3D打印在牙体牙髓病学中的研究进展

王 霜，陈 阵

(天津医科大学口腔医院牙体牙髓科，天津 300070)

3D打印技术是一种快速成型技术，从20世纪80年代在美国诞生以来，正在被广泛地应用于医疗、轻工、汽车制造、航空航天等领域。它实现了计算机图像的实体化，悄悄地改变着现有标准化、规模化的生产模式，所以这项技术也被称为第三次工业革命的高科技技术。目前，很多发达国家非常重视3D打印技术，不惜投入巨资进行开发研制。

1 3D打印技术的定义及作用原理

3D打印即原型制造，它是一种以数字化模型文件为基础的三维实体技术，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术[1]。其作用原理是基于离散堆积原理：(1)首先通过数据采集，获取制作模型的第一步。目前常用方式有软件设计、光学扫描、机械式扫描和放射学扫描等四种方式[2-4]。在医学领域，随着数字化断层扫描、核磁共振等技术的发展，三维数据扫描更加精准，疾病的诊断更加准确。(2)将扫描的数据导入专用的计算机进行三维重建。比如将CT扫描的DICOM格式的数据导入软件Mimics或Geomagic、Imageware11.0中，设置不同密度组织的阈值，构建出形态曲面，重建三维模型。保存数据格式为STL格式(surface tesselation language)，STL格式的数据是3D打印机所识别的唯一数据。(3)然后进行3D打印。3D打印目前主要的技术形式分成：①光固化成型(stereo lithography apearance，SLA)，是使用光聚合物通过紫外激光照射来固化。②选择性激光烧结(selective laser sintering，SLS)，是用小颗粒的热塑性材料粉末用高功率激光来融合。③熔融沉积成型(fused deposition modeling，FDM)，是喷出熔融的热塑性材料或共晶金属粉末，立即使其凝固。④分层实体制造(laminated object manufacturing，LOM)，是使用胶水把纸张或塑料膜粘在一起，然后用激光塑形。⑤喷墨打印技术，是将不同种类的细粉末打出来以后，涂上黏接剂，然后打印下一层。喷墨打印技术还可以通过同时打印活体细胞和生物材料来构建一个含有不同组织的三维生物支架，甚至活体器官[5-7]。

3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或模具，就直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本，从而实现定制化生产。目前，3D打印技术在医学方面的应用主要分为熔融沉积造型技术、选择性激光烧结技术、立体印刷术和多喷嘴成型技术等4种[8]。

2 3D打印的材料

2.1 金属材料

金属材料是3D打印中发展最迅速的材料之一。在医学领域研究较多的金属主要是贵金属：钛、钽、铌、锆等。钛和钛合金材料无毒、质轻、强度高，具有优良的生物相容性，是目前医学领域中使用最广泛的金属材料，在口腔医学中主要用于颌面部骨缺损修复、牙体修复、种植体制造[9]。钽、铌、锆金属元素不仅具有钛的结构和性能，还可以加工成多孔金属材料，有利于软组织的攀附、生长和血管在孔隙中生长，同时具有较好的组织相容性，有望替代金属钛成为理想的生物医用材料。但因钽、铌、锆等贵金属价格昂贵，限制了其广泛应用，目前这些贵金属作为一种应用于口腔医学领域的新兴金属材料仍处于体外研究状态[10]。

2.2 高分子复合材料

常用于3D 打印的材料多数是高分子材料。高分子材料中应用较多的又以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS)和聚乳酸(Poly Lactic Acid，PLA)为主。Rosenzweig等[11]研究将关节软骨细胞和髓核细胞与ABS和PLA支架材料一起培养3周，细胞增殖良好。证明这两种材料具有较好的耐磨性和抗冲击吸收能力，是3D打印中最常用的一种不被生物降解的热塑性材料。

2.3 陶瓷材料

陶瓷材料具有低密度、高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、化学稳定性好的特性，目前主要应用在牙体缺损，牙列缺失的修复中。但陶瓷材料也存在脆而硬的特点，这使其加工成型存在较大困难。因为3D打印技术中的激光烧结法可将黏合剂粉末熔化，并使之与陶瓷粉末黏合，所以这项技术成为陶瓷粉末加工的一种理想方法[12]。

