3D打印技術(shù)在口腔頜面外科的應(yīng)用

郭騏源　董盛仲　尚艷杰　郭亞?wèn)|　劉穎

摘要：隨著數(shù)字醫(yī)療的興起，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍也不斷拓展，本文主要對(duì)近年來(lái)3D打印技術(shù)在口腔頜面外科中頜面部骨折、缺損的修復(fù)重建應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，并展望未來(lái)3D打印技術(shù)在頜面外科中的應(yīng)用及發(fā)展。

關(guān)鍵詞：3D打??；口腔頜面外科；頜面部骨折；修復(fù)重建

中圖分類號(hào)：G642.0；R269 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）34-0112-03

3D打印技術(shù)起源于上世紀(jì)80年代末期，本質(zhì)上是一種快速成型技術(shù)，最初被應(yīng)用在制造業(yè)及模型設(shè)計(jì)中。該技術(shù)以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，利用專業(yè)軟件將模型分割成層狀，在眾多材料中選用不同的打印方式制造出實(shí)物。與傳統(tǒng)機(jī)床加工相比，3D打印使用通過(guò)掃描實(shí)物或建立數(shù)字模型的方式實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化定制，并且在制作過(guò)程避免了磨、剖、銑等繁瑣的工藝步驟，能有效地縮短加工時(shí)間，節(jié)省人力和材料[1]。近年來(lái)隨著精密加工的發(fā)展，原材料的種類逐漸繁多，使得該技術(shù)能夠在醫(yī)療領(lǐng)域當(dāng)中廣泛應(yīng)用。

在口腔頜面外科手術(shù)中，醫(yī)生常用植入替代物的方法來(lái)對(duì)骨折及缺損部位進(jìn)行修復(fù)重建，但由于面部結(jié)構(gòu)形態(tài)的不規(guī)則性和復(fù)雜性，無(wú)論是用患者自體組織還是以固定模式制作出的替代物，都無(wú)法與缺損部位完全吻合，達(dá)到精準(zhǔn)修復(fù)[2]。3D打印的出現(xiàn)在很大程度上解決了此難題，即為患者制作出適用于自身的個(gè)性化替代物。

一、3D打印

根據(jù)產(chǎn)品的具體要求，如對(duì)精確度、硬度、強(qiáng)度、工作環(huán)境溫度等方面的差異，選用相應(yīng)的打印材料與打印方式，不同材料對(duì)應(yīng)不同的打印方式，但同一種材料可能有多種打印方式[3]。近年來(lái)，3D打印技術(shù)中的粉末粘結(jié)、光固化打印、熔融材料沉積制造等技術(shù)發(fā)展已趨于成熟，以下幾種工藝已在口腔頜面領(lǐng)域中得到較廣泛的應(yīng)用[4，5]。

1.立體光刻（Stereo Lithigraphy Apparatus，SLA）。SLA工藝的材料為光敏樹(shù)脂，這種樹(shù)脂在特定波長(zhǎng)和強(qiáng)度光的照射下可迅速發(fā)生聚合，從而從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。由于材料本身限制，該打印方式需要設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，且保存方式需特別注意。通過(guò)SLA技術(shù)打印出的成品一般較脆、易斷裂，在口腔領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用于口腔美容、充填缺損牙齒等。近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)一家公司研制出了一種特殊的光敏樹(shù)脂，以藍(lán)色鹵素冷光替代高強(qiáng)度的紫外光來(lái)進(jìn)行固化，從而解決了牙齒治療過(guò)程中因溫度升高而導(dǎo)致口腔不適的問(wèn)題[6]。

2.熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）。FDM的材料大部分為熱塑性絲狀材料，如ABS（中英文全稱）材料絲、聚碳酸酯等，材料絲經(jīng)傳送機(jī)構(gòu)進(jìn)入熱熔噴頭中進(jìn)行加熱，再經(jīng)噴嘴擠出、凝固，層層疊加，最終成型。該類材料多用于口腔種植修復(fù)體，當(dāng)選取聚乳酸類復(fù)合材料（如羥磷灰石/聚乳酸等），可以誘導(dǎo)牙槽窩內(nèi)成骨細(xì)胞向修復(fù)體黏附，相比傳統(tǒng)口腔修復(fù)方法，該技術(shù)明顯節(jié)省了治療費(fèi)用，縮短了手術(shù)時(shí)間、提高了修復(fù)體強(qiáng)度[7]。

