3D打印牙科陶瓷材料在口腔修复领域的应用进展

李昊，廖红兵

（广西医科大学附属口腔医院口腔修复科，广西 南宁）

0 引言

牙科陶瓷材料是一种生物惰性材料，具有优异的力学性能、生物相容性以及良好的耐磨、耐腐蚀性和类似天然牙的美学性能，因此，其在牙科修复材料中的应用日渐广泛[1-4]。常用的牙科陶瓷材料根据主要成分不同，可分为氧化铝陶瓷、二硅酸锂陶瓷、氧化锆陶瓷、复合陶瓷等，在牙科全瓷修复体制作中，可采用不同的工艺加工，主要包括粉浆涂塑法、失蜡热压铸造法等[5]。以这些传统方法制作出满足患者个性化需求的修复体，需依赖有充足经验的技师，且工艺流程耗时长，难以满足日益增长的市场需求。近年来兴起的计算机辅助设计与辅助制作（computeraided design/computer-aided manufacturing，CAD/CAM）技术，与传统加工方法相比，虽然能简化工艺流程，但其材料利用率不足，成本较高，因此在应用中受到了一定限制。

3D打印技术也称为增材制造技术或增量制造技术（additive manufacturing，AM），是建立在三维数学模型数据基础上，利用连续分层打印及层层叠加，最终形成三维实体的技术[6]。3D打印技术在成型过程中无需使用刀具和模具，对原材料利用率接近100%，可大大降低生产成本，简化生产工序，缩短制作周期，并制造出传统成型工艺难以生产的复杂结构，具备传统成型工艺无法比拟的优势[7，8]。目前常用于牙科陶瓷材料成型的3D打印技术，包括光固化快速成型技术、喷墨打印技术、选择性激光烧结/熔融技术等[9-11]，而光固化快速成型技术又包括立体光刻成型技术、数字光处理技术和基于光固化成型的掩膜投影技术[12-14]。氧化铝陶瓷、二硅酸锂玻璃陶瓷、氧化锆陶瓷、复合陶瓷等常用的牙科陶瓷材料，均可用于3D打印[15，16]。

结合3D打印技术与陶瓷材料的优点，应用3D打印成型的陶瓷修复体治疗口腔疾病，是目前口腔临床医疗发展的热门方向之一。本文主要阐述现阶段3D打印牙科陶瓷材料在口腔修复领域的应用进展，对其作一综述。

1 在贴面修复中的应用

贴面修复是采用粘结技术，对一定程度的牙齿表面缺损、着色牙、变色牙和畸形牙等，在保存活髓、少磨牙或不磨牙的情况下，用修复材料直接或间接粘结覆盖，恢复牙体正常形态和改善其色泽的一种修复方法。与以往常用的烤瓷全冠类修复相比，瓷贴面修复可避免磨除患者大量的牙体组织[17]，并具有良好的边缘适合度以及舒适度等[18]，因此受到了诸多患者的青睐。

Ioannidis等[19]通过比较光刻成型3D打印技术制作的氧化锆超薄贴面、CAD/CAM技术制作的氧化锆超薄贴面、热压铸瓷（IPS e.max Press）超薄贴面的承载能力，发现三组贴面的承载能力均超过临床中可能承受的负载力，而3D打印氧化锆贴面的80%最大承载能力、开始断裂时的载荷、贴面完全断裂的荷载高于其他两组，两组氧化锆贴面开始断裂时的载荷、贴面完全断裂的荷载及抗弯强度高于热压铸瓷组，且断裂形态的分布较为合理，这提示3D打印氧化锆瓷贴面在临床应用中具有一定优势。

2 在冠桥修复中的应用

全冠是应用最为广泛的口腔修复体，其覆盖整个牙冠表面，可用于恢复牙体缺损的形态、功能和美观，还可用作固定桥的固位体[20]。随着打印制作方法的改进以及陶瓷材料研究的深入，3D打印陶瓷材料在制作全瓷冠及全瓷固定桥方面的技术日益成熟。

2009年，Ebert等[21]用直接喷墨打印技术成功制作出氧化锆全瓷单冠。该学者制作了一种氧化锆材料的陶瓷悬浊液（27%的固体含量），然后用经过改良的喷墨打印机制作牙冠，得到一种横截面结构相对均匀、气孔级别小于微米、抗压强度为763MPa、平均断裂韧性为6.7MPam（0.5）的氧化锆全冠，该打印方法存在喷嘴堵塞、喷墨精度难以控制、难以制作固定桥等复杂修复体等局限性[21]。2013年，Özkol等用改良喷墨打印技术制作氧化锆陶瓷冠，并后续烧结致密，制造出了强度堪比冷等静压成型的氧化钇增韧氧化锆，并通过研究对比不同固相含量的氧化锆陶瓷浆料，从粒径、粘度、表面张力、液滴的分布、形状等因素分析总结了氧化锆陶瓷浆料的配制方法，制造出相对密度达96%、抗弯强度达834MPa的陶瓷冠桥修复体[22]。2018年，丁桐桐在熔融沉积实验平台上，用紫外激光器系统替换了原来的熔融喷头系统，另加载了刮料铺粉升降平台，在此基础上进行光固化树脂基陶瓷浆料的配备,以树脂基溶剂与纳米氧化锆陶瓷溶质组成浆料，以低聚物、单体、光引发剂与其他助剂组成树脂基溶剂，形成适合成型的陶瓷浆料配方并打印全冠，为3D打印全瓷冠技术的进一步发展提供了一定基础[23]。王伟娜等[24]进行了基础与临床研究，以立体光固化3D打印、数控切削等不同技术制作氧化锆全瓷修复体，并比较修复效果，观察到3D打印的氧化锆全瓷单冠、联冠不同部位的精度分别达到了切削氧化锆全瓷单冠、联冠的制作精度；3D打印的氧化锆全瓷单冠、联冠的边缘适合性达到了临床普遍接受的120μm以内，且与切削氧化锆全瓷单冠、联冠的边缘、内部适合性无统计学差异；对患者进行修复治疗后可见3D打印全瓷冠在口内就位良好，在后续随访中无不适，表明3D打印制作的氧化锆全瓷冠桥在精度、边缘适合性等方面能获得满意的效果。

