3D打印材料在牙種植中的應(yīng)用與發(fā)展

隨著口腔掃描儀和牙科3D打印機在口腔臨床的快速普及，數(shù)字化制造技術(shù)能幫助臨床醫(yī)生為牙列缺失、牙體缺損患者更快、更好地提供新種植體。3D打印種植體的應(yīng)用可以減少骨充填材料并降低種植過程的創(chuàng)傷，縮短治療周期，達到微創(chuàng)、精準(zhǔn)、快速修復(fù)的要求[1]。

1 3D打印種植體材料概述

種植牙能否發(fā)揮長期穩(wěn)定的咀嚼功能，取決于種植體能否維持有效的骨結(jié)合、材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計的選擇以及避免細菌感染。選擇合適的材料，優(yōu)化種植體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高種植體表面的生物活性和抗菌性能，是促進種植體與周圍組織良好骨結(jié)合和長期穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題。3D打印種植體材料應(yīng)具備以下條件：與打印設(shè)備兼容性好，材料加工工藝參數(shù)便于設(shè)置，材料適合增材制造，便于結(jié)構(gòu)設(shè)計，抗口腔唾液和體液腐蝕，機械性能和耐受性良好，無物理和化學(xué)刺激骨吸收，與骨組織生物相容性良好，具有一定的抗菌性能。

1.1 金屬材料

在3D打印種植牙材料領(lǐng)域研究較多的主要是鈦、鉭、鈷和鉻等金屬粉末材料，它們具有良好的生物相容性、耐腐蝕性以及物理機械性能，在傳統(tǒng)種植牙的加工中被廣泛應(yīng)用。在3D打印方面，金屬粉末原料的雜質(zhì)含量、流動性、松裝密度等都有著較高的要求。金屬材料的優(yōu)勢是適合采用增材制造的加工方法，有效避免金屬材料的傳統(tǒng)加工工藝復(fù)雜、材料利用率低、成本較高等問題。金屬材料存在的問題是如果粉末質(zhì)量或者工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，3D打印成型件中容易出現(xiàn)球化、裂紋、孔隙以及翹曲變形等缺陷，嚴重影響其成型精度和力學(xué)性能[2]。在臨床應(yīng)用和研究方面，3D打印鈦合金粉末制備出的種植牙可以通過調(diào)整工藝參數(shù)和材料配方以適應(yīng)更多元化的應(yīng)用場景，能夠滿足臨床復(fù)雜的口腔種植體材料要求。3D打印的鉭金屬可以進行數(shù)字化結(jié)構(gòu)設(shè)計，加工成具有特定功能的多孔材料，有利于軟組織的攀附、生長和血管在孔隙中生長，同時具有較好的組織相容性[3]。經(jīng)過3D打印處理的鈷鉻合金可以適應(yīng)特定患者的不同類型牙齒的修復(fù)，靈活性更強，尤其適合后牙固定橋等固定修復(fù)。3D打印種植體金屬材料的臨床應(yīng)用見表1。

表1 3D打印金屬種植體材料的臨床應(yīng)用

1.2 高分子材料

用于3D打印種植體的高分子材料由高分子基體材料以及其他功能性輔料等組成，其中前者是影響制件性能的關(guān)鍵因素，包括聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚醚酮等。在3D打印方面，高分子材料應(yīng)符合如下要求：有一定的導(dǎo)熱性，在成型后有一定的力學(xué)強度，粉末材料的粒度均勻在10 ～ 100 μm之間，粉末材料具有良好的熱塑性與加工性等。高分子材料的優(yōu)勢是燒結(jié)成型時條件要求比較低、燒結(jié)精度比較高，具備不同品種以及各種改性技術(shù)為其提供的性能多樣性。而缺點是工藝參數(shù)控制較為困難，制件成型難度較大，材料易于結(jié)塊，清粉困難，表面光潔度、尺寸精度、綜合機械性能難以達到目標(biāo)需求，需要后處理進一步改善其機械性能與表面光潔度[4]。在臨床應(yīng)用和研究方面，高分子材料易于通過3D打印等方法成型，可通過添加增強相來增強到合適的范圍，并且失敗后可在聚合物基種植體上進行二次修復(fù)。3D打印種植體高分子材料的臨床應(yīng)用見表2。

