3D打印及其在口腔医学中的应用(四)——经验总结

白石柱 毕云鹏 高蕊 董岩 冯志宏 谢瑞 吴秦 赵铱民

3D打印技术于上世纪90年代被引入我国，学术界将其命名为“快速成型技术”(rapid prototyping，RP)。由于能够短时间内制造出各种复杂零件的原型，克服了传统 CAD/CAM 加工技术的局限性，因此很快被应用于汽车、电子、模具、五金等工业领域[1-3]。人体结构复杂，传统的教学模型无法展示不同患者个性化的解剖结构；随着利用CT扫描数据进行三维重建相关软件的出现与应用，快速成型技术在我国于本世纪初也被开始应用于医学领域，制作患者个性化的解剖模型。空军军医大学第三附属医院是国内较早开展3D打印技术应用与研究的医疗单位之一，赵铱民教授带领颌面缺损修复团队更是将3D打印技术卓有成效的应用在了研究与临床工作中，取得了系列重要的成果。本文对我院特别是本团队在此方向20多年的工作做一简要介绍，并总结经验希望能够为同行提供借鉴。

1 第一阶段(2000～2007 年)，3D打印技术被引入口腔医学的研究及临床

1.1 口腔修复领域的应用

空军军医大学第三附属医院高勃等[4]在国内口腔医学领域最早开展了3D打印技术的相关研究与尝试。于2000 年在通过层析测量建立了全牙列牙颌三维数据模型的基础上，利用分层实体制造(laminated object manufacturing，LOM)方法用涂敷纸堆积获得实体牙颌模型，制作最终尺寸精度达到0.3 mm；利用同样的工艺，由下颌骨螺旋CT三维重建数据得到了下颌骨的纸质模型[5]；两年后采用激光近形制造(laser engineered net shaping，LENS)的工艺加工出高 15 mm 的矩形 Rene95合金块，试件表面光滑，侧壁与基体材料基本垂直，扫描电镜和能谱分析的结果表明3D打印试件的组织与结构显著优于同材料的铸造件；机械性能测试结果表明其力学性能与铸造件相当，优于常规牙科镍基合金[6-7]。吴江与西北工业大学凝固技术国家重点实验室合作，在无牙颌三维数据模型上设计构建上半口三维基托，尝试利用激光快速成形技术成功制备了全口义齿钛基托，结果表明制备后的钛基托外形尺寸良好；该技术与临床常规方法相比，节约了时间和材料，简化了工艺步骤[8]。

2003 年吴国锋等[9]通过激光扫描仪对1 例鼻缺损患者的石膏面部模型进行数据采集，经反求工程软件处理，将健侧外鼻组织数据镜像翻转，并利用模具软件设计出赝复体外表面的三维数据。最后通过快速成型方法制作出赝复体外表面的树脂模型，翻制蜡型完成了赝复体制作(图1)[9]。李风兰等[10]采用三维激光扫描仪扫描鼻石膏模型获得鼻三维数据并进行三维实体重建，用选择性激光烧结法烧结蜡粉制作鼻蜡模型，进而制作出硅橡胶鼻赝复体。

图1 通过镜像翻转获取赝复体外表面数据，打印树脂模型，完成赝复体

1.2 颌面外科领域的应用

在颌面外科领域，龚振宇等[11]利用三维重建的螺旋CT数据，3D打印出复杂特殊病例的颌骨模型，便于更直观地了解术区状况，用于术前讨论制定手术方案、模拟手术、设计安置重建钛板和牵张器的位置和外形；进一步利用镜像技术在软件中设计衬垫假体的外形并3D打印出实物作为指导手术的模板，术中参照模板将植入物雕刻成型完成手术，从而大大缩短了手术时间，减少了对医生经验的依赖，提高了手术的精度。刘彦普教授带领团队和西安交通大学先进制造技术研究所卢秉恒院士、李涤尘教授团队合作，在国内率先开展了三维打印植入物的临床研究(图2)，但是由于金属3D打印在国内尚未得到应用，因此是先利用立体光固化成型(stereolithography, SLA)技术打印出假体的树脂模型，然后通过包埋铸造的方式得到钛假体用于植入；具体流程为首先在软件中重建患者下颌骨三维模型，然后进行镜像翻转、手术及修复假体的设计，包埋后用牙科铸钛机铸造，通过后处理得到钛假体[12-13]。商洪涛等[14]通过CT扫描数据建立犬下颌骨缺损的数字模型，在软件中设计修复缺损钛网支架的模型，用同样的工艺得到个性化预制钛支架；进一步开展动物实验修复犬下颌骨缺损，并与预成钛网+松质骨的传统方法进行了组织学变化的对照研究；结果表明个体化预制钛支架和缺损区域形态相吻合，术中不需调整，大大节省了手术时间，且成骨效果与成品钛网+松质骨成骨效果相同，从而为临床上应用 3D打印技术修复大面积颌骨缺损提供了研究基础和实验依据。

