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口腔医学领域3D打印材料的研究进展

时间:2019-05-16 10:17 来源:未知 作者:中国3D打印机网 阅读:
       3D打印技术通常也叫做增材制造或者是增量制造(additive manufacturing),是建立在三维数学模型的数据基础之上,主要是利用连续的分层打印并且通过一层层的叠加,最终形成三维实体的技术。3D打印主要优点包括:提高制造精度、简化繁琐的制作过程、节约加工材料和人力资源,经济环保,缩短生产时间,提高生产效率,实现了个性化制作。在口腔医学领域,3D打印技术受到越来越广泛的应用以及研究,其中口腔修复学、口腔种植学、口腔正畸学、口腔内科学都有涉及,还包括生产用于牙科种植导板、颅颌面和整形外科植入物的制造,以及用于植入物和牙齿修复体的内冠和骨架的制造等等。
      随着口腔医学的不断发展,3D打印材料的研究已成为许多研究者的研究重点;近年来取得了较大突破,不断有新型3D打印材料应用于口腔医学领域。本文将从金属,高分子,陶瓷和生物活性材料这4大口腔医学领域的3D打印材料展开综述。
1.材料种类
1.1金属材料
      口腔医用金属产品要求金属材料具有良好的机械性能,化学特性,生物相容性和耐腐蚀性等等。对原料的要求也很高,包括纯度高、含氧量低、粉末粒度细、可塑性好、流动性好等特点。目前主要应用于口腔医学领域的3D打印金属粉末材料包括:钛、钛合金、钴铬合金、不锈钢等。其中,钛及钛合金材料具有密度小、精确度高、强度大的优点,并且该种材料有较好的生物相容性,被口腔医学领域视为比较理想的3D打印金属材料。尤其是在口腔颌面部位的修复、牙体组织的修复以及有关种植体制造等领域广泛使用。
    由于纯钛的一些性能的缺陷,例如纯钛的强度不如钛合金大,而且纯钛的弹性模量比骨组织的要高,很容易导致钛种植体和骨组织两者产生不相融和的机械应力。对于此,很多研究者都试图采用各种方式来改善纯钛的性能,例如在其表面增加涂层或者氧化纯钛的表面等。3D打印的钴铬合金也是口腔医学领域常用的修复材料。利用3D打印技术制造出,再采用修复技术将人工牙添加上去,这样的修复体进入口腔后便具有良好的密合性。由于使用的钴铬合金义齿支架与添加的人工牙采用了不同的材料,根据现阶段的技术设施,基本上不可能一次性打印出完整修复体。
       Traini等成型了梯度化Ti-6Al-4V钛合金多孔牙科种植体,具有更加优化的理化性能,抗拉强度、断面收缩率及延伸率均达AMs4999(美国材料协会发布的关于3D打印钛合金的相关标准)。Figliuzzi等使用激光烧结个性化钛合金(Ti-6Al-4V)种植体,拔除患牙后即刻种植修复,随访显示个性化种植体及美观效果良好。Traini等激光烧结钛合金试件,然后分别测量试件表面多孔层和内部致密层的弹性模量,前者接近骨皮质,后者接近机械加工的钛金属,表明这种方法加工钛合金种植体能减小表面应力,有利于种植体的长期稳定。
      Mangano等将激光烧结的窄直径种植体用于患者的后牙种植修复治疗,37例种植体随访2年后存留率为100.0%,成功率为94.6%。在物理机械性能、生物抗腐蚀性及相容性等方面,需要深入研究3D打印的有关金属产品是否与传统工艺制造的产品相同,是否按照国家的标准。目前,新兴金属材料在口腔医学领域依然处在体外研究的状态,尤其作为口腔植入材料的性能仍有很大的研究空间。
目前,3D打印技术不断发展,不断优化的设备性能和多样的金属打印材料,金属3D打印技术也会更加广泛的运用到口腔医学的各个领域中。
1.2高分子材料
       高分子材料已成为目前3D打印领域中基本的成熟的打印材料,塑料作为高分子材料的代表,具有较好的热塑性、流动性与快速冷却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,可以使其能够与陶瓷、玻璃、纤维、无机粉末、金属粉末等形成新的复合材料,在口腔医学中,聚乳酸、聚己内酯、聚富马酸二羟丙酯等属于比较常见的3D打印材料。聚乳酸(PLA)是一种具有良好的生物可降解性的环保材料,能在特定条件下被自然界中微生物完全降解,最终生成二氧化碳和水,不会造成环境污染,对环境保护非常有利,是公认的环境友好材料。其还具有半透明性和光泽质感,是口腔医学领域3D打印的理想材料。聚醚醚酮(PEEK)是一种热塑性聚合物,目前用于制作3D打印卫星、3D打印汽车零件,开始在3D打印行业发挥真正的影响。
     PEEK材料的优点包括,①PEEK材料弹性模量和人体骨骼相近,修复后颅骨的应力完整;②X射线透过性能好,不会产生金属伪影,不影响医学影像,方便检测术后恢复情况;③使用3D打印PEKK材料制成的结构比用传统的PEEK具有更好的抗菌性能,可以高温消毒再用;④PEEK本身具有很强的惰性,对头皮刺激非常小,排斥性低,稳定性高。目前用于制造义齿零件。
