3D打印在牙體牙髓病學中的研究進展

王 霜，陳 陣

(天津醫科大學口腔醫院牙體牙髓科，天津 300070)

3D打印技術是一種快速成型技術，從20世紀80年代在美國誕生以來，正在被廣泛地應用于醫療、輕工、汽車制造、航空航天等領域。它實現了計算機圖像的實體化，悄悄地改變著現有標準化、規模化的生產模式，所以這項技術也被稱為第三次工業革命的高科技技術。目前，很多發達國家非常重視3D打印技術，不惜投入巨資進行開發研制。

1 3D打印技術的定義及作用原理

3D打印即原型制造，它是一種以數字化模型文件為基礎的三維實體技術，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術[1]。其作用原理是基于離散堆積原理：(1)首先通過數據采集，獲取制作模型的第一步。目前常用方式有軟件設計、光學掃描、機械式掃描和放射學掃描等四種方式[2-4]。在醫學領域，隨著數字化斷層掃描、核磁共振等技術的發展，三維數據掃描更加精準，疾病的診斷更加準確。(2)將掃描的數據導入專用的計算機進行三維重建。比如將CT掃描的DICOM格式的數據導入軟件Mimics或Geomagic、Imageware11.0中，設置不同密度組織的閾值，構建出形態曲面，重建三維模型。保存數據格式為STL格式(surface tesselation language)，STL格式的數據是3D打印機所識別的唯一數據。(3)然后進行3D打印。3D打印目前主要的技術形式分成：①光固化成型(stereo lithography apearance，SLA)，是使用光聚合物通過紫外激光照射來固化。②選擇性激光燒結(selective laser sintering，SLS)，是用小顆粒的熱塑性材料粉末用高功率激光來融合。③熔融沉積成型(fused deposition modeling，FDM)，是噴出熔融的熱塑性材料或共晶金屬粉末，立即使其凝固。④分層實體制造(laminated object manufacturing，LOM)，是使用膠水把紙張或塑料膜粘在一起，然后用激光塑形。⑤噴墨打印技術，是將不同種類的細粉末打出來以后，涂上黏接劑，然后打印下一層。噴墨打印技術還可以通過同時打印活體細胞和生物材料來構建一個含有不同組織的三維生物支架，甚至活體器官[5-7]。

3D打印技術最突出的優點是無需機械加工或模具，就直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的物體，從而極大地縮短產品的研制周期，提高生產率和降低生產成本，從而實現定制化生產。目前，3D打印技術在醫學方面的應用主要分為熔融沉積造型技術、選擇性激光燒結技術、立體印刷術和多噴嘴成型技術等4種[8]。

2 3D打印的材料

2.1 金屬材料

金屬材料是3D打印中發展最迅速的材料之一。在醫學領域研究較多的金屬主要是貴金屬：鈦、鉭、鈮、鋯等。鈦和鈦合金材料無毒、質輕、強度高，具有優良的生物相容性，是目前醫學領域中使用最廣泛的金屬材料，在口腔醫學中主要用于頜面部骨缺損修復、牙體修復、種植體制造[9]。鉭、鈮、鋯金屬元素不僅具有鈦的結構和性能，還可以加工成多孔金屬材料，有利于軟組織的攀附、生長和血管在孔隙中生長，同時具有較好的組織相容性，有望替代金屬鈦成為理想的生物醫用材料。但因鉭、鈮、鋯等貴金屬價格昂貴，限制了其廣泛應用，目前這些貴金屬作為一種應用于口腔醫學領域的新興金屬材料仍處于體外研究狀態[10]。

2.2 高分子復合材料

常用于3D 打印的材料多數是高分子材料。高分子材料中應用較多的又以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(Acrylonitrile Butadiene Styrene，ABS)和聚乳酸(Poly Lactic Acid，PLA)為主。Rosenzweig等[11]研究將關節軟骨細胞和髓核細胞與ABS和PLA支架材料一起培養3周，細胞增殖良好。證明這兩種材料具有較好的耐磨性和抗沖擊吸收能力，是3D打印中最常用的一種不被生物降解的熱塑性材料。