图2 软件中设计下颌骨假体，SLA打印树脂件，包埋铸造得到植入钛假体修复患者下颌骨缺损

1.3 组织工程领域的应用

我院还较早开展了3D打印技术用于支架材料内部微观结构的设计和制作研究。柴枫利用仿生建模软件设计材料内部微孔结构及所需孔隙率，构建3 种不同孔隙率支架的模型；利用熔融沉积造型(fused deposition modeling，FDM)的工艺完成支架材料负型的制作；将β-磷酸三钙震荡充填入支架材料负型中固化，得到不同孔隙率的样本；接着以骨膜成骨细胞作为种子细胞，通过与支架材料的体外立体培养，评价材料孔隙率对成骨细胞在支架内生长增殖的影响；结果表明快速成型技术构建的骨支架材料的孔隙率对成骨细胞的增殖及碱性磷酸酶相对活性有一定影响，且孔隙率越高，内部细胞的增殖数目越多，从而为组织工程骨支架材料的构形设计提供了参考[15]。

在这一时期，通过与西安交通大学先进制造技术研究所、西北工业大学凝固技术国家重点实验室两家国内领军单位的密切合作，我院最早开展了3D打印相关研究，并一直处于领先水平。同时由于我国3D打印整体发展水平还不算高，也还没有出现3D打印市场化服务，所以我院主要依托合作开展研究，加工工艺主要是采用SLA技术，金属3D打印尚在探索阶段。

2 第二阶段(2007～2019 年)，我院诊疗与研究工作中应用3D打印技术取得重大成果

2007年，我院在国内医疗单位中率先通过公开招标采购了3D打印机，所购型号为北京隆源自动成型系统有限公司生产的ASF360选区激光烧结(selective laser sintering, SLS)快速成型机(图3)。从此可以独立开展相关工作，大大降低了试错成本，缩短了设计加工周期。我院的3D打印研究与应用进入了新的时期，最主要的研究与应用集中在颌面软硬组织缺损修复领域；赵铱民教授领衔于2011 年获得了我国口腔届唯一的国家科技进步一等奖《严重颜面部战创伤缺损与畸形的形态修复与功能重建》，其中许多工作都与这台打印机密切相关。

图3 2007 年采购的ASF360选区激光烧结快速成型机

颌面软硬组织缺损对患者生理和心理都造成很大影响，治疗需求非常迫切；帮助这些患者重建功能、恢复容貌、重返社会，是口腔医生尤其是颌面缺损修复医生必须要完成的责任。颌面缺损修复的工作首先是重建患者颌骨正常结构及咀嚼、吞咽和语言等功能，另外还需要实现容貌恢复，包括形态、颜色、质感的仿真，这些都是口腔临床诊疗中非常复杂而又极富挑战性的工作。然而传统的方法完全依赖医生经验，难度大，效果不可预期，花费时间长。因此作者团队在赵铱民教授的带领下探索采用数字化方式，将3D打印技术应用在颌骨缺损修复领域，以降低难度，提高效率。

