3D打印钛合金棒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高。修复体植入后，会受到颌面部肌肉的牵拉，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颌骨再生[1]。3D打印技术可满足颌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究及应用呈上升趋势。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打印材料的研究已成为研究重点。 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

钛及钛合金的3D打印技术已在口腔颌面部的修复、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颌骨缺损的修复，制作金属内冠、全冠、可摘义齿支架、个性化舌侧托槽等[9-10]。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？这些问题受到了研究者的广泛关注。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。Kim等[12]将Sr注入到钛表面，证明Sr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、RANKL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[14]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[16-19]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 [20]。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-6Al-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。Kumar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究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究方向之一。

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。有研究表明，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110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打印钛网对无牙颌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CT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。Suska等[28]用个性化3D打印钛合金假体对一下颌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例下颌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颌骨缺损。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[30]。目前学者们将锥体束CT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]报道了一例因上颌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CT，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Hu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、颌骨修复钉板等的用量将快速增长。研究者们应致力于3D打印钛及钛合金的新型材料研发、表面改性等方面的研究，不断加强3D打印钛及钛合金在口腔领域的研究和应用。

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