3D打印钛合金锻件在口腔领域的应用研究与进展

引言

由于肿瘤、炎症、损伤、先天性畸形导致的骨缺损，可使患者面部畸形，影响咀嚼、吞咽、语言功能。口腔颌面结构复杂，缺损部位形态随机，个性化特征非常明显，对植入体或修复体的个性化要求相当髙。修复体植入后，会受到颂面部肌肉的牵拉，承担咀嚼压力。所以，除了要恢复患者的颜面部形态，修复体还需要有一定的机械强度， 以确保其能够在 体内行使正常功能，最好还能够负载成骨细胞促进颂骨再生[1]。3D 打印技术可满足颂骨缺损的个性化设计和制作，钛及钛合金种植体具有较高的强度，较低的弹性模量，在口腔领域具有独特优势[2]。

3D打印技术又称增材制造，是在三维设计模型的基础上，利用连续分层打印，通过逐层叠加，形成三维实体的技术[3]。3D打印技术个体化特征明显，制作精度高，加工周期短，可最大限度地降低成本，提高生产效率。近年来，3D打印技术在口腔医学领域的研宄及应用呈上升趋势。口腔修复学、口腔种植学、口腔正畸学和口腔内科学[4_5]都有所涉及，如冠桥、种植体基台的制作、义齿支架和正畸弓丝等。随着口腔医学的不断发展，3D打印材料的研宄己成为研宄重点。

生物医用材料直接与生物体接触，可修复、替代缺损骨组织，诱导骨组织再生，恢复骨组织功能[6]。近年来生物医用材料被广泛应用于软硬组织修复的医疗领域[7]。钛及钛合金凭借其良好的力学性能，优良的抗生理腐蚀性能、优异的生物相容性等优点，被视为理想的3D 打印材料。

1、3D打印钛的表面改性

钛锻件、钛棒等钛及钛合金的3D打印技术己在口腔颂面部的修复、牙体组织的修复、种植体制造[8]等领域被广泛应用。可制作多孔支架用于颂骨缺损的修复，制作金属内冠、全冠、可摘义齿支架、个性化舌侧托槽等和传统的种植入体一样，3D 打印钛种植体也存在生物惰性等问题：例如弹性模量较骨组织高，抗剪强度、摩擦特性低，细胞毒性和潜在的过敏性等。

这易导致钛种植体和骨组织不相融，在植入体内后使骨结合时间延长、骨结合强度将低。如何将3D 打印技术与提高材料的生物相容性和骨整合能力相结合，使3D 打印钛种植体与骨组织的结合更加牢固，骨愈合时间缩短，骨结合力提高？这些问题受到了研宂者的广泛关注。3D 打印钛植入体的表面处理借鉴了传统钛植入体表面改性的方法，主要包括物理 改性、化学改性和生物化学改性[11]。

1.1 物理改性

物理改性是依靠动能、热能、电能将离子、陶瓷、金属等材料结合到种植体表面形成涂层的方法。该过程无化学反应参与，主要包括钛浆喷覆、激光处理、喷砂酸蚀、电解蚀刻、物理气相沉积、离子注入、表面陶瓷化等。K i m等[12]将S r 注入到钛表面，证明S r 的释放可促进脂肪干细胞在纳米钛材料表面的黏附，同时碱性磷酸酶、骨钙素、R A N K L等相关成骨因子的表达也相应增加。traini等[13]通过激光烧结加工成型梯度化结构的多孔Ti-6Al-4V 牙科种植体，结果表明，其具有良好的理化性能，并且功能梯度材料的牙种植体更好地适应骨的弹性特性。

1.2 化学改性

化学改性是使用化学试剂，发生化学反应， 以改变种植体表面的化学特性，使之与细胞产生相互作用，从而改变细胞的结构和功能。主要方法包括阳极氧化、酸碱处理、溶胶凝胶、化学气相沉积等膜层改性方法。张欣蔚M 采用电化学沉积法在3D打印多孔钛植入体表面制备壳聚糖/ 羟基磷灰石复合涂层，结果表明经过复合涂层的处理后，3D 打印钛表面的细胞增殖、分化性能都有所提高。MARYCZ等[15]使用溶胶-凝胶法将生物活性鞘脂S1P 融入二氧化钛涂层，降低其表面粗糙度，结果表明二氧化钛/S1P 上的细胞生成骨结节数量增多，成骨因子的表达也显著增加。