表2 3D打印高分子種植體材料的臨床應(yīng)用

1.3 陶瓷材料

常用的3D打印種植體的陶瓷材料有氧化鋁、氧化鋯等。氧化鋁力學(xué)性能遠低于氧化鋯，易于在口腔內(nèi)磨削，臨床使用已逐漸被氧化鋯取代。在3D打印方面，由于陶瓷材料熔點高、堆積密度有限，臨床多采用陶瓷顆粒包覆或混合低熔點粘接劑間接成型得到制成品。對于不添加粘接劑的單一陶瓷粉體，配套專屬設(shè)備采用高功率激光束直接高溫?zé)鄯垠w實現(xiàn)固化成型，無需后續(xù)致密化處理。陶瓷材料的優(yōu)勢是3D打印制成品加工簡易快速、優(yōu)異的力學(xué)性能、極佳的生物相容性、良好的耐磨耐腐蝕性和類似天然牙的美學(xué)性能。陶瓷材料的缺點是3D打印工藝仍然面臨材料配比、后期加工等一系列技術(shù)難題，表面質(zhì)量欠佳，粗糙度較大，精度較差，成型過程溫度變化大，速度快，產(chǎn)生應(yīng)力大，易造成裂隙[5]。在臨床應(yīng)用和研究方面，陶瓷材料種植體常見的問題包括繼發(fā)性齲齒、失去活力、基牙折裂、牙周病等生物并發(fā)癥，也容易引發(fā)骨架斷裂、陶瓷碎屑或陶瓷斷裂、固位力喪失、邊緣變色等材料并發(fā)癥[6]。3D打印種植體陶瓷材料臨床應(yīng)用見表3。

表3 3D打印陶瓷種植體材料的臨床應(yīng)用

2 3D打印牙種植體材料的改進

與傳統(tǒng)制造工藝相比，3D打印制造的種植體具有相當(dāng)或更優(yōu)異的性能，但是3D打印制造所使用的材料需要進行改進以克服自身存在的弱點，以適應(yīng)專用打印設(shè)備、加工工藝和口腔工作環(huán)境。

2.1 金屬材料

2.1.1 金屬鈦改性 3D 打印的金屬鈦表面改性方法主要有表面的微粗糙度改性、表面涂層改性、抗菌改性等。微粗糙度改性的方法包括機械處理噴砂酸蝕、化學(xué)處理法、表面涂覆涂層等。機械處理噴砂酸蝕通常使用二氧化硅和羥基磷灰石等無機顆粒進行，酸蝕以去除噴砂顆粒，形成種植體表面多孔結(jié)構(gòu)，能促進骨細胞的粘附、增殖與分化，并有利于骨組織的重建及種植體的長期穩(wěn)定?；瘜W(xué)處理法是經(jīng)過多種酸溶液酸蝕進而除去種植體表面的氧化膜，形成直徑約為1 ～ 3 μm的微孔，更利于骨細胞的粘附、增殖與分化，去除種植體表面的雜質(zhì)等，增加種植體的表面積。表面涂層改性的方法可采用多種涂覆方法，以增強骨整合。通過熔融氧化鈦納米顆粒的低速濺射沉積，在酸蝕的微粗糙化鈦表面涂有薄氧化鈦層，成骨細胞在涂層表面的附著、擴散和增殖能力顯著增強。磷酸鈣基植入涂層由于與天然骨礦物的化學(xué)相似性，顯示出直接與骨組織結(jié)合的能力，并增加骨與表面材料之間的生物化學(xué)互鎖。抗菌改性的方法是通過抗生素和抗菌離子的加入，可以在一定程度上解決感染問題。應(yīng)用具有抗菌能力的鈦結(jié)合肽，具有抗微生物效力，促進牙種植體周圍的軟組織愈合，并增強了成骨細胞活性[7]。

2.1.2 鈦合金改性 3D 打印的鈦合金改性方法主要是增加無毒元素、形成多孔鈦、進行生物活性表面處理等。增加無毒元素的方法是在鈦合金中加入鈮、鉭、鋯等，經(jīng)固溶處理、水淬和冷加工后，彈性模量能與人骨達到較好的骨整合。形成多孔鈦的方法是在種植體打印設(shè)計時設(shè)計為梯度孔隙結(jié)構(gòu)，中間為高強度致密結(jié)構(gòu)，表面設(shè)計為模擬松質(zhì)骨孔隙的多孔結(jié)構(gòu)，以達到更好的骨誘導(dǎo)及骨整合效果。通過生物活性涂層處理法將生物活性物質(zhì)涂層到種植體表面，如基于磷酸鈣的羥基磷灰石和β-磷酸三鈣與骨的化學(xué)成分相似，具有良好的生物相容性和良好的骨傳導(dǎo)性，可增強成骨細胞的粘附和增殖，縮短患者的康復(fù)時間[8]。