3.疊層實(shí)體制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）。LOM的材料薄材（紙張，塑料膜等）在熱熔膠的作用下層層粘連。該技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是原材料價(jià)格較為低廉，精確度尚可[8]，但其成品表面較為粗糙，有明顯的階梯紋、容易層裂，因此該技術(shù)通常用于制作頜骨及牙列模型等，可供醫(yī)生在術(shù)前根據(jù)此類模型制定周全有效的手術(shù)計(jì)劃，降低治療成本[9-10]。

4.選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sin-tering，SLS）、選擇性激光熔化（Selec-tive Laser Melting，SLM）。SLS和SLM的工藝材料為各種受熱后可粘結(jié)的粉末，包括鈦及鈦合金粉末、尼龍粉、鎳基或鈷基合金粉末等。SLS成型方法可分為兩種，一種是直接法，即直接對(duì)單一粉末材料進(jìn)行燒結(jié)，缺點(diǎn)是易產(chǎn)生球化現(xiàn)象，影響成型質(zhì)量。后來(lái)人們將目光轉(zhuǎn)向了間接法，間接法一般用兩種熔點(diǎn)不同的粉末混合物，低熔點(diǎn)粉末熔化后起粘結(jié)作用粗成型，再對(duì)成型件進(jìn)行降解粘結(jié)劑、二次焙燒等后處理，這明顯提升了成品的致密度，并顯著改進(jìn)了其機(jī)械性能[11]。SLM則是利用激光將金屬粉末熔化，是一種復(fù)雜的物理化學(xué)冶金變化，該技術(shù)克服了SLS工藝過(guò)于復(fù)雜的問(wèn)題，且制作出的成品致密性更好，性能更高，但易產(chǎn)生球化效應(yīng)，需要不斷改良優(yōu)化制作過(guò)程[12，13]。由于二者的工藝材料大多為金屬粉末，因此在口腔領(lǐng)域中多用于金屬種植導(dǎo)板、大面積骨缺損替換物的制作等。

5.三維打?。═hree Dimensional Printing，3DP）。3DP的工藝材料包括各類粉末，如常規(guī)金屬粉末、淀粉、陶瓷粉末、石膏粉末、復(fù)合材料粉末等。該技術(shù)在噴嘴裝有粘結(jié)劑，通過(guò)層層粘結(jié)粉末最終得到成型物，但同時(shí)也因?yàn)槌尚途炔桓?、?qiáng)度較差等缺點(diǎn)，在口腔領(lǐng)域中用于各類模型產(chǎn)品的制作，如牙列模型、上頜骨、下頜骨模型等[14]。

二、頜面外科手術(shù)

1.頜面手術(shù)特點(diǎn)。頜面部的骨骼數(shù)目較多，形態(tài)各異，結(jié)構(gòu)精細(xì)而復(fù)雜。頜面部骨折、塌陷一般是由于交通意外、高處墜落、打架斗毆等導(dǎo)致面部在受到嚴(yán)重外力打擊時(shí)引起，造成咬合紊亂、面部不對(duì)稱，同時(shí)也嚴(yán)重影響如咀嚼、語(yǔ)言及呼吸等正常的生理功能，或?qū)颊叩男睦斫】翟斐蓸O大的負(fù)擔(dān)。傳統(tǒng)手術(shù)中，骨折復(fù)位的精確與否主要取決于醫(yī)生的個(gè)人臨床經(jīng)驗(yàn)，手術(shù)借助于影像學(xué)檢查雖可復(fù)位移位的頜骨骨塊并恢復(fù)口腔主要功能，但對(duì)于外貌的改善效果往往不是很理想。由此，能夠理想的復(fù)位移動(dòng)骨塊、恢復(fù)頜面部外形，最大程度上復(fù)原咬合關(guān)系和張口、咀嚼等功能，盡可能減少手術(shù)并發(fā)癥，則顯得尤為重要。與傳統(tǒng)頜面外科手術(shù)相比3D打印技術(shù)使手術(shù)的難度大幅度降低、精準(zhǔn)度明顯提高、手術(shù)耗時(shí)明顯縮短。以下頜骨粉碎性骨折為例，頜骨破損嚴(yán)重，骨碎塊多，一般需要用鈦網(wǎng)固定骨塊。傳統(tǒng)手術(shù)中，醫(yī)生依據(jù)下頜外形來(lái)確定鈦網(wǎng)形狀并彎曲鈦網(wǎng)，并在術(shù)中不斷調(diào)整，力求所植入的鈦網(wǎng)最大限度與原下頜骨曲線相同。但由于塑型耗時(shí)多且很難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)復(fù)位。而Ma J等利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)將其應(yīng)用于下頜骨粉碎性骨折的治療中，首先利用計(jì)算機(jī)輔助鏡像模擬等手段得出完好的下頜骨輪廓，之后設(shè)計(jì)出精確的鈦網(wǎng)模型，并用SLM技術(shù)制作個(gè)體化鈦網(wǎng)。術(shù)中暴露術(shù)區(qū)，去除粉碎細(xì)小骨塊，個(gè)體化鈦網(wǎng)直接固定大骨塊。手術(shù)歷時(shí)大大縮短，復(fù)位精確度高，面部外形恢復(fù)良好，患者對(duì)手術(shù)效果滿意。

