口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域3D打印材料研究
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［摘要］3D打印技術(shù)(又稱為3D快速成型技術(shù)或增材制造技術(shù))是在二十世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)的一項新型制造技術(shù)。目前，3D打印技術(shù)逐漸廣泛應(yīng)用于許多專業(yè)領(lǐng)域，在口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)范圍應(yīng)用于修復(fù)，種植，正畸等多個學(xué)科領(lǐng)域。3d打印流程主要包括了四個方面:口腔掃描，數(shù)字化設(shè)計，3D打印材料和3D打印技術(shù)和設(shè)備。其中3D打印材料的性能是影響3D打印效果的關(guān)鍵因素，本文就近年來國內(nèi)外口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域3D打印材料的研究及發(fā)展?fàn)顩r進行了一綜述，并對未來口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域3D打印材料的發(fā)展前景進行了展望。
［關(guān)鍵詞］3D打印;口腔醫(yī)學(xué);材料
1材料種類
1.1金屬材料
口腔醫(yī)用金屬產(chǎn)品要求金屬材料具有良好的機械性能，化學(xué)特性，生物相容性和耐腐蝕性等等。對原料的要求也很高，包括純度高、含氧量低、粉末粒度細(xì)、可塑性好、流動性好等特點。目前主要應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的3D打印金屬粉末材料包括:鈦、鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼等。其中，鈦及鈦合金材料具有密度小、精確度高、強度大的優(yōu)點，并且該種材料有較好的生物相容性，被口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域視為比較理想的3D打印金屬材料。尤其是在口腔頜面部位的修復(fù)、牙體組織的修復(fù)以及有關(guān)種植體制造［6］等領(lǐng)域廣泛使用。由于純鈦的一些性能的缺陷，例如純鈦的強度不如鈦合金大，而且純鈦的彈性模量比骨組織的要高，很容易導(dǎo)致鈦種植體和骨組織兩者產(chǎn)生不相融和的機械應(yīng)力。對于此，很多研究者都試圖采用各種方式來改善純鈦的性能，例如在其表面增加涂層或者氧化純鈦的表面等［7］。3D打印的鈷鉻合金也是口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域常用的修復(fù)材料。利用3D打印技術(shù)制造出，再采用修復(fù)技術(shù)將人工牙添加上去，這樣的修復(fù)體進入口腔后便具有良好的密合性。由于使用的鈷鉻合金義齒支架與添加的人工牙采用了不同的材料，根據(jù)現(xiàn)階段的技術(shù)設(shè)施，基本上不可能一次性打印出完整修復(fù)體。Traini等［8］成型了梯度化Ti-6Al-4V鈦合金多孔牙科種植體，具有更加優(yōu)化的理化性能，抗拉強度、斷面收縮率及延伸率均達(dá)AMs4999(美國材料協(xié)會的關(guān)于3D打印鈦合金的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn))。Figliuzzi等［9］使用激光燒結(jié)個性化鈦合金(Ti-6Al-4V)種植體，拔除患牙后即刻種植修復(fù)，隨訪顯示個性化種植體及美觀效果良好。Traini等［8］激光燒結(jié)鈦合金試件，然后分別測量試件表面多孔層和內(nèi)部致密層的彈性模量，前者接近骨皮質(zhì)，后者接近機械加工的鈦金屬，表明這種方法加工鈦合金種植體能減小表面應(yīng)力，有利于種植體的長期穩(wěn)定。Mangano等［10］將激光燒結(jié)的窄直徑種植體用于患者的后牙種植修復(fù)治療，37例種植體隨訪2年后存留率為100．0%，成功率為94.6%。在物理機械性能、生物抗腐蝕性及相容性等方面，需要深入研究3D打印的有關(guān)金屬產(chǎn)品是否與傳統(tǒng)工藝制造的產(chǎn)品相同，是否按照國家的標(biāo)準(zhǔn)。目前，新興金屬材料在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域依然處在體外研究的狀態(tài)，尤其作為口腔植入材料的性能仍有很大的研究空間［11］。目前，3D打印技術(shù)不斷發(fā)展，不斷優(yōu)化的設(shè)備性能和多樣的金屬打印材料，金屬3D打印技術(shù)也會更加廣泛的運用到口腔醫(yī)學(xué)的各個領(lǐng)域中。
1.2高分子材料