2.3 陶瓷材料

陶瓷材料具有低密度、高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、化學穩定性好的特性，目前主要應用在牙體缺損，牙列缺失的修復中。但陶瓷材料也存在脆而硬的特點，這使其加工成型存在較大困難。因為3D打印技術中的激光燒結法可將黏合劑粉末熔化，并使之與陶瓷粉末黏合，所以這項技術成為陶瓷粉末加工的一種理想方法[12]。

2.4 生物組織工程材料

3D生物打印是結合細胞生物學、計算機輔助設計和生物材料學等多個領域的研究成果，發展而來的一種新型的組織工程技術，其最終目標是打印器官。3D生物打印技術克服傳統組織工程技術的局限性，不但可構建形態、結構復雜的組織工程支架，而且可實現不同密度的種子細胞在不同支架材料中的三維精確定位[13-18]。水凝膠是一種水溶性高分子通過化學交聯或物理交聯形成的聚合物[19-20]，由于具有良好的生物相容性，力學性能與人體軟組織相似，可以包裹細胞，輸送養分和排泄代謝物，有希望成為構建組織工程支架和加工成可控釋放藥物的載體[21]。

3 3D打印技術在牙體牙髓病學中的研究

3D打印技術最先應用于頜面部的手術，但在牙體牙髓病學領域中，3D打印目前還屬于臨床試驗階段。完善的根管治療的前提是掌握牙齒髓腔和根管系統的解剖特征，傳統研究根管系統的方法是片切法、透明牙模型法和X線法。隨著影像學技術的發展，三維影像重建技術CBCT應用于根管形態學研究中。重建后的圖像可從各個角度觀察根管形態，并對其進行綜合測量和分析，以了解根管系統的解剖特征和變異。現在可以通過3D打印技術將重建出來的圖像實體化，在實體化上進行術前設計，模擬手術，有助于提高手術成功率。同時，還可以廣泛應用于口腔教學，使口腔臨床教學更形象化，學生們更容易理解疑難病例的手術操作方法。

Byun等[22]報道一例在12歲患者畸形前牙的治療中采用3D打印技術，重建畸形牙的根管形態，體外定位根管口位置，制作根管口定位導板，實現臨床根管口的精準定位。Kfir等[23]遇到1例復雜三類牙內陷的患者，為了保護牙髓的活力，他們通過CBCT獲得牙體根管的解剖，然后制作出樹脂模型，在樹脂模型上制定手術計劃，并模擬操作，最終成功在未破壞髓腔情況下填充內陷的空腔。van der Meer等[24]報道利用錐形束CT掃描，3D打印技術體外重現牙體形態，制作導板，精準定位根管，確定牙體牙髓病的治療方案。Lambrecht等[25]認為，個性化仿頭模結合錐形束CT及3D打印技術，可有效重現復雜解剖環境，確定牙根、牙槽骨的形態結構，及與血管神經的位置關系，有利于顯微根尖手術的臨床前教學，及手術方案的確立。薛世華等[26]利用生物打印方法構建含人牙髓細胞的組織工程三維結構體，并用激光共聚焦顯微鏡觀察證實結構體中大部分細胞存活，初步證明人牙髓細胞可耐受生物打印過程。

4 展望

隨著數字化口腔的發展，3D打印技術在牙體牙髓病學有著巨大優勢和廣闊的前景。但目前3D生物打印仍存在許多問題有待解決。

4.1 材料的限制

目前供3D打印機使用的材料非常有限，包括石膏、金屬、陶瓷、塑料等。尚無法支持臨床中所應用的各種材料的打印。而膠原蛋白、羥基磷灰石等具備生物相容性和安全性的生物活性材料，尚處于實驗室階段。目前大部分3D打印產品還是用作體外模型、輔助設計及診斷和制定手術計劃。

4.2 組織相容性

3D打印出的物體與身體其他組織器官更好地結合，

是因為任何打印出來的器官或身體組織想替代原始器官和組織，都需要同身體的血管神經相連。如果能夠克服這個技術障礙，那么在未來幾十年內，生物打印技術將成為一項標準技術。

總之，3D打印能夠滿足臨床上復雜多樣的個性化要求，可以最大限度地發揮材料的特性，制作方便快捷，原料利用率高，隨著3D打印技術的進步，高性能、高質量、低價格生物材料的出現以及CAD/CAM軟件的普及，3D打印技術在牙體牙髓病學領域中的應用前景將更加廣闊。

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