3D打印鈦合金鍛件在口腔領(lǐng)域的應(yīng)用研究與進展

引言

由于腫瘤、炎癥、損傷、先天性畸形導(dǎo)致的骨缺損，可使患者面部畸形，影響咀嚼、吞咽、語言功能?？谇活M面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，缺損部位形態(tài)隨機，個性化特征非常明顯，對植入體或修復(fù)體的個性化要求相當(dāng)髙。修復(fù)體植入后，會受到頌面部肌肉的牽拉，承擔(dān)咀嚼壓力。所以，除了要恢復(fù)患者的顏面部形態(tài)，修復(fù)體還需要有一定的機械強度， 以確保其能夠在 體內(nèi)行使正常功能，最好還能夠負載成骨細胞促進頌骨再生[1]。3D 打印技術(shù)可滿足頌骨缺損的個性化設(shè)計和制作，鈦及鈦合金種植體具有較高的強度，較低的彈性模量，在口腔領(lǐng)域具有獨特優(yōu)勢[2]。

3D打印技術(shù)又稱增材制造，是在三維設(shè)計模型的基礎(chǔ)上，利用連續(xù)分層打印，通過逐層疊加，形成三維實體的技術(shù)[3]。3D打印技術(shù)個體化特征明顯，制作精度高，加工周期短，可最大限度地降低成本，提高生產(chǎn)效率。近年來，3D打印技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研宄及應(yīng)用呈上升趨勢。口腔修復(fù)學(xué)、口腔種植學(xué)、口腔正畸學(xué)和口腔內(nèi)科學(xué)[4_5]都有所涉及，如冠橋、種植體基臺的制作、義齒支架和正畸弓絲等。隨著口腔醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，3D打印材料的研宄己成為研宄重點。

生物醫(yī)用材料直接與生物體接觸，可修復(fù)、替代缺損骨組織，誘導(dǎo)骨組織再生，恢復(fù)骨組織功能[6]。近年來生物醫(yī)用材料被廣泛應(yīng)用于軟硬組織修復(fù)的醫(yī)療領(lǐng)域[7]。鈦及鈦合金憑借其良好的力學(xué)性能，優(yōu)良的抗生理腐蝕性能、優(yōu)異的生物相容性等優(yōu)點，被視為理想的3D 打印材料。

1、3D打印鈦的表面改性

鈦鍛件、鈦棒等鈦及鈦合金的3D打印技術(shù)己在口腔頌面部的修復(fù)、牙體組織的修復(fù)、種植體制造[8]等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用?？芍谱鞫嗫字Ъ苡糜陧灩侨睋p的修復(fù)，制作金屬內(nèi)冠、全冠、可摘義齒支架、個性化舌側(cè)托槽等和傳統(tǒng)的種植入體一樣，3D 打印鈦種植體也存在生物惰性等問題：例如彈性模量較骨組織高，抗剪強度、摩擦特性低，細胞毒性和潛在的過敏性等。

這易導(dǎo)致鈦種植體和骨組織不相融，在植入體內(nèi)后使骨結(jié)合時間延長、骨結(jié)合強度將低。如何將3D 打印技術(shù)與提高材料的生物相容性和骨整合能力相結(jié)合，使3D 打印鈦種植體與骨組織的結(jié)合更加牢固，骨愈合時間縮短，骨結(jié)合力提高？這些問題受到了研宂者的廣泛關(guān)注。3D 打印鈦植入體的表面處理借鑒了傳統(tǒng)鈦植入體表面改性的方法，主要包括物理 改性、化學(xué)改性和生物化學(xué)改性[11]。