高分子材料已成為目前3D打印領(lǐng)域中基本的成熟的打印材料，塑料作為高分子材料的代表，具有較好的熱塑性、流動性與快速冷卻粘接性以及其迅速固化的性能［12-14］。另外，由于高分子材料具有良好的粘接性，可以使其能夠與陶瓷、玻璃、纖維、無機粉末、金屬粉末等形成新的復(fù)合材料［15，16］，在口腔醫(yī)學(xué)中，聚乳酸、聚己內(nèi)酯、聚富馬酸二羥丙酯等屬于比較常見的3D打印材料。聚乳酸(PLA)是一種具有良好的生物可降解性的環(huán)保材料，能在特定條件下被自然界中微生物完全降解，最終生成二氧化碳和水，不會造成環(huán)境污染，對環(huán)境保護非常有利，是公認(rèn)的環(huán)境友好材料。其還具有半透明性和光澤質(zhì)感，是口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域3D打印的理想材料。聚醚醚酮(PEEK)是一種熱塑性聚合物，目前用于制作3D打印衛(wèi)星、3D打印汽車零件，開始在3D打印行業(yè)發(fā)揮真正的影響。PEEK材料的優(yōu)點包括，①PEEK材料彈性模量和人體骨骼相近，修復(fù)后顱骨的應(yīng)力完整;②X射線透過性能好，不會產(chǎn)生金屬偽影，不影響醫(yī)學(xué)影像，方便檢測術(shù)后恢復(fù)情況;③使用3D打印PEKK材料制成的結(jié)構(gòu)比用傳統(tǒng)的PEEK具有更好的抗菌性能，可以高溫消毒再用;④PEEK本身具有很強的惰性，對頭皮刺激非常小，排斥性低，穩(wěn)定性高。目前用于制造義齒零件。從3D打印技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r而言，光固化立體成形屬于發(fā)展最早也是最成熟的技術(shù)，并且得到了廣泛的運用。3D打印光敏樹脂即光固化樹脂、UV樹脂，是口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的高分子材料。對于口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域而言，液態(tài)樹脂材料需要有優(yōu)良的穩(wěn)定性、較低的黏度、固化迅速且程度高等［17］。有研究發(fā)現(xiàn)［18］，液態(tài)光敏樹脂可以打印成可生物降解組織工程支架，利用光固化快速成型技術(shù)制造形成的支架與人松質(zhì)骨有比較相同的機械性能，并且具有促進成纖維細(xì)胞黏附與分化的作用。迅速發(fā)展的光固化樹脂材料不斷促進口腔醫(yī)學(xué)的進步，有利于口腔醫(yī)學(xué)更加個性化和精準(zhǔn)化。
1.3陶瓷材料
口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的陶瓷材料要求具有良好的美觀性和生物相容性，具有低密度、高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)良的物理化學(xué)特性，其廣泛應(yīng)用于機械制造、航空航天、生物醫(yī)療等行業(yè)。因其優(yōu)良的機械性能和美觀性能，目前也用作口腔修復(fù)材料。氧化鋯陶瓷用切削技術(shù)進行加工時會有很多材料被切除掉，造成浪費，導(dǎo)致全瓷冠的價格昂貴，而且還可能在義齒中有切削力造成的內(nèi)裂。3D打印氧化鋯陶瓷義齒對材料利用率可達(dá)90%以上，相對來說成本較低。3D打印氧化鋯可減少材料浪費和環(huán)境污染，并可通過打印特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)硬度等力學(xué)性能的仿生性。早期的氧化鋯3D打印制造主要以激光燒結(jié)的方法為主，但存在制件致密度及成形效率低，表面粗糙和裂紋等問題［19，20］。光固化成形陶瓷具有良好的表面質(zhì)量和結(jié)構(gòu)精度可控性［21］，并迅速成為研究熱點。目前，氧化鋯材料3D打印過程中仍存在一些問題，如內(nèi)部應(yīng)力大、燒結(jié)后容易產(chǎn)生裂紋以及體積收縮大等，這些可能會影響其機械性能和臨床適合性，陶瓷材料及其加工工藝仍需進一步研究。
1.4生物組織材料
使用3D打印材料和技術(shù)生產(chǎn)具有良好生物性功能的人體細(xì)胞、組織以及器官等，是眾多學(xué)者一直的追求。學(xué)者們不斷探索3D打印技術(shù)，并且緊密結(jié)合了生物組織工程技術(shù)，制造具有生物功能性的人造細(xì)胞、組織和器官來替代需要修復(fù)的人體缺損組織。水凝膠是一種水溶性的高分子聚合物，其利用化學(xué)或物理的交聯(lián)而產(chǎn)生，是一種3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［22，23］。水凝膠有優(yōu)良的生物相容性，可以構(gòu)建組織工程支架，并且可以加工形成可控型釋放藥物的載體［24，25］。但目前，3D繪圖生物寫入制造的水凝膠具有較低的硬度，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)崩潰或限制形狀的復(fù)雜性，因此3D打印生物材料的最新進展將推進3D打印生物材料領(lǐng)域的進步和發(fā)展［26，27］。