口腔醫學領域3D打印材料的研究進展
時間：2019-05-16 10:18 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
3D打印技術通常也叫做增材制造或者是增量制造（additive manufacturing），是建立在三維數學模型的數據基礎之上，主要是利用連續的分層打印并且通過一層層的疊加，最終形成三維實體的技術。3D打印主要優點包括:提高制造精度、簡化繁瑣的制作過程、節約加工材料和人力資源，經濟環保，縮短生產時間，提高生產效率，實現了個性化制作。在口腔醫學領域，3D打印技術受到越來越廣泛的應用以及研究，其中口腔修復學、口腔種植學、口腔正畸學、口腔內科學都有涉及，還包括生產用于牙科種植導板、顱頜面和整形外科植入物的制造，以及用于植入物和牙齒修復體的內冠和骨架的制造等等。
隨著口腔醫學的不斷發展，3D打印材料的研究已成為許多研究者的研究重點；近年來取得了較大突破，不斷有新型3D打印材料應用于口腔醫學領域。本文將從金屬，高分子，陶瓷和生物活性材料這4大口腔醫學領域的3D打印材料展開綜述。
1.材料種類
1.1金屬材料
口腔醫用金屬產品要求金屬材料具有良好的機械性能，化學特性，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、可塑性好、流動性好等特點。目前主要應用于口腔醫學領域的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、強度大的優點，并且該種材料有較好的生物相容性，被口腔醫學領域視為比較理想的3D打印金屬材料。尤其是在口腔頜面部位的修復、牙體組織的修復以及有關種植體制造等領域廣泛使用。
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，很容易導致鈦種植體和骨組織兩者產生不相融和的機械應力。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。3D打印的鈷鉻合金也是口腔醫學領域常用的修復材料。利用3D打印技術制造出，再采用修復技術將人工牙添加上去，這樣的修復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，根據現階段的技術設施，基本上不可能一次性打印出完整修復體。
Traini等成型了梯度化Ti-6Al-4V鈦合金多孔牙科種植體，具有更加優化的理化性能，抗拉強度、斷面收縮率及延伸率均達AMs4999（美國材料協會發布的關于3D打印鈦合金的相關標準）。Figliuzzi等使用激光燒結個性化鈦合金（Ti-6Al-4V）種植體，拔除患牙后即刻種植修復，隨訪顯示個性化種植體及美觀效果良好。Traini等激光燒結鈦合金試件，然后分別測量試件表面多孔層和內部致密層的彈性模量，前者接近骨皮質，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力，有利于種植體的長期穩定。
Mangano等將激光燒結的窄直徑種植體用于患者的后牙種植修復治療，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打印的有關金屬產品是否與傳統工藝制造的產品相同，是否按照國家的標準。目前，新興金屬材料在口腔醫學領域依然處在體外研究的狀態，尤其作為口腔植入材料的性能仍有很大的研究空間。
目前，3D打印技術不斷發展，不斷優化的設備性能和多樣的金屬打印材料，金屬3D打印技術也會更加廣泛的運用到口腔醫學的各個領域中。
1.2高分子材料
高分子材料已成為目前3D打印領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。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合材料，在口腔醫學中，聚乳酸、聚己內酯、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，不會造成環境污染，對環境保護非常有利，是公認的環境友好材料。其還具有半透明性和光澤質感，是口腔醫學領域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打印衛星、3D打印汽車零件，開始在3D打印行業發揮真正的影響。
PEEK材料的優點包括，①PEEK材料彈性模量和人體骨骼相近，修復后顱骨的應力完整；②X射線透過性能好，不會產生金屬偽影，不影響醫學影像，方便檢測術后恢復情況；③使用3D打印PEKK材料制成的結構比用傳統的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，穩定性高。目前用于制造義齒零件。
從3D打印技術的發展狀況而言，光固化立體成形屬于發展最早也是最成熟的技術，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，是口腔醫學領域應用廣泛的高分子材料。對于口腔醫學領域而言，液態樹脂材料需要有優良的穩定性、較低的黏度、固化迅速且程度高等。有研究發現，液態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制造形成的支架與人松質骨有比較相同的機械性能，并且具有促進成纖維細胞黏附與分化的作用。迅速發展的光固化樹脂材料不斷促進口腔醫學的進步，有利于口腔醫學更加個性化和精準化。
