一體化雙色3D打印聚醚醚酮口腔修復體的初步臨床報告

陸偉 陳晞 冀堃 楊春成 丁玲 吳國鋒

聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)具有優(yōu)良的力學性能、熱穩(wěn)定性、生物相容性和耐磨損性等優(yōu)點，已成功應用于骨科、神經(jīng)外科、心胸外科等人體植入物領域，近年來有文獻支持其可作為一種良好的口腔修復材料。PEEK加工方式包括熱壓鑄造、數(shù)控切削和3D打印三種方法，最新研究表明三者加工的PEEK口腔修復體機械性能無顯著差異[1]。目前一般認為3D打印技術是其實現(xiàn)單件成品復雜形態(tài)低成本快速制造的理想方法，如何應用先進3D打印技術個性化定制人體植入物或口腔修復體是本領域的熱點問題，2016年美國食品藥品監(jiān)督管理局已允許3D打印PEEK人體植入物應用于臨床，我國也自2020 年1 月正式實施《定制式醫(yī)療器械監(jiān)督管理規(guī)定(試行)》(國家藥品監(jiān)督管理局2019年第59號公告)，鼓勵包括3D打印PEEK在內的各類個性化定制醫(yī)療器械臨床試用[2-5]。

作者近年來相繼開展了多項數(shù)字化銑削和3D打印PEEK口腔修復體的臨床研究，證實了PEEK制作各類口腔修復體、乳牙早失間隙保持器和咬合導板等臨床應用的可行性[6-10]，同時也發(fā)現(xiàn)其存在主要問題之一為PEEK修復體美學性能亟需提升。目前PEEK修復體臨床需要額外進行表面粗化處理與飾面樹脂粘接等工藝以改善其美學性能，費時費力且未來存在樹脂崩脫風險；此外PEEK修復材料主要用于義齒支架的臨床研究，未見有一體化口腔修復體的文獻報道。因此，作者新開展了一項旨在研究PEEK美學口腔修復材料及其一體化打印加工的臨床研究，綜合運用聚合物混合改性和控性增材制造等先進手段，嘗試建立一體化雙色(牙色/牙齦色)3D打印PEEK口腔修復體工藝方法，研究內容包括研究PEEK顏料共混改性、結晶度行為調控以及研制PEEK牙色/牙齦色系列色塊等，目前已成功應用于可摘局部義齒、頜面缺損贗復體等，本文將結合研究中存在問題做初步總結并對未來研究方向做展望分析。

1 雙色打印PEEK材料顏色與透光性的研究

純PEEK基材本身外觀為棕褐色且不透明(圖 1)，若直接使用其美觀效果不能滿足口腔美學修復要求。現(xiàn)有商品化的PEEK牙科材料主要通過共混適當比例金屬氧化物方法改變材料顏色，以國內市場在售的2 種PEEK產(chǎn)品舉例：一是用于高溫鑄壓加工方法的PEEK粒料(比丹公司，Bio-HPP， 德國)，可提供3 種顏色粒料供選擇； 二是適用于數(shù)字化銑削的國產(chǎn)預成PEEK材料盤(吉林省登泰克牙科材料有限公司)，也只有3種顏色(白色W，粉紅P，黃色Y)。目前關于3D打印用的不同顏色PEEK修復材料研究目前尚未見有文獻報道，不過已有研究報道的共混氧化物和調控打印溫度兩種方法可供借鑒用于以調控PEEK復合物的色彩與透光性，為本研究開發(fā)雙色打印PEEK修復體材料與技術提供了可行思路。研究中作者通過向PEEK共混適當比例納米二氧化鈦獲得了接近天然牙顏色的PEEK材料(圖 2)，其后研究中也配制出接近牙齦色的PEEK打印材料，并觀察到3D打印加工溫度對其成品透光度存在顯著影響。

