3D打印鈦合金棒在口腔領域的應用研究與進展

引言

由于腫瘤、炎癥、損傷、先天性畸形導致的骨缺損，可使患者面部畸形，影響咀嚼、吞咽、語言功能。口腔頜面結構復雜，缺損部位形態隨機，個性化特征非常明顯，對植入體或修復體的個性化要求相當高。修復體植入后，會受到頜面部肌肉的牽拉，承擔咀嚼壓力。所以，除了要恢復患者的顏面部形態，修復體還需要有一定的機械強度，以確保其能夠在 體內行使正常功能，最好還能夠負載成骨細胞促進頜骨再生[1]。3D打印技術可滿足頜骨缺損的個性化設計和制作，鈦及鈦合金種植體具有較高的強度，較低的彈性模量，在口腔領域具有獨特優勢[2]。

3D打印技術又稱增材制造，是在三維設計模型的基礎上，利用連續分層打印，通過逐層疊加，形成三維實體的技術[3]。3D打印技術個體化特征明顯，制作精度高，加工周期短，可最大限度地降低成本，提高生產效率。近年來，3D打印技術在口腔醫學領域的研究及應用呈上升趨勢。口腔修復學、口腔種植學、口腔正畸學和口腔內科學[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。

隨著口腔醫學的不斷發展，3D打印材料的研究已成為研究重點。 生物醫用材料直接與生物體接觸，可修復、替代缺損骨組織，誘導骨組織再生，恢復骨組織功能[6]。 近年來生物醫用材料被廣泛應用于軟硬組織修復的醫療領域[7]。鈦及鈦合金憑借其良好的力學性能，優良的抗生理腐蝕性能、優異的生物相容性等優點，被視為理想的3D打印材料。

1、3D打印鈦的表面改性

鈦及鈦合金的3D打印技術已在口腔頜面部的修復、牙體組織的修復、種植體制造[8]等領域被廣泛應用。可制作多孔支架用于頜骨缺損的修復，制作金屬內冠、全冠、可摘義齒支架、個性化舌側托槽等[9-10]。和傳統的種植入體一樣，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。

這易導致鈦種植體和骨組織不相融，在植入體內后使骨結合時間延長、骨結合強度將低。如何將3D打印技術與提高材料的生物相容性和骨整合能力相結合，使3D打印鈦種植體與骨組織的結合更加牢固，骨愈合時間縮短，骨結合力提高？這些問題受到了研究者的廣泛關注。3D打印鈦植入體的表面處理借鑒了傳統鈦植入體表面改性的方法，主要包括物理改性、化學改性和生物化學改性[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、金屬等材料結合到種植體表面形成涂層的方法。該過程無化學反應參與，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。Kim等[12]將Sr注入到鈦表面，證明Sr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、RANKL等相關成骨因子的表達也相應增加。Traini等[13]通過激光燒結加工成型梯度化結構的多孔Ti-6Al-4V牙科種植體，結果表明，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骨的彈性特性。

1.2化學改性

化學改性是使用化學試劑，發生化學反應，以改變種植體表面的化學特性，使之與細胞產生相互作用，從而改變細胞的結構和功能。主要方法包括陽極氧化、酸堿處理、溶膠凝膠、化學氣相沉積等膜層改性方法。張欣蔚[14]采用電化學沉積法在3D打印多孔鈦植入體表面制備殼聚糖/羥基磷灰石復合涂層，結果表明經過復合涂層的處理后，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，結果表明二氧化鈦/S1P上的細胞生成骨結節數量增多，成骨因子的表達也顯著增加。

1.3生物化學改性

生物化學改性是將生長因子、蛋白質、抗菌藥物[16-19]固定到修復體表面，以誘導成骨細胞分化，促進修復體與骨組織結合。主要包括化學固定法、物理吸附法和涂層載體法 [20]。相對于傳統的化學、物理方法，生物化學改性在促成骨細胞增殖分化方面效果更明顯。李賽娜等[21]通過偶聯劑將膠原分子固定在3D打印的鈦合金（Ti-6Al-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。Kumar等[22]用細胞外基質修飾3D打印鈦支架，結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。

生物分子領域和材料領域的研究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，并且能根據表面要求的需要進行相應的功能修飾。種植體表面的改性研究為口腔醫學的發展提供了新的方向，隨著科技的迅速發展，材料的表面改性在醫學領域也將迅速發展，成為生物醫用植入體領域重要研究方向之一。

2、3D打印鈦種植體的臨床應用

2.1口腔種植學

鈦金屬3D打印技術的出現極大地推動了牙體種植學的發展，該技術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，還能夠根據患者X線的三維影像數據，制備與患牙牙根形態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、減少手術創傷，縮短愈合時間，實現病牙的即刻置換。有研究表明，3D打印的鈦合金種植牙可仿造牙槽骨的天然結構，表面密布三維貫通的窩溝，誘導成骨細胞在窩洞中再生[24]。Tunchel等[25]對110例使用3D打印鈦合金種植體的患者進行了評估，結合3年的隨訪結果顯示：該種植體能恢復缺損的單顆牙間隙，成功率較高。

Cucchi等[26]用3D打印鈦網對無牙頜種植術后的患者進行了骨增量治療。術前對骨增量區域和種植體植入區域進行了個性化設計，制作了3D打印鈦網，術后CT及回訪顯示患者對治療效果滿意。

2.2口腔頜面外科

3D打印技術能夠直觀立體地還原患區的缺損形態，制備的個性化鈦網，精度高、外形好、術中操作簡便，手術風險降低，有效推動了面部骨缺損的診斷、手術的模擬及術中復位的發展。周小義等[27]根據影像學資料，制作3D打印鈦手術導板，借助軟件進行虛擬手術設計，指導髁突骨軟骨瘤及繼發牙頜面畸形的手術矯治，術后結果顯示患者顏面對稱， 功能恢復良好。Suska等[28]用個性化3D打印鈦合金假體對一下頜骨體及下頜角缺失的患者進行治療，術后患者外形輪廓及功能恢復較好。李金等人[29]報道了9例下頜骨腫瘤或腫瘤術后缺損的病例，利用3D打印技術重建鈦板，結合腓骨肌皮瓣修復下頜骨缺損。結果顯示患者的腓骨肌皮瓣成活，咬合關系正常，無并發癥，患者外形恢復良好。

2.3口腔正畸學

在正畸方面，3D打印技術可以定制各種類型的矯治器，如固位器、擴弓器、個性化帶環、生物調節器、牙合板、雙牙合板等[30]。目前學者們將錐體束CT和3D打印技術結合設計出個性化鈦板用于前方牽引。國內學者梁舒然等[31]報道了一例因上頜骨發育不足導致的骨性Ⅲ類錯牙合的病例，他們用術前錐體束CT，結合數字化模型，利用3D打印技術制備了3D打印鈦修復體，對該患者進行了骨性前方牽引治療。術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，并可選擇骨皮質厚度，避開恒牙胚及牙根，同時控制加力方向，從而減小手術風險，使患者獲得更多的骨性改建，減少牙性代償。

2.4口腔修復學

在口腔修復方面，學者們正致力于應用3D打印技術制備金屬牙冠、牙橋，可摘局部義齒支架的研究。

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

3、小結

隨著我國經濟的快速發展以及人們對健康關注的增加，鈦及鈦合金牙種植體、義齒、頜骨修復釘板等的用量將快速增長。研究者們應致力于3D打印鈦及鈦合金的新型材料研發、表面改性等方面的研究，不斷加強3D打印鈦及鈦合金在口腔領域的研究和應用。

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