3D打印技术在口颌面治疗中的应用进展

2017-5-22 11:05  来源:口腔颌面修复学杂志
作者:张雷青 董研 董星涛 阅读量:712

    3D打印(3D Printing)是20世纪80年代末产生和发展起来的一种新型制造技术,3D打印技术利用三维的计算机辅助设计数据,通过3D打印机,将材料一层层堆积,最终成为实体原型的技术,可直接、精确、自动、快速地将设计的虚拟物打印成为具有一定功能的原型或制造零件。3D打印技术避免了传统工艺在利用去除法成型过程中出现的材料浪费问题,可节约成本。另外,数字化的打印制造过程,可提高产品的精确性。研究表明经3D打印出来的产品,其精度可控制在与原物体的±200μm左右。充分将3D打印的以上优点运用于口腔临床操作,可真正实现口腔个性化制作服务。
    1.3D打印技术成型的种类
    3D打印技术的成型方式主要有熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling,FDM)、立体光固化成型(Stereo Lithography Appearance,SLA)、选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering,SLS)、选择性激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)、分层实体制造技术(laminated object manufacturing,LOM)、立体喷墨印刷技术(Ink jet based system)、直接金属烧结成型(Direct Metal Laser Sintering,DMLS)技术等。FDM又叫熔融挤出成型,在1988年首次由美国学者提出,其基本原理是将丝状的热熔性材料加热熔化,使材料层层堆积然后成型,这种成型方法的优点在于成本低,速度较快,机器的使用和维护简单,模型可根据不同需求选择不同的色区,缺点主要是精度低,复杂构件不易制造,需要支撑,所制作模型表面质量差,可用于种植手术中导板的制作、各种血管管腔的成型、骨和软组织重塑、成型包埋铸造蜡型等。
    SLA成型法也被叫做立体光刻成型,其利用光敏树脂在紫外光的影响下会固化的原理得到实体原型或零件。这项技术的主要优点是方便、快捷和高度自动化,主要的缺点是光固化成型设备结构复杂,机器的维护成本较高,且使用材料的成本昂贵,此技术被广泛应用于医学和工业设计等领域。
    SLS成型法利用离散和堆积成型的原理打印数字化设计的三维模型,该技术具有材料选择范围广、材料价格便宜、成本低、制造工艺简单、柔性度高、材料利用效率高、成型速度快等优点,主要缺点是产品的精度不高,目前,这项打印技术已被广泛应用于机械模具设计、航空航天、医学器材等领域。
    SLM成型法是利用三维数字模型的分层切片数据,打印成依据数字模型所得的最终产品,此技术的优点是对各种材料的适应性较强,且能实现精密金属零构件高精密度制造,并且高质、高效,主要的缺点是设备价格昂贵,后期的处理繁琐且设备维护成品高。该技术目前已成功运用于航空航天领域及电子军事领域,另外,此技术被广泛应用于口腔领域,用于制作镍铬合金及纯钛金属冠、固定桥、可摘局部义齿支架等。
    2.常用的3D打印材料
    塑料是最常用的3D打印材料,常用的种类是工程塑料,包括ABS塑料(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PLA(聚乳酸)、尼龙、PC(聚碳酸酯)等,这类材料常常被用做外壳材料和工业材料,运用这种材料打印的产物具有高强度、耐冲击、耐热、硬度强、抗氧化的优点,工程塑料是当前应用最为广泛的一类3D打印材料;金属材料,包括钛合金、钴铬合金、镍铬合金,不锈钢材料等,因金属易设计物体外形、力学强度及导电性强等优点,其在3D打印材料中应用前景最为广阔,由于各种金属材料的化学成分、物理性质不同,对金属粉末的性能要求也更为严苛;光敏树脂,常见的有Somos Next材料、Somos11122材料、Somos19120材料和环氧树脂,光敏树脂一般为液态,可用于制作高强度、耐高温、防水的材料;另外常被运用的3D打印材料包括陶瓷材料、橡胶类材料、彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料等。