1.3陶瓷材料
口腔醫學領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、化學穩定性好等優良的物理化學特性，其廣泛應用于機械制造、航空航天、生物醫療等行業。因其優良的機械性能和美觀性能，目前也用作口腔修復材料。氧化鋯陶瓷用切削技術進行加工時會有很多材料被切除掉，造成浪費，導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裂。3D打印氧化鋯陶瓷義齒對材料利用率可達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境污染，并可通過打印特殊內部結構來實現硬度等力學性能的仿生性。早期的氧化鋯3D打印制造主要以激光燒結的方法為主，但存在制件致密度及成形效率低，表面粗糙和裂紋等問題。光固化成形陶瓷具有良好的表面質量和結構精度可控性，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，如內部應力大、燒結后容易產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打印材料和技術生產具有良好生物性功能的人體細胞、組織以及器官等，是眾多學者一直的追求。學者們不斷探索3D打印技術，并且緊密結合了生物組織工程技術，制造具有生物功能性的人造細胞、組織和器官來替代需要修復的人體缺損組織。水凝膠是一種水溶性的高分子聚合物，其利用化學或物理的交聯而產生，是一種3D網絡結構。水凝膠有優良的生物相容性，可以構建組織工程支架，并且可以加工形成可控型釋放藥物的載體。但目前，3D繪圖生物寫入制造的水凝膠具有較低的硬度，可能導致結構崩潰或限制形狀的復雜性，因此3D打印生物材料的最新進展將推進3D打印生物材料領域的進步和發展。
在口腔醫學領域中，不論是患者個性化定制的生物組織材料，還是現有的成品，3D打印產品在牙科和口腔手術中都發揮了重要作用。目前，3D打印技術基本上實現人牙髓細胞（human dental pulp cells，hDPCs）的生物打印，這奠定了3D生物打印技術更廣泛的應用于牙體組織的基礎。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，可促進成骨細胞的生長分化，種植體具有更優良的特性。由于3D打印技術生成的微米表面的粗糙程度更容易被特定的細胞識別出來。具有微納復合結構的種植體促進了細胞的增殖和延展，同時更利于細胞向成骨方向分化。在微納復合結構提供的生理三維的仿生環境中，更利于細胞的伸展，從而更好地增殖與分化。
2.發展前景
數字化3D打印技術為口腔醫學的發展提供了先進的技術支持，面對3D打印技術的不斷發展創新，我國政府部門一直在關注并且制定3D打印技術的發展規劃，充分結合國內外3D打印技術新的發展階段以及面臨的新形勢、新機遇、新需求，為口腔醫學領域3D打印的發展提供了政策上的推動和保障。目前，3D打印數字化口腔醫學憑借其高效、準確、安全等優點，能滿足復雜、高度定制化和快速生產的口腔產品需求。在口腔修復學領域，各種材料的牙冠等修復體廣泛應用，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，給患者帶來了優質的就醫體驗和更加高效滿意的修復效果。
在口腔教學領域，3D打印作為未來口腔醫學領域發展的重要技術，應盡早讓學生接觸和了解數字化口腔技術和流程，開闊學生思維和創造力，也讓教學模式更加先進新穎。近年來，3D打印數字化口腔技術為口腔醫學帶來了高精度、低成本的口腔數據及產品。3D打印在口腔醫學領域的應用和發展也將日益增強，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，口腔醫學領域的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，導致價格高昂；3D打印技術工藝和設備還有待提高和完善；3D打印材料的質量和使用情況還需要進一步調查研究；還需建立相關規范和標準，對口腔醫學領域3D打印材料的物理化學性能，機械性能，生物安全性等等做出規范。
為了促進3D打印技術更廣泛的運用在口腔醫學領域，對于生物的安全性、機械性能以及打印技術的研發都需要進一步深入。可降解材料和活體細胞的3D打印、4D打印等高新科技是口腔醫學領域未來3D打印探索的重要方向。同時在研究過程中，應該充分把握好國家的相關政策保障，當然還需要考慮CFDA（國家食品藥品監督管理總局）政策的約束力，主要受限于醫療材料的認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展和創新，口腔醫學領域3D打印材料和技術將給口腔臨床應用帶來革命性的發展。
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