肿瘤侵犯、外伤和炎症等可导致颌骨的破坏，颌骨切除后会造成患者面部外观畸形和咬合咀嚼功能的丧失，这就要求精良的修复重建技术。理想的颌骨功能性重建需要达到的目标包括恢复颌骨连续性和完整性、维持患者正常容貌形态以及恢复患者咀嚼、吞咽、语言的正常生理功能。
目前颌骨修复重建以血管化骨瓣移植为主，如腓骨瓣、髂骨瓣等。进行颌骨重建时，需要根据上下颌骨的形态将移植骨塑形成颌骨的形态进行修复，这对于手术医生的操作、经验等要求很高，但是依靠主观经验的传统外科缺乏个性化精准术前评估和手术规划，术中缺少准确的引导定位，难以达到精确和功能性重建的目的。
近年随着3D打印技术和计算机辅助外科的日趋成熟，数字化外科技术在口腔颌面外科领域应用越来越广泛。通过联合计算机辅助设计（computer aided design,CAD），可以实现颌骨及肿瘤病灶的三维立体化；利用虚拟手术软件进行颌骨肿瘤切除与缺损重建，可减少术者对主观经验的依赖，制定个性化的治疗方案，提高手术精度，实现颌骨的精确重建；通过3D打印技术制作个性化手术导板及种植导板，可在导板的引导下行颌骨的病灶切除、移植骨塑形和种植体植入，从而获得满意的咀嚼功能。本文拟从功能性重建的角度，对3D打印技术在颌骨精确重建中的应用作一述评。
1. 3D打印技术在医学领域应用概述
目前3D打印在耳鼻喉、整形外科及骨科等领域应用广泛，多用于术中辅助肿瘤切除、耳廓再造、股骨头和关节置换以及颅骨修复等。3D打印技术最常应用方向为精确模拟硬组织，而颌面部手术常涉及颌骨重建、骨折和种植等相关颌骨手术，是3D打印技术理想的实现领域。诸多3D打印实现方案中，1∶1模型对疾病诊断和治疗方案制定有着重要意义，临床使用较为广泛。
Louvrier等对297篇文章进行综述后发现，3D打印最常见的临床适应证是种植牙和下颌骨重建手术，最常打印的物品是手术导板和解剖模型。Naros等通过3D打印技术直接制作实体模型，模拟标记手术切除范围并指导自体骨截取塑形，同时在此模型上预弯制重建钛板，获得了满意的外形修复效果。
2. 3D打印技术应用于颌骨功能性重建
2.1 数字化颌骨模型三维重建和术前虚拟手术规划
随着数字化外科技术的发展，术者可以通过软件对颌骨的图像进行三维重建。笔者通过术前将患者的CT数据（DICOM格式）导入到Proplan C.M.F.软件中，并进行断层数字图像多层面构建，重建颌骨与移植骨3D数字模型。根据CT成像灰度值差别确定病变区域与周围正常组织界线，重建颌骨病灶3D数字模型。
颌骨三维模型重建后，将病灶骨与上下颌骨三维重建模型拟合匹配至同一坐标系，根据临床病理类型，三维透视下制定颌骨截骨方案。对于颌骨良性肿瘤，截骨范围定为病灶骨外5 mm；对于颌骨恶性肿瘤病例，截骨范围一般定为病灶骨外10 mm；对于波及软组织恶性肿瘤且范围大于骨破坏范围者，截骨范围依据临床检查评估决定，以牙位为参照点设计截骨范围。最终生成剩余颌骨3D模型。
2.2 个性化手术器具设计及3D打印
2.2.1 数字化内固定钛板冲压塑形
对于因颌骨肿物膨隆而不能进行术前预弯内固定钛板的病例，可以通过颌骨镜像对移植骨塑形，3D打印出模型后由医生手工进行钛板预弯。但手工弯制钛板仍存在一定的误差，可根据虚拟手术规划方案，生成颌骨缺损重建后的三维数字模型，模拟固位螺丝与颌骨-腓骨复合体的三维位置关系，确保固位螺丝避开牙根、下牙槽神经管、种植钉孔等重要结构，根据颊侧外形轮廓，设计内固定钛板在其表面走形及位置，将数据输入冲压机床，在成型模具表面将商品化医用内固定钛板冲压塑形。相比手工弯制钛板，该方法精确度更高，重建钛板与移植骨之间更贴合，减小不良应力，且可以缩短手术时间，提高手术精确度。
2.2.2 颌骨截骨导板设计
利用影像学数据在软件中进行颌骨三维重建，可以实现颌骨病灶切除和移植骨塑形的模拟手术，并可以设计个性化的手术导板，从而将虚拟手术计划精准实施到实际临床操作中。手术导板包括颌骨截骨导板、移植骨重建定位导板等，通过导板进行手术可以获得良好的手术精确度。