2.1.3 鉭合金改性 3D 打印的鉭合金表面改性方法主要有陽極氧化改性、仿生磷酸鈣涂層改性和表面功能化改性。陽極氧化技術(shù)方法處理得到的納米形貌能夠?qū)Ω鞣N細胞行為產(chǎn)生直接影響，在強酸性電解質(zhì)中進行電化學(xué)處理后，鉭表面可以被制備出納米氧化層，明顯提高了防腐性能，增強了對蛋白質(zhì)的吸收，促進細胞增殖，顯示出更好的生物相容性。磷酸鈣涂層方法在成骨礦化過程中具有顯著的誘導(dǎo)活性，對鉭樣本進行特定的堿熱處理后，在生理溫度下實現(xiàn)了磷酸鈣涂層在鉭表面的覆蓋。仿生技術(shù)制作的磷酸鈣涂層比傳統(tǒng)方法制備的磷酸鈣涂層能更好地促進骨髓基質(zhì)細胞向成骨細胞分化。表面功能化方法通過在表面制備有生物活性成分摻入的自組裝膜，實現(xiàn)鉭及多孔鉭表面具備局部可控、穩(wěn)定地釋放生物活性物質(zhì)的能力，從而對骨內(nèi)植入后的初期穩(wěn)定性和遠期生物性骨結(jié)合起到有效的促進作用。

2.1.4 鈷鉻合金改性 3D 打印的鈷鉻合金表面改性方法主要是氧化鋁表面噴砂處理、真空鍍膜技術(shù)、深冷處理等，以提高鈷鉻合金的生物相容性和良好的機械性能。

2.2 高分子復(fù)合材料

2.2.1 聚乳酸改性 3D 打印的聚乳酸表面改性方法主要是修改材料表面以改善骨整合。包括電離氣體處理、表面礦化、表面接枝等。電離氣體處理方法是將鉭等金屬離子注入聚乳酸表面，在生理條件下表現(xiàn)出良好粘附，提高了成骨和骨整合能力。表面礦化方法是3D 打印技術(shù)下以聚乳酸為代表的支架材料，在其表面進行多巴胺等礦化處理，用來提高材料與組織的性能，對成骨細胞的生長粘附性能更佳。表面接枝是采用化學(xué)接枝方法利用共價鍵將生物分子材料（例如羧甲基香菇多糖）固定在氨基化聚乳酸基材表面，得到羧甲基香菇多糖化學(xué)接枝修飾的聚乳酸材料。

2.2.2 聚甲基丙烯酸甲酯改性 主要改性方法是增加耐磨性改性和抗菌活性改性。最常用增加耐磨性的方法是在軟基中引入硬填料。無機填料可以顯著提高填料與高分子之間的結(jié)合力，有效提高高分子的宏觀性能。采用經(jīng)過特殊處理的聚合體增加材料的機械性能及耐磨性能，加入填料增加材料的耐磨性能。例如，二氧化硅納米纖維和微粒能在高分子中形成重疊網(wǎng)絡(luò)，提高材料的機械強度和耐磨性[9]。增加抗菌活性方法需要開發(fā)具有良好的生物相容性和長效抗菌性的口腔修復(fù)材料。例如與離子銀相比，載銀納米顆粒具有更高的抗菌活性和更低的毒性。因為后者具有較高的表面積與體積比，因此在復(fù)合高分子中使用相對較低濃度的載銀納米顆粒時，可以實現(xiàn)較強的抗菌能力[10]。

