3D打印在牙體牙髓病學(xué)中的研究進(jìn)展

王 霜，陳 陣

(天津醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院牙體牙髓科，天津 300070)

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，從20世紀(jì)80年代在美國誕生以來，正在被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療、輕工、汽車制造、航空航天等領(lǐng)域。它實現(xiàn)了計算機(jī)圖像的實體化，悄悄地改變著現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化的生產(chǎn)模式，所以這項技術(shù)也被稱為第三次工業(yè)革命的高科技技術(shù)。目前，很多發(fā)達(dá)國家非常重視3D打印技術(shù)，不惜投入巨資進(jìn)行開發(fā)研制。

1 3D打印技術(shù)的定義及作用原理

3D打印即原型制造，它是一種以數(shù)字化模型文件為基礎(chǔ)的三維實體技術(shù)，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[1]。其作用原理是基于離散堆積原理：(1)首先通過數(shù)據(jù)采集，獲取制作模型的第一步。目前常用方式有軟件設(shè)計、光學(xué)掃描、機(jī)械式掃描和放射學(xué)掃描等四種方式[2-4]。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，隨著數(shù)字化斷層掃描、核磁共振等技術(shù)的發(fā)展，三維數(shù)據(jù)掃描更加精準(zhǔn)，疾病的診斷更加準(zhǔn)確。(2)將掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用的計算機(jī)進(jìn)行三維重建。比如將CT掃描的DICOM格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件Mimics或Geomagic、Imageware11.0中，設(shè)置不同密度組織的閾值，構(gòu)建出形態(tài)曲面，重建三維模型。保存數(shù)據(jù)格式為STL格式(surface tesselation language)，STL格式的數(shù)據(jù)是3D打印機(jī)所識別的唯一數(shù)據(jù)。(3)然后進(jìn)行3D打印。3D打印目前主要的技術(shù)形式分成：①光固化成型(stereo lithography apearance，SLA)，是使用光聚合物通過紫外激光照射來固化。②選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering，SLS)，是用小顆粒的熱塑性材料粉末用高功率激光來融合。③熔融沉積成型(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)，是噴出熔融的熱塑性材料或共晶金屬粉末，立即使其凝固。④分層實體制造(laminated object manufacturing，LOM)，是使用膠水把紙張或塑料膜粘在一起，然后用激光塑形。⑤噴墨打印技術(shù)，是將不同種類的細(xì)粉末打出來以后，涂上黏接劑，然后打印下一層。噴墨打印技術(shù)還可以通過同時打印活體細(xì)胞和生物材料來構(gòu)建一個含有不同組織的三維生物支架，甚至活體器官[5-7]。

3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點是無需機(jī)械加工或模具，就直接從計算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本，從而實現(xiàn)定制化生產(chǎn)。目前，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用主要分為熔融沉積造型技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、立體印刷術(shù)和多噴嘴成型技術(shù)等4種[8]。

2 3D打印的材料

2.1 金屬材料

金屬材料是3D打印中發(fā)展最迅速的材料之一。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究較多的金屬主要是貴金屬：鈦、鉭、鈮、鋯等。鈦和鈦合金材料無毒、質(zhì)輕、強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的生物相容性，是目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中使用最廣泛的金屬材料，在口腔醫(yī)學(xué)中主要用于頜面部骨缺損修復(fù)、牙體修復(fù)、種植體制造[9]。鉭、鈮、鋯金屬元素不僅具有鈦的結(jié)構(gòu)和性能，還可以加工成多孔金屬材料，有利于軟組織的攀附、生長和血管在孔隙中生長，同時具有較好的組織相容性，有望替代金屬鈦成為理想的生物醫(yī)用材料。但因鉭、鈮、鋯等貴金屬價格昂貴，限制了其廣泛應(yīng)用，目前這些貴金屬作為一種應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新興金屬材料仍處于體外研究狀態(tài)[10]。

2.2 高分子復(fù)合材料

常用于3D 打印的材料多數(shù)是高分子材料。高分子材料中應(yīng)用較多的又以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS)和聚乳酸(Poly Lactic Acid，PLA)為主。Rosenzweig等[11]研究將關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞和髓核細(xì)胞與ABS和PLA支架材料一起培養(yǎng)3周，細(xì)胞增殖良好。證明這兩種材料具有較好的耐磨性和抗沖擊吸收能力，是3D打印中最常用的一種不被生物降解的熱塑性材料。

2.3 陶瓷材料

陶瓷材料具有低密度、高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好的特性，目前主要應(yīng)用在牙體缺損，牙列缺失的修復(fù)中。但陶瓷材料也存在脆而硬的特點，這使其加工成型存在較大困難。因為3D打印技術(shù)中的激光燒結(jié)法可將黏合劑粉末熔化，并使之與陶瓷粉末黏合，所以這項技術(shù)成為陶瓷粉末加工的一種理想方法[12]。

