王宏 胡敏

3D打印鈦及鈦合金在頜骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用*

王宏 胡敏

頜骨缺損的修復(fù)目的包括恢復(fù)其個性化的外貌和有效的咀嚼功能，這對頜骨修復(fù)體的可塑性和機械性能要求較高。3D打印技術(shù)制備的鈦及鈦合金修復(fù)體不僅與缺損區(qū)的外形結(jié)構(gòu)完全一致，而且機械性能可調(diào)控，更接近頜骨組織，能夠承受咀嚼壓力，在顱頜面外科領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用前景。

頜骨缺損；修復(fù)；3D打??；鈦；鈦合金

頜骨是顱面骨的重要組成部分，維系著面部外形的完整，承擔著咀嚼功能，與吞咽、語言、呼吸等功能密切相關(guān)。頜骨修復(fù)體植入體內(nèi)后，不僅受到周圍肌肉的牽拉作用，還要承擔咀嚼壓力，因此，該修復(fù)體要恢復(fù)患者個性化的外貌，還要有足夠的機械強度來保證其在體內(nèi)的穩(wěn)定和功能的行使，最好還能作為組織工程支架加載具有成骨潛能的細胞和促骨生長因子來實現(xiàn)頜骨再生[1]。鈦及鈦合金具有優(yōu)異的機械性能、低質(zhì)量、耐腐蝕及良好的骨結(jié)合能力，在口腔頜面外科領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。鈦及鈦合金可以制作鈦板、鈦網(wǎng)、固位螺絲、人工假體等來修復(fù)頜面骨缺損。由于頜骨復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)和外形輪廓，傳統(tǒng)的工藝無法精確制備出和缺損區(qū)在形態(tài)、生物力學(xué)等特征完全相匹配并能完成義齒修復(fù)的鈦合金修復(fù)體，因此，在術(shù)后常常會出現(xiàn)一些并發(fā)癥，導(dǎo)致修復(fù)失敗[2]。3D打印技術(shù)具有完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計和比較精確、快速制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜的，尤其是在不僅外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)同樣復(fù)雜的顱頜面骨缺損修復(fù)體的潛力和獨特的優(yōu)勢。因此，在數(shù)字醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)和計算機輔助設(shè)計軟件的協(xié)助下，3D打印鈦及鈦合金有望實現(xiàn)頜骨缺損個性化設(shè)計、制作和修復(fù)的目的。本文綜述了近些年3D打印鈦及鈦合金在頜骨缺損修復(fù)領(lǐng)域的相關(guān)研究。

1．3D打印鈦及鈦合金的優(yōu)勢

1．1 個性化設(shè)計和制作金屬3D打印技術(shù)包括選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering, SLS),選擇性激光熔化(selective laser m elting, SLM)和選擇性電子束熔化(selective electron beam m elting, EBM), 是以電子束或者激光為能量源，通過計算機將零件的三維實體模型通過計算機分層處理，轉(zhuǎn)變?yōu)槎S數(shù)據(jù)，然后通過3D打印設(shè)備，金屬粉末逐層熔融、堆積，完成實體制造具有高精度、高效率、低消耗的優(yōu)勢[3,4]。依據(jù)CT等影像數(shù)據(jù)和計算機輔助設(shè)計(com puter aided design，CAD)軟件可以設(shè)計出與患者頜骨結(jié)構(gòu)和外形相一致的修復(fù)體，還可以設(shè)計多孔/網(wǎng)狀等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，通過金屬3D打印技術(shù)實現(xiàn)這些復(fù)雜修復(fù)體的制作,可以幫助我們實現(xiàn)頜骨的個性化修復(fù)。

已有研究設(shè)計并采用SLM制作中空的純鈦下頜骨髁突，該髁突不僅質(zhì)量輕，而且完全重塑了髁突的解剖外形，與患者的顳下頜關(guān)節(jié)相匹配[5]。Chen等[6]設(shè)計和應(yīng)用SLM制作了2種上頜切牙種植體，一種為根形種植體，另一種為根形螺紋種植體，結(jié)果證實3D打印能夠設(shè)計和制作具有高密度、高強度和高精度的根形種植體，根形螺紋種植體具有更好的應(yīng)力分布，較低的微動和較好的初期穩(wěn)定性。