2.2.3 聚醚醚酮改性 改性方法主要是加入無機填料和納米材料等，從而形成應(yīng)用于各種場景的功能性材料。無機填料方法是通過無機增強相加入聚醚醚酮，增強后的聚醚醚酮彈性模量增加，斷裂強度提高，彈性降低。研究表明，添加二氧化鈦后，聚醚醚酮的硬度參數(shù)顯著提高，表明聚醚醚酮化合物在牙種植體應(yīng)用中是很有前途的修復(fù)材料[11]。納米材料方法是通過納米粒子（如氧化硅、氧化鋁等）的整合進行改性，以提高表面生物活性。對納米氟羥磷灰石聚醚醚酮復(fù)合材料的研究表明，該材料可提高成骨細胞的粘附、增殖、分化能力和堿性磷酸酶活性，促進骨結(jié)合，并可抑制細菌的增殖和生物膜的形成[12]。

2.3 陶瓷材料

經(jīng)過改性的陶瓷在抗斷裂性、高回彈性和減震性能、銑削效率、拋光性和精度方面具有優(yōu)勢，減少了碎裂。3D打印氧化鋯改性方法主要是添加氧化物改性，影響氧化鋯老化的主要因素是穩(wěn)定劑類型（氧化物）及其含量、晶粒尺寸和殘余應(yīng)力。該方法廣泛使用的穩(wěn)定劑是氧化釔，釔穩(wěn)定氧化鋯多晶是一種核心材料，以消除大塊斷裂的修復(fù)體。氧化鋁顆粒在老化穩(wěn)定性中起著關(guān)鍵作用。氧化鈰的穩(wěn)定化可以提供更好的熱穩(wěn)定性和抗“低溫降解”能力。劉奇博[13]研究3D打印改性氧化鋯種植體的工藝是選擇性激光燒結(jié)結(jié)合冷等靜壓，獲得較為滿意的實驗成果。Gahlert等[14]將改性氧化鋯和鈦種植體植入迷你豬的頜骨內(nèi)，愈合4、8、12周后進行檢測，2種材料均顯示直接的骨結(jié)合，且種植體周圍骨密度和骨接觸率均無顯著差異。

3 小結(jié)與展望

3D打印牙種植體的未來發(fā)展必須著眼于優(yōu)化表面質(zhì)量，以更低的成本和更短的生產(chǎn)時間提高材料的工藝可靠性和性能梯度。為提高長期種植成功率，研究和探尋更理想的口腔種植體材料，改進材料，結(jié)合3D打印工藝的改良，克服材料本身的缺陷，簡化種植牙的過程，增加牙齒模型制作的精確性，從而降低牙種植手術(shù)風(fēng)險，最終降低患者手術(shù)費用，改善患者的生活質(zhì)量[15]。

展望未來，3D打印牙種植體領(lǐng)域仍有一些問題需要解決，主要是種植體材料損壞的更換、抗菌性能的改進和表面進行載藥涂層處理。種植體材料損壞后的更換問題主要是金屬材料的局限性使得種植體結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，使種植體無法修復(fù)，用于連接基牙和種植體的螺釘若發(fā)生折斷，很難取出，必須將種植體與周圍組織一起取出后再種植。高分子材料種植體只要完好無損，牙醫(yī)可用牙鉆對其進行鉆孔和攻絲之后安裝新的基牙和牙冠?？咕阅艿母倪M問題是種植體周圍組織炎癥，導(dǎo)致骨整合喪失，這也是種植體失敗的主要原因[16]。設(shè)計主鏈含芳香環(huán)和側(cè)鏈含磺酸基的高分子聚合物，可以同時獲得良好的力學(xué)性能和抗菌性能，抗菌改性會引起親水性甚至毒性的問題可能在今后的研究中得到解決[17]。由于抗菌肽具有廣泛的活性譜、低細胞毒性、對微生物膜的選擇性、宿主免疫調(diào)節(jié)以及結(jié)合細菌內(nèi)毒素和中和其生物學(xué)作用的能力，且耐藥性較低，可以用作抗菌劑，已應(yīng)用于牙科種植體以減少種植體周圍炎[7]。種植體表面進行載藥涂層處理，通過不同的沉積方法結(jié)合到種植體表面，這可以有效地針對種植體周圍的骨骼疾病。例如，雙膦酸鹽、雷奈酸鍶和他汀類藥物是用于促進骨質(zhì)疏松患者的骨植入、骨整合的首選藥物。與未使用抗骨質(zhì)疏松藥物的種植體相比，抗骨質(zhì)疏松藥物對種植體骨整合有積極作用，藥物涂層種植體的更高[18]。