3D打印技術又稱3D快速成型技術或增材制造技術，是一種以數字模型數據為基礎，運用粉末狀金屬、塑料以及生物材料等多種可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，該技術由Charles W.Hull于1986年首次提出。此后，隨著數字化技術應用的增多和制造業(yè)的發(fā)展，3D打印技術取得了重大進展，并被成功應用于頜面外科、修復、正畸和牙體根管預備等眾多口腔醫(yī)學領域。與其他制作方法相比，3D打印技術具有更加精確、快速、易于生產且成本效益高等優(yōu)點，而且還提供了可單獨或組合打印多種生物材料和打印具有復雜設計結構對象的多功能性。
目前，3D打印技術在各學科領域的應用進展迅速，其中在口腔材料領域的應用主要體現(xiàn)在以下4個方面：（1）根據數字影像資料打印出牙齒模型用于模擬臨床操作和教學；（2）利用3D打印技術制造手術輔助工具或器械；（3）打印個性化的種植牙部件或其他修復體，以修復牙齒或頜骨缺損；（4）將3D打印技術應用于組織工程和再生醫(yī)學領域，打印具有生物活性的支架材料用于牙齒、頜骨、牙周等再生研究。本文對3D打印技術在口腔材料領域的應用現(xiàn)狀做一綜述，包括常用的方法、基本步驟、可打印材料以及當下面臨的問題4個方面。
1.3D打印的方法
目前在口腔醫(yī)學中應用最廣泛的3D打印方法包括熔融沉積模型法（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）、電子束選區(qū)熔化技術（selective electron beam melting，SEBM）、選擇性激光燒結法（selective laser sintering，SLS）、立體光刻法（stereolithography，SLA）、噴墨打印法（poly jet printing）以及生物打?。╞ioprinting）技術等。
FDM是在臨床醫(yī)學以及口腔醫(yī)學中最早應用的3D打印方法，具有應用范圍廣、打印質量可靠、安裝方便、費用較低等優(yōu)點，可打印丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（acrylonitrile butadiene styrene，ABS）和聚乳酸（polylactic acid，PLA）等材料。FDM的基本過程包括：將打印材料熔化后送入熱噴嘴，擠壓至二維平面，在噴嘴升高或打印機床下降時實現(xiàn)逐層打印。相比較而言，F(xiàn)DM更適用于打印解剖結構較為簡單的模型，比如牙齒或各種修復體的模型、教具等；對于設計結構非常復雜的對象，其存在打印時間變長、色彩選擇受限、打印精準度下降以及支撐材料難以清除的缺點。
SEBM是20世紀90年代中后期發(fā)展起來的一種粉末床熔融型3D打印技術，該技術在真空環(huán)境下成形，具有能量利用率高、掃描速度快、成形應力低等突出優(yōu)點，特別適合高活性、高熔點、脆性難加工的金屬材料的直接成形。
其基本流程為：（1）將所設計目標物按一定的厚度切片分層，得到所有二維信息；（2）在真空環(huán)境下以電子束為能量源，在電磁偏轉線圈的作用下由計算機控制，根據各層截面的CAD數據對鋪好在工作臺上的粉末層進行掃描熔化，一層加工完成后，工作臺下降一個層厚的高度，再進行下一層鋪粉和熔化，直至零件加工完后從真空箱中取出；（3）用高壓空氣清除松散粉末，得到三維零件。目前，SEBM技術制備的鈦合金植入體已在醫(yī)用骨科植入材料領域取得了成功，多孔鉭和鈷鉻合金也在臨床得到了試用，未來市場將會呈現(xiàn)出爆發(fā)式的增長趨勢。
