可用于3D打印口腔个性化修复体的生物医用材料的研究进展

田冶曾庆慧胡相华任雅清田小俊

1 广东省医疗器械质量监督检验所 （广州 510663）

2 广州市生物医用血液净化材料研究与开发重点实验室 （广州 510663）

3 暨南大学材料科学与工程系 （广州 510632）

可用于3D打印口腔个性化修复体的生物医用材料的研究进展

田冶1,2曾庆慧3胡相华1任雅清1田小俊1,2

1 广东省医疗器械质量监督检验所 （广州 510663）

2 广州市生物医用血液净化材料研究与开发重点实验室 （广州 510663）

3 暨南大学材料科学与工程系 （广州 510632）

3D打印技术能够根据患者的需要，快速制备个性化修复体，并能对修复体的微观结构进行精密控制，因此在口腔种植修复领域得到广泛的应用，已经成为常规制作牙科修复体之外的又一可靠选择。目前，可供3D打印的生物医用材料种类较少，这是制约该项技术发展的重要因素。本文主要概述了目前在3D打印领域，用于口腔种植修复的几类生物医用材料的应用和研究进展。

3D打印 生物医用材料 口腔修复 个性化修复体

由于人齿的形状复杂，个体差异性大，如何快速定制与患者缺损部位完美匹配的个性化修复体是目前口腔修复领域的主要研究方向。传统的口腔修复体的制作工序包括取膜，灌注石膏模型，修复体设计，制作蜡型，模型包埋、铸造等多道工序，加工过程复杂，耗时长。在制取印模、翻制耐火模型、装盒等过程中，会不可避免地产生误差，降低修复体精密度，且易产生粘沙、缩孔、裂纹、冷隔与偏析等铸造缺陷。如何精确、快速成型以及实现植入体空隙的梯度控制，以满足个性化种植的需要，是目前口腔修复的重点研究方向。近年来，随着数字化技术的发展，3D打印以其灵活的个性化定制特色，在个体化、精准化要求的口腔修复领域正得到广泛的关注。

1.3D打印的简介

3D打印（3D printing）为快速成型（Rapid prototyping，RP）技术的一种，也称为增材制造技术。3D打印被国内外一致认为是21世纪最具颠覆性的成型加工技术，其工作原理类似于传统的喷墨打印[1]，是利用扫描形成的三维数字模型，根据“分层制造，逐层叠加”的原理，快速制备出三维实体的一种分层制造技术[2]。目前，应用较多的3D打印技术包括选择性激光烧结（selected laser sintering，SLS）、选择性激光熔化（selected laser melting，SLM）、光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）和熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）等[3]。其中SLS和SLM主要用于金属和无机非金属材料的打印，这两种技术对材料的要求广泛，理论上任何激光加热后能在颗粒间形成原子间连接的粉末材料都可以作为其成形材料，且打印精度较高；SLA主要使用的原料为光敏性树脂，是通过紫外激光束在光敏树脂表面进行逐层扫描，被扫描区域的树脂层发生光聚合反应而最终固化成形；FDM所使用的原料则通常为热塑性高分子，该技术的优点是成型精度高，支架强度好，因为其没有使用溶剂或其他添加剂，所以成型无需后续的除杂质步骤。3D打印技术具有能够按照设计的模型构建特定空间结构的能力，并能够在制备打印体时对其微观结构进行精确控制，这种具有独特优势的新兴技术，正在越来越广泛地影响着各行各业的发展。

随着生物制造这一概念的提出以及患者个性化需求的不断增长，3D打印在医疗领域将其定制化的特性更是发挥得淋漓尽致，目前其主要应用和研究方向包括：一是医疗辅助器具，包括医疗模型、诊疗器械、康复辅具等。二是各类植入体，包括利用生物材料打印骨骼、牙齿、关节等人工组织替代品。三是生物打印，即打印出含有活体细胞、生长因子的组织工程支架。采用3D打印能够复制与患者缺损部位完全匹配的骨骼、牙齿等组织，不仅能对患者缺损处实现完美精准修复，而且还可在打印同时，在成型的修复体内通过引入细胞以及生长因子来模仿人体内的微环境，从而提高移植和修复的效果，避免术后并发症和后遗症。