在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，不論是患者個性化定制的生物組織材料，還是現(xiàn)有的成品，3D打印產(chǎn)品在牙科和口腔手術(shù)［28，29］中都發(fā)揮了重要作用。目前，3D打印技術(shù)基本上實現(xiàn)人牙髓細(xì)胞(humandentalpulpcells，hDPCs)的生物打印，這奠定了3D生物打印技術(shù)更廣泛的應(yīng)用于牙體組織的基礎(chǔ)。再者，人工骨材料羥基磷灰石與光敏高分子相融合可以用于制造含生物活性的骨組織工程支架。在種植學(xué)方面，3D打印個性化種植體成為即刻種植的趨勢，對鈦種植體表面進行修飾，可促進成骨細(xì)胞的生長分化，種植體具有更優(yōu)良的特性。由于3D打印技術(shù)生成的微米表面的粗糙程度更容易被特定的細(xì)胞識別出來。具有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的種植體促進了細(xì)胞的增殖和延展，同時更利于細(xì)胞向成骨方向分化。在微納復(fù)合結(jié)構(gòu)提供的生理三維的仿生環(huán)境中，更利于細(xì)胞的伸展，從而更好地增殖與分化。
2發(fā)展前景
數(shù)字化3D打印技術(shù)為口腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供了先進的技術(shù)支持，面對3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，我國政府部門一直在關(guān)注并且制定3D打印技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃，充分結(jié)合國內(nèi)外3D打印技術(shù)新的發(fā)展階段以及面臨的新形勢、新機遇、新需求，為口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域3D打印的發(fā)展提供了政策上的推動和保障。目前，3D打印數(shù)字化口腔醫(yī)學(xué)憑借其高效、準(zhǔn)確、安全等優(yōu)點，能滿足復(fù)雜、高度定制化和快速生產(chǎn)的口腔產(chǎn)品需求。在口腔修復(fù)學(xué)領(lǐng)域，各種材料的牙冠等修復(fù)體廣泛應(yīng)用，不論是牙齒顏色外形還是半透明度和熒光效果等等，都有了較高的仿真度，給患者帶來了優(yōu)質(zhì)的就醫(yī)體驗和更加高效滿意的修復(fù)效果。在口腔教學(xué)領(lǐng)域，3D打印作為未來口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的重要技術(shù)，應(yīng)盡早讓學(xué)生接觸和了解數(shù)字化口腔技術(shù)和流程，開闊學(xué)生思維和創(chuàng)造力，也讓教學(xué)模式更加先進新穎。近年來，3D打印數(shù)字化口腔技術(shù)為口腔醫(yī)學(xué)帶來了高精度、低成本的口腔數(shù)據(jù)及產(chǎn)品。3D打印在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展也將日益增強，因此口腔3D打印材料的研究和革新更是迫在眉睫。雖然目前來看，口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的3D打印材料仍然存在一些問題，比如:打印材料大多依賴進口，導(dǎo)致價格高昂;3D打印技術(shù)工藝和設(shè)備還有待提高和完善;3D打印材料的質(zhì)量和使用情況還需要進一步調(diào)查研究;還需建立相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域3D打印材料的物理化學(xué)性能，機械性能，生物安全性等等做出規(guī)范。為了促進3D打印技術(shù)更廣泛的運用在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對于生物的安全性、機械性能以及打印技術(shù)的研發(fā)都需要進一步深入?？山到獠牧虾突铙w細(xì)胞的3D打印、4D打印等高新科技是口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域未來3D打印探索的重要方向。同時在研究過程中，應(yīng)該充分把握好國家的相關(guān)政策保障，當(dāng)然還需要考慮CFDA(國家食品藥品監(jiān)督管理總局)政策的約束力，主要受限于醫(yī)療材料的認(rèn)證機制以及新材料的周期等。相信在不久的將來，隨著3D打印材料和支撐材料處理方法的發(fā)展和創(chuàng)新，口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域3D打印材料和技術(shù)將給口腔臨床應(yīng)用帶來革命性的發(fā)展。
作者：張雋婧 姚洋 單位：華西口腔醫(yī)學(xué)院
