3D打印技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

陳歡

摘 要：隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，對(duì)外科疾病的治療方案正逐漸走向微創(chuàng)化、個(gè)性化、精細(xì)化，這對(duì)臨床醫(yī)師、醫(yī)用材料提出了更高的要求。醫(yī)生期望針對(duì)某一患者提供個(gè)性化的治療方案、個(gè)體特異性的醫(yī)用材料以達(dá)到最佳的治療效果，而3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展和在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，讓這一理想即將成為現(xiàn)實(shí)。因此，本文對(duì)3D打印技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域；應(yīng)用

3D打印技術(shù)是一種將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）、精密伺服驅(qū)動(dòng)、新材料等先進(jìn)技術(shù)集于一體，具有很高科技含量的綜合性應(yīng)用技術(shù)。目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在航空航天、軍工、汽車和電子制造、生物工程和醫(yī)學(xué)、建筑、日常用品等多個(gè)領(lǐng)域，尤其在一些交叉學(xué)科領(lǐng)域中，如生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等。3D打印技術(shù)具有的快速性、準(zhǔn)確性，以及對(duì)復(fù)雜形狀實(shí)體的完成特性使其展現(xiàn)出非常廣泛的應(yīng)用前景。

1 3D打印技術(shù)概況

3D打印技術(shù)，利用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)增加材料逐層打印的方式來(lái)生成三維實(shí)體，所以又被稱為增材制造技術(shù)。該技術(shù)工作原理為：第一需使用建模軟件對(duì)物體建模，將模型數(shù)據(jù)以STL格式文件導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，然后將建成的三維模型分成若干層二維平面數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制，使打印機(jī)開始逐層打印，通過(guò)層層疊加的方式制造出三維實(shí)體造型，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物。根據(jù)使用原料和成形技術(shù)的不同大致可分為以下幾類：熔融沉積成形，選擇性激光燒結(jié)，光固化立體印刷，三維噴印等。

1984年，Hull等首次利用計(jì)算機(jī)建模并打印出三維實(shí)體，標(biāo)志著3D打印技術(shù)的誕生。1986年，美國(guó)出現(xiàn)了世界上第一家生產(chǎn)3D打印設(shè)備的公司，吸引了無(wú)數(shù)學(xué)者的訪問(wèn)，其中包括清華大學(xué)顏永年教授，回國(guó)后建立了清華大學(xué)激光快速成形中心，后來(lái)被認(rèn)為是中國(guó)快速成形技術(shù)的先驅(qū)人物之一。

2 3D打印技術(shù)的定義及成型類型

3D打印技術(shù)又稱“添加制造技術(shù)”，是一種由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)三維數(shù)字模型，通過(guò)成型設(shè)備將材料逐層累積形成一個(gè)實(shí)體對(duì)象的新型數(shù)字化成型技術(shù)。就目前而言，主要有以下幾種成型技術(shù)。

2.1 3D噴印

其原理為先在工作臺(tái)上均勻的鋪上單位厚度的粉末材料，再由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的三維模型數(shù)據(jù)引導(dǎo)打印噴頭，按指定路徑噴出液態(tài)粘結(jié)劑使粉末粘結(jié)，之后打印平臺(tái)下移一個(gè)單位平面，重復(fù)上訴過(guò)程，逐層疊加最終生成3D打印產(chǎn)品。

2.2光固化立體印刷

該成型技術(shù)利用紫外激光照射液態(tài)光敏樹脂使其發(fā)生聚合、交聯(lián)反應(yīng)而固化的原理，同樣由計(jì)算機(jī)按3D模型數(shù)據(jù)控制激光在某一單位平面運(yùn)動(dòng)軌跡，使該層光敏樹脂材料聚合固化，之后在該固化的樹脂上再覆蓋一層液態(tài)樹脂，重復(fù)掃描固化直至模型打印完成。

2.3選擇性激光燒結(jié)

與光固化立體印刷不同，該項(xiàng)技術(shù)利用的是激光束產(chǎn)生高溫，使粉末類的材料熔融，冷卻后再固化的原理。由計(jì)算機(jī)控制激光束運(yùn)動(dòng)軌跡以設(shè)定的速度和能量密度進(jìn)行掃描，該層掃描完成固化后移至下一單位層面，最終形成所需模型實(shí)體。

2.4熔融沉積成型

其使用材料為絲狀的熱熔性材料，成型原理與光固化立體印刷類似，但是在打印之前需要將材料加熱至半流體狀態(tài)。由計(jì)算機(jī)控制噴頭在3D模型該層截面輪廓處噴出熔融狀態(tài)材料，之后材料迅速冷卻凝固。如此層層反復(fù)進(jìn)行至模型打印成型。