圖 1 3D打印純PEEK口腔修復體

圖 2 3D打印含二氧化鈦的PEEK口腔修復體

1.1 共混改性策略

PEEK作為一種高分子聚合物，共混改性是工業(yè)上聚合物改善其性能的主要方法。聚合物可以通過混合適合顏料以獲得適宜顏色外觀，但選擇何種類型顏料共混將直接影響改性后PEEK混合物美學性能，而且也會改變材料的基本理化性質。聚合物混合顏料選擇主要包括有機顏料與無機顏料兩大類，有機顏料雖具有著色力強、顆粒容易研磨和分散、不易沉淀、色彩鮮艷等特點，但其耐熱性較差，不適用于PEEK的3D打印方法制造(PEEK熔點為343 ℃)，在PEEK的3D打印加工溫度下會出現(xiàn)顏色分布不均勻、碳化而降解等不良現(xiàn)象。無機顏料主要是有色金屬的氧化物或某些不溶性的金屬鹽，優(yōu)點是耐熱，耐曬，耐溶劑性好，遮蓋力強，但也存在色譜不齊全、著色力低、顏色鮮艷度差等不足。為此，作者采用了“先校基色，再調牙色”的共混改性策略：即首先選用合適比例的納米二氧化鈦(TiO2)、氧化鋯顆?；烊隤EEK基材，改變其原有棕褐色基色，結果獲得了顏色從白色向米黃色漸變的系列PEEK復合物(圖 3)，可用于3D打印口腔修復體的牙色PEEK修復材料；在此基礎上再添加不同含量的氧化鐵紅或氧化鐵黃，繼續(xù)調整PEEK混合物的顏色使其呈現(xiàn)不同類型的紅色(牙齦色)外觀，獲得所需的系列牙齦色PEEK修復材料。有其他研究顯示在PEEK基材中添加納米二氧化鈦等能夠改變材料的彈性模量，并使其拉伸強度和硬度等性能提高了20%～50%。因此后續(xù)研究中有必要綜合觀察無機顏料添加后PEEK材料美學性能與機械性能的整體表現(xiàn)，最終確定添加顏料種類及比例。此外，3D打印工藝基于逐層堆積加工成型方法，更有利于顏料在PEEK基材中的均勻分布，避免傳統(tǒng)方法添加材料成團簇集、發(fā)泡沉積或分布不均勻的情況。

1.2 結晶度行為調控

PEEK又是一種半結晶的聚合物，內部結構具有結晶度可調的材料特性。聚合物的晶體大小與結晶度會影響光線的折射與漫反射：如果材料內部晶體尺寸比光線波長大，光線遇之易發(fā)生反射與漫反射，則材料本身呈不透明趨勢；反之，若晶體尺寸較小則光線更易通過，材料外觀則呈更透明狀。PEEK結晶行為受到其加工溫度的直接調控，PEEK在常溫下是半結晶態(tài)，從玻璃化轉變溫度143 ℃到熔點343 ℃加工過程中PEEK內部具有不同的結晶度，而在PEEK從熔融到再結晶的處理過程中，結晶度可以受到人為熱處理條件的影響，例如冷卻速率或熱處理梯度等。合適的退火處理可以提高PEEK的結晶度，并抑制在高溫下或在消除內應力時發(fā)生的尺寸變化。有文獻報道PEEK的本體結晶度可以通過退火處理將其調控至10%～45%的不同比例結晶度[11]，結晶體大小也呈現(xiàn)不同尺寸與聚集狀態(tài)。作者研究中應用2 種不同加工溫度打印PEEK觀察到溫度影響其透光性能進而影響成品的顏色外觀(圖 4)，在加工過程中如果材料冷卻速度過快，在邊緣會形成薄的非結晶態(tài)外衣(顏色呈棕褐色)。PEEK材料的結晶度越高，代表其材料內部結晶區(qū)比例越高，高分子鏈排列規(guī)則的結晶區(qū)更傾向對光進行反射，因此在同一光源下高結晶度PEEK材料的反射光較多，透射光較少，即其亮度會越高，灰度值會越大(越接近白色的灰度值255)，透光性越低(圖 5)。

圖3 分別共混二氧化鈦或氧化鋯顆粒的PEEK打印義齒及其外觀顏色 圖 4 2 種不同加工溫度(噴嘴溫度左430℃，右390 ℃)對PEEK打印試件透光性及顏色外觀影響

1.3 打印絲材與系列色塊研制

如前所述，作者綜合采用共混改性與結晶度調控2 種手段改變PEEK基材的顏色，主要是加入醫(yī)用級氧化鐵紅、氧化鐵黃、納米二氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁等分別獲得牙色/牙齦色(雙色)兩種系列PEEK顏色的配方，并且對應于高/低兩種不同結晶度建立了3D打印溫度控制方案。初步結果驗證了上述方案的可行性，目前已經(jīng)試制出適用于熔融沉積(Fused deposition modeling，F(xiàn)DM，3D打印方法之一)加工的牙色/牙齦色絲材(圖 6～7)，已成功用于可摘局部義齒、軟腭缺損阻塞器的一體化雙色3D打印加工。同時為了方便臨床使用配色，作者也制備出3D打印PEEK牙色系列色塊和牙齦色系列色塊(圖 8)，臨床試用效果良好。