     从3D打印技术的发展状况而言,光固化立体成形属于发展最早也是最成熟的技术,并且得到了广泛的运用。3D打印光敏树脂即光固化树脂、UV树脂,是口腔医学领域应用广泛的高分子材料。对于口腔医学领域而言,液态树脂材料需要有优良的稳定性、较低的黏度、固化迅速且程度高等。有研究发现,液态光敏树脂可以打印成可生物降解组织工程支架,利用光固化快速成型技术制造形成的支架与人松质骨有比较相同的机械性能,并且具有促进成纤维细胞黏附与分化的作用。迅速发展的光固化树脂材料不断促进口腔医学的进步,有利于口腔医学更加个性化和精准化。
1.3陶瓷材料
       口腔医学领域的陶瓷材料要求具有良好的美观性和生物相容性,具有低密度、高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、化学稳定性好等优良的物理化学特性,其广泛应用于机械制造、航空航天、生物医疗等行业。因其优良的机械性能和美观性能,目前也用作口腔修复材料。氧化锆陶瓷用切削技术进行加工时会有很多材料被切除掉,造成浪费,导致全瓷冠的价格昂贵,而且还可能在义齿中有切削力造成的内裂。3D打印氧化锆陶瓷义齿对材料利用率可达90%以上,相对来说成本较低。
      3D打印氧化锆可减少材料浪费和环境污染,并可通过打印特殊内部结构来实现硬度等力学性能的仿生性。早期的氧化锆3D打印制造主要以激光烧结的方法为主,但存在制件致密度及成形效率低,表面粗糙和裂纹等问题。光固化成形陶瓷具有良好的表面质量和结构精度可控性,并迅速成为研究热点。目前,氧化锆材料3D打印过程中仍存在一些问题,如内部应力大、烧结后容易产生裂纹以及体积收缩大等,这些可能会影响其机械性能和临床适合性,陶瓷材料及其加工工艺仍需进一步研究。
1.4生物组织材料
       使用3D打印材料和技术生产具有良好生物性功能的人体细胞、组织以及器官等,是众多学者一直的追求。学者们不断探索3D打印技术,并且紧密结合了生物组织工程技术,制造具有生物功能性的人造细胞、组织和器官来替代需要修复的人体缺损组织。水凝胶是一种水溶性的高分子聚合物,其利用化学或物理的交联而产生,是一种3D网络结构。水凝胶有优良的生物相容性,可以构建组织工程支架,并且可以加工形成可控型释放药物的载体。但目前,3D绘图生物写入制造的水凝胶具有较低的硬度,可能导致结构崩溃或限制形状的复杂性,因此3D打印生物材料的最新进展将推进3D打印生物材料领域的进步和发展。
      在口腔医学领域中,不论是患者个性化定制的生物组织材料,还是现有的成品,3D打印产品在牙科和口腔手术中都发挥了重要作用。目前,3D打印技术基本上实现人牙髓细胞(human dental pulp cells,hDPCs)的生物打印,这奠定了3D生物打印技术更广泛的应用于牙体组织的基础。再者,人工骨材料羟基磷灰石与光敏高分子相融合可以用于制造含生物活性的骨组织工程支架。
        在种植学方面,3D打印个性化种植体成为即刻种植的趋势,对钛种植体表面进行修饰,可促进成骨细胞的生长分化,种植体具有更优良的特性。由于3D打印技术生成的微米表面的粗糙程度更容易被特定的细胞识别出来。具有微纳复合结构的种植体促进了细胞的增殖和延展,同时更利于细胞向成骨方向分化。在微纳复合结构提供的生理三维的仿生环境中,更利于细胞的伸展,从而更好地增殖与分化。
2.发展前景
       数字化3D打印技术为口腔医学的发展提供了先进的技术支持,面对3D打印技术的不断发展创新,我国政府部门一直在关注并且制定3D打印技术的发展规划,充分结合国内外3D打印技术新的发展阶段以及面临的新形势、新机遇、新需求,为口腔医学领域3D打印的发展提供了政策上的推动和保障。目前,3D打印数字化口腔医学凭借其高效、准确、安全等优点,能满足复杂、高度定制化和快速生产的口腔产品需求。在口腔修复学领域,各种材料的牙冠等修复体广泛应用,不论是牙齿颜色外形还是半透明度和荧光效果等等,都有了较高的仿真度,给患者带来了优质的就医体验和更加高效满意的修复效果。
     在口腔教学领域,3D打印作为未来口腔医学领域发展的重要技术,应尽早让学生接触和了解数字化口腔技术和流程,开阔学生思维和创造力,也让教学模式更加先进新颖。近年来,3D打印数字化口腔技术为口腔医学带来了高精度、低成本的口腔数据及产品。3D打印在口腔医学领域的应用和发展也将日益增强,因此口腔3D打印材料的研究和革新更是迫在眉睫。虽然目前来看,口腔医学领域的3D打印材料仍然存在一些问题,比如:打印材料大多依赖进口,导致价格高昂;3D打印技术工艺和设备还有待提高和完善;3D打印材料的质量和使用情况还需要进一步调查研究;还需建立相关规范和标准,对口腔医学领域3D打印材料的物理化学性能,机械性能,生物安全性等等做出规范。
       为了促进3D打印技术更广泛的运用在口腔医学领域,对于生物的安全性、机械性能以及打印技术的研发都需要进一步深入。可降解材料和活体细胞的3D打印、4D打印等高新科技是口腔医学领域未来3D打印探索的重要方向。同时在研究过程中,应该充分把握好国家的相关政策保障,当然还需要考虑CFDA(国家食品药品监督管理总局)政策的约束力,主要受限于医疗材料的认证机制以及新材料的周期等。相信在不久的将来,随着3D打印材料和支撑材料处理方法的发展和创新,口腔医学领域3D打印材料和技术将给口腔临床应用带来革命性的发展。

(责任编辑:中国3D打印机网)