2.4 生物组织工程材料

3D生物打印是结合细胞生物学、计算机辅助设计和生物材料学等多个领域的研究成果，发展而来的一种新型的组织工程技术，其最终目标是打印器官。3D生物打印技术克服传统组织工程技术的局限性，不但可构建形态、结构复杂的组织工程支架，而且可实现不同密度的种子细胞在不同支架材料中的三维精确定位[13-18]。水凝胶是一种水溶性高分子通过化学交联或物理交联形成的聚合物[19-20]，由于具有良好的生物相容性，力学性能与人体软组织相似，可以包裹细胞，输送养分和排泄代谢物，有希望成为构建组织工程支架和加工成可控释放药物的载体[21]。

3 3D打印技术在牙体牙髓病学中的研究

3D打印技术最先应用于颌面部的手术，但在牙体牙髓病学领域中，3D打印目前还属于临床试验阶段。完善的根管治疗的前提是掌握牙齿髓腔和根管系统的解剖特征，传统研究根管系统的方法是片切法、透明牙模型法和X线法。随着影像学技术的发展，三维影像重建技术CBCT应用于根管形态学研究中。重建后的图像可从各个角度观察根管形态，并对其进行综合测量和分析，以了解根管系统的解剖特征和变异。现在可以通过3D打印技术将重建出来的图像实体化，在实体化上进行术前设计，模拟手术，有助于提高手术成功率。同时，还可以广泛应用于口腔教学，使口腔临床教学更形象化，学生们更容易理解疑难病例的手术操作方法。

Byun等[22]报道一例在12岁患者畸形前牙的治疗中采用3D打印技术，重建畸形牙的根管形态，体外定位根管口位置，制作根管口定位导板，实现临床根管口的精准定位。Kfir等[23]遇到1例复杂三类牙内陷的患者，为了保护牙髓的活力，他们通过CBCT获得牙体根管的解剖，然后制作出树脂模型，在树脂模型上制定手术计划，并模拟操作，最终成功在未破坏髓腔情况下填充内陷的空腔。van der Meer等[24]报道利用锥形束CT扫描，3D打印技术体外重现牙体形态，制作导板，精准定位根管，确定牙体牙髓病的治疗方案。Lambrecht等[25]认为，个性化仿头模结合锥形束CT及3D打印技术，可有效重现复杂解剖环境，确定牙根、牙槽骨的形态结构，及与血管神经的位置关系，有利于显微根尖手术的临床前教学，及手术方案的确立。薛世华等[26]利用生物打印方法构建含人牙髓细胞的组织工程三维结构体，并用激光共聚焦显微镜观察证实结构体中大部分细胞存活，初步证明人牙髓细胞可耐受生物打印过程。

4 展望

随着数字化口腔的发展，3D打印技术在牙体牙髓病学有着巨大优势和广阔的前景。但目前3D生物打印仍存在许多问题有待解决。

4.1 材料的限制

目前供3D打印机使用的材料非常有限，包括石膏、金属、陶瓷、塑料等。尚无法支持临床中所应用的各种材料的打印。而胶原蛋白、羟基磷灰石等具备生物相容性和安全性的生物活性材料，尚处于实验室阶段。目前大部分3D打印产品还是用作体外模型、辅助设计及诊断和制定手术计划。

4.2 组织相容性

3D打印出的物体与身体其他组织器官更好地结合，

是因为任何打印出来的器官或身体组织想替代原始器官和组织，都需要同身体的血管神经相连。如果能够克服这个技术障碍，那么在未来几十年内，生物打印技术将成为一项标准技术。

总之，3D打印能够满足临床上复杂多样的个性化要求，可以最大限度地发挥材料的特性，制作方便快捷，原料利用率高，随着3D打印技术的进步，高性能、高质量、低价格生物材料的出现以及CAD/CAM软件的普及，3D打印技术在牙体牙髓病学领域中的应用前景将更加广阔。

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