圖5 PEEK結晶度與透光性(灰度值)關系 圖 6 牙色PEEK打印絲材 圖 7 牙齦色PEEK打印絲材

圖 8 3D打印PEEK系列色塊

2 一體化雙色3D打印PEEK口腔修復體的臨床應用

本部分研究全程受南京大學醫(yī)學院附屬口腔醫(yī)院(南京市口腔醫(yī)院)倫理委員會監(jiān)督和指導(臨床試驗批準編號：2019NL-006)。

2.1 可摘局部義齒應用

1 例16牙列缺損，缺牙區(qū)竇嵴距僅2 mm，同時伴有上頜竇炎癥，患者考慮暫不種植行可摘義齒修復，但要求修復材料美觀無金屬，經(jīng)知情同意，為其設計制作了16缺牙一體化雙色3D打印PEEK義齒，選擇基托部分PEEK材料顏色接近患者缺牙區(qū)牙齦黏膜色，卡環(huán)和人工牙則接近相鄰余留牙的顏色。通過FDM增材制造設備進行PEEK材料的一體化雙色打印，順利加工出PEEK可摘局部義齒(圖 9A、C)。經(jīng)患者口內臨床試戴，義齒卡環(huán)的固位力以及適合性均滿足臨床要求(圖 9B、D)，咬合過程中義齒未出現(xiàn)翹動，旋轉，擺動，下沉等情況。目前臨床隨訪觀察6 個月， 未出現(xiàn)卡環(huán)折斷、 基托破損等不良現(xiàn)象。最新文獻報道PEEK人工牙耐磨性明顯高出普通樹脂牙和復合樹脂牙[12]，并且省去排牙、充膠等繁瑣技工過程和時間。臨床觀察雙色打印PEEK義齒美觀性與傳統(tǒng)牙科樹脂尚存在一定差距，考慮改進方法一是繼續(xù)系統(tǒng)開展雙色PEEK材料顏料共混研究，二是沿用PEEK表面粘接飾面樹脂方法，后者因PEEK材料基色已顯著改善其烤塑處理后義齒美觀效果會更加理想。

2.2 軟腭缺損阻塞器應用

患者為一例因粘液表皮樣癌切除術后致使左側硬軟腭交界部分缺損， 缺損大小直徑1 cm， 女性， 31 歲， 計劃行軟腭阻塞器修復(圖 10A)。治療過程同前，通過數(shù)字化口內掃描直接獲取缺損區(qū)域模型，在義齒設計軟件中進行一體化雙色3D打印PEEK支架數(shù)字化設計，通過FDM打印設備加工一體化雙色PEEK支架(圖 10B)，后經(jīng)常規(guī)等技工處理得到最終的一體化雙色3D打印PEEK軟腭缺損阻塞器?；颊呖趦扰R床試戴效果非常滿意，支架及卡環(huán)等部件適合性，阻塞器固位、支持、穩(wěn)定等性能良好(圖 10C)；患者戴用3 個月后復查，未出現(xiàn)支架變形[13]?；颊叻从承滦迯腕w重量輕、無金屬異味、缺損區(qū)無明顯不適感，對其美觀效果表示滿意。

由上述2 個臨床病例可知，PEEK一體化雙色3D打印技術因其加工周期短、材料浪費量少、可以成形復雜形態(tài)零件等優(yōu)點，且改善了PEEK材料美觀效果，更適合口腔修復體個體化單件定制的臨床要求。PEEK由于彈性模量比金屬低，用于制作可摘義齒的卡環(huán)具有優(yōu)勢，且比金屬美觀，但硬度低，在設計時考慮強度基托和卡環(huán)需要加厚。所獲修復體整體形態(tài)完整，材料質地致密、未見明顯加工缺陷；卡環(huán)、禾支托等細微結構清晰，修復體成品表面通過特定工藝可以實現(xiàn)良好拋光。作者研究中PEEK打印參數(shù)設置是噴嘴直徑0.4 mm，噴嘴溫度420 ℃，層厚0.15 mm，擠出速度40 mm/s，填充率100%，能夠滿足口腔臨床需求，后續(xù)研究需要進行更多樣本的臨床研究，優(yōu)化篩選出一體化雙色3D打印口腔修復體最佳的打印參數(shù)。

A：一體化雙色3D打印PEEK可摘局部義齒(去支撐前); B： 牙列缺損口內頰側觀; C： 一體化雙色3D打印PEEK可摘局部義齒; D： 一體化雙色3D打印PEEK可摘局部義齒口內戴入頰側觀

圖 9 一體化雙色3D打印PEEK可摘局部義齒

A：軟腭缺損口內照 B：一體化雙色3D打印PEEK支架 C：一體化雙色3D打印PEEK軟腭阻塞器臨床初戴口內照

3 問題與展望

作者初步驗證了一體化雙色3D打印PEEK口腔修復體臨床應用可行性，在原有3D打印PEEK義齒的基礎上對顏色進行了改進，同時實現(xiàn)可摘義齒的支架的雙色打印制作，具有潛在的臨床應用價值，但尚存很多問題亟待解決：不同種類、不同比例PEEK-顏料共混色彩變化機理尚不明晰；雙色PEEK打印材料透光性能需要進一步提高；雙色打印材料交界面過渡區(qū)域精度需要提升；一體化雙色3D打印PEEK修復體抗疲勞與耐久性尚需研究；一體化雙色3D打印PEEK修復體的顏色穩(wěn)定性及抗老化性能也需要研究；設計大樣本的臨床隨機對照試驗來驗證新材料新技術性能等。總體而言，作者認為一體化雙色3D打印PEEK口腔修復體有研究價值和臨床應用前景，有望在可摘局部義齒和頜面缺損贗復體領域推廣應用，為臨床提供一種新的非金屬美學修復材料和工藝選擇。