1.1 物理改性

物理改性是依靠動能、熱能、電能將離子、陶瓷、金屬等材料結(jié)合到種植體表面形成涂層的方法。該過程無化學(xué)反應(yīng)參與，主要包括鈦漿噴覆、激光處理、噴砂酸蝕、電解蝕刻、物理氣相沉積、離子注入、表面陶瓷化等。K i m等[12]將S r 注入到鈦表面，證明S r 的釋放可促進脂肪干細胞在納米鈦材料表面的黏附，同時堿性磷酸酶、骨鈣素、R A N K L等相關(guān)成骨因子的表達也相應(yīng)增加。traini等[13]通過激光燒結(jié)加工成型梯度化結(jié)構(gòu)的多孔Ti-6Al-4V 牙科種植體，結(jié)果表明，其具有良好的理化性能，并且功能梯度材料的牙種植體更好地適應(yīng)骨的彈性特性。

1.2 化學(xué)改性

化學(xué)改性是使用化學(xué)試劑，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 以改變種植體表面的化學(xué)特性，使之與細胞產(chǎn)生相互作用，從而改變細胞的結(jié)構(gòu)和功能。主要方法包括陽極氧化、酸堿處理、溶膠凝膠、化學(xué)氣相沉積等膜層改性方法。張欣蔚M 采用電化學(xué)沉積法在3D打印多孔鈦植入體表面制備殼聚糖/ 羥基磷灰石復(fù)合涂層，結(jié)果表明經(jīng)過復(fù)合涂層的處理后，3D 打印鈦表面的細胞增殖、分化性能都有所提高。MARYCZ等[15]使用溶膠-凝膠法將生物活性鞘脂S1P 融入二氧化鈦涂層，降低其表面粗糙度，結(jié)果表明二氧化鈦/S1P 上的細胞生成骨結(jié)節(jié)數(shù)量增多，成骨因子的表達也顯著增加。

1.3  生物化學(xué)改性

生物化學(xué)改性是將生長因子、蛋白質(zhì)、抗菌藥物[+ 19]固定到修復(fù)體表面，以誘導(dǎo)成骨細胞分化，促進修復(fù)體與骨組織結(jié)合。主要包括化學(xué)固定法、物理吸附法和涂層載體法[2()]。相對于傳統(tǒng)的化學(xué)、物理方法，生物化學(xué)改性在促成骨細胞增殖分化方面效果更明顯。李賽娜等[21]通過偶聯(lián)劑將膠原分子固定在3D 打印的鈦合金（Ti-6A 1-4V ) 片上，研究顯示，膠原分子的存在提高了 3D 打印鈦合金表面的細胞增殖、活性以及生物相容性。K u m a r等[22]用細胞外基質(zhì)修飾3D 打印鈦支架，結(jié)果顯示支架上細胞的功能和材料的生物相容性都有所提高。

生物分子領(lǐng)域和材料領(lǐng)域的研宄者們一直在尋求通用的表面改性方法，使之可在植入體表面快速、有效地固定生物活性分子，并且能根據(jù)表面要求的需要進行相應(yīng)的功能修飾。種植體表面的改性研究為口腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供了新的方向，隨著科技的迅速發(fā)展，材料的表面改性在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也將迅速發(fā)展，成為生物醫(yī)用植入體領(lǐng)域重要研宄方向之一。

2、 3D打印鈦種植體的臨床應(yīng)用

2.1 口腔種植學(xué)

鈦金屬3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)極大地推動了牙體種植學(xué)的發(fā)展，該技術(shù)可以在種植體制造的過程中用激光束處理種植體，使其形成多孔的粗糙表面，還能夠根據(jù)患者X 線的三維影像數(shù)據(jù)，制備與患牙牙根形態(tài)及大小一致的個性化種植體，并于拔牙同期植入[23]，簡化診療過程、減少手術(shù)創(chuàng)傷，縮短愈合時間，實現(xiàn)病牙的即刻置換。有研宄表明，3D打印的鈦合金種植牙可仿造牙槽骨的天然結(jié)構(gòu)，表面密布三維貫通的窩溝，誘導(dǎo)成骨細胞在窩洞中再生[24]。Tunchel等[25]對1 1 0例使用3D 打印鈦合金種植體的患者進行了評估，結(jié)合3 年的隨訪結(jié)果顯示：該種植體能恢復(fù)缺損的單顆牙間隙，成功率較高。