1.3  生物化学改性

生物化学改性是将生长因子、蛋白质、抗菌药物[+ 19]固定到修复体表面，以诱导成骨细胞分化，促进修复体与骨组织结合。主要包括化学固定法、物理吸附法和涂层载体法[2()]。相对于传统的化学、物理方法，生物化学改性在促成骨细胞增殖分化方面效果更明显。李赛娜等[21]通过偶联剂将胶原分子固定在3D 打印的钛合金（Ti-6A 1-4V ) 片上，研究显示，胶原分子的存在提高了 3D 打印钛合金表面的细胞增殖、活性以及生物相容性。K u m a r等[22]用细胞外基质修饰3D 打印钛支架，结果显示支架上细胞的功能和材料的生物相容性都有所提高。

生物分子领域和材料领域的研宄者们一直在寻求通用的表面改性方法，使之可在植入体表面快速、有效地固定生物活性分子，并且能根据表面要求的需要进行相应的功能修饰。种植体表面的改性研究为口腔医学的发展提供了新的方向，随着科技的迅速发展，材料的表面改性在医学领域也将迅速发展，成为生物医用植入体领域重要研宄方向之一。

2、 3D打印钛种植体的临床应用

2.1 口腔种植学

钛金属3D 打印技术的出现极大地推动了牙体种植学的发展，该技术可以在种植体制造的过程中用激光束处理种植体，使其形成多孔的粗糙表面，还能够根据患者X 线的三维影像数据，制备与患牙牙根形态及大小一致的个性化种植体，并于拔牙同期植入[23]，简化诊疗过程、减少手术创伤，缩短愈合时间，实现病牙的即刻置换。有研宄表明，3D打印的钛合金种植牙可仿造牙槽骨的天然结构，表面密布三维贯通的窝沟，诱导成骨细胞在窝洞中再生[24]。Tunchel等[25]对1 1 0例使用3D 打印钛合金种植体的患者进行了评估，结合3 年的随访结果显示：该种植体能恢复缺损的单颗牙间隙，成功率较高。

Cucchi等[26]用3D 打印钛网对无牙颂种植术后的患者进行了骨增量治疗。术前对骨增量区域和种植体植入区域进行了个性化设计，制作了 3D 打印钛网，术后C T 及回访显示患者对治疗效果满意。

2.2 口腔颌面外科

3D 打印技术能够直观立体地还原患区的缺损形态，制备的个性化钛网，精度高、外形好、术中操作简便，手术风险降低，有效推动了面部骨缺损的诊断、手术的模拟及术中复位的发展。周小义等[27]根据影像学资料，制作3D 打印钛手术导板，借助软件进行虚拟手术设计，指导髁突骨软骨瘤及继发牙颌面畸形的手术矫治，术后结果显示患者颜面对称，

功能恢复良好。5 1 ^ 匕等[28]用个性化3D 打印钛合金假体对一下颂骨体及下颌角缺失的患者进行治疗，术后患者外形轮廓及功能恢复较好。李金等人[29]报道了9 例下颂骨肿瘤或肿瘤术后缺损的病例，利用3D 打印技术重建钛板，结合腓骨肌皮瓣修复下颂骨缺损。结果显示患者的腓骨肌皮瓣成活，咬合关系正常，无并发症，患者外形恢复良好。

