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3D打印技術通常也叫做增材制造或者是增量制造(additive manufacturing),是建立在三維數學模型的數據基礎之上,主要是利用連續的分層打印并且通過一層層的疊加,最終形成三維實體的技術。3D打印主要優點包括:提高制造精度、簡化繁瑣的制作過程、節約加工材料和人力資源,經濟環保,縮短生產時間,提高生產效率,實現了個性化制作。在口腔醫學領域,3D打印技術受到越來越廣泛的應用以及研究,其中口腔修復學、口腔種植學、口腔正畸學、口腔內科學都有涉及,還包括生產用于牙科種植導板、顱頜面和整形外科植入物的制造,以及用于植入物和牙齒修復體的內冠和骨架的制造等等。
隨著口腔醫學的不斷發展,3D打印材料的研究已成為許多研究者的研究重點;近年來取得了較大突破,不斷有新型3D打印材料應用于口腔醫學領域。本文將從金屬,高分子,陶瓷和生物活性材料這4大口腔醫學領域的3D打印材料展開綜述。
1.材料種類
1.1金屬材料
由于純鈦的一些性能的缺陷,例如純鈦的強度不如鈦合金大,而且純鈦的彈性模量比骨組織的要高,很容易導致鈦種植體和骨組織兩者產生不相融和的機械應力。對于此,很多研究者都試圖采用各種方式來改善純鈦的性能,例如在其表面增加涂層或者氧化純鈦的表面等。3D打印的鈷鉻合金也是口腔醫學領域常用的修復材料。利用3D打印技術制造出,再采用修復技術將人工牙添加上去,這樣的修復體進入口腔后便具有良好的密合性。由于使用的鈷鉻合金義齒支架與添加的人工牙采用了不同的材料,根據現階段的技術設施,基本上不可能一次性打印出完整修復體。
Mangano等將激光燒結的窄直徑種植體用于患者的后牙種植修復治療,37例種植體隨訪2年后存留率為100.0%,成功率為94.6%。在物理機械性能、生物抗腐蝕性及相容性等方面,需要深入研究3D打印的有關金屬產品是否與傳統工藝制造的產品相同,是否按照國家的標準。目前,新興金屬材料在口腔醫學領域依然處在體外研究的狀態,尤其作為口腔植入材料的性能仍有很大的研究空間。
目前,3D打印技術不斷發展,不斷優化的設備性能和多樣的金屬打印材料,金屬3D打印技術也會更加廣泛的運用到口腔醫學的各個領域中。
1.2高分子材料
PEEK材料的優點包括
①PEEK材料彈性模量和人體骨骼相近,修復后顱骨的應力完整;
②X射線透過性能好,不會產生金屬偽影,不影響醫學影像,方便檢測術后恢復情況;
③使用3D打印PEKK材料制成的結構比用傳統的PEEK具有更好的抗菌性能,可以高溫消毒再用;
④PEEK本身具有很強的惰性,對頭皮刺激非常小,排斥性低,穩定性高。目前用于制造義齒零件。
1.3陶瓷材料
口腔醫學領域的陶瓷材料要求具有良好的美觀性和生物相容性,具有低密度、高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、化學穩定性好等優良的物理化學特性,其廣泛應用于機械制造、航空航天、生物醫療等行業。因其優良的機械性能和美觀性能,目前也用作口腔修復材料。氧化鋯陶瓷用切削技術進行加工時會有很多材料被切除掉,造成浪費,導致全瓷冠的價格昂貴,而且還可能在義齒中有切削力造成的內裂。3D打印氧化鋯陶瓷義齒對材料利用率可達90%以上,相對來說成本較低。
1.4生物組織材料
使用3D打印材料和技術生產具有良好生物性功能的人體細胞、組織以及器官等,是眾多學者一直的追求。學者們不斷探索3D打印技術,并且緊密結合了生物組織工程技術,制造具有生物功能性的人造細胞、組織和器官來替代需要修復的人體缺損組織。水凝膠是一種水溶性的高分子聚合物,其利用化學或物理的交聯而產生,是一種3D網絡結構。水凝膠有優良的生物相容性,可以構建組織工程支架,并且可以加工形成可控型釋放藥物的載體。但目前,3D繪圖生物寫入制造的水凝膠具有較低的硬度,可能導致結構崩潰或限制形狀的復雜性,因此3D打印生物材料的最新進展將推進3D打印生物材料領域的進步和發展。
在種植學方面,3D打印個性化種植體成為即刻種植的趨勢,對鈦種植體表面進行修飾,可促進成骨細胞的生長分化,種植體具有更優良的特性。由于3D打印技術生成的微米表面的粗糙程度更容易被特定的細胞識別出來。具有微納復合結構的種植體促進了細胞的增殖和延展,同時更利于細胞向成骨方向分化。在微納復合結構提供的生理三維的仿生環境中,更利于細胞的伸展,從而更好地增殖與分化。
2.發展前景
在口腔教學領域,3D打印作為未來口腔醫學領域發展的重要技術,應盡早讓學生接觸和了解數字化口腔技術和流程,開闊學生思維和創造力,也讓教學模式更加先進新穎。近年來,3D打印數字化口腔技術為口腔醫學帶來了高精度、低成本的口腔數據及產品。3D打印在口腔醫學領域的應用和發展也將日益增強,因此口腔3D打印材料的研究和革新更是迫在眉睫。雖然目前來看,口腔醫學領域的3D打印材料仍然存在一些問題,比如:打印材料大多依賴進口,導致價格高昂;3D打印技術工藝和設備還有待提高和完善;3D打印材料的質量和使用情況還需要進一步調查研究;還需建立相關規范和標準,對口腔醫學領域3D打印材料的物理化學性能,機械性能,生物安全性等等做出規范。