2.4 生物組織工程材料

3D生物打印是結(jié)合細(xì)胞生物學(xué)、計算機(jī)輔助設(shè)計和生物材料學(xué)等多個領(lǐng)域的研究成果，發(fā)展而來的一種新型的組織工程技術(shù)，其最終目標(biāo)是打印器官。3D生物打印技術(shù)克服傳統(tǒng)組織工程技術(shù)的局限性，不但可構(gòu)建形態(tài)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的組織工程支架，而且可實現(xiàn)不同密度的種子細(xì)胞在不同支架材料中的三維精確定位[13-18]。水凝膠是一種水溶性高分子通過化學(xué)交聯(lián)或物理交聯(lián)形成的聚合物[19-20]，由于具有良好的生物相容性，力學(xué)性能與人體軟組織相似，可以包裹細(xì)胞，輸送養(yǎng)分和排泄代謝物，有希望成為構(gòu)建組織工程支架和加工成可控釋放藥物的載體[21]。

3 3D打印技術(shù)在牙體牙髓病學(xué)中的研究

3D打印技術(shù)最先應(yīng)用于頜面部的手術(shù)，但在牙體牙髓病學(xué)領(lǐng)域中，3D打印目前還屬于臨床試驗階段。完善的根管治療的前提是掌握牙齒髓腔和根管系統(tǒng)的解剖特征，傳統(tǒng)研究根管系統(tǒng)的方法是片切法、透明牙模型法和X線法。隨著影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，三維影像重建技術(shù)CBCT應(yīng)用于根管形態(tài)學(xué)研究中。重建后的圖像可從各個角度觀察根管形態(tài)，并對其進(jìn)行綜合測量和分析，以了解根管系統(tǒng)的解剖特征和變異?，F(xiàn)在可以通過3D打印技術(shù)將重建出來的圖像實體化，在實體化上進(jìn)行術(shù)前設(shè)計，模擬手術(shù)，有助于提高手術(shù)成功率。同時，還可以廣泛應(yīng)用于口腔教學(xué)，使口腔臨床教學(xué)更形象化，學(xué)生們更容易理解疑難病例的手術(shù)操作方法。

Byun等[22]報道一例在12歲患者畸形前牙的治療中采用3D打印技術(shù)，重建畸形牙的根管形態(tài)，體外定位根管口位置，制作根管口定位導(dǎo)板，實現(xiàn)臨床根管口的精準(zhǔn)定位。Kfir等[23]遇到1例復(fù)雜三類牙內(nèi)陷的患者，為了保護(hù)牙髓的活力，他們通過CBCT獲得牙體根管的解剖，然后制作出樹脂模型，在樹脂模型上制定手術(shù)計劃，并模擬操作，最終成功在未破壞髓腔情況下填充內(nèi)陷的空腔。van der Meer等[24]報道利用錐形束CT掃描，3D打印技術(shù)體外重現(xiàn)牙體形態(tài)，制作導(dǎo)板，精準(zhǔn)定位根管，確定牙體牙髓病的治療方案。Lambrecht等[25]認(rèn)為，個性化仿頭模結(jié)合錐形束CT及3D打印技術(shù)，可有效重現(xiàn)復(fù)雜解剖環(huán)境，確定牙根、牙槽骨的形態(tài)結(jié)構(gòu)，及與血管神經(jīng)的位置關(guān)系，有利于顯微根尖手術(shù)的臨床前教學(xué)，及手術(shù)方案的確立。薛世華等[26]利用生物打印方法構(gòu)建含人牙髓細(xì)胞的組織工程三維結(jié)構(gòu)體，并用激光共聚焦顯微鏡觀察證實結(jié)構(gòu)體中大部分細(xì)胞存活，初步證明人牙髓細(xì)胞可耐受生物打印過程。

4 展望

隨著數(shù)字化口腔的發(fā)展，3D打印技術(shù)在牙體牙髓病學(xué)有著巨大優(yōu)勢和廣闊的前景。但目前3D生物打印仍存在許多問題有待解決。

4.1 材料的限制

目前供3D打印機(jī)使用的材料非常有限，包括石膏、金屬、陶瓷、塑料等。尚無法支持臨床中所應(yīng)用的各種材料的打印。而膠原蛋白、羥基磷灰石等具備生物相容性和安全性的生物活性材料，尚處于實驗室階段。目前大部分3D打印產(chǎn)品還是用作體外模型、輔助設(shè)計及診斷和制定手術(shù)計劃。

4.2 組織相容性

3D打印出的物體與身體其他組織器官更好地結(jié)合，

是因為任何打印出來的器官或身體組織想替代原始器官和組織，都需要同身體的血管神經(jīng)相連。如果能夠克服這個技術(shù)障礙，那么在未來幾十年內(nèi)，生物打印技術(shù)將成為一項標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

總之，3D打印能夠滿足臨床上復(fù)雜多樣的個性化要求，可以最大限度地發(fā)揮材料的特性，制作方便快捷，原料利用率高，隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步，高性能、高質(zhì)量、低價格生物材料的出現(xiàn)以及CAD/CAM軟件的普及，3D打印技術(shù)在牙體牙髓病學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景將更加廣闊。

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