金屬3D打印技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)應(yīng)用

文/張亮

3D打印又稱增材制造（Additive Manufacturing，AM），屬于快速成形技術(shù)的一種，是通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)字模型，采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)[1]。3D打印技術(shù)擁有極高的加工自由度，對(duì)于醫(yī)學(xué)金屬材料的3D打印，其可以利用CT、MRI等醫(yī)學(xué)影像，通過(guò)計(jì)算機(jī)重建患者骨缺損模型，制造出生物學(xué)性能與力學(xué)性能更與骨匹配的植入物產(chǎn)品，在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

1 金屬3D 打印技術(shù)概況

1.1 不同工藝金屬3D 打印分類

金屬3D 打印技術(shù)主要有：選區(qū)激光熔化/燒結(jié)（selective laser melting/selective laser sintering，SLM/SLS）、電子束選區(qū)熔化（electron beamselective melting， EBSM）、激光近凈成形（laser engineered net shaping，LENS）等[2]。

（1）SLM/SLS 該方法采用激光選擇性熔覆或者以固體粉末燒結(jié)的方式進(jìn)行逐層熔覆，然后在逐層熔覆的基礎(chǔ)上形成三維實(shí)體零件。該方法基于離散-堆積原理、計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光加工技術(shù)、數(shù)控技術(shù)和新材料技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)、快速、精確的三維造型，并具有一定的結(jié)構(gòu)和功能[3-4]。

（2）LENS 將選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)與激光熔覆(Laser Cladding)技術(shù)兩者相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高密度、高強(qiáng)、高強(qiáng)金屬零件的近凈成形，被稱為“激光近形制造技術(shù)”“激光近形制造技術(shù)”或“工程凈成形技術(shù)”[5]。

（3）EBSM 技術(shù)是金屬粉末層通過(guò)電子束在程序控制下根據(jù)模型提供的信息掃描，有選擇在局部微小區(qū)域使其產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致金屬微粒熔化燒結(jié)，通過(guò)逐層堆積直至整個(gè)零件完成[6]。

1.2 金屬3D打印與傳統(tǒng)金屬制造工藝的對(duì)比

（1）同傳統(tǒng)工藝相比，金屬3D打印整體上有不需模具，可直接成型而無(wú)需二次加工的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)并制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)與其他制造技術(shù)相比具有適用性廣泛、工藝簡(jiǎn)單。但也有不足，如：金屬制品致密度不及鍛造，后需進(jìn)行退火等處理；由于掃描精度不足，制作出的金屬制品表面較粗糙往往還需后續(xù)噴砂等處理；另外因3D打印的金屬合金存在各向異性的特點(diǎn)，所打印出的金屬件在不同方向的力學(xué)性質(zhì)不同。

（2）各種3D打印金屬工藝與傳統(tǒng)工藝相比，不同的3D金屬打印技術(shù)除了共同優(yōu)缺點(diǎn)外，還有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

SLM/SLS 優(yōu)點(diǎn)：①選材豐富，理論上，任何粉末材料經(jīng)激光加熱后，能在粉粒間形成原子間連接，均可作為 SLS的成型材料。②工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，尤其適用于小批量、個(gè)性化定制復(fù)雜形狀零件[7]。缺點(diǎn)：①粉末材料的物理特性會(huì)影響零件的精度及粗糙度；②制作工藝的某些因素（如鋪粉厚度、掃描間距、激光的功率等）不穩(wěn)定會(huì)降低零件的精度及表面光潔度，導(dǎo)致制作缺陷；③SLM 打印成形過(guò)程易產(chǎn)生熱應(yīng)力、組織應(yīng)力、殘余應(yīng)力，易導(dǎo)致制件在打印過(guò)程中的翹曲變形與裂紋[7]。

EBSM 優(yōu)點(diǎn)：①熔化過(guò)程中熔池細(xì)小，冷卻速度較快，可以有效避免鑄造過(guò)程中晶粒的過(guò)分長(zhǎng)大和成分的偏析；②所采用的高真空環(huán)境正好，可以有效降低空氣中O、N對(duì)成形件的污染，特別適合于制備活性金屬（如鈦合金)；③樣品中內(nèi)應(yīng)力小，更適合于制備金屬生物多孔材料的設(shè)計(jì)[8]。缺點(diǎn)：①金屬粉末在電子束作用下易發(fā)生“粉末潰散”，需對(duì)粉末進(jìn)行預(yù)熱；②工藝參數(shù)還需要進(jìn)一步調(diào)整保證能量密度與粉末熔化速度之間的匹配減少冶金缺陷；③電子束能量密度比激光束高[9]。LENS 的優(yōu)缺點(diǎn)與SLM 相仿。