3 3D打印技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1口腔頜面外科領(lǐng)域的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在口腔頜面外科領(lǐng)域中可以用于打印頜面缺損部位修復(fù)體、手術(shù)個(gè)性化導(dǎo)板、手術(shù)固定裝置等。金屬3D打印技術(shù)促進(jìn)了硬組織外科植入手術(shù)的設(shè)計(jì)和制造，如口腔頜面部缺損可以利用3D打印上頜骨、下頜骨、眼眶骨、鼻骨、耳骨等修復(fù)體；顴骨骨折錯(cuò)位愈合手術(shù)可以利用3D打印的個(gè)性化導(dǎo)板進(jìn)行定位；頜面部創(chuàng)傷修復(fù)手術(shù)可以利用3D打印的鈦板固定相關(guān)贗附體等。該過(guò)程先對(duì)頜面部骨折或外傷的患者進(jìn)行CT掃描，掃描后將獲得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為DICOM格式，然后導(dǎo)入Mimics軟件中，利用分割及重建等功能，設(shè)計(jì)出三維解剖模型。將設(shè)計(jì)好的三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印處理軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用3D打印設(shè)備制作出人體骨骼部件成品，整個(gè)過(guò)程不需要任何膠水或粘結(jié)劑。

3.2口腔修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在口腔修復(fù)領(lǐng)域中可以用于打印不同的修復(fù)體。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）技術(shù)多以切削為主，這種方式不但造成材料的浪費(fèi)，也使得制作的修復(fù)體種類單一，而且不可以批量生產(chǎn)。快速成型技術(shù)可以基于CAD數(shù)據(jù)，進(jìn)行增材制作，完成口腔修復(fù)領(lǐng)域中的CAM過(guò)程，該過(guò)程可以同時(shí)加工多個(gè)金屬冠。此外，還可以打印不規(guī)則形狀、尺寸和表面粗糙度要求不同的修復(fù)體。

3.3口腔正畸領(lǐng)域的應(yīng)用

3.3.1取代石膏模型

現(xiàn)已有用3D打印技術(shù)打印數(shù)字模型取代正畸矯正過(guò)程中的石膏模型。該3D模型更具個(gè)性化與真實(shí)性，不僅解除了印模材料給患者帶來(lái)的惡心感，還減少了制作過(guò)程中可能產(chǎn)生的形變，同時(shí)也解決了石膏模型不易儲(chǔ)存的問(wèn)題。

3.3.2個(gè)性化托槽

用選區(qū)激光熔化直接成型技術(shù)，把個(gè)性化舌側(cè)托槽模型直接制成金屬的舌側(cè)托槽，該技術(shù)采用增加材料的方法成型零件。結(jié)果顯示該個(gè)性化舌側(cè)托槽底板能夠與患者牙齒的舌側(cè)面精密吻合，為牙齒矯正提供了一種新型的美觀又快捷的方法。

3.3.3正頜外科手術(shù)導(dǎo)板

在正頜外科術(shù)前，醫(yī)生用電腦設(shè)計(jì)并制作個(gè)性化外科導(dǎo)板，包括Le Fort截骨部位和上頜骨復(fù)位部位，術(shù)中利用這些導(dǎo)板指導(dǎo)手術(shù)，不僅縮減了手術(shù)時(shí)間，而且使上頜骨復(fù)位的誤差降到1mm以下，同時(shí)，獲得面容的美觀性更符合患者自身情況，增加了患者的滿意度。

3.4口腔種植領(lǐng)域的應(yīng)用

3.4.1個(gè)性化種植體

由于每個(gè)患者的牙槽骨表現(xiàn)不同，且對(duì)種植外科的精確性和功能恢復(fù)性要求的增高，“個(gè)性化種植義齒”被提出。目前，個(gè)性化的種植體大多使用SLS打印，其制作的種植體具有較高強(qiáng)度及精確度。同時(shí)也大幅減少了進(jìn)口成品種植體的時(shí)間與金錢。

3.4.2種植導(dǎo)板

有學(xué)者用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)制備樹脂或金屬的種植導(dǎo)板，該導(dǎo)板可以簡(jiǎn)化并引導(dǎo)種植手術(shù)。他們將激光表面掃描、錐形束計(jì)算機(jī)斷層掃面、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造、3D打印相結(jié)合，制備帶有植入孔、支抗孔、支抗釘、不可翻瓣區(qū)和可翻瓣區(qū)的導(dǎo)板。術(shù)中導(dǎo)板戴入口內(nèi)，可精確指導(dǎo)術(shù)者植入種植體。

3.5口腔內(nèi)科學(xué)的應(yīng)用

完善根管治療的前提是熟悉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)常用到片切法、透明牙模型法、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)已開始應(yīng)用于根管形態(tài)學(xué)研究。重建后的圖像可從各個(gè)角度觀察根管形態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行綜合測(cè)量和分析，以了解并總結(jié)根管系統(tǒng)的解剖特征和變異。通過(guò)3D打印技術(shù)將重建出來(lái)的模型實(shí)體化后，還可以廣泛應(yīng)用于口腔教學(xué)和臨床復(fù)雜根管的術(shù)前診斷及模擬手術(shù)。

結(jié)束語(yǔ)：

隨著口腔醫(yī)學(xué)水平的發(fā)展，個(gè)性化與美觀性的要求越來(lái)越高，3DP以其明顯優(yōu)勢(shì)在口腔科的應(yīng)用越來(lái)越成熟。目前支持3D打印的材料有限，且生物打印研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，但我們可以展望，相信3DP將給口腔醫(yī)學(xué)帶來(lái)顛覆性的發(fā)展。

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