2.3 口腔正畸学

在正畸方面，3D 打印技术可以定制各种类型的矫治器，如固位器、扩弓器、个性化带环、生物调节器、牙合板、双牙合板等[M]。目前学者们将锥体束C T 和3D 打印技术结合设计出个性化钛板用于前方牵引。国内学者梁舒然等[31]报道了一例因上颂骨发育不足导致的骨性III类错牙合的病例，他们用术前锥体束C T，结合数字化模型，利用3D 打印技术制 备了 3D 打印钛修复体，对该患者进行了骨性前方牵引治疗。术后患者达到了正常的覆牙合覆盖，牙列无拥挤。3D 打印个性化钛板可最大程度地贴合骨表面，并可选择骨皮质厚度，避开恒牙胚及牙根，同时控制加力方向，从而减小手术风险，使患者获得更多的骨性改建，减少牙性代偿。

2.4 口腔修复学

在口腔修复方面，学者们正致力于应用3D 打印技术制备金属牙冠、牙桥，可摘局部义齿支架的研究。

近期H u 等[32]报道了 1 例肯氏I 类牙列缺损的病例，他们结合患者口外扫描、3D 打印技术制作钛支架、利用传统充胶排牙，结果显示个性化3D 打印钛支架与口腔组织紧密结合，无移位变形。

3、小结

随着我国经济的快速发展以及人们对健康关注的增加，钛及钛合金牙种植体、义齿、颂骨修复钉板等的用量将快速增长。研宄者们应致力于3D 打印钛及钛合金的新型材料研发、表面改性等方面的研宄，不断加强3 D 打印钛及钛合金在口腔领域的研宄和应用。

参考文献

[1] Liu CK, Jing CX, Tan XY, et al. Using three-dimensionalporous internal titanium scaffold or allogenic bone scaffoldfor tissue—engineering condyle as a novel reconstructionof mandibular condylar defectsQ]. Journal of MedicalHypotheses and Ideas,2014,8(2):69~73.

[ 2 ] 黄俊辉，刘桂，姚志刚，等.3 D 打印技术在口腔颌面修复中的应用⑴. 中华口腔医学研究杂志，2015,9(3):252-255.

[ 3 ] 周伟民，闵国全.3 D 打印技术[M ].北京：科学出版社，2016:3-6.

[4] Dawood A, Marti B, Sauret-Jackson V, et al. 3D printing indentistry[J]. BDJ,2015,219( 11) ：521-529.

[5] Anssari Mion D, Derksen W , Verweij JP, et al. Anovel approach for computer assisted template—guidedautotransplantation of teeth with custom 3D designed printedsurgical tooling[J] .J.Oral Maxillofac Surg,2016,74(5):95~902.

[ 6 ] 梁新杰，杨俊英.生物医用材料的研究现状与发展趋势[)].新材料产业，2016(2):2-5.

[7] Geetha M, Singh A K, Asokamani R, et al. Ti basedbiomaterials, the Ultimate choice for orthopaedic implant Areview[J].Progress in Materials Science, 2009,54⑶:397—425.

[8] Chanchareorlsook N, Tideman H, Lee S, et al. Mandibularreconstruction with abioactive—coated cementless Ti6Al4Vmodular endoproSthesis in Macaca fascicularisQ].Int J OralMaxillofac Surg,2014,43(6):758-768•

[ 9 ] 赵冰净，胡敏.金属3 D 打印技术在口腔医学应用前景[J].口腔领面外科杂志，2015,25(4):311-314.

[ 10 ] 赵冰净，胡敏. 用于3 D 打印的医用金属研究现状[J]. 口腔颌面修复学杂志,2015,16(1):53-56.

[ 11] 李莺，李长义.钛种植体表面改性策略及对骨整合的影响〇].中国组织工程研究，2013,17(29):5395-5402.

[12] Kim HS, Kim YJ, Jang JH, et al. Surface Engineering ofNanostructured Titanium Implants with Bioactive IonsQ].Dent Res,2016,95(5) :558-565.

[13] Traini T, Mangano C, Sammons R L, et al. Directlaser metal sintering as a new approach to fabricationof an isoelastic functionally graded material for manufacture of porous titanium dental implants [J]. DentMater,2008,24(11)：1525-1533.

[14 ] 张欣蔚.3D 打印多孔钛种植体结合CS/HA涂层促骨结合作用的研究[D ].山东：山东大学，2016.