2.3D打印在口腔种植修复中的应用

随着光学扫描技术和数字化技术的发展，用3D打印技术制作口腔修复体已成为齿科行业的新应用。通过结合使用口腔扫描、CAD/CAM设计和3D打印，牙科诊所、实验室或生产企业可以准确、快速地生产牙冠、齿桥、齿科模型等一系列产品。相对于传统的制作方式，3D打印技术的最大优势在于：①通过数字化的扫描方式可以减少人为操作的误差，使初始数据精度提高，为精确制备修复体提供了前提条件；②通过计算机接收模型数据并进行处理，可虚拟出最终修复体，便于在植入前实现与患者之间的交流；③通过3D打印，将计算机设计好的数据直接“堆叠”打印为立体成品，相对于传统的切削、熔炼等方法，不仅速度更快、精度更高，且节约了材料成本[4]。

目前，将3D打印应用于口腔种植修复的主要应用包括[5]：

（1）桩核、冠桥的制作

对于桩核、冠桥的制作，3D打印技术首先通过精密扫描预备后的牙体、桩道的内表面，同时根据邻牙表面和对侧同名牙的外形，打印出桩核、冠桥模型，并使用金属材料或全瓷材料来制作修复体。研究显示，采用3D打印的桩核其边缘密合性和内部密合性等均优于采用传统失蜡铸造法制备的桩核[6]。Wu等采用3D打印制作蜡型铸造完成钛金属全冠，发现与传统的钛金属修复体制作方法相比，其功能外形更加精确，并且冠修复体的内部用X射线扫描检测无气孔[7]。

（2）可摘局部义齿的制作

3D打印技术直接制作可摘局部义齿支架，克服了传统手工工艺和铸造包埋技术操作不确定性、重复性的缺点，通过扫描获得患者口内的三维数据，依据牙齿和粘膜准确的形态，制作出的义齿密合性大大增加，对提高修复体的成功率和舒适度有了科学的保障。诸深阳等对上颌牙列缺患者进行可摘局部义齿铸造支架进行三维数字化建模，并利用SLA制作义齿支架蜡型熔模，再进行常规包埋、铸造制备的钴铬合金支架，具有良好的临床效果[8]。Williams等对临床病例进行观察后认为3D扫描所获取的口内数据模型可以很好地分析牙齿表面的特征，通过3D打印技术可以制作更薄、形状更复杂的可摘局部义齿支架[9]。

（3）全口义齿的制作

3D打印技术应用于全口义齿的制作，主要通过设计修复体的石膏阴模腔、人工牙和树脂基托的充填，完成修复体。数字化的设计与制作克服了因取模导致的误差，避免基托过长或过短。Sun等利用计算机辅助设计获取了无牙颌和人工牙表面数据，制作出了全口的石膏模腔，并充填人工牙、压铸基托树脂，完成全口义齿制作[10]。Meneghello等采用计算机设计牙齿形态，体外模拟牙齿运动过程，动态掌握牙合力的大小，制作出的全口义齿咬合接触更加准确[11]。

（4）在种植修复中的应用

3D打印技术通过获取的三维数据可以分别实现骨支持、粘膜支持以及牙支持3种水平的种植手术导板，使得种植体的植入更为精确。Chen等通过三维扫描仪获得牙齿和牙槽骨的详细信息，利用图像配准技术实现激光扫描数据与CT数据的融合，使用SLA制作牙支持式和骨支持式相结合的种植手术导板，克服了导板与植入位点匹配度差异所导致的不稳定现象[12]。

3.可用于齿科修复的3D打印材料

3D打印技术在齿科修复领域有着显著的优势，随着生物医学的不断发展成熟，利用3D打印技术制作出与自体牙相同材质的牙齿也有可能。但在现阶段，3D打印技术的临床应用仍面临一系列的挑战，其中打印材料是制约3D打印发展的一大瓶颈。该技术的实现不仅对打印材料的种类、成分、特性有一定的要求，还需对成型过程中的材料变化有严格的控制，另外还要求材料具有良好的生物相容性。目前可供口腔修复的打印材料有限，主要包括钛、钴等金属材料，陶瓷等无机非金属材料和树脂等高分子材料。