    3.3D打印的设备
    1988年,世界上第一家3D打印机研发生产公司3DSystems推出了第一台3D打印机,型号为SLA250,之后3D打印设备经历了多次革新,令其性能更高,使用范围更广,且价格也更低。如今市场上各具特点的3D打印机玲琅满目,3D打印机可打印的产品也日趋增多,如康奈尔大学成功研制了食物打印机;以色列的ziv-Av Engineering公司用SD300pm打印出了折叠自行车等,可根据打印需求选购到各种适合打印特定产品的3D打印机。
    4.3D打印的数字建模设计软件
    3D打印过程中涉及的建模软件主要分为两大类。一类是艺术创作设计用软件,主要包括MAYA、3DMAX、Modo、Zbrush等,这类软件可通过调整点、线、面等进行细微的勾勒,更加贴合的完成设计,此类软件适合设计复杂的工艺结构图形,能完美的展现出物体,且过渡非常圆润;另一类是工业设计用软件,主要包括Sketchup、SolidWorks、PROE、UG等,这类软件通过参数化来对物体进行解析建模,操作方便,界面直观,且制作过程快速高效,适合初学者应用。
    5.3D打印技术在口腔医疗中的应用现状
    3D打印技术原则上可制造出任何形状的物体。在临床医学领域,可利用CT、MRI或激光扫描等获取组织器官的图像数据,经计算机图形软件处理,利用数字建模软件设计并重建数字化三维模型,再经过3D打印机就能制造出组织或器官的模型。利用这项技术可辅助临床诊断、帮助确定复杂手术方案、制作个性化赝复体、医学教学等。将3D打印技术应用于口腔颌面的治疗,突破了传统制作工艺繁锁、费时、费人力、费材料的弊端,给口颌面疾病的患者带来了福音。3D打印技术应用于口腔颌面疾病的治疗过程,在我国正处于起步发展阶段。
    5.1在口腔颌面外科的应用
    3D打印可辅助口腔颌面部手术设计和实施,并可将3D打印产品运用于颌面部缺损处。在实施手术前先运用CT扫描颅面部获取图像数据,在CT数据库内重建连续分层影像。选定一个可明确区分骨组织和软组织的范围值,转换成STL格式后在快速成型系统上重建三维模型,通过此模型配合3D打印出成品手术导板,手术固定装置,或者术后颌面部缺损修复体等可达到优化术前手术计划,进行更加精确的手术操作,减少手术时间和手术风险,同时有利医生和患者间交流,使患者更了解手术目的和局限性,并且这项技术若实现细胞水平的生物打印,再生器官组织,这对于对恶性肿瘤造成的颌面部缺损患者来说是具有极大意义的。
    Ciocca等利用3D打印技术打印修复成功下颌骨缺损病例一例,主要利用3D打印技术打印出缺损下颌骨模型,便于更直观的设计手术方案,指导定位下颌骨切除部位及指导截取腓骨瓣的部位,最终成功修复缺损下颌骨。屈振宇等选用了32例下颌发育不良病例,利用3D打印辅助进行双侧下颌升支矢状劈开接骨术,术前利用计算机扫描技术获得三维数据模型,利用3D打印技术制作下颌骨升支内侧水平骨切口的截骨导板,其中部分手术由年轻主治医师使用或不使用截骨导板来完成,并记录各位医师完成手术花费的时间,术后复查CBCT评估疗效。发现其中主治医师不使用导板组的手术用时明显高于使用导板组,从而可看出利用3D打印的技术可提高手术的效率,减少手术时间。
    5.2在口腔修复的应用