[15] Marycz K, Krzak J, Maredziak M, et al. The influenceof metal —based biomaterials functionalized withsphingosine—1 —phosphate on the cellular response and osteogenic differentiation potential of human adiposederived mesenchymal stem cells in vitro[}]. BiomaterAppl,2016,30(10)：1517-1533.

[16] Lai M, Jin Z, Su Z. Surface modification of Ti〇2 nanotubeswith osteogenic growth peptide to enhance osteoblastdifferentiation^]. Mater Sci Eng C Mater Appl,2017,73:490—497.

[17] Hasan A, Saxena V, Pandey L M. Surface functionalization ofTi6A14V via self—assembled monolayers for improved proteinadsorption and fibroblast adhesionQ]. Langmuir,2018,34(11):3494-3506.

[18] Liu P, Hao Y, Zhao Y, et al. Surface modificationof titanium substrates for enhanced osteogeneticand antibacterial p ro p erties[J]. C olloids Surf BBiointerfaces,2017,160:110—116.

[19] Shen X , Zhang F, Li K, et al. Cecropin B loadedTi〇2 nanotubes coated with hyaluronidase sensitivemultilayers for reducing bacterial adhesionQ]. Materials &Design,2016,92:1007-1017.

[20 ] 王之发，王艳，郭继，等.钛及钛合金种植体表面处理的研究进展U].现代生物医学进展，2〇14，14(31):6186-6189.

[21 ] 李赛娜，康跻耀，高建萍，等. 肢原涂层对3 D 打印种植体表面生物相容性的影响〇].中国组织工程研究，2017,21(10) :1558_1564.

[22] Kumar A, Nune KC, Misra RD. Biological functionality andmechanistic contribution of extracellular matrix—ornamentedthree dimensional Ti—6 Al—4 V mesh scaffolds [J]. J BiomedMater Res A,2016,104(11): 2751—2763.

[23] Moin D A, Hassan B, Mercelis P, et al. Designing a noveldental root analogue implant using cone beam computedtomography and CAD/CAM technology [J]. Clin OralImplants Res,2013,24(A100):25—27.

[24] Seyed MA, Saber AY, Ruebn W, et al. AdditivelyManufactured Open—Cell Porous Biomaterials Made fromSix Different Space—Filling UnitCells:The Mechanical andMorphological Properties [J]. Materials, 2015,8(4) :1871 —1896.

[25] Tunchel S, Blay A, Kolerman R , et al. 3D Printing/Additive Multicenter study with 3 years of Follow—upQJ.IntJDent，2016(6):l—9.

[26] Cucchi A, Giavatto MA, Giannaticmpo J, et al. Custommadetitanium mesh for maxillary bone augmentationwith immediate implants and delayed loadingQJ.J OralI mplantol,2019,45(1):5964.

[27 ] 周小义，刘尧，叶斌，等. 3 D 打印导板辅助髁突骨软骨瘤及继发复杂牙颌面畸形的手术治疗□ . 口腔医学研究，2017,33(2):166-169.

[28] Suska F, Kjeller G, Tamow P, et al. Electron Beam MeltingManufacturing Technology for Individually ManufacturedJaw Prosthesis： A Case Report[J]. J Oral MaxillofacSurg,2016,74(8)：1706.el-1706.el5.

[29 ] 李金，陈巨峰，刘士维，等. 数字化3 D 打印技术在腓骨肌皮瓣修复下颌骨缺损中的应用[J]. 口腔疾病防治，2019,27(2):100-103.

[30 ] 徐#•光，李丹荣，宁锐剑.3 D 打印技术在口腔种植领域的应用及对牙科工业发展的革命性影响D].中国医疗器械信息，2015(8):13-18.

[31 ] 梁舒然，王凡，周冬青，等. 三维打印钛板支抗前方牵引治疗骨性m 类错牙合畸形的初步应用〇].中华口腔医学杂志,2017,52(12)753-755.

[32] Hu F, Pei Z, Wen Y. Using Intraoral Scanning Technologyfor Three-Dimensional Printing of Kennedy Class IRemovable Partial Denture Metal Framework:A ClinicalReportQ] .J Prosthodont,2017.