【解析】3D打印鈦及鈦合金在頜骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用

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(dān)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(dān)咀嚼壓力，因此，該修復(fù)體要恢復(fù)患者個(gè)性化的外貌，還要有足夠的機(jī)械強(qiáng)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(xì)胞和促骨生長因子來實(shí)現(xiàn)頜骨再生。

鈦及鈦合金具有優(yōu)異的機(jī)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(huì)出現(xiàn)一些并發(fā)癥，導(dǎo)致修復(fù)失敗。

3D打印技術(shù)具有完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dú)特的優(yōu)勢。因此，在數(shù)字醫(yī)學(xué)影像學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的協(xié)助下，3D打印鈦及鈦合金有望實(shí)現(xiàn)頜骨缺損個(gè)性化設(shè)計(jì)、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(gè)性化設(shè)計(jì)和制作金屬
3D打印技術(shù)包括選擇性激光燒結(jié)（SLS），選擇性激光熔化（SLM）和選擇性電子束熔化（selective electron beam melting，EBM），是以電子束或者激光為能量源，通過計(jì)算機(jī)將零件的三維實(shí)體模型通過計(jì)算機(jī)分層處理，轉(zhuǎn)變?yōu)槎�維數(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(shí)體制造具有高精度、高效率、低消耗的優(yōu)勢。

依據(jù)CT等影像數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件可以設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜修復(fù)體的制作，可以幫助我們實(shí)現(xiàn)頜骨的個(gè)性化修復(fù)。已有研究設(shè)計(jì)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。

Chen等設(shè)計(jì)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(shí)3D打印能夠設(shè)計(jì)和制作具有高密度、高強(qiáng)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(dòng)和較好的初期穩(wěn)定性。多孔或三維網(wǎng)狀等復(fù)雜精細(xì)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(xì)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(jì)并不容易，尤其是復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)更是難點(diǎn)。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?fù)鋬?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)。

1.2 3D打印鈦及鈦合金的機(jī)械性能
作為骨組織修復(fù)體，鈦及鈦合金的機(jī)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(huì)影響鈦及鈦合金的組織結(jié)構(gòu)，從而影響其機(jī)械性能。研究報(bào)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，EBM鈦合金是均一的針狀α相，在晶界處有少量β相。SLS制作鈦金屬的楊氏模量為104GPa左右，接近鍛造鈦金屬。SLM制作的Ti-6Al-4V的極限拉伸強(qiáng)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。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。作為頜骨組織修復(fù)體，疲勞強(qiáng)度是鈦合金修復(fù)體的一個(gè)重要性能。Joshi等報(bào)道垂直取向的EBM鈦合金的疲勞強(qiáng)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(qiáng)度明顯提高，具有和鍛造鈦合金相似的疲勞強(qiáng)度性能。

總的來說，3D打印技術(shù)制備的鈦及鈦合金的機(jī)械性能與鍛造鈦合金相似，仍高于骨組織。多孔或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以降低鈦及鈦合金的機(jī)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(jī)械強(qiáng)度，使其與骨組織更匹配。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(shí)現(xiàn)此類設(shè)計(jì)的精確制作，而金屬3D打印技術(shù)可以按照設(shè)計(jì)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(qiáng)度隨著孔隙率的增加而降低。EBM制備的孔隙率為61.5%的Ti6Al4V植入體，其抗壓強(qiáng)度為172MPa，彈性模量為3.1GPa，近似人骨組織。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(shí)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)單元經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)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。但是，孔隙結(jié)構(gòu)同樣會(huì)影響鈦合金的疲勞強(qiáng)度，有研究報(bào)道SLM制作多孔鈦合金的疲勞極限低于實(shí)心鈦合金�？紫堵什煌�的鈦合金，其抗疲勞強(qiáng)度也不同，但是，在低應(yīng)力作用下，多孔鈦合金的抗疲勞強(qiáng)度相似。

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(jì)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(jī)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(shí)驗(yàn)研究
有研究采用三維有限元對SLM打印的個(gè)性化純鈦髁突修復(fù)體的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，認(rèn)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(jì)和制作提供更可靠的技術(shù)保證。Schouman等采用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(rèn)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(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)了松動(dòng)，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(shí)EBM制作的鈦合金對骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖和成骨分化功能沒有影響，具有良好的細(xì)胞相容性，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(shí)，沒有引起機(jī)體的不良反應(yīng)，成功修復(fù)了下頜骨缺損的連續(xù)性。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(jī)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(bào)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(gè)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。Shan等應(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(gè)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(jì)和制作了個(gè)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(gè)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(shí)間，但是，3D打印鈦金屬需要的成本較高。

Suska等報(bào)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(jì)，3D打印制作了厚0.8mm的個(gè)性化鈦合金假體，體積約12 cm3，重53克，在假體與宿主骨斷端結(jié)合的部位設(shè)計(jì)為多孔結(jié)構(gòu)以促進(jìn)骨長入，增加假體的固位力。術(shù)后6個(gè)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(gè)性化修復(fù)體的設(shè)計(jì)和制作極為重要，而傳統(tǒng)工藝的制作不僅精度很難達(dá)到要求，而且制作過程既費(fèi)時(shí)間又耗費(fèi)材料。3D打印技術(shù)無需模具，精度較高，制作過程省時(shí)、省料。數(shù)字化醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)軟件和3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，有望實(shí)現(xiàn)頜面骨缺損修復(fù)體的個(gè)性化設(shè)計(jì)、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(huì)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(jì)會(huì)有一些偏差，有時(shí)甚至打印不完整。

研究發(fā)現(xiàn)3D打印的多孔鈦合金的微結(jié)構(gòu)會(huì)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(qiáng)度。金屬材料的成分、打印參數(shù)、后處理方式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均會(huì)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(jī)械性能的調(diào)整還需要進(jìn)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(jìn)行制備個(gè)性化頜骨鈦植入物，但作為頜骨植入物的動(dòng)物學(xué)實(shí)驗(yàn)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 administration，CFDA）批準(zhǔn)。2016年5月6日，國內(nèi)首例個(gè)性化金屬3D打印椎體植入物又獲得了CFDA的批準(zhǔn)。但是，至今還未有金屬3D打印頜骨個(gè)性化修復(fù)體準(zhǔn)入。因此，金屬3D打印個(gè)性化頜骨植入物仍需進(jìn)一步的動(dòng)物學(xué)驗(yàn)證、臨床觀察以及嚴(yán)格的注冊評(píng)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(huì)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。

編輯：南極熊
作者：王宏，胡敏，解放軍總醫(yī)院口腔頜面外科
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