面的显示结构特征, 而且制作方便快捷, 可实现个性化制作。3D 模型还可用于手术模拟, 进行手术分析
21、和评估, 以制定最佳的手术方案, 降低手术风险, 提高手术成功率。2008 年, 上海联泰科技股份有限公司为汶川地震中颅颌面受伤严重的病人提供手术设计服务, 一年内共制作了 29 个医学模型, 对手术的精确实施和保证手术效果起到了积极作用;美国 3D Systems 公司研发了一种合成树脂, 可以在特定区域进行颜色处理, 拓宽了医学模型的应用范围和使用效果;冯全胜等对3D 打印模型和传统石膏模型各 20 个进行测量对比, 结果表明, 两者在牙齿排列、覆盖、咬合接触、总得分上差异具有统计学意义 (P0.05) , 口腔 3D 打印模型的精确性高于传统石膏模型。(2) 导板个性化设计的数字化手术导
22、板, 包括种植导板、开髓导板和根尖手术导板 (后两者用于辅助治疗牙体牙髓病) , 能够帮助医生更精确地确定手术位置, 简化手术流程, 提高手术效果, 目前已运用在口腔手术中。咬合板用于口腔修复、正畸和颞下颌关节紊乱病的辅助治疗, 是一种常用的非手术治疗器械, 3D 打印树脂咬合板一致性好、精度高、低成本, 能缩短技师和医师工作时间, 降低手术风险, 提高诊疗效率。(3) 口腔支架上海交通大学医学院附属第九人民医院采用 3D 打印技术制作了个体化口腔放疗支架并进行了初步临床评估, 结果表明聚乳酸口腔支架在口腔肿瘤放疗中运用可行, 能明显降低危及口腔的受照剂量和体积, 减轻口腔黏膜炎等副反应的发生
23、。三、3D 打印技术在口腔医学领域的应用展望3D 打印作为第 3 次工业革命的核心技术之一, 正对口腔医学领域中的方方面面, 包括口腔材料、加工方式、医师技能、手术形态等, 产生颠覆性影响。3D 打印技术使数字化口腔医学实现了从虚拟模拟到现实模拟的跨越, 是实现精准医疗的重要手段。3D 打印在口腔医学领域的应用将越来越广泛, 据市场研究机构Transparency Market Research 称, 2016 年全球牙科 3D 打印市场规模达 9.03亿美元, 2025 年将达到 34.41 亿美元, 年复合增长率 16.5%。3D 打印在口腔医学领域的应用大体可分为 3 个层次, 第 1
24、层次是普遍和商业应用阶段, 以医学模型、手术导板和固定义齿为代表, 发展比较成熟, 风险较小;第 2 层次是临床研究阶段, 以 3 类医疗器械种植体为代表, 需要临床、工艺等各方面数据积累和完善, 风险较大;第 3 层次是实验室研究阶段, 以组织器官为代表, 存在着一定的技术、安全、伦理和法律问题, 风险大, 代表着未来的发展方向。虽然我国 3D 打印技术在口腔医学领域的应用基本与世界同步, 但在 3D 打印专用材料、设备、器械研制等方面与世界先进水平还存在着一定的差距, 因此亟需加强高品质 3D 打印材料、打印头等核心器件、微型化精准化设备、高精确度口腔专用软件、生物修复器械的研发, 加快相
25、关标准的制定, 推进从增材到增益的跨越, 为 3D 打印技术更好的服务于口腔医学提供强有力的支撑。3D 打印技术水平是与材料、机械、信息等多种学科的发展紧密相关的, 随着材料种类日益丰富、打印工艺持续改进、设备性能不断提高和软件功能日趋强大, 以及与数字医学、互联网、物联网、服务网的进一步融合, 3D 打印技术在口腔医学领域将获得革命性应用, 市场前景广阔。参考文献1周伟民, 闵国全.3D 打印技术M.北京:科学出版社, 2016. 2刘桂, 黄俊辉.3D 打印材料及在口腔医学领域中的应用J.全科口腔医学杂志, 2016, 3 (2) :85-87. 3Bilgin M S, Erdem A,
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