多孔或三維網(wǎng)狀等復(fù)雜精細的結(jié)構(gòu)可以降低鈦及鈦合金修復(fù)體的質(zhì)量，還為細胞和血管的長入、營養(yǎng)物質(zhì)的輸送提供空間。但是，頜骨外形為不規(guī)則的曲面，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計并不容易，尤其是復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化設(shè)計更是難點。初期下頜骨三維網(wǎng)狀組織工程支架建模研究顯示將3D打印技術(shù)與有限元拓撲優(yōu)化相結(jié)合，能夠獲得理想的下頜骨網(wǎng)狀支架結(jié)構(gòu)[7]。

1．2 3D打印鈦及鈦合金的機械性能作為骨組織修復(fù)體，鈦及鈦合金的機械性能與其植入體內(nèi)后的穩(wěn)定性、安全性與成骨能力密切相關(guān)。3D打印技術(shù)的工藝與金屬傳統(tǒng)方法如鑄造、鍛造、粉末冶金等不同，不同的制作工藝會影響鈦及鈦合金的組織結(jié)構(gòu)，從而影響其機械性能。研究報道鍛造鈦合金的顯微組織結(jié)構(gòu)主要是粗大的、板狀或針狀α相間雜部分β相，鑄造鈦合金為α造鈦相，SLM鈦合金為α’馬氏體混合α相[8]，EBM鈦合金是均一的針狀α相，在晶界處有少量β相[4]。SLS制作鈦金屬的楊氏模量為104GPa左右，接近鍛造鈦金屬[9]。SLM制作的Ti-6A l-4V的極限拉伸強度和屈服應(yīng)力于鍛造相似，優(yōu)于EBM。EBM的延展性優(yōu)于鍛造、SLM和鑄造，SLM的延展性較差[8]。EBM的硬度高于SLM和鍛造鈦合金，而SLM和鍛造鈦合金的硬度相似[10]。作為頜骨組織修復(fù)體，疲勞強度是鈦合金修復(fù)體的一個重要性能。Joshi等[11]報道垂直取向的EBM鈦合金的疲勞強度高于水平取向的鈦合金。經(jīng)過熱等靜壓處理后，EBM制備的鈦合金的疲勞強度明顯提高，具有和鍛造鈦合金相似的疲勞強度性能[12]。總的來說，3D打印技術(shù)制備的鈦及鈦合金的機械性能與鍛造鈦合金相似，仍高于骨組織[13]。

多孔或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以降低鈦及鈦合金的機械性能，調(diào)整多孔或者三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)參數(shù)可以精確調(diào)控鈦合金的機械強度，使其與骨組織更匹配[14-16]。但是，粉末冶金、發(fā)泡法、纖維燒結(jié)等多孔金屬方法無法實現(xiàn)此類設(shè)計的精確制作，而金屬3D打印技術(shù)可以按照設(shè)計精確制作出孔隙完全相互貫通的復(fù)雜的多孔或三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。3D打印制備的多孔鈦合金的剛度和抗壓強度隨著孔隙率的增加而降低[17-19]。EBM制備的孔隙率為61．5%的Ti6A l4V植入體，其抗壓強度為172MPa，彈性模量為3．1GPa，近似人骨組織[20]。通過檢測3D打印三維網(wǎng)狀鈦合金支架的力學(xué)性能，證實三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)單元經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的網(wǎng)狀鈦合金支架的生物力學(xué)性能可以滿足下頜骨修復(fù)的需求[21]。但是，孔隙結(jié)構(gòu)同樣會影響鈦合金的疲勞強度，有研究報道SLM制作多孔鈦合金的疲勞極限低于實心鈦合金?？紫堵什煌拟伜辖?，其抗疲勞強度也不同，但是，在低應(yīng)力作用下，多孔鈦合金的抗疲勞強度相似[22]。因此，應(yīng)該依據(jù)鈦及鈦合金修復(fù)體應(yīng)用部位的力學(xué)要求，經(jīng)過力學(xué)分析來設(shè)計應(yīng)力分布更合理的修復(fù)體，通過3D打印技術(shù)來調(diào)整其機械性能，使其與骨組織相匹配，保證修復(fù)體在體內(nèi)能夠穩(wěn)定的行使功能,目前，這方面的研究還很少。

