3D打印聚醚醚酮口腔修復體的初步臨床報告

陸偉 李滌塵 吳國鋒

聚醚醚酮(PEEK)材料是近年來備受關注的新型生物材料，因其具有優良的力學性能、熱穩定性、生物相容性和耐磨損性等，所以適合于制作人體骨組織支架和高壽命人工關節等，2013 年美國食品藥品監督管理局(FDA)已批準PEEK人工骨關節臨床產品上市[1]。近3 年來圍繞如何結合3D 打印技術( 3D printing technology，3DP)制造具有精準解剖結構的植入物是本領域的熱點問題[2-3]，本課題組成員前期工作中曾采用3D打印PEEK技術制作并臨床實際成功應用了人工肋骨、肩胛骨、椎板等人體植入物[4-6]，但3D打印PEEK口腔修復體臨床應用目前尚未見國內外報道。

作者自2019 年初以來開展了一項旨在驗證3D打印PEEK口腔修復體技術的臨床試驗，修復體類型包括可摘局部義齒、頜面缺損贗復體等，研究內容涵及3D打印PEEK材料基本性能、3D打印PEEK口腔修復體臨床應用效果、存在問題和未來展望，本文將結合最新文獻對此作初步總結報告。

1 3D打印PEEK材料的基本性能

1.1 加工性能

目前口腔修復體加工方式主要包括精密鑄造、注塑成型、數控銑削和3D打印多種方法。本研究應用熔融沉積制造(Fused Deposition Modeling，FDM)工藝，成功實現對可摘局部義齒等口腔修復體的3D打印：PEEK絲材熔融、擠出及成型加工性能良好；所獲修復體整體形態完整，材料質地致密、未見明顯加工缺陷；卡環、牙合支托等細微結構清晰，修復體成品表面通過特定工藝可以實現良好拋光。作者研究中通過改進打印噴嘴，可以精準打印最小規格為0.2 mm×0.2 mm的網格狀試件(圖1)，并有望進一步提高打印精度。相較于其他口腔修復體加工方法，3D打印技術因其加工周期短、材料浪費量少、可以成形復雜形態等優點，更適合口腔修復體個體化單件定制的臨床要求。此外，3D打印加工時可以通過溫度場調控等手段實現不同口腔修復體具有不同的剛度和彈性等性能[7]，亦可向PEEK基材內添加復合氧化鈦、短纖維等用于改進成品的美學和力學性能(圖2)，以更好地滿足口腔修復臨床需求。

圖1 噴嘴擠絲直徑為0.2mm的打印試件 圖2 添加氧化鈦與純PEEK口腔修復體

1.2 機械性能

郭芳等[8]曾報道對三種不同加工方法獲得的PEEK試件進行機械性能比較，結果顯示：3D打印PEEK(Jugao-MT45 PEEK，陜西聚高)試件的拉伸模量為(374 6.40±266.26) MPa、拉伸強度為(95.55±1.85) Mpa、彎曲模量(3 578.80±131.84) MPa、彎曲強度(140.62±2.12) MPa、壓縮模量(2 779.20±126.84) MPa、壓縮強度(142.42±7.53) MPa；其抗拉能力與數控銑削、注塑成型相比無顯著性差異；抗彎能力略低于機械加工，與注塑成型相比無顯著性差異；抗壓能力與數控銑削相比無顯著性差異，明顯優于注塑成型。作者按照相應國家標準(GB/T1040.1-2006、GB/T1040.2-2006、GB/T 9341-2008、GB/T1041-2008等)，制備3D打印PEEK(贏創Evonik，德國)標準試件進行測試，結果顯示3D打印PEEK機械強度顯著高于牙科聚甲基丙烯酸酯基托樹脂試件(山八齒材，日本)，提示其可用于可摘局部義齒基托等制作。目前初步研究結論是3D打印PEEK試件力學性能較佳，符合口腔修復體關于機械性能方面的的臨床要求。

1.3 粘接性能

PEEK本身屬于一種惰性材料，其表面需要經過粗化處理才能與常用牙科材料發生可靠粘接。因此，作者研究觀察了噴砂(50 μm Al2O3顆粒，0.25 MPa壓力)、酸蝕(98%濃硫酸)等表面粗化處理方法對3D打印PEEK試件表面形貌的影響。研究結果顯示：電鏡下未處理組3D打印PEEK表面試件呈現為較為平坦的表面；噴砂處理組表面可見明顯被粗化；酸蝕處理組則可見其表面呈均勻孔蝕狀形態，孔隙大小形態規則一致(圖3A～E)。該研究結果與作者另一項關于聚醚酮酮(PEKK)材料表面粗化試驗研究結果相似[9]，顯示3D打印PEEK材料試件打磨后使用98%濃硫酸酸蝕5 s組為最優組。研究中還初步測量到酸蝕組3D打印PEEK試件與牙科粘接樹脂粘接強度平均值為16.41 MPa，能夠達到臨床牙科樹脂粘接要求(≥15 MPa)。

