王 驊，王 鷂，戚 文，張 彪，王 翔

(1.蕪湖市口腔醫(yī)院移植科,安徽 蕪湖 241000；2.吉林大學口腔醫(yī)學院， 吉林 長春 130012；3.安徽鴻昇3d 打印研究院公司技術部 ，安徽 蕪湖 241000)

口腔種植義齒被稱為人類第三副牙齒。自“骨結合”概念提出之后，臨床上對于牙列缺失、牙列缺失的患者們有了全新的解決方案[1]。醫(yī)用植入物的制作材料主要有金屬、合金、陶瓷、高分子材料和碳等。其中，鈦和鈦合金由于其良好的材料性能、生物相容性以及骨結合效果，被用于制作醫(yī)用植入物已有超過50年的歷史[2]?，F(xiàn)階段，主流的口腔種植體材料主要是商業(yè)純鈦(cp-Ti)和Ti-6Al-4V 合金(TC4)[3-5]。制造廠商通常使用壓模、鑄造、切削等傳統(tǒng)工藝，來進行種植體的批量生產。近年來，隨著人民生活水平的提高，定制型醫(yī)療服務逐漸成為醫(yī)學的重要發(fā)展趨勢。由于各個患者自身骨條件不同，標準型號的種植體常常不能滿足臨床需求，造成美學效果不佳、種植體松動、術后感染甚至種植體失敗等并發(fā)癥，增加患者的身體與經(jīng)濟負擔。在這種情況下，“個性化種植體”的概念應運而生[6]。個性化種植體具有以下優(yōu)點：解剖形態(tài)結構與缺失牙更接近，能夠有效增加種植體初期穩(wěn)定性，提高種植成功率; 能夠取得更好的美學效果，尤其缺牙發(fā)生在美學區(qū);與創(chuàng)口處的牙齦更貼合，減少手術創(chuàng)傷，減輕患者痛苦，減少愈合過程中炎癥和骨喪失發(fā)生的風險;與傳統(tǒng)模具制作相比，節(jié)約時間和成本;可根據(jù)具體需要定制具有不同表面形態(tài)、孔隙結構、材料成分的植體[7]，提高了單顆植體的生物相容性。然而，使用傳統(tǒng)加工工藝生產個性化種植體，不僅造價高昂、效率低下，還受到機器設備的制約。因此，落后的加工工藝一直是個性化醫(yī)療發(fā)展道路上的巨大阻礙。

3d打印目前已被公認為是最適合個性化醫(yī)療植入物的制造技術。對金屬3d 打印技術來說，使用的原材料——金屬合金粉末至關重要。制作粉末的工藝主要有：還原法、電解法、霧化法[8]。其中，還原法、電解法更適合單元素金屬粉末的制作，而霧化法多用于合金金屬粉末制備。目前，主流3d打印技術包括選區(qū)激光燒結(SelectiveLaserSintering，SLS)技術、選區(qū)激光熔化(SelectiveLaser Melting，SLM)技術及電子束熔融(ElectronBeamMelting，EBM)等[9]。其中，最經(jīng)典的SLS技術由C.Deckard提出，該技術可將80～300μm厚度的金屬薄層燒結在一起，直至完成整個種植體。通過在金屬粉末中混入別的聚合物，再結合脫脂、浸漬等其他加工程序，還可在植體上形成多孔結構、粗糙表面等特殊結構。本研究使用的3d打印制作牙種植體，是利用計算機設計軟件建立植體模型，通過3d 打印設備，將TC4粉末，按照3dCad模型層圖形，分層熔融，逐層疊加，形成個性化種植體，從而為患者提供定制型、個性化的修復，最大程度恢復缺牙的形態(tài)學、解剖學和力學功能。

1 方法和材料

1.1 使用的材料與設備

Ti-6Al-4V(TC4)鈦合金粉(3dsystems公司，主要成分：90%Ti，6%Al，4%V，粉末粒徑15～45μm)；ProXDMPFlex 350 3d直接金屬打印機；Temco 熱處理爐；JSM-6390LV電子顯微鏡；CMT5305微機控制電子萬能試驗機(640)。

1.2 三維數(shù)字化建模

運用 UG 軟件計算機三維設計個性化牙種植體(4.5mm×10mm)和實驗標準件(15mm×200mm)， 建立個性化牙種植體和實驗標準件數(shù)字化模型 (見圖 1a)。