SLS和SLA都是采用激光進行逐層掃描的對象構建，SLS采用粉末狀材料進行打印，而SLA則是基于液體樹脂材料進行打印。二者均克服了FDM打印精度不足以及打印原材料受限的缺點，但容易出現(xiàn)打印物體聚合收縮的現(xiàn)象。在醫(yī)學領域，SLS和SLA技術主要用于打印具有生物相容性的聚合體植入物，包括打印具有復雜幾何結構的對象以及可生物降解的組織工程支架等。噴墨打印法是目前打印精度最高的3D打印技術，其操作原理為：以超薄層（16μm）的狀態(tài)將光敏聚合材料逐層地噴射到構建托盤上，直至部件制作完成。
每一層感光聚合材料在被噴射后立即用紫外線光照進行凝固，從而制作出完整的模型，可立即進行搬運與使用，而無需等待凝固。全部流程由直觀的ObjetstudioTM軟件管理。噴墨打印法的優(yōu)勢在于其可對打印材料的密度、硬度、柔韌性、孔隙度、分辨率等各方面特性進行精確控制，打印精度可達16μm，加工成型速度快，尤其適用于加工具有復雜幾何結構的對象。其缺點是材料加工成型后需要強力清洗，以及支撐材料難以移除等。
目前，噴墨打印法在醫(yī)學領域的應用包括：（1）加工個性化設計的具有復雜解剖結構的人體組織、器官的3D模型，然后進行外科手術方案的確定；（2）加工外科手術過程中所需的支架或導板；（3）進行整形或心臟手術的術前模擬；（4）用于組織工程支架的3D打印等。近十年來，隨著3D打印在各學科應用的迅速發(fā)展，將3D打印技術和再生醫(yī)學的組織工程技術相結合便產生了生物打印技術。
目前許多材料已被用于制造可加載細胞的3D打印支架，如殼聚糖、硅酸鈣復合物及可緩釋生物活性因子的聚合物材料等。在細胞培養(yǎng)方面，利用生物打印技術將種子細胞與3D打印的聚合物支架材料相結合，可為組織工程、藥物篩選和體外疾病模型建立提供三維的細胞培養(yǎng)體系。目前，以“種子細胞墨水”（cell ink）或細胞聚集體/微組織系統(tǒng)為基礎的生物打印技術已被開發(fā)出來，用于加工人工“組織”，并被證實可在體外建立復雜的三維模型。3D打印也為臨床干細胞治療技術帶來了新的啟發(fā)，其可將種子細胞靈活地打印至個性化設計的支架材料中，用于體內移植和組織再生。
2.3D打印的基本步驟
整個3D打印過程基本上可分為4個步驟：（1）利用掃描的或計算機斷層掃描的數據，在軟件內創(chuàng)建一個數字化的3D模型；（2）對3D模型進行分析處理，“分層切割”后形成許多“二維層”數據；（3）采用逐層堆積材料的方式構建物體的實體模型，逐層打印出最終的3D對象；（4）打印完成后的處理，包括打印對象的處理以及支撐結構的徹底清除等。這個基本的工作流程能夠適用于不同類型的3D打印技術，可廣泛使用金屬、陶瓷、高分子聚合物等打印材料。
3.3D打印的口腔材料
目前3D打印技術已滲透至社會生活的各個方面，對于3D打印材料的研究多而廣泛。本文主要介紹口腔材料領域所涉及的3D打印材料。對于此類材料，要求不能具有明顯的細胞毒性，同時需具有良好的生物相容性。對于應用于牙體牙髓、牙周再生等方面的3D打印材料，要求能夠促進細胞在材料表面黏附、增殖及分化等生物學行為。其主要包括以下5類：（1）金屬材料；（2）生物陶瓷材料；（3）可生物降解的天然聚合物；（4）可生物降解的合成聚合物；（5）人牙齒、血液等衍生物。
3.1金屬材料