2．3D打印鈦及鈦合金在頜骨修復(fù)領(lǐng)域的實驗研究

有研究采用三維有限元對SLM打印的個性化純鈦髁突修復(fù)體的應(yīng)力分布進行了分析，認為3D打印和有限元分析可以為顳下頜關(guān)節(jié)的修復(fù)重建的設(shè)計和制作提供更可靠的技術(shù)保證[5]。

Schouman等[23]采用EBM制作了兩種不同剛度(高和低相差10倍)的多孔鈦金屬支架修復(fù)羊下頜骨18mm的節(jié)段性缺損，結(jié)果低剛度多孔支架內(nèi)新骨長入量多于高剛度支架，認為通過調(diào)整3D打印多孔鈦支架的剛度可以改善骨組織的長入。但是，低剛度多孔鈦合金支架的固位螺絲在實驗過程中出現(xiàn)了松動，這提示該支架的力學(xué)性能仍與下頜骨組織不相匹配。

研究證實EBM制作的鈦合金對骨髓間充質(zhì)干細胞的增殖和成骨分化功能沒有影響，具有良好的細胞相容性[24]，應(yīng)用EBM制作的三維網(wǎng)狀鈦合金支架修復(fù)比格犬下頜骨缺損時，沒有引起機體的不良反應(yīng)，成功修復(fù)了下頜骨缺損的連續(xù)性[25]。該研究提示EBM制作的三維網(wǎng)狀鈦合金支架具有良好的生物相容性，而且該三維網(wǎng)狀支架有望作為骨組織工程支架應(yīng)用于下頜骨缺損的修復(fù)。

3．3D打印鈦及鈦合金在頜骨修復(fù)領(lǐng)域的臨床研究

3D打印鈦及鈦合金修復(fù)體最終要應(yīng)用于人體，其術(shù)中的可操作性、與骨缺損區(qū)的匹配性、植入后的修復(fù)效果、對機體有無不良作用、能否在體內(nèi)長期穩(wěn)定的存留及能否正常行使功能是我們所關(guān)注的。

有研究報道依據(jù)患者的術(shù)前CT及其修復(fù)意愿，通過CAD軟件和3D打印設(shè)備制作了厚度為0．6mm的鈦網(wǎng)，加載自體骨顆粒和Bio-Oss來修復(fù)上頜萎縮的牙槽骨。該鈦網(wǎng)僅靠自身固位，未采用其它固位方式。術(shù)后8個月，牙槽嵴的垂直高度和水平寬度分別增加了2．57mm和3．41mm，取出鈦網(wǎng)后行種植體植入，咬合功能恢復(fù)良好[26]。Shan等[27]應(yīng)用鏡像技術(shù)和3D打印設(shè)備制作了厚度為1mm的鈦網(wǎng)，復(fù)合自體腓骨修復(fù)了因腫瘤切除導(dǎo)致的2例Ⅲ型和Ⅴ型上頜骨缺損，2例下頜骨頦部缺損，所有患者術(shù)后愈合良好，未出現(xiàn)并發(fā)癥，面部的外形輪廓均得到了良好的恢復(fù)。

由于成品鈦網(wǎng)的外形無法與患者的頜骨外形完全一致，在術(shù)中常需要預(yù)彎，而鈦網(wǎng)的預(yù)彎操作較難，另外，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整的鈦網(wǎng)容易疲勞，導(dǎo)致斷裂，最終使得修復(fù)失敗。3D打印個性化的鈦網(wǎng)與患者缺損區(qū)相一致，術(shù)中易操作，而且術(shù)后的外形修復(fù)效果好，在頜骨修復(fù)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

有研究依據(jù)患者的CT，鏡像技術(shù)、CAD和EBM打印設(shè)備設(shè)計和制作了個性化的純鈦導(dǎo)板、重建鈦板和附帶承重板的鈦網(wǎng)，修復(fù)4例下頜骨缺失的患者。個性化導(dǎo)板用于在術(shù)中指導(dǎo)切除頜骨，重建鈦板和鈦網(wǎng)用于固定血管化的腓骨或游離自體骨來修復(fù)缺損，結(jié)果證明3D打印鈦修復(fù)體在術(shù)中的操作和匹配性較好，節(jié)約了手術(shù)時間，但是，3D打印鈦金屬需要的成本較高[28]。