1.3 三維數(shù)據(jù)處理

三維模型導出為 STL格式，導入設備控制軟件，執(zhí)行生成標準打印格式的文件，數(shù)據(jù)虛擬切層設置層厚度為 0.08mm。

1.4 3d打印制作

3d打印參數(shù)設置：激光功率 400W，掃描速度 100mm/s，鋪層厚度 30μm， 安裝成型基板。

設備打?。悍謩e在Prox3503d打印機上制造個性化牙種植體和實驗標準件，成型完成后取出制作件；熱處理爐熱處理(750℃/20min)，去除金屬件內部應力，防止工件變形開裂；真空退火，自然冷卻；金相噴砂拋光，全程氮氣保護。完成3d打印牙種植體(見圖1b)、3d打印牙種植體材料試驗標準件(見圖1c) 的制造。

(a)牙種植體數(shù)字化模型 (b)3d打印牙種植體 (c)3d打印TC4試驗標準件圖1

1.5 電鏡掃描觀察

種植體制備完成后，使用掃描電鏡觀察植體截面形態(tài)，加速電壓10kV,觀察倍數(shù)為2 000倍。

1.6 拉伸實驗

將3個試驗標準件用微機控制電子萬能試驗機進行拉伸實驗，連續(xù)施力，直至試樣斷裂或屈服變形，根據(jù)X、Y記錄儀測出應力按下列公式計算，抗拉強度(Rm)=Fm/S0，屈服強度(ReL)=F/S0，延伸率(A)=[(Lo-Lu)/Lo]×100。式中：Fm為最大拉伸應力，kN；S0為原始橫截面積，MPa；F為屈服力，kN；Lo為原始標距；Lu為斷后標距。

2 結果與討論

UG軟件設計3d模型(見圖1a)，制得的3d打印種植體(見圖1b)及實驗標準件(見圖1c)。研究中使用霧化法制作TC4金屬粉末，用于下一步的打印加工。使用的SLM技術， 是在SLS的基礎上，提高熔化粉末的能量強度，能夠顯著提高加工產品的精度及機械強度[10]。研究制得的個性化植體具有致密的微觀組織和良好的綜合性能。 電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，3d打印種植體截面組織結構緊密，表面形態(tài)規(guī)則，無分層現(xiàn)象， 韌窩較小且相對整齊，符合韌性斷裂特征(見圖2a)。而常規(guī)鑄造牙種植體截面， 組織結構粗糙，表面形態(tài)規(guī)則不規(guī)整，有分層現(xiàn)象，韌窩大小不均，形態(tài)各異(見圖2b)。

(a)3d打印種植體截面電鏡圖像圖 (b)常規(guī)鑄造種植體截面電鏡圖像圖2

3d制造TC4牙種植體的工藝屬于高新技術，對主要技術參數(shù)(激光功率、掃描速度、鋪層厚度)進行探索試驗表明：激光功率400W，試件組織結構最為致密，TC4粉末顆粒燒結更加完全，有效提高了試件的硬度；掃描速度100mm/s， TC4粉末顆粒燒結最為充分，掃描速度的提高試件球化現(xiàn)象也將增高，燒結能量有所下降引起粉末燒結不全缺陷增加；鋪層厚度30μm，試件硬度最強，當鋪層厚度增加時導致粉末燒結不完全。

制造TC4試件時，運用退火處理的方式，使金屬內部組織結構更細密，釋放了之前工序產生的內應力，從而獲得了良好的機械性能。

制得的TC4試件鈦合金材料抗拉強度1 104.38±4.04MPa、 屈服強度964.07±21.84MPa、 延伸率11.27%±0.01%(見表1)，達到國家GB-T 13810-2007標準中牙種植體的機械性能標準，滿足臨床應用要求。

表1 3d打印制作牙種植體材料的力學性能

另一方面，利用數(shù)字化建模，可以制造幾何形態(tài)復雜、孔隙結構梯度變化的個性化植體。這種擁有個性化設計的植體，能夠更好的貼合牙槽窩骨壁及軟組織， 剛度更接近種植體-骨界面，有效減少應力遮擋效應，防止新生骨的再吸收[11]， 符合醫(yī)療精細化、個性化的發(fā)展趨勢。

3d打印TC4牙種植體的臨床應用是運用“CBCT數(shù)字化X線三維影像、CADCAM三維數(shù)字化建模、3d打印椅旁制造TC4個性化牙種植體、即刻種植手術修復缺失牙”的新興集成技術，是口腔種植的發(fā)展方向。通過3d打印技術鑄造出的鈦合金種植體其細胞毒性水平滿足口腔種植材料的臨床應用要求[12]。3d打印制造的牙種植體，表面結構更有利于骨結合。機械學性能高于國家標準。

3 結論

3d打印技術制造的種植體材料，其機械性能達到國家標準，滿足臨床應用的機械需求。除此以外，該技術與傳統(tǒng)工藝相比，還具有加工周期短、耗費成本低、材料利用率高、可自由成形等優(yōu)點，是制作個性化種植體的良好方法。