3D打印在口腔種植學中的應用研究進展

陳洪剛 剡亞妹綜述 高婧審校

1 3D打印技術(shù)的原理和分類

3D打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)，屬于快速成型技術(shù)的一種。3D打印技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)的“減材制造技術(shù)”，是一種依托于數(shù)字掃描、精密機械及材料學等多學科發(fā)展起來的增材技術(shù)。通過重建數(shù)字化模型，對模型進行加工處理，最終在3D打印機上通過“層層疊加”加工形成整體［1］。

1.1 3D打印技術(shù)的原理

3D打印的核心為將計算機、控制、機械集為一體，通過計算機進行模型重建，傳輸控制指令及打印機打印目標物來實現(xiàn)模型的實體化。

3D打印前，根據(jù)材料的不同選擇不同的打印方法。打印機在打印時，先通過計算機獲取實體模型，然后通過專用軟件將模型轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)文件，再將數(shù)據(jù)文件傳輸給3D打印機。打印機根據(jù)指令驅(qū)動打印頭按照預定軌跡進行打印，形成固化層。第一層打印后，打印頭會重新移動到第二層開始的位置，重復上述動作，循環(huán)往復堆疊成目標實體［2］。

1.2 3D打印技術(shù)的分類

3D打印技術(shù)主要有：（1）分層制造（laminated object manufacturing，LOM）；（2）熔融沉積成型（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）；（3）選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）；（4）立體光刻技術(shù)（stereo lithography appearance，SLA）；（5）噴墨打印技術(shù)；（6）選擇性激光熔覆（selective laser melting，SLM）等。自20世紀80年代研發(fā)至今，隨著科技及材料學的發(fā)展，3D打印已廣泛應用于制造、設(shè)計、醫(yī)學、建筑、航天及生物工程等領(lǐng)域。

2 3D打印技術(shù)在口腔種植學中的應用

2.1 種植區(qū)骨增量的應用

在種植體界面的骨質(zhì)及骨量影響種植體系統(tǒng)初期的穩(wěn)定性。有數(shù)據(jù)顯示，大約＞50%的種植患者需要在種植前和種植過程中進行骨增量手術(shù)［3］。傳統(tǒng)的骨增量手術(shù)操作復雜，成功率較低，需要施術(shù)者有豐富的臨床及操作經(jīng)驗。同時患者可能需要接受多次骨增量手術(shù)后才能符合種植體周圍骨量及骨質(zhì)的標準，費時費力。但3D打印的應用使這一情況出現(xiàn)了改觀。

3D打印在種植骨增量中的應用主要包括打印骨重建模型，打印個性化支架，打印骨移植物等［3］。袁帥等［4］對43例行3D打印個性化鈦網(wǎng)進行骨增量治療的患者術(shù)后進行觀察。除1例患者術(shù)后愈合不良外，其余患者均出現(xiàn)明顯的骨改建且術(shù)后未出現(xiàn)明顯骨吸收，有著顯著的骨增量效果。白麗云［5］通過動物實驗得出3D打印的個性化鈦網(wǎng)力學性能達標，具有形態(tài)佳、簡單方便、精準度高等優(yōu)點，實驗顯示骨增量效果可靠，且術(shù)后暴露率低，具備臨床可行性。Bartnikowski等［6］運用可吸收醫(yī)用材料打印出的符合缺損區(qū)骨形態(tài)的支架，能夠促進缺損區(qū)骨再生，并且方法簡單，可重復，精確度高。Park等［7］利用3D打印技術(shù)打印出適應動物模型骨缺損區(qū)的三維聚己內(nèi)酯（PCL）支架，結(jié)合β-磷酸三鈣粉植入骨缺損區(qū)。PCL支架成功地維持了骨缺損部位的物理空間，并促進了術(shù)后健康骨的再生，無炎癥或感染反應。Manzano等［8］利用3D打印復制了13例患者骨缺損區(qū)的模型并進行了手術(shù)設(shè)計，根據(jù)模型選擇合適的植入材料和植入途徑，加快了引導骨再生和手術(shù)的進程，且有利于患者的溝通和理解。Hwang等［9］將聚己內(nèi)酯（PCL）、聚乳酸 －羥基乙酸（PLGA）和 β-磷酸三鈣（β-TCP）以 4∶4∶2的比例混合后，利用3D打印技術(shù)制備PCL/PLGA/β-TCP顆粒狀骨移植物，并與非膠原蛋白混合形成復合骨移植物，進行動物實驗與傳統(tǒng)的雙相磷酸鈣（BCP）相比，得出二者的成骨性能基本相同，但3D打印顆粒狀骨移植物能夠更好的維持骨缺損和支持屏障膜，但無相應的臨床試驗支撐。因此，在一定范圍內(nèi)，PCL/PLGA/β-TCP復合骨移植塊有成為臨床使用的合成骨移植替代品的潛能。目前，大部分研究主要致力于各種生物活性支架在骨增量中的作用，而3D打印骨移植物替代品的研究較少，且大部分為體外研究，只能說明3D打印骨移植物有成為臨床替代品的潛力，需要臨床進一步研究和應用。

2.2 打印種植體的應用

種植體為種植修復中的根基，且種植手術(shù)成功的關(guān)鍵之一就是種植體能否長期穩(wěn)定的存在于牙槽骨中。自Branemark教授提出骨結(jié)合理論至今，為了獲得更好的骨結(jié)合率，科學家對種植體采取多種處理，均取得了較好的效果。