2 在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中3D 金屬打印的研究現(xiàn)狀

2.1 基礎(chǔ)研究

2.1.1 口腔頜面外科

采用3D打印技術(shù)對(duì)口腔頜面外科手術(shù)器械進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可方便地制作出與人體骨組織形態(tài)和彈性模量更為匹配的植入物，可有效減少供區(qū)傷害，縮短療程，完成優(yōu)質(zhì)成形修復(fù)手術(shù)，提高術(shù)后面部外形復(fù)原效果[10]。

2.1.2 口腔修復(fù)

通過(guò)金屬3D 打印制作金屬內(nèi)冠、全冠、可摘局部義齒支架，全口義齒基托。體外研究表明應(yīng)用SLM 技術(shù)：制作鈷鉻金屬基底冠的金－瓷結(jié)合力與傳統(tǒng)工藝相當(dāng),兩者無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，符合ISO標(biāo)準(zhǔn)[11]。

2.1.3 口腔正畸

3D 打印的個(gè)性化舌側(cè)托槽已經(jīng)成功設(shè)計(jì)并打印，但尚處在實(shí)驗(yàn)階段。個(gè)性化的托槽底板與所設(shè)計(jì)的牙模表面高度吻合，并完全貼合患者牙齒模型。托槽佩戴于患者口腔后，托槽戴在病人口腔后，隱藏在牙內(nèi)側(cè)，效果良好[12]。

2.1.4 口腔種植

利用3D 打印技術(shù)制作種植體；在種植體上形成復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)，促進(jìn)盡種植體骨結(jié)合。應(yīng)用SLM 制作牙科種植體，機(jī)械性能均達(dá)到要求[13]。而且Traini 等[14]設(shè)計(jì)出梯度化Ti-6Al-4V 合金多孔牙科種植體，其具有良好的理化性能。

2.2 臨床應(yīng)用

2012-02-05，比利時(shí) Hasselt大學(xué)的 BIOMED研究所宣布，世界上第一個(gè)3D打印人工下頜骨置換術(shù)在一位83歲的老人成功實(shí)施[15]。Alessandro Cucchi等[16]應(yīng)用3D打印技術(shù)制備個(gè)性化鈦網(wǎng)用于引導(dǎo)性骨再生術(shù)，成功修復(fù)患者萎縮下頜骨牙弓，使其能夠進(jìn)行種植體修復(fù)。周萬(wàn)林等[17]通過(guò)3D掃描技術(shù)聯(lián)合SLS技術(shù)能夠制備出外形結(jié)構(gòu)完整、表面形貌粗糙的高精度TC4種植體，但研究尚處在實(shí)驗(yàn)階段，還未應(yīng)用。國(guó)內(nèi)通過(guò)40例口腔舌側(cè)正畸托槽粘接效果分別進(jìn)行分組觀察，發(fā)現(xiàn)3D打印托槽與傳統(tǒng)托槽相比，吻合度更高，粘接位置更準(zhǔn)確，治療流暢性更好，遠(yuǎn)期療效更好[18-19]。

3 今后研究方向

隨著金屬3D打印加工設(shè)備進(jìn)一步優(yōu)化，3D打印金屬材料的研發(fā)，以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用。針對(duì)口腔科醫(yī)生，應(yīng)根據(jù)不同學(xué)科的特點(diǎn)、金屬制品不同部件的性能和功能要求，以及所采用的加工技術(shù)，進(jìn)行綜合考慮和重點(diǎn)研究。要想將金屬3D打印技術(shù)正確地應(yīng)用于臨床，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，就要了解各種金屬3D打印工藝的特點(diǎn)，熟悉它們的工作原理和工藝，避免盲目應(yīng)用。

為更好地應(yīng)用增材制造技術(shù)為病人服務(wù)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步完善其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尋求更加完美的形貌和更合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)復(fù)雜外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高精度、高質(zhì)量、個(gè)性化制造，對(duì)克服不理想的微觀組織結(jié)構(gòu)和零件殘余應(yīng)力等缺陷進(jìn)行深入研究，深入了解金屬粉末受熱、熔化、流動(dòng)、凝固過(guò)程的物理機(jī)制，提高制作工藝；確定適應(yīng)征，完善治療流程，提高手術(shù)質(zhì)量。金屬3D打印技術(shù)將在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中獲得更加廣泛的應(yīng)用。