    3D打印技术在修复领域是运用最多的。将打印技术用于桩核、冠桥的制作:Sun等对预备后的牙体、桩道的内表面进行扫描,并获得三维数据后,根据对侧同名牙和邻牙的外形,并参照美学和功能的要求,利用计算机软件设计出修复方案,然后使用3D打印机利用金属材料或全瓷材料来制作冠桥或桩核。通过这种方法可以使完全依赖经验获得最终修复体的缺陷得以改善。配合反求工程及3D堆积成型技术制作桩核的研究显示,常规制作的桩核和3D打印制作的桩核边缘差异分别为47.99±9.26μm和45.95±8.09μm,二者比较无显著性差异,P>0.05。
    常规制作桩核和3D打印制作的桩核组织面与代型之间间隙,在根管口处,分别为104.31±14.14μm和79.33±9.69μm,二者比较有显著性差异,P<0.01;在根管中部,分别为83.91±12.86μm和80.68±10.74μm,二者比较无显著性差异,P>0.05;在根管底部,分别为108.51±13.61μm和82.05±11.46μm,二者比较有显著性差异,P<0.01。因此,3D打印技术制作个体化桩核优于临床常规铸造桩核,有良好的适应性。陈光霞等通过传统方法取模并制作模型,经过计算机扫描系统采集数据后,计算机辅助设计并采用3D打印技术打印出了个性化可摘局部义齿支架。
    通过精确测量分析后得出该打印成品的尺寸精度可达到±0.172mm。表面粗糙度可达到±4.11-12.02μm。通过这种方法简化了工序,且缩短了制作时间,节约生产材料,同时提高了生产精度。因此,利用3D打印技术制作可摘局部义齿支架是临床的必然趋势。王晓波等用纯钛粉、LRF-855激光快速成型系统及UG-NX2三维设计软件已设计制作出纯钛全冠。利用牙体缺损的数据,根据一般全冠修复的要求,利用LRF-855激光快速成型系统及UG-NX2三维设计软件来完成3D打印纯钛全冠。
    由于光固化立体成型是一种层层叠加增材制造技术,因此最终的成品几何性能受到每一层熔覆宽度和高度的影响,从而影响打印精度,因此打印时要设置好机器的参数。由于打印过程中采用的CO2激光发生器功率问题,使得打印过程中的单道宽度在1.3mm,单层高度在0.28mm左右,此参数不能满足修复体制作要求,实验最终得到的纯钛冠的高度及宽度要大于实际设计要求的数值。这个实验说明在3D打印过程中,还存在着很多的不足,主要涉及打印设备,打印设计的问题,所以将3D打印技术应用在临床,还有较多的难处需克服。
    佟岱等利用上颌骨缺损患者12例,采集患者缺损区的三维数据,经计算机辅助设计软件处理后,得到修复方案,利用3D打印技术得到缺损部位的树脂模型,接着利用得到的树脂模型制作个性化阻塞器,然后用磁件附着体连接可摘局部义齿和个性化的阻塞器。分析这12个病例的结果得出结论:由于阻塞器和可摘局部义齿是分次戴入患者的口内的,两者就位情况、固位、稳定等临床效果均较好,说明利用3D打印技术技术制取上颌骨缺损部位的模型是一种可行的方法;另外,这个过程结合了传统制作过程和新型3D打印技术,使得制作赝复体的过程简化,且在获得同样性能或更高性能前提下,可节约金属材料,过去由于减材制造过程中产生大量难以再利用的废屑,3D打印可提高利用率至60-95%,完成高性能低投入成形修复。利用扫描仪扫描超硬石膏模型,得到三维数据,使用CAD软件进行全口义齿的基托设计:包括填倒凹,网状支架,基托的伸展范围,组织终止线,组织终止点,支撑杆,将三维数据输送入义齿修复体打印机进行打印,完成全口上颌基托蜡型的制作。
    5.3在种植修复中的应用
    3D打印技术通过获取的缺牙区的三维数据,实现骨支持、黏膜支持以及牙支持三种水平的种植手术术中导板,使得种植体的植入更为精确。Hakan等做的一项临床试验证明,虽然应用黏膜支持导板技术可给医师带来操作上的便利及给患者减去手术过程带来的痛苦,但是由于术程视野受到影响,所以Hakan等通过CAD软件和Aytasarim系统软件最终得出结论,通过黏膜支持导板植入的种植体在牙冠部的偏差与设计的理想位置有平均1.12mm的差距,在根尖部的偏差与设计的理想位置有平均1.21mm的差距,在垂直方向的偏差与设计的理想位置有平均1.42mm的差距,种植体与理性的位置重叠后越能产生平均约为4.71度的偏差,这些偏差可能最终导致种植手术的失败,并最终得出结论,黏膜支持导板技术需要进一步的理论及技术支持。