金屬生物材料因其優(yōu)異的機械性能而被廣泛應用于口腔及整形外科領域。與聚合物和陶瓷相比，其具有高強度、強韌性和高硬度的特點，更適合在承重區(qū)使用。據報道，可通過調節(jié)金屬材料孔徑大小改變金屬支架的機械性能。鈦和鈦合金具有高生物相容性、適當的機械性能和彈性，可促進骨骼再生。不同研究報告顯示，基于鈦的3D支架顯示出良好的親水性，從而促進了礦物質沉積的增加；并通過體外實驗證實，其促進了細胞的黏附和增殖以及新骨的形成，且在體內無任何炎癥或壞死的跡象。雖然鈦金屬已被證實是一種良好的材料，但鈦金屬植入物不能被骨內植入物代替，也不能作為生物活性分子的載體。同時鈦和鈦合金的一個主要缺點是缺乏生物降解性，去除時需要進行二次手術，大大增加了醫(yī)療成本。
在過去的十年中，人們對鎂和鎂合金進行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)鎂離子能夠促進細胞黏附和成骨分化，鎂合金的彈性模量與人體骨骼相接近，并且鎂合金材料結合了惰性材料和可降解材料的優(yōu)點，成為醫(yī)用材料領域的研究熱點。雖然純鎂在體內的降解速度很快，但可通過使用鎂合金或在純鎂上鍍鈦或陶瓷來加以控制。高生祥等通過對熱等靜壓前后合金的結構與性能進行對比分析發(fā)現(xiàn)，使用熱等靜壓工藝對3D打印的鎂合金進行熱致密化處理后能在一定程度上使合金組織明顯細化，力學性能和耐磨損性能得到明顯提高。
姜海鵬等采用3D打印后熱等靜壓處理工藝制備了鎂基骨釘，并對其進行顯微組織觀察以及力學性能和生物相容性的實驗分析發(fā)現(xiàn)，鎂基骨釘組織致密、細小，無明顯孔隙，具有與人體骨骼相似的力學性能，并有較佳的生物相容性。鈷基合金與鈦合金相比，硬度高、耐磨性優(yōu)異、成本低，更適合于制造體內承載條件苛刻的長期植入體，也是醫(yī)療中常用的金屬，但由于鈷、鎳元素存在嚴重致敏性，導致其在應用過程中受到一定限制，不過近年來通過表面改性技術又重新提高了其臨床應用效果。鉭、鈮、鋯都具有較好的化學穩(wěn)定性、抗生理腐蝕能力以及良好的生物相容性，在生物醫(yī)學中也得到一定的應用，但昂貴的價格限制了其廣泛應用。該組材料在口腔醫(yī)學中可用于頜面部骨缺損修復、牙體修復、種植體制造等領域。
對于上述材料，每種材料都有顯著的特點和各自的局限性。而由于骨、牙齒等硬組織由有機成分和無機成分構成，使得單一生物材料難以模擬其復雜的組織構造，也難以滿足組織所需要的全部特性。因此，在應用中往往將2種或2種以上不同的生物材料結合在一起，在整體性能上產生“協(xié)同效應”，并改善支架的機械性能、生物活性和降解能力等特性。這些材料被稱為“復合材料”或“混合材料”，如“陶瓷/金屬”和“聚合物/金屬”等。
張明等介紹了一種聚乳酸-乙醇酸共聚物（PLGA）/β-磷酸三鈣（β-TCP）/鎂（Mg）多孔支架的多參數制備技術研究，通過采用聚合物/陶瓷/金屬復合材料，改善了目前用于修復骨缺損的可降解材料缺乏有效促成骨活性因子、力學強度不適宜、易引起局部炎癥等問題，提高了多孔支架的促成骨活性，以利于植入部位的骨再生及功能重建。
3.2生物陶瓷材料
生物陶瓷包括磷酸鈣生物陶瓷和生物活性玻璃等，它們在口腔及骨科領域中作為骨填充劑已得到了廣泛應用。磷酸鈣生物陶瓷包含羥基磷灰石（HA）、磷酸三鈣（TCP）和雙相磷酸鈣（BCP）等。HA是研究最多的磷酸鈣生物陶瓷，其與天然骨、牙齒等具有相同的化學成分，并對成骨細胞的黏附和增殖有積極影響，具有成骨誘導性。HA不可吸收，這種特性有利于維持骨再生空間的穩(wěn)定。
TCP有高溫型的α相和低溫型的β相2種。Trisi等的研究結果表明，β-TCP在體內降解時伴隨新骨形成，其生物降解性在TCP中最強且不妨礙骨基質的形成。β-TCP的理化及生物學特性均優(yōu)于HA，其移植入機體內后可自行降解，在植骨床鄰近處維持鈣磷離子的固液平衡，這些鈣磷離子最終形成鈣磷固體沉積在骨表面，形成與骨的直接結合。當TCP的兩相成分與HA結合時，會產生BCP。