2.1 颜面赝复体智能化仿真设计和快速制作系统

传统赝复体的制作流程包括取面模、灌制模型、雕刻赝复体蜡型、试戴、装盒、充胶、外着色等多个环节，工艺复杂、过程繁琐、需要大量手工操作、制作周期长，对医生的要求高，最终治疗效果完全取决于主观因素，往往仿真程度较差。作者团队建立了数字化颜面印模技术，利用镜像翻转功能及中国人颜面器官三维形态数据库获取赝复体表面特征的设计基础；提出“基于边界进行分区设计” 的新思想，自主开发出国际唯一的颜面赝复体设计专用软件，实现了赝复体边缘位置形态厚度完全可控的精确设计；进而建立起系统的赝复体负型设计制作方法，通过3D打印加工出尼龙材质的赝复体型腔，充填硅橡胶并固化后就可得到最终赝复体；从而最大程度的减少了手工操作，可对各种颜面缺损进行快速仿真修复，精确恢复患者容貌[16]。这项技术十年前就已基本成熟在我院常规开展，服务于每一位前来就诊的颜面缺损患者，通过整合可见光扫描和3D打印技术，彻底免除了印模材、石膏、蜡等传统修复材料的使用，是对传统赝复体制作方法的革命性变革(图4)。

图4 颜面赝复体负型设计制作方法

在系统研发与应用的不同阶段中，探索使用了多种3D打印工艺和材料。最早是在软件中设计赝复体的外表面形态，通过SLA工艺与光敏树脂材料加工外表面模型，再翻制蜡型进行修整来完成赝复体制作[17]；在软件中能够设计出组织面形态后，通过SLS机器加工聚烯烃蜡粉得到蜡型，再完善边缘和表面细节特征制作赝复体[18]；在赝复体负型设计制作方法的建立过程中，主要使用SLS机器加工聚苯乙烯粉末，后处理渗透树脂得到负型的实物；但由于硅橡胶固化过程需加热至120°，常用的3D打印树脂都有可能变形，而且有些树脂材料还会影响硅橡胶材料的聚合，因此最终选择SLS工艺加工软化点温度高于150°的尼龙粉末来制作赝复体负型。

2.2 颌骨缺损畸形的数字化重建与修复

在数字化颌骨缺损重建方面，我院的工作一直在国内领先。购置SLS打印机后，大大降低了加工成本。复杂患者利用CT数据重建加工颌骨模型，便于外科医生更直观地了解术区状况，并结合模型讨论制定治疗计划，还可以在模型上进行手术模拟，发现可能遇到的问题，评价手术效果，制定更合理的手术方案。

随着对赝复体设计制作系统研究的深入，团队熟练地掌握了多个软件的应用，能够在软件中模拟各类手术方案，并且尝试设计制作种植手术导板、腓骨重建手术导板等多种辅助导板用于临床治疗；特别是在“坑面女”的手术中(图5)，3D打印的上颌种植手术导板与下颌正颌手术板的成功应用，保证了最终的治疗效果[19]。在此基础上，团队探索并建立了数字化颌骨缺损重建的完整技术流程：CT扫描数据重建后，在软件中根据肿瘤范围确定颌骨的截骨线；将健侧颌骨数据镜像至患侧，得到缺损区需要修复的颌骨外形及牙列位置，在此基础上生成虚拟种植体以指导移植骨块的准确定位；接着对腓骨或髂骨进行截骨及摆放，使移植骨块满足外形及功能的要求；将移植骨块与余留颌骨融合生成术后颌骨模型，通过SLA工艺打印出光敏树脂材料或FDM工艺打印出聚乳酸材料的实物，可以用来术前预弯钛板；在软件中设计颌骨、腓骨或髂骨的截骨导板，以及移植骨块在缺损区的成型与定位导板，术中同期种植的还可将种植导板整合设计到上述导板中，通过SLS工艺打印出尼龙材料的导板实物，最终将虚拟手术方案准确转化到实际手术中，从而大大简化了手术操作，缩短了手术时间，降低了手术效果对医生个人经验与操作技术的依赖。更重要的是，借助数字化技术修复医生能够在整个治疗过程开始前就和外科医生进行治疗方案的讨论，确定义齿修复所需要的颌骨基础，保证了重建的颌骨能够满足义齿修复的要求，从而实现外形和功能的统一。