（1）金属材料

能够不同程度地满足“医用级”标准，并在临床上得到应用的牙科材料主要有钴铬合金、镍铬合金、不锈钢和钛及其合金等。在这些牙科材料中钛及其合金能更大限度地适应作为牙科材料的极苛刻的应用条件，如纯钛的硬度及变形更接近于人的自然牙齿，让人有良好的咀嚼感，钛及其合金的耐腐蚀性更高于钴基合金和不锈钢，这些都表明了作为牙科材料的钛及其合金相对其他的金属牙科材料有着无可比拟的优越性。在2007年，吴江等就通过优化工艺参数，应用激光快速成型技术制备了外形尺寸良好的全口义齿钛基托，认为该技术与临床常规方法相比，节约时间和材料，简化了工艺步骤，实现了数字化、无模化成型[13]。王晓波等则进一步研究了纯钛全冠的激光立体成形方法，发现制作的纯钛全冠虽然在局部仍存在一些不平整及点状的缺陷，但表面仍较光滑[14]。Traini等制作了具有不同孔隙率的钛铝钒合金口腔种植体，并对其显微结构和机械性能的关系进行了深入研究，经过改善加工工艺，制备出与人体组织具有良好相容性的种植体，并通过控制孔隙率来适应不同骨质的弹性模量，从而最大程度上减小应力屏蔽效应及提高长期性[15]。Chen等模仿牙根形态制作了有螺纹和没有螺纹的两种纯钛种植体，结果显示种植体具有高密度、高强度及足够的尺寸精度，并且有螺纹的种植体比没有螺纹的种植体具有更好的应力分布、较小的微移动和较好的初期稳定性[16]。对于其他金属材料，有研究对快速成型钴铬合金进行显微组织结构、机械性能和热膨胀系数的研究，发现快速成型钴铬合金与烤瓷铸造钴铬合金成分基本相同，除了延展率低于后者以外，其屈服强度、维式显微硬度、抗拉强度基弹性模量均高于铸造钴铬合金[17]。Xin等将SLM打印的钴铬合金材料在人工唾液中放置7天后比同条件下的铸造钴铬合金释放出较少的钴离子和钼离子，并用细胞生长实验证明了3D打印技术加工的口腔金属材料比铸造金属材料具有更加优越的生物安全性及生物相容性[18]。

（2）无机非金属材料

牙科无机非金属材料包括陶瓷、玻璃、碳素等，其化学性能稳定，具有良好的生物相容性。根据生物性能，可以分为两类：（1）近于惰性的生物陶瓷，如氧化铝、氧化锆以及医用碳素材料等。这类材料的结构都比较稳定，分子中的键力较强，都具有较高的强度、耐磨性及化学稳定性。（2）生物活性陶瓷，如羟基磷灰石、生物活性玻璃等，在生理环境中可通过其表面发生的生物化学反应与生体组织形成化学键性结合；可降解吸收陶瓷，如石膏、磷酸三钙陶瓷，在生理环境中可被逐步降解和吸收，并随之为新生组织替代，从而达到修复或替代被损坏组织的目的。3D打印技术在无机方面具有相当大的潜能和优势：激光的高能量密度可以实现陶瓷粉末的液相烧结，可以提高陶瓷修复体的美学效果；非接触式的加工过程可以降低高强度结构陶瓷的加工难度；快速熔凝的加工过程可以使陶瓷晶粒细化，从而改善其微观结构、提高其力学性能。有研究利用3D打印氧化锆口腔修复体，氧化锆粉末以固体形式储存于喷头以被喷射，喷射时氧化锆以泥浆形式喷射成型，再以高温烧结以增加瓷块的致密度。利用此技术制备的氧化锆全瓷修复体和天然牙有着类似的吸光度及透光性等特性，加之底冠具有较好的强韧性，成为口腔临床较为理想的修复体[19]。Ebert等发现，3D打印制作出的氧化锆强度和抗压强度都能满足临床修复的要求，精确度高，并且相对于传统CAD-CAM切削工艺，节省了制作材料，显示出了巨大的潜力[20]。Qian等研究表明，以钛/羟基磷灰石复合材料为原料打印的功能梯度种植体有利于成骨细胞的生长，在口腔种植方面有很好的应用前景[21]。