2.術(shù)前模擬手術(shù)。術(shù)前評(píng)估患者病情，制定手術(shù)計(jì)劃并進(jìn)行手術(shù)模擬。傳統(tǒng)手術(shù)中，醫(yī)生結(jié)合影像學(xué)資料和臨床經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)骨折的情況進(jìn)行判斷，制定手術(shù)方案，但主觀性強(qiáng)，準(zhǔn)確性也不高，醫(yī)患溝通時(shí)，模擬手術(shù)只存在于醫(yī)生的腦中無(wú)法直觀地展示給患者及其家屬。而3D打印技術(shù)可根據(jù)患者的掃描圖像制作出1：1模型，醫(yī)生可以直觀地觀察患者骨折移位等情況，術(shù)前就可以做到精準(zhǔn)定位并對(duì)手術(shù)過(guò)程進(jìn)行演練，節(jié)省手術(shù)時(shí)間，提高手術(shù)精確度，此外也可使醫(yī)患溝通更有成效，讓患者放下心理負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)對(duì)手術(shù)的信心。該類模型在教育教學(xué)方面也有著重要意義，年輕的外科醫(yī)生通過(guò)對(duì)多個(gè)模型的分析、實(shí)踐逐步積累經(jīng)驗(yàn)、掌握方法，從模型中受益，同時(shí)降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

3.個(gè)性化替代物設(shè)計(jì)制造?；颊哳M面部損傷及腫瘤切除后若出現(xiàn)骨和軟組織的缺損，外科手術(shù)常以植入替代物對(duì)其進(jìn)行修復(fù)重建。傳統(tǒng)替代物的來(lái)源主要有兩種，一種是取用患者的自體軟硬組織，另一種是術(shù)中根據(jù)缺損情況，以特殊材料（多為醫(yī)用高分子材料或具有良好生物相容性的金屬材料）制成的替代物。此類方法不僅手術(shù)耗時(shí)長(zhǎng)，而且通常難以精確契合缺損部位，特別是上、下頜骨缺損的修復(fù)重建，術(shù)后患者面形恢復(fù)不理想，咬合、張口及咀嚼等生理功能也不能得到有效恢復(fù)[1]。3D打印技術(shù)的應(yīng)用很好地解決了上述問(wèn)題，基于人面部的對(duì)稱性，可先利用計(jì)算機(jī)掃描出患者正常側(cè)的形態(tài)結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)比確定缺損部位的具體形態(tài)，然后打印出實(shí)體模型。相比于傳統(tǒng)笨重的金屬植入物，3D打印的“層層疊加”原理使得這種實(shí)體模型不僅僅在外部形態(tài)上可與缺損部位精準(zhǔn)契合，其內(nèi)部的三維空間結(jié)構(gòu)與正常組織也更為匹配，更加輕便，機(jī)械性能更好，從而可以達(dá)到良好的外形的恢復(fù)效果[14]。3D打印技術(shù)為個(gè)性化植入物的設(shè)計(jì)制造提供了強(qiáng)有力的技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)也大大推動(dòng)了其發(fā)展[1]。國(guó)內(nèi)首例鈦合金3D打印已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)踐，院方在對(duì)患者進(jìn)行常規(guī)手術(shù)檢查之后，采集患者影像資料進(jìn)行三維重建，在此基礎(chǔ)上完成植入體的設(shè)計(jì)與修飾，之后運(yùn)用鈦合金粉末進(jìn)行3D打印，完成個(gè)體化植入體的加工，術(shù)后6周進(jìn)行檢查，患者面形及功能都恢復(fù)得比較好。

三、展望

雖然3D打印技術(shù)在口腔外科領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于初期階段，許多問(wèn)題亟待解決，如打印設(shè)備和日常維護(hù)費(fèi)用較高，應(yīng)用范圍相對(duì)較小等，但仍憑借其工作方式和特點(diǎn)成為口腔頜面部損傷治療的一種革命性的新技術(shù)。隨著研究者對(duì)制造工藝研究的不斷加深，打印材料的不斷改進(jìn)，“個(gè)性化定制”的理念不斷發(fā)展，相信3D打印技術(shù)未來(lái)會(huì)成為口腔頜面部損傷治療技術(shù)的“中流砥柱”。

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