笔者基于颌骨CT三维重建数字模型设计的颌骨截骨导板，其内表面与颌骨外形拟合匹配，外表具有固位钉孔，侧面设计有引导截骨功能的引导截面。根据虚拟手术规划方案，设计生成个性化手术器具三维数字模型，转换为STL格式并完成数据修正与预处理，导入3D打印机，以高精度光敏树脂（Visijet M3 Crystal）作为打印材料，由计算机控制完成3D打印工作。
术中将颌骨外侧软组织去除暴露颊侧皮质骨表面后，通过螺丝固定截骨导板，沿引导槽或引导截面进行截骨操作，从而实现肿瘤的精确切除。需要注意的是，在依照虚拟手术方案设计个性化手术导板时，必须考虑颌骨截骨导板的摆放位置及其与周围软硬组织的毗邻关系，可通过与下颌角、外斜线、梨状孔、颧骨、颧弓及牙齿等质地坚硬且位置稳定的相邻解剖结构紧密接触，达到准确就位、精确引导病灶骨切除的目的。
2.2.3 移植骨截骨导板设计
移植骨截取及塑形、转移至受区是影响颌骨精确重建的关键步骤。Schepers等使用简单覆盖于腓骨外表面的塑形导板，引导腓骨塑形与种植体植入，术后评估腓骨移植骨长轴无明显误差。虽然腓骨形态近似为圆条形，但不同部位截面形态迥异，加之表面软组织残留干扰腓骨塑形导板准确就位，容易使腓骨相对塑形导板发生旋转或上下移位，这将使颌骨重建与种植体植入精度产生较大误差。笔者根据虚拟手术规划方案，生成原始腓骨与截骨塑形后腓骨三维数字模型，在皮质骨表面设计截骨导板，导板贴合腓骨形态，从而减少腓骨的截骨与塑形误差。
2.2.4 种植导板设计
作为牙齿的承载骨，颌骨重建后应能发挥重要的咬合咀嚼功能。对于目前大量的颌骨缺损重建患者而言，尽管多数文献报道患者外观方面获得了良好的修复，但同期或延期完成咀嚼功能修复所占比例不足5%。
Urken等首先证明了在腓骨上行种植体植入是可行的，此后较多研究报道了在腓骨瓣上行种植体修复的效果。随着3D打印技术和数字化虚拟手术设计的发展，在术中实现同期牙种植成为可能。Sozzi等报告了22例患者在接受游离腓骨瓣重建颌骨后同期或延期植入牙种植体，患者术后生活质量得到很大改善；如果术中不立即植入种植体，需要平均11个月后才可以实施，口腔的功能修复将会延迟。
为了达到尽快恢复患者术后咬合咀嚼功能的目的，笔者以上下颌牙齿精确咬合关系为导向，设计了个性化腓骨移植-牙种植一体化导板，实施移植腓骨固位和牙种植体植入，一体化导板均需通过螺丝固位以确保手术精确实施。
为减少诸多钉孔对颌骨、腓骨造成损伤，在设计时将腓骨移植-牙种植一体化导板和数字化冲压钛板的钉孔预先标记在颌骨与腓骨三维数字模型上，并在此基础上设计颌骨、腓骨截骨导板固位钉孔，一方面确保了个性化手术器具精确就位，同时也在最大程度上减轻了对残余颌骨与移植腓骨的损伤，最终实现颌骨缺损重建同期牙种植。与传统方法相比，该方法可以在移植骨重建颌骨同时完成种植体植入，缩短手术时间的同时也降低了成本。所有导板设计后利用3D树脂打印机打印出来备用。
2.3 3D打印导板术中应用
手术由两组外科医师同时进行，其中一组医师完成颌骨病变切除及颈部血管预备工作，根据上下颌骨不同部位的肿瘤，切开皮肤皮下直至暴露骨面，分离截骨区域周围附着软组织，将个性化颌骨截骨导板放置在虚拟手术方案设计的截骨位置，钛钉固定颌骨截骨导板，沿截骨引导板切除病变颌骨。
另一组医生进行移植骨瓣的制备与塑形。以腓骨瓣为例，按常规方法制备腓骨瓣，将腓骨截骨导板移至预期位置，在导板截骨引导面完成腓骨瓣截骨，塑形完毕后取下截骨导板。
将术前通过数字化冲压预成型的重建钛板与腓骨移植-牙种植一体化导板及腓骨瓣组装固定，在腓骨移植-牙种植一体化导板引导下，逐级更换牙种植引导内环并制备种植窝，植入牙科种植体，将塑形后腓骨转移至受区，利用钛支架固定在残余颌骨两端。于显微镜下用8-0血管缝线进行血管吻合，重建腓骨肌皮瓣血运循环，缝合关闭口内外创口。术后3个月可行种植上部义齿修复。
2.4 3D打印技术应用于颌骨功能性重建术后精度评估
已有文献证实，计算机虚拟手术辅助颌骨重建手术相比传统经验式手术具有更高的精确性与安全性。Geusens等通过CT数据对比术前虚拟手术计划及术后的腓骨瓣修复下颌骨重建的位移程度，结果显示只有少数误差超过4 mm，说明3D打印技术可以实现虚拟手术的精确实施。
笔者通过将术前术后CT数据导入Mimics软件重建模型后，导入Geomagic Control软件进行术前术后模型拟合配准，运用偏差色谱分析基于点云配准测定腓骨的移植误差，同理测量双侧剩余颌骨骨量的相对位置改变。