A：未處理組(表面單純打磨)；B：打磨后噴砂處理組；C：打磨后酸蝕5 s組；D：打磨后酸蝕30 s組；E：打磨后酸蝕60 s組圖3 不同表面處理方法對3D打印PEEK試件表面形態影響(SEM)

2 3D打印PEEK口腔修復體的臨床應用

本部分研究全程受南京大學醫學院附屬口腔醫院(南京市口腔醫院)倫理委員會監督和指導(臨床試驗批準編號：2019NL-006)。

2.1 可摘局部義齒應用

2.1.1 制作可摘局部義齒支架 患者為1例下頜雙側第一磨牙缺失伴四環素牙病例，治療方案計劃通過雙側可摘局部義齒修復牙列缺損。治療過程中首先通過數字化口內掃描儀獲取了患者牙列三維信息，然后通過義齒設計軟件獲得可摘局部義齒支架(圖4A)，最后采用3D打印技術制作PEEK可摘局部義齒支架。因患者口內余留牙顏色呈棕褐色，因此材料選用純PEEK材料制作義齒支架，臨床試戴支架結果顯示其形態完整、就位順利、顏色呈黃褐色，患者表示對其佩戴與美觀效果滿意。后續在此義齒支架上排牙充膠等常規操作(圖4B～C)。臨床初戴義齒時義齒固位與穩定效果良好修復效果滿意(圖4D)，本研究觀察期內(臨床初戴后10 個月)口腔修復體未見有修復體發生變形、折斷等不良現象。

2.1.2 制作一體化可摘局部義齒 患者16牙缺失，治療計劃行一體化3D打印PEEK可摘局部義齒修復(圖5A)。與本文中上一病例不同之處在于，該技術直接同時打印出完整義齒基托和人工牙，無需進行后續人工牙排列、基托裝盒充膠等操作，因此簡化了臨床流程，同時打印材料選用了含有二氧化鈦的PEEK材料用于改善義齒卡環顏色[10]。經患者口內試戴，義齒就位與穩定性良好，其卡環固位力與基托適合性均滿足臨床要求(圖5B～F)。但在臨床實踐中觀察到3D打印PEEK義齒外觀為白灰色，與患者口腔黏膜和余留牙顏色差異較大，作者對義齒基托和人工牙頰尖區域進行了材料回切與烤塑處理(圖5D)，結果其美學效果患者非常滿意。因PEEK制作的人工牙的耐磨性要明顯高于普通樹脂牙和復合樹脂牙[11-12]，作者保留了義齒人工牙功能尖(舌尖)原有PEEK材料，臨床戴用6 個月效果顯示未見義齒牙尖有明顯磨耗。此外，因3D打印PEEK材料密度值低，本研究中新制作的3D一體化打印120#PEEK可摘局部義齒修復體與患者原有金屬修復體重量對比，觀察到PEEK修復體重量減輕在59%～65%之間(圖6A～B)。

A：可摘局部義齒支架軟件設計;B：最終完成的PEEK可摘局部義齒;C：最終完成的PEEK可摘局部義齒樹脂模型就位情況;D：最終完成的PEEK可摘局部義齒口內試戴情況圖4 D打印純PEEK可摘局部義齒支架

2.2 頜面缺損贗復體應用

2.2.1 制作上頜骨缺損阻塞器 在成功應用3D打印PEEK技術制作普通可摘局部義齒之后，作者嘗試將其用于制作大型頜骨缺損贗復體支架并獲得成功。患者為1 例因腫瘤切除致使半側上頜骨缺損病例，計劃行上頜骨阻塞器修復。治療過程同前，通過獲取數字化模型，在義齒設計軟件中設計出支架，通過PEEK打印機FDM打印(圖7A)，順利3D打印出純PEEK材料贗復體支架(圖7B)，去除支撐并表面拋光后獲得所需PEEK贗復體支架(圖7C)，后經常規排牙充膠等技工處理得到最終的上頜骨缺損阻塞器義齒。患者口內試戴，卡環適合性及固位良好，戴用6 個月后復查，患者對贗復體使用效果良好(圖7D)。

A：3D打印完成的PEEK可摘局部義齒;B：義齒修復前口內觀(面觀);C：義齒修復前口內觀(頰面觀);D：一體化3D打印PEEK可摘局部義齒烤塑后;E：義齒修復后口內觀(面觀);F：義齒修復后口內觀(頰面觀)圖5 3D打印一體化PEEK可摘局部義齒

A：一體化打印可摘局部義齒;B：傳統鈷鉻合金支架可摘局部義齒圖6 患者同一牙位不同材料可摘局部義齒重量

2.2.2 制作軟腭缺損語音球 該患者因咽部鱗狀細胞癌切除術后致使軟腭缺損，之前曾行普通鈷鉻合金支架語音球贗復，患者自訴贗復體過重且作吞咽動作時咽部不適。作者為其設計制作了3D打印的PEEK語音球支架，打印材料選用復合二氧化鈦的PEEK材料，順利打印出PEEK語音球支架(圖8A)；臨床試戴支架觀察到其與患者口腔軟硬組織貼合緊密，固位良好，后經制作二次印模、分割模型及圍模灌注等操作獲得軟腭缺損終模型(圖8B)，最后通過常規技工處理獲得最終的PEEK軟腭缺損語音球贗復體(圖8C)。患者反映新語音球贗復體戴用輕便，并且材料具有適當彈性，咽部不適感顯著減輕。