Cucchi等[26]用3D 打印鈦網(wǎng)對無牙頌種植術(shù)后的患者進行了骨增量治療。術(shù)前對骨增量區(qū)域和種植體植入?yún)^(qū)域進行了個性化設(shè)計，制作了 3D 打印鈦網(wǎng)，術(shù)后C T 及回訪顯示患者對治療效果滿意。

2.2 口腔頜面外科

3D 打印技術(shù)能夠直觀立體地還原患區(qū)的缺損形態(tài)，制備的個性化鈦網(wǎng)，精度高、外形好、術(shù)中操作簡便，手術(shù)風(fēng)險降低，有效推動了面部骨缺損的診斷、手術(shù)的模擬及術(shù)中復(fù)位的發(fā)展。周小義等[27]根據(jù)影像學(xué)資料，制作3D 打印鈦手術(shù)導(dǎo)板，借助軟件進行虛擬手術(shù)設(shè)計，指導(dǎo)髁突骨軟骨瘤及繼發(fā)牙頜面畸形的手術(shù)矯治，術(shù)后結(jié)果顯示患者顏面對稱，

功能恢復(fù)良好。5 1 ^ 匕等[28]用個性化3D 打印鈦合金假體對一下頌骨體及下頜角缺失的患者進行治療，術(shù)后患者外形輪廓及功能恢復(fù)較好。李金等人[29]報道了9 例下頌骨腫瘤或腫瘤術(shù)后缺損的病例，利用3D 打印技術(shù)重建鈦板，結(jié)合腓骨肌皮瓣修復(fù)下頌骨缺損。結(jié)果顯示患者的腓骨肌皮瓣成活，咬合關(guān)系正常，無并發(fā)癥，患者外形恢復(fù)良好。

2.3 口腔正畸學(xué)

在正畸方面，3D 打印技術(shù)可以定制各種類型的矯治器，如固位器、擴弓器、個性化帶環(huán)、生物調(diào)節(jié)器、牙合板、雙牙合板等[M]。目前學(xué)者們將錐體束C T 和3D 打印技術(shù)結(jié)合設(shè)計出個性化鈦板用于前方牽引。國內(nèi)學(xué)者梁舒然等[31]報道了一例因上頌骨發(fā)育不足導(dǎo)致的骨性III類錯牙合的病例，他們用術(shù)前錐體束C T，結(jié)合數(shù)字化模型，利用3D 打印技術(shù)制 備了 3D 打印鈦修復(fù)體，對該患者進行了骨性前方牽引治療。術(shù)后患者達到了正常的覆牙合覆蓋，牙列無擁擠。3D 打印個性化鈦板可最大程度地貼合骨表面，并可選擇骨皮質(zhì)厚度，避開恒牙胚及牙根，同時控制加力方向，從而減小手術(shù)風(fēng)險，使患者獲得更多的骨性改建，減少牙性代償。

2.4 口腔修復(fù)學(xué)

在口腔修復(fù)方面，學(xué)者們正致力于應(yīng)用3D 打印技術(shù)制備金屬牙冠、牙橋，可摘局部義齒支架的研究。

近期H u 等[32]報道了 1 例肯氏I 類牙列缺損的病例，他們結(jié)合患者口外掃描、3D 打印技術(shù)制作鈦支架、利用傳統(tǒng)充膠排牙，結(jié)果顯示個性化3D 打印鈦支架與口腔組織緊密結(jié)合，無移位變形。

3、小結(jié)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展以及人們對健康關(guān)注的增加，鈦及鈦合金牙種植體、義齒、頌骨修復(fù)釘板等的用量將快速增長。研宄者們應(yīng)致力于3D 打印鈦及鈦合金的新型材料研發(fā)、表面改性等方面的研宄，不斷加強3 D 打印鈦及鈦合金在口腔領(lǐng)域的研宄和應(yīng)用。

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