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)加快了種植體的發(fā)展，使種植體的制作向著安全、精準、簡潔、個性的方向發(fā)展。王驊等［10］利用MTT比色實驗得出，通過3D打印制作的鈦合金種植體細胞毒性為0級，滿足口腔種植材料的臨床應用要求。Cheng等［11］利用3D打印技術(shù)賦予種植體特殊的三維結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅能提高表面粗糙度，還能促進人骨髓間充質(zhì)干細胞的成骨分化。這項研究表明，三維結(jié)構(gòu)可以增強種植體在體內(nèi)的骨整合，且與機械制造相比，3D打印所需的材料及時間更少并能夠提供更好的三維結(jié)構(gòu)控制。Bollman等［12］設(shè)計了一種具有相互連接的3D管狀結(jié)構(gòu)的種植體，加入SDF-1α后，該結(jié)構(gòu)能夠更長時間的保留SDF-1α對干細胞的招募作用，以增強骨整合。為解決即刻種植中常規(guī)種植體不能與拔牙窩相吻合并獲得良好的初期穩(wěn)定性及種植失敗后面臨著嚴重的骨吸收這兩大問題，多孔類骨小梁鈦種植體及個性化根性種植體逐漸發(fā)展起來。3D打印可以打印出更復雜的種植體結(jié)構(gòu)，如與骨表面形態(tài)更加接近的種植體［13］。Chang等［14］通過3D打印制作出一種可以適應骨缺損結(jié)構(gòu)的、具有多孔結(jié)構(gòu)及優(yōu)良表面性能的種植體，該種植體與商用種植體相比，實驗中有更多新骨形成。實驗表明該種種植體具有良好的骨再生和常規(guī)種植失敗后修復大面積骨缺損的前景。Figliuzzi等［15］對一名上前牙拔牙術(shù)后即刻種植個性化根形種植體患者隨訪，得出種植體具有良好的功能和美學融合，沒有出現(xiàn)明顯骨吸收或軟組織衰退。且與常規(guī)螺釘狀種植體相比，個性化根形種植體在牙槽骨中具有更好的應力分布［16］。臨床中每位患者的狀況是不同的，部分患者在牙缺失后，牙槽骨流失嚴重，出現(xiàn)牙槽嵴萎縮，不能滿足臨床種植的需求。有關(guān)研究［17］顯示除了進行骨增量手術(shù)外，對于某些牙槽骨高度足夠，但寬度欠缺的患者，還可使用3D打印制造的窄徑種植體，以滿足患者對種植修復的需求，但使用該種種植體前，需要對患者進行綜合評估，使種植體具有良好的初期穩(wěn)定性及避免咬合負荷過大，防止種植體失敗。

2.3 打印口腔種植導板的應用

傳統(tǒng)的口腔種植手術(shù)大部分依靠醫(yī)生的臨床經(jīng)驗，對年輕醫(yī)生的挑戰(zhàn)性較高，種植體的位置容易出現(xiàn)偏差，患者所需承擔的風險也較大。3D打印種植導板可有效地解決這些問題。

臨床常用的種植導板主要有牙支持式導板，黏膜支持式導板及混合支持式導板三大類。種植導板的應用提高了種植位置的精確度，縮短手術(shù)時間，降低了手術(shù)風險［18－20］。與傳統(tǒng)熱塑性種植導板相比，使用3D打印種植導板可以使種植體的位置更加精準［21］。Schneider等［22］通過模型實驗得出與傳統(tǒng)的植入方法相比，3D打印模板引導下的種植似乎提供了更高的準確性和精度，但該研究有待臨床實驗進一步證明。孫瑤等［23］記錄的一例椅旁牙支持式導板引導下的種植體植入，在固位良好的導板引導下，種植體獲得了較好的術(shù)后效果，種植體位置偏差也在大數(shù)據(jù)偏差范圍內(nèi)。黏膜支持式導板因為黏膜彈性對導板的種植精確度有負面影響，會增加種植體位置的偏差，但仍處于臨床可接受的準確性水平［24］。雖然種植導板的應用提高了種植手術(shù)的精度，但術(shù)中偏差仍然存在，且不同打印機所打印的數(shù)字化導板的精度也存在差異，需要臨床醫(yī)生掌握一定的臨床經(jīng)驗及綜合考慮所有因素［25－26］。而且有部分研究的得出，通過增材制造所得種植導板與銑削所制造的種植體在精確度上并沒有顯著差異，但增材制造所需材料更少，縮短制造時間，效能更高［27］。

除上述應用外，3D打印在種植領(lǐng)域也有其他方面的運用。通過制作3D打印鉆孔導板來解決修復體基臺螺釘松動的情況。通過這種方法，螺釘進入通道可以被精確定位，可以較好的保存現(xiàn)有冠［28］。還可以利用數(shù)字化導板在非翻瓣情況下去除骨移植物的固定螺釘，后進行種植體植入［29］。Londono等［30］將 3D打印技術(shù)用于制造種植體支持的保護移植軟組織的支架，以確保移植軟組織與種植體周圍的骨膜密切接觸，促進軟組織愈合，以獲得良好的軟組織封閉。

3 總 結(jié)

隨著3D打印的使用，口腔種植學正大步向前發(fā)展，口腔種植與3D打印技術(shù)結(jié)合愈加密切。但3D打印解決種植中個性化、少量化、精準化需求的同時還存在部分問題，如成本較高，個別打印過程較為復雜，仍然存在偏差等。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)及材料學的進展，3D打印技術(shù)在口腔臨床種植中將發(fā)揮更重要的作用。