3 在种植修复中的应用

口腔种植修复是一种以植入骨组织内的下部结构为基础来支持、固位上部修复体的修复缺失牙的方式；它采用人工材料（如金属、陶瓷等）制成种植体，经手术方法植入组织内获得骨组织牢固的固位支持，通过特殊的装置和方式连接支持上部的牙修复体[20]。其中，个性化根形种植体可最大限度地保存牙槽骨量，简化手术操作，同时使种植体周围骨的应力分布更符合生理，在口腔种植领域具有重要的发展前景[25,26]。而与金属钛相比，氧化锆材料的光滑表面可减少组织的炎症反应，从而利于组织再生[27]。

Osman等利用数字光处理3D打印技术制作出个性化氧化锆口腔种植体，检测了种植体精度、表面形貌、晶相结构、表面粗糙度，并测试了力学系性能，结果显示打印的种植体精度均方根为0.1mm、粗糙度算术平均值为（1.59±0.41）μm、粗 糙 度 均 方 根 值 为（1.94±0.47）μm，具有足够的尺寸精度，该种植体晶相为典型的钇稳定四方向氧化锆，抗弯强度接近传统方式制作的陶瓷种植体。刘奇博等[28]在种植手术前用激光选区烧结联合冷等静压技术制备氧化锆个性化根形种植体，并评价个性化种植体的制作精度，对植体表面形态进行表征，测试主要机械性能及生物相容性，观察到打印的种植体具有良好的精度、力学性能及生物相容性，并且能在动物拔牙窝内的种植体-骨界面形成良好的骨整合。这些研究提示，3D打印氧化锆种植体可为口腔个性化种植的发展提供有力的技术支持，为未来种植体设计和制作提供新思路。

4 在颌面部骨缺损修复中的应用

颌面部骨缺损不仅影响患者的咀嚼、发音、进食等功能，而且还可能严重影响患者的身心健康。在缺损部位放置人工骨植入物，是颌面部骨缺损修复治疗的重要方法，可避免组织移植疗法的供体部位缺损、组织数量有限等缺点。然而，传统的植入物标准件不能精确匹配患者的骨缺损部位，在手术过程中对植入物加工修改又会延长手术时间，增加手术失败风险，易导致修复效果不理想，相比之下，使用计算机辅助设计与3D打印制作的骨植入物可以最大化匹配患者的缺损部位，缩短手术时间，改善临床效果[29]。3D打印牙科陶瓷材料因其理化性能、生物相容性佳，并可经改性从而具备骨传导性，诱导长入材料孔隙内的间充质细胞骨向分化，且不会导致细胞的无限增殖，在制备骨缺损修复植入物方面具有良好的应用前景[29]。

周琦琪等[29]通过3D打印成形技术制作了双相陶瓷化骨粉/聚乙烯醇组织工程骨支架以及纳米羟基磷灰石/聚乙烯醇组织工程骨支架，并通过体外、动物实验检测对比两种支架的微观结构、力学性能、生物学特性等，发现3D打印的双相陶瓷化骨粉/聚乙烯醇支架孔径为（240-600）μm、孔隙率为（49.43±8.21）%，抗折性良好，与纳米羟基磷灰石/聚乙烯醇支架相比，更利于细胞附着生长，在动物颌骨缺损部位更利于骨钙素等成骨相关因子表达，并加速骨缺损部位的骨改建愈合速度。Lopez等[30]以3D打印制备β-磷酸三钙生物活性陶瓷支架，植入兔下颌骨节段性缺损模型中，并观察缺损部位骨组织生长情况，观察到3D打印的生物活性陶瓷支架可在植入8周后，使下颌骨节段性缺损恢复到与天然骨相似的水平。这些研究提示，3D打印陶瓷材料制备的植入材料可能为颌面部骨缺损修复提供可行的治疗方案。

尽管在口腔修复领域应用3D打印陶瓷材料仍存在一些问题，例如，在打印技术难度、力学性能、烧结成品收缩率等方面有待进一步改善[8]，但目前已能应用该技术制备多种陶瓷修复体，如贴面、冠桥、种植体、颌骨植入物等。相信随着3D打印技术的发展以及陶瓷材料的改进，3D打印牙科陶瓷材料将在口腔临床医学中获得更广泛的应用[31]。