相比其他磷酸鈣陶瓷，BCP具有更顯著的生物活性、機械性能以及促進骨生長能力。同時BCP也具備骨傳導作用和良好的組織相容性，適合作為一種骨移植替代材料。因其具有產量高、價格低的優(yōu)勢，在口腔頜面外科、牙周科以及骨科等學科領域得到了廣泛應用。BCP已被證實是一種能支持新骨形成的、安全的生物相容性支架，既可單獨使用也可與生長因子結合使用。
Chen等利用凝膠法開發(fā)出能夠快速凝固及降解可控的鎂-硅酸鈣水門?。∕g-CS）支架材料，用于骨、牙齒等硬組織再生。研究發(fā)現(xiàn)，Mg-CS的降解速率取決于其中Mg的含量，緩釋的Mg離子可促進牙周膜細胞的增殖能力，提高細胞堿性磷酸酶（ALP）、牙齒發(fā)生相關基因DSPP和DMP-1及血管生成相關蛋白vWF和ang-1的分泌，證實該材料具有促進牙齒發(fā)生和血管生成等功能。以上材料也都可采用可注射成型的水門?。ê齽┬问?，此類可塑形的磷酸鈣材料對復雜形貌的骨缺損具有良好的適應性，這是傳統(tǒng)的骨移植材料難以實現(xiàn)的。
生物陶瓷材料由于其出色的生物相容性、生物活性、親水性、骨傳導性以及潛在骨誘導能力，同時其成分與天然骨類似、成本相對低廉，在骨及牙組織重建中被廣泛應用。但由于其剛度差、低韌性、易碎性的缺點，對于結構復雜的設計對象難以成型，3D打印中SLS技術可小部分彌補其難以成型的缺陷，使其在骨及口腔組織修復中得以應用，但仍限制在非承重區(qū)。
3.3可生物降解的天然聚合物
天然聚合物包括蛋白質和多糖，由于其具有良好的親水性、生物相容性、細胞識別性，并能增強周圍環(huán)境中的細胞相互作用，而成為在不同臨床應用中首先使用的生物材料。由于這些特性，它們作為水凝膠在組織工程支架材料研究中進行了深入探索，而且取得了滿意的效果。膠原蛋白是人體中表達最廣泛的蛋白質之一，可為從皮膚到骨骼的許多組織提供強度和結構穩(wěn)定性。多糖、殼聚糖具有生物相容性好、無毒、止血、止痛、抗菌、促進創(chuàng)口愈合、可生物降解的特性，這些特性可極大地降低支架污染及術后感染的風險，從而防止支架的最終暴露和手術失敗。
藻酸鹽和殼聚糖在人體內并不存在，但它們卻顯示出與人體組織（如骨）天然細胞外基質（extracellular matrix，ECM）中發(fā)現(xiàn)的糖胺聚糖（GAG）具有結構相似性，從而成為用于組織再生的優(yōu)異材料。其缺點是缺乏生物活性、機械性能較弱及在酶促反應下具有較快的降解速度，這些使天然聚合物在口腔組織的再生應用中受到一定的限制。
3.4可生物降解的合成聚合物
由于可生物降解合成聚合物的成本相對較低，且與天然聚合物相比具有較長的保質期。該組中研究最多的生物材料是脂肪族聚酯（aliphatic polyesters），包括聚己內酯（PCL）、聚乳酸（PLA）、聚乙醇酸（PGA）及聚乳酸-羥基乙酸共聚物［poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA］等。其中，PCL具有生物相容性好、降解速度慢和機械穩(wěn)定性高的特點，適用于各種支架制造技術。Suárez-González等設計具有不同孔徑大小的PCL支架，加載牙周膜干細胞后，用于牙周復合體（骨/牙周膜/牙骨質）的再生，發(fā)現(xiàn)采用3D打印設計的不同孔徑的孔隙具有誘導不同類型組織再生的特點。一般而言，脂肪族聚酯與天然聚合物和生物陶瓷相比，降解速度較慢。合成聚合物通過水解而降解，水解分為2種形式，即整體降解和表面侵蝕。