3 3D打印PEEK口腔修復體存在問題

3.1 美觀問題

目前3D打印PEEK技術研究主要用于人工胸骨、肋顱骨缺損補片等人體植入物等，因此對其成品外觀顏色并無特殊要求，一般呈現PEEK材料本身的棕褐色，但不能滿足牙科材料美學性能的要求。作者前期研究中曾嘗試利用數字化技術銑削紅色PEEK材料盤方法，獲得了顏色接近于口腔黏膜的全口義齒PEEK基板(圖9A)，成功制作了上頜半口義齒(圖9B)。3D打印技術優勢在于其不僅節省原材料，而且適合于研制多種接近牙本質色和牙齦色的3D打印PEEK基材料(圖10)。因此未來研制多種不同牙齦色/牙齒顏色3D打印PEEK材料是值得探索的研究方向。當前3D打印PEEK口腔修復體可以通過表面樹脂烤塑來解決美觀問題[13-14]，本研究進行期間未觀察到PEEK修復體飾面樹脂崩脫等不良情況，仍需長期隨訪。

A：3D打印PEEK設備;B：3D打印完成的PEEK贗復體支架(未去除支撐);C：3D打印完成的PEEK贗復體支架(去除支撐后);D：3D打印PEEK贗復體臨床初戴情況圖7 3D打印的純PEEK頜骨缺損阻塞器支架

A：3D打印完成的PEEK語音球支架(未去除支撐);B：臨床二次印模、分割模型及圍模灌注;C：最終完成的3D打印PEEK語音球贗復體圖8 3D打印PEEK語音球支架

A：數字化銑削牙齦色PEEK基托口內試戴情況;B：最終完成的數字化銑削牙齦色PEEK上頜半口義齒臨床試戴情況圖9 數字化銑削技術制作PEEK上頜半口義齒

3.2 強度問題

PEEK的彈性模量和硬度低于傳統的金屬合金，但其具有與金屬合金相近的抗磨損性能[15]。Nazari等[16]報道PEEK種植固定橋修復體的平均破壞荷載為(1 430±262) N，能滿足磨牙區正常的咬合力。根據PEEK卡環體外三維有限元分析研究，目前建議PEEK卡環寬度設計為3.00 mm、底部厚度為為2.25 mm，進入基牙倒凹深度0.50 mm時具有最佳的機械性能[17]。本研究驗證了3D打印PEEK制作可摘式口腔修復體具有臨床可行性，但應進一步研究如何提升材料強度與改進加工工藝。已有研究在3D打印PEEK基材中加入碳纖維、玻璃纖維或納米復合物來改善PEEK基材的機械性能及顏色[18]。關于3D打印PEEK打印條件的設置，目前認為拉伸強度的理想參數是打印速度60 mm/s，層厚0.25 mm，打印溫度370 ℃，填充率60%；最佳延伸率組合設定為打印速度為20 mm/s，層厚為0.25 mm，打印溫度370 ℃，填充率40%；彈性最佳組合為打印速度60 mm/s，層厚0.2 mm，打印溫度360 ℃，填充率為60%[19]。

3.3 精度問題

李欣欣等[20]曾應用數字化銑削方法制作一體化PEEK可摘局部，并在體外石膏模型上對義齒不同形態組件適合性作定量評價，結果顯示支托的平均間隙分別為(84.3± 23.6) μm、基托平均間隙為(32.5±27.8) μm、大連接體的平均間隙(49.9±9.96) μm。作者在上述研究基礎上，采用3D打印技術制作PEEK口腔修復體并在臨床實際戴用，觀察到修復體與患者余留牙和口腔黏膜貼合緊密，長期使用后未出現支架變形、食物嵌塞等不良現象，目前初步結論是3D打印技術制作的PEEK義齒能夠達到臨床要求，后續計劃將設計科學試驗以對修復體制作精度和口內密合情況進行定量分析，為臨床應用提供依據。

4 3D打印PEEK口腔修復體的未來展望

本臨床研究初步驗證了證3D打印 PEEK口腔修復體的可行性，雖然臨床效果良好，但其距離成熟臨床應用尚存很多問題亟待解決，例如：需要研制多種系列牙齦色和牙齒顏色PEEK打印材料以滿足臨床牙科美學性能要求，需要系統研究不同口腔修復體形式下PEEK材料的抗疲勞性能表現；應擺脫傳統金屬支架義齒設計理念條框，依據PEEK材料特性重新設計口腔修復體支架設計方案；3D打印PEEK修復體表面拋光工藝及檢測標準尚需研究；3D打印PEEK可摘局部義齒如何進行基托重襯或義齒維修；需要設計科學的隨機對照臨床試驗來驗證3D打印PEEK可摘義齒修復體性能,總體而言，作者認為3D打印PEEK口腔修復體有研究價值，并有望在可摘局部義齒和頜面缺損贗復體領域推廣應用，為臨床提供一種新型材料和制作方法選擇。