除了移植骨和剩余颌骨的位移误差，牙种植体的精度评估也作为术后精度和功能恢复的主要评价对象。通过在Geomagic Control软件中将术前设计方案与术后重建模型拟合配准后，将牙种植体分割保存为STL文件，导入Proplan C.M.F.软件，测定种植体实际植入位置与术前设计方案的误差。
笔者对31例颌骨重建患者应用3D打印技术修复并同期植入牙种植体，对重建后的生物力学变化情况进行评估，重建的上下颌骨咀嚼最大应力值没有显著差异，最终种植体角度平均误差为5.69°，植入点与植入深度误差分别为0.72 mm和1.06 mm，种植体植入的精准度与非颌骨重建的一般数字化牙种植相仿，说明在虚拟手术设计和3D打印技术支持下，可以达到颌骨重建同期种植体植入预期的精准度和生物力学目标。
2.5 3D打印技术应用于颌骨功能性重建术后功能评估
利用3D打印技术恢复咬合功能后的牙列可以有效实施咬合咀嚼功能，Huang等使用放射线图像测量牙冠种植体比率、腓骨和修复后的牙齿长度，使用线性回归分析与腓骨重建下颌骨中植入物变量相关的咬合力，发现牙冠-种植体比、种植体牙列和腓骨瓣长度对口腔癌患者的咬合力或种植体成功率没有显著影响；然而，一旦这些变量的数值增加，就会出现咬合力减弱的趋势。
de Groot等比较了使用或不使用3D打印重建板的游离血管化骨瓣重建患者的口腔功能和健康相关生活质量（Health-related Quality of Life,HRQo L），结果表明使用3D技术进行一期重建的适当手术计划对咀嚼性能可能有益，最大张口度、咬合力和HRQo L差异未达到统计学显著性，但其综合评分有统计学差异。Buurman等对上颌骨病例虚拟手术设计的颌骨重建修复及种植体支持的赝复体修复进行咀嚼性能检测，发现在咀嚼效率方面二者并无太大差别，因此仍需探讨何种方式更为有效。
3.前景展望
过去20年，3D打印技术凭借其在产品形状定制化、成分可调等方面的优势，以惊人的速度取得了巨大的进步。3D打印技术被广泛应用于生物医学领域，尤其是颌骨修复重建。通过计算机辅助虚拟设计联合3D打印，不仅可以实现颌骨病灶的精确切除，利用手术导板及种植导板，在精确修复外形的同时，还可以兼顾咬合咀嚼功能的恢复，实现颌骨的功能性修复重建，极大提高患者术后的生活质量。
尽管发展迅速，3D打印仍存在手术周期长、费用较高等缺点，其中该技术所需要的时间成本是限制其发展及普及的最重要因素，计划和生产3D打印导板等的时间通常会影响手术进度，因此该技术不适合在紧急情况下使用。此外，一项关于3D打印的荟萃分析报告显示，3D打印技术获得的物体的准确性并不总是令人满意，可能是由于3D图像的初始分辨率造成的，伪影可能会影响图像的采集参数和分辨率，从而导致最终的体积误差。
随着新材料领域的不断拓展，基于3D打印技术的多种材料如金属材料、高分子聚合物、生物陶瓷材料及组织工程骨等应用于人体骨组织移植。3D打印金属已经被开发应用于头颈部的重建手术，特别是颅骨成型和下颌骨重建。
通过术前设计适合颌骨缺损形状的金属，3D打印个性化金属假体，可以更好地恢复外形，并通过可摘义齿或种植义齿修复，部分恢复其咬合功能。新型材料聚醚醚酮（polyetherether ketone,PEEK）作为一种聚芳族半结晶热塑性聚合物，其机械性能有利于生物医学应用，已应用于脊柱外科、整形外科、颌面外科等外科领域。
使用定制的PEEK修复颌面部缺损，术后无感染并发症产生，在术后美学和功能方面均获得满意的效果，并可以降低金属材料的最大Mises应力，削弱应力屏蔽效果。Shao等使用个体化定制3D打印生物陶瓷支架修复兔下颌骨缺损，陶瓷支架显示出相当大的初始弯曲强度并保持非常高的弯曲阻力。这些结果均表明定制的生物陶瓷支架在颌骨缺损重建中具有潜在应用价值。
通过3D打印技术制作的颌骨模型、手术导板等，可以为医生手术提供参考。但对于解剖较为复杂的上颌骨、小切口入路重建上下颌骨尤其涉及髁突等，依靠经验和导板不能完全解决问题，术中导航应用为实现手术的精准化带来可能。相比于单纯的3D打印模型，结合术中导航，术后外观更令人满意，患者情绪及焦虑感均较低。