    此外,利用3D打印技术还可制作除了成品种植体之外的个性化的种植体,通过CT、MRI扫描或激光数字化扫描,运用3D打印技术可加工出多种价格合理、更加精确、适合患者个性化颌骨解剖情况的种植体,这项技术若成熟应用后可大大减小手术难度,并可缩短手术的时间。
    5.4正畸治疗中的应用
    目前研究较热门的是利用3D打印制作隐形矫治器,通过3D打印获得更高精度的透明塑料矫治器,这不仅摆脱了传统治疗过程中的更换矫正弓丝的繁琐步骤,且实现了计算机辅助设计并制作矫治器的过程,使正畸治疗更方便高效;通过锥形束CT(CBCT)扫描仪和牙颌模型扫描仪获得牙齿数据,在CAD软件上设计个性化舌侧托槽,然后采用SLM技术打印与患者牙齿的舌侧面精密吻合的舌侧托槽,再通过转换托盘直接将托槽粘接在预先设计的位置上,该技术可以消除传统舌侧托槽需要依赖粘接剂厚度补偿的弊端。
    在正畸治疗的过程中,模型的制作、制取、保存起着诊断及治疗的关键作用,但在正畸治疗过程中,由于患者口内带有矫治器,所以使用传统的模型制取技术得到的石膏模型精度很难达到要求,以3D打印为基础的数字模型能很好的解决这个难题,结合3D打印技术打印出的实体模型精确度可达到很高的水平,Joshua等通过对10例二类错颌畸形患者模型进行3D打印出模型并对比其与普通石膏模型之间的精确度发现,3D打印模型因其可操作性、价格、精确度可取代传统石膏模型在正畸治疗中的应用,其精确度和传统模型之间的差异小于0.5mm。另外,在治疗OSHAS(阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征)患者过程中结合3D打印技术,利用三维头模设计可模拟牵引成骨术中截骨的位置及牵引器的安放,避免了重要解剖结构的损伤;若配合应用3D打印的个体化模板引导,则可以提高下颌骨牵引成骨术截骨及牵引器安放的精确性,缩短手术时间,降低手术难度及风险。
    5.5在牙体牙髓病、牙周病治疗中的应用
    3D打印技术在牙体牙髓病、牙周病治疗过程中的价值现阶段并不能直接体现,可通过三维影像重建根管系统的形态,并运用3D打印技术将重建的模型实体化,模拟根管治疗,指导临床操作,并可应用于牙体牙髓治疗的教学。另外,利用3D打印技术可打印出承载具有引导牙周组织再生的材料,进而实现牙周组织再生,但由于技术3D打印技术和牙周再生技术当前阶段均未完全成熟,现阶段这一技术仍处于研究阶段。
    将3D打印应用于口腔颌面治疗的制作过程,主要涉及三个重要环节:打印设备、数字建模设计软件及打印材料。目前,打印设备、设计软件技术已经基本具有可行性,打印材料由于制备困难,且国内大部分应用于打印的材料都依赖进口,所以材料创新是降低3D打印难度、实现3D打印的关键技术。如果能克服材料问题对3D打印的挑战,能促进3D打印成功的速度。材料的改革将给3D打印带来大的突破与进展,如将硅和氧化锌掺杂在的利用3D打印成型的磷酸三钙生物工程支架的打印粉末中,可增加其机械强度,并可促进支架的促进骨组织再生能力。
    将生物细胞融入3D打印材料,利用人牙髓细胞共混物三维生物来打印的技术,为三维生物打印技术应用于牙再生奠基础,同时,可为直接打印人体组织器官提供进一步的研究方向。3D打印技术对于口腔颌面的治疗是一种革命性的变革,是口颌面疾病常规治疗方法之外的又一选择。尽管该技术在口颌面治疗中的应用还较少,且3D设备价格高昂,难以实现普通医院及门诊常规配备,但随着人们广泛关注和深入研究,相信3D打印对于未来口腔医学的发展将起到更为重要的作用,成为口腔数字化制造技术的主流。

编辑: 陆美凤

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