图5 3D打印的上颌种植导板与下颌正颌板辅助坑面女的手术获得成功

2.3 种植牙机器人研发中3D打印技术的应用

在世界首台自主式种植牙机器人的研发中，3D打印技术也发挥了非常重要的作用。种植牙机器人除了机械臂、视觉/力传感器、控制系统，还有许多硬件组件；其中最重要的是机器人的末端执行器，用来把持种植手机，固定在机械臂的末端，同时表面还需要有视觉标志点，保证视觉传感器能够实时捕获到种植手机的位置。由于手术时末端执行器距离患者头部较近，所以体积不能过大；需要有足够的刚度，手术时不会发生形变；能与种植手机紧密连接又要方便拆卸，术中不会松动，术后方便消毒；因此末端执行器功能要求较高，结构比较复杂。从开始研发机器人到最终形成产品，末端执行器的结构始终在不断改进(图6)。团队在发现传统金属件机加工的制作方式存在周期长、成本高、精度不能保证等问题后，立即改为采用3D打印制作末端执行器的方法；充分利用了在颌面缺损修复工作中积累的经验，发挥了3D打印技术的优势，能够将设计方案快速加工为实物进行验证与改进，加快了产品的迭代开发，缩短了整个项目的研发周期。此外，机器人手术时还需要牙列模型及系列个性化手术辅助组件，如口戴定位板、吸唾板、临时修复体等，都是在软件中设计后通过3D打印制作。机器人模型实验中用到的模块化模型，也是在软件中将模型各部分设计后打印出实物，准确装配在一起[20]。

图6 在种植牙机器人研发过程的不同阶段，3D打印被用于制作末端执行器

研发过程中应用了多种3D打印工艺及打印材料。其中SLA、数字光处理(digital light processing，DLP)、多喷头打印(multijet printing，MJP)等精度较高的工艺，可固化光敏树脂，被用于制作牙列模型、各种个性化一次性手术组件，早期也被用于打印定位板。SLS工艺烧结尼龙粉末，被用于制作精度、强度要求都较高，而且需要反复消毒的末端执行器与各种定位板。FDM固化聚乳酸由于精度较差，被用来在动物实验过程中制作犬下颌骨的印模托盘。3D打印技术在机器人研发过程中的应用，拓展了设计的创新思维，能够快速发现设计中存在的缺陷并加以解决，提高了设计效率，缩短产品开发周期，降低了成本，为口腔种植机器人系统的研发提供了重要保障。

3 第三阶段(2019 年～今)，3D打印技术在我院临床诊疗中广泛开展

近些年，3D打印技术在口腔医学领域的应用越来越广泛。2019 年底，随着我院颅颌面外科大楼投入使用，医院数字化口腔医学中心、军事口腔医学国家重点实验室口腔数字化技术研究平台相继建成；BLT-A200金属打印机(铂力特)、J750全彩打印机(Stratasys)、多台DLP打印设备相继投入使用(图7)，我院临床诊疗中3D打印技术也得到了越来越多的应用。

图7 军事口腔医学国家重点实验室先进的3D打印设备

目前在颌骨重建、正颌外科的手术中，3D打印技术已经常规开展，各种手术导板、板被广泛应用，降低了复杂手术对医生经验与手术操作的要求，年轻医生也可顺利完成，提高了手术质量，缩短手术时间，保证了手术效果。同时3D打印PEEK植入物已经开展了数十例临床研究，展现出良好的应用前景[21]。

在口腔修复领域，除了颜面赝复体的制作中100%的应用了3D打印技术外，全院可摘局部义齿、全口义齿的钛支架也已经实现了100%的3D打印，不再需要铸造，且支架适合性有了显著改善；数字化设计和3D打印制作的个别托盘、恒基板，已经得到临床医生的青睐；临时冠、过渡义齿、树脂全口义齿等修复体，也建立了数字化设计3D打印加工的基本流程，并得以大量应用，取得了良好效果。

4 总结与展望

口腔医学的发展离不开新技术与新材料，导板辅助种植、隐形矫治、舌侧矫治、个性化植入物等目前已在临床中广泛应用的先进口腔诊疗技术都是基于3D打印实现的。随着打印工艺、材料的不断发展更新，临床应用的不断深入，今后一定还会有许多依托3D打印的新技术会被创造出来，在完善后推广普及能够造福更多患者。例如现有氧化锆切削加工效率低，且存在材料浪费；三维打印陶瓷的技术与工艺成熟后，加工效率将会大大提高，成本降低，对口腔修复将是一个重要的变革。

同时也要清醒的认识到，3D打印作为一个高效精准的工具，能够将我们的创意转化成实体，但整个过程中最核心的部分永远还在我们医生的头脑中，这就要求医生必须具有坚实的理论功底，熟练掌握传统诊疗方法，才可能在这些基础上去实现创新，更好地发挥3D打印这个武器的作用。