（3）高分子材料

由于压缩强度、硬度和耐腐蚀性等方面的不足，可用于口腔修复的高分子类材料较少，主要有用于制备印模的橡胶和用于义齿基托、整体牙修复的丙烯酸类聚合物。利用3D技术打印高分子材料在口腔种植修复中的应用主要包括：（1）制作蜡型，相较于快速成型直接制作修复体而言，先利用3D打印制作熔模，之后运用传统工艺铸造制作修复体的成本相对较低，可降低加工成本，固定义齿或活动义齿支架部分通常为在代型上制作熔模后铸造完成，熔模一般用蜡或树脂材料制作；（2）直接制作修复体，主要应用于固定义齿、活动义齿基托部分，修复体熔模、种植外科导板的制作等。李瑶等以聚乳酸为原料，利用FDM制作个性化种植修复牙，结果显示修复体的精密度良好，与真实牙误差小，并认为如果以聚乳酸/羟基磷灰石复合材料为原料打印修复体，能够诱导牙槽窝周围成骨细胞向修复体定向黏附，促进骨组织生长，提高修复体强度，增强个性化种植修复体的固位力、摩擦力以及后期的稳定性[22]。牛茂等利用3D打印技术制作可摘局部义齿支架树脂，表明其在牙合支托和连接体适合性良好，而在卡环部位精确度有待提高，并认为这是由于光敏树脂在紫外光照射固化过程中会发生体积收缩，且收缩易发生在成型件细、薄部位所致[23]。而近期Groningen大学的研究人员将抗菌的季铵盐掺入现有的牙科树脂聚合物中，利用3D打印出一系列的牙科对象，如假牙和正畸牙套等，可以有效杀灭口腔中的变形链球菌，被 认为是有效预防口腔类疾病的一种治疗方式。

4.展望

3D打印技术以其优良的精密度和高效性正逐步取代传统工艺，在口腔种植修复领域具有广阔的应用前景。但就目前的发展来看，3D打印产品在口腔领域的临床应用仍面临一系列的挑战。究其原因，首先在于原料的选择面窄，既要考虑其生物相容性、降解性能、力学性能等因素，又需考虑其可加工型以及是否适宜规模化生产以满足市场需求，因此开发合适的3D打印原料依然任重而道远。这些尚未得到解决的问题制约了3D打印技术在临床上的应用，是未来此领域亟待解决的重要课题，也是目前科研工作者正在努力攻克的难关之一。

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Research Development of Biomedical Materials Used for 3D Printed Oral Custom Restoration

TIAN Ye1,2ZENG Qing-hui3HU Xiang-hua1REN Ya-qing1TIAN Xiao-jun1,2
1 Institute of Guangdong Medical Equipment Quality Supervision and Inspection (Guangzhou 510663)
2 Guangzhou Biomedical Blood Purifcation Materials Research and Development Key Laboratory (Guangzhou 510663)
3 Department of Materials Science and Engineering, Jinan University (Guangzhou 510632)

3D printing technology could prepare custom restoration rapidly as patient’s need, and control the microstructure of restoration critically. It had been applied for oral custom repair widely, and become one of the reliable routines for preparation of oral restoration besides conventional methods. Currently, there are fewer types of biomedical materials available for 3D printing, which is an important factor restricting the development of this technology. This paper mainly summarized the application and research progress of several biomedical materials in the feld of 3D printing for oral repair.

3D printing, biomedical materials, oral repair, custom restoration

1006-6586(2016)11-0014-05

R318.08

A

2016-08-16

田冶，博士后，主要从事生物医用材料领域研究。

广东省科技计划(编号：2014A040401028)，广州市科技计划（编号：201510010135）资助。