大多數可利用的聚酯通過整體降解的形式水解，該機制的特征是在生物材料內部發(fā)生水解，導致空殼形成，但外形尺寸仍可維持相當長的時間，這一特征使其適用于制作骨移植替代物的支架，但不太適合作為藥物遞送的載體。Sandberg等將PLA膜應用于骨缺損研究，發(fā)現(xiàn)骨膜內的成骨細胞沿PLA膜表面增殖、分化、分泌骨基質鈣化成骨；同時PLA材料可通過自身降解產物刺激骨膜成骨。
3.5人牙齒、血液等衍生物
胞外基質（ECM）衍生的支架可提供用于組織再生的天然和細胞相容的微環(huán)境。其中，牙本質基質已被證明含有多種可促進牙齒形成的可溶性和不溶性的信號分子。Athirasala等開發(fā)了一種新型的生物墨水（bioink），將可打印的藻酸鹽水凝膠與牙本質基質的可溶性和不溶性部分混合，發(fā)現(xiàn)藻酸鹽和牙本質的比例為1∶1時，可溶性牙本質分子得到了較好的保存，水凝膠混合物的黏度也較為合適。作者證實此生物墨水具有良好的細胞相容性和天然牙源性能力，可用于制造具有復雜三維微結構的牙形態(tài)支架和用于牙齒再生。富血小板纖維蛋白（platelet-rich fibrin，PRF）作為第2代血液濃縮制品，不但含有各種細胞因子和血小板，可有效促進軟、硬組織再生，并且具有成本低、易于制備等優(yōu)點。
宋亞平等對比研究了使用珊瑚羥基磷灰石（CHA）與PRF的復合物成骨和單獨使用CHA成骨的效能，結果發(fā)現(xiàn)前者明顯優(yōu)于后者。在國外的一項臨床治療中，研究者術前基于1例牙周缺損患牙的CBCT數據集利用3D打印制作光敏樹脂支架，然后將患者的血液進行離心以獲得PRF，將其與Bio-Oss?骨粉混合并加載到支架，再在支架上部覆蓋PRF膜和Bio-Gide?膠原膜，手術后15個月隨訪顯示，治療部位的牙周袋深度減小，牙周骨組織也有少量形成。PRF被視為牙周再生治療的理想生物材料。
4.3D打印技術在口腔材料應用中面臨的問題
盡管在過去的幾年中，如噴墨打印法之類的商用3D打印已經達到了極高的分辨率，但將3D打印技術應用于可植入的口腔生物材料的研究，仍然受到可打印材料各方面性狀的嚴重制約。
例如：（1）有機溶劑不僅會損害支架的生物相容性，還會損害打印機頭的使用壽命。為了避免使用有機溶劑，推薦發(fā)展水性黏合劑用于支架制造。（2）較高的處理溫度會損害并縮短普通3D打印機的工作壽命。因此，應探索低溫3D打印的可行性，尤其對于陶瓷材料而言，可增強其穩(wěn)定性、控制收縮率以及在此基礎上添加生物活性因子、聚合物等。（3）當前使用的大多數3D打印技術無法長期維持細胞生存以及生物分子的活性，若克服上述技術的局限性，將活細胞、生長因子或藥物等加入3D打印的支架中，可進一步推進3D打印技術在口腔再生中的應用。（4）如何同時保證打印的支架材料具有良好的機械性能、高分辨率以及精確的多孔互連結構等。針對此問題，可通過制備復合生物材料的混合物及優(yōu)化3D打印后的處理工藝等進行改善，通過協(xié)調打印支架材料的機械性能、生物相容性、藥物輸送能力和降解特性等，改善3D打印材料的各種性能。
5.展望
3D打印技術在材料制作方面精確迅捷，目前在口腔頜面外科手術、牙周病治療、口腔修復以及種植牙治療等領域中進行了廣泛研究和應用，但仍存在著大量亟待解決的問題。尤其是對于頜骨或牙周等再生醫(yī)學領域，如何選擇相應的種子細胞和生物墨水，如何保證不同種子細胞在生物材料中的活性和生理功能，如何維持種子細胞、生物支架材料和周圍移植環(huán)境進行更好的相互作用等需要進一步研究。需要注意的是，目前國內方面對于3D打印技術在口腔材料領域的研究很少，臨床試驗也極為有限。希望今后國內能有更多的科研團隊對其進行深入研究。相信在不久的將來，3D打印技術必將引領一場口腔材料學的技術革命。
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