Suska等[29]報道1例3D打印技術(shù)制作鈦合金修復(fù)體修復(fù)節(jié)段性下頜骨缺損?；颊咭蚰[瘤切除左側(cè)下頜骨體及下頜角，通過CAD軟件設(shè)計，3D打印制作了厚0．8mm的個性化鈦合金假體，體積約12cm3，重53克，在假體與宿主骨斷端結(jié)合的部位設(shè)計為多孔結(jié)構(gòu)以促進骨長入，增加假體的固位力。術(shù)后6個月，患者外形輪廓恢復(fù)較好，精神狀態(tài)良好。

4．總結(jié)與展望

由于頜面骨組織的解剖形態(tài)和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，鈦合金個性化修復(fù)體的設(shè)計和制作極為重要，而傳統(tǒng)工藝的制作不僅精度很難達到要求，而且制作過程既費時間又耗費材料。3D打印技術(shù)無需模具，精度較高，制作過程省時、省料。數(shù)字化醫(yī)學(xué)、計算機軟件和3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，有望實現(xiàn)頜面骨缺損修復(fù)體的個性化設(shè)計、制作和修復(fù)。這些技術(shù)為頜骨缺損修復(fù)的術(shù)中操作和術(shù)后效果的分析提供了極大地便利。減少了患者的就診次數(shù)，有助于口腔頜面外科的醫(yī)生與患者的溝通，改善了頜骨修復(fù)的效果。

但是，金屬3D打印技術(shù)尚不完美，3D打印過程中許多因素都會影響金屬的性能，多孔或者三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的打印精度和設(shè)計會有一些偏差，有時甚至打印不完整[30]。研究發(fā)現(xiàn)3D打印的多孔鈦合金的微結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)一些小的缺陷，比如銳角，容易造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋形成，降低鈦合金的抗疲勞強度[24]。金屬材料的成分、打印參數(shù)、后處理方式、結(jié)構(gòu)設(shè)計均會影響3D打印金屬修復(fù)體的性能，關(guān)于3D打印技術(shù)制備鈦及鈦合金頜骨修復(fù)體的生物學(xué)性能和力學(xué)性能的研究還較少，如表面性能的改善和機械性能的調(diào)整還需要進一步研究。

目前，在國內(nèi)外已能成熟應(yīng)用金屬3D打印技術(shù)進行制備個性化頜骨鈦植入物，但作為頜骨植入物的動物學(xué)實驗研究和臨床研究還很少。2015年8月，國內(nèi)首例金屬3D打印髖臼杯已獲得國家食品藥品監(jiān)督管理總局(China food and drug adm inistration，CFDA)批準[31]。2016年5月6日，國內(nèi)首例個性化金屬3D打印椎體植入物又獲得了CFDA的批準。但是，至今還未有金屬3D打印頜骨個性化修復(fù)體準入。因此，金屬3D打印個性化頜骨植入物仍需進一步的動物學(xué)驗證、臨床觀察以及嚴格的注冊評審后才可以應(yīng)用于臨床。隨著3D打印技術(shù)和相關(guān)設(shè)備的發(fā)展，3D打印鈦及鈦合金的成本也會逐漸降低，3D打印鈦及鈦合金在頜骨修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用極具前景。

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Progressof titanium and itsalloy fabricated by 3D printing technique in jaw defects reconstruction

WANGHong,HUMin(Department of Stomatology,Chinese PLA General Hospital and Chinese PLA Medical School, Beijing 100853,China)

The aim s of mandibular reconstruction are to restore the individual appearance and effective masticatory function, which demand high plasticityand mechanical properties of dental implants. Titanium an its alloy implants fabricated by 3D printing techniquenot only have identical outer structure with bone defects, but also have adjustable mechanical properties to endure masticatory pressure, which has w ide application prospect in the field of craniofacial surgery.

jaw defect; reconstruction; 3D printing technique; titanium; titanium alloy

R782

A

1672-2973(2017)02-0117-04

2016-08-13)

王宏 解放軍總醫(yī)院口腔頜面外科主治醫(yī)師博士生北京100853

胡敏 通訊作者解放軍總醫(yī)院口腔頜面外科主任醫(yī)師教授北京100853