三維打印口腔修復種植體的研究進展

王偉娜,雒 靜,趙金花,李澤彬,李 瀟

三維打印作為數字化制造的一種,在口腔臨床中廣泛應用?？谇粌葤呙韬湾F形束計算機斷層掃描等三維成像和建模技術的進步,以及計算機輔助設計日益廣泛的應用,三維打印技術在口腔種植學領域越來越受到重視。目前,三維打印應用于種植模型制備,個性化托盤制作,以及輔助種植手術的種植導板等,取得了較好的臨床使用效果[1-3]。個性化種植體具有適應不同解剖結構的幾何形狀,有利于保存軟硬組織,減少愈合時間[4-5]。而使用傳統方法制造個性化種植體是相當具有挑戰性和昂貴的,相比之下,三維打印以更低的成本和更簡單的方式制造出復雜結構的種植體[6]。三維打印涉及的種植體材料主要有鈦、鈦合金和氧化鋯全瓷,其中,金屬材料的打印相對比較成熟,氧化鋯等全瓷材料還處于研發階段?，F就三維打印口腔金屬及全瓷種植體的研究進展予以綜述。

1 三維打印金屬種植體

1.1 金屬打印技術及材料

三維打印金屬種植體的代表性技術有選擇性激光燒結(selective laser sintering,SLS)和選擇性激光熔化(selective laser melting,SLM)。SLS可以制作具有高精度的復雜幾何形狀和粗糙的多孔表面種植體。粗糙表面可以增加摩擦力形成高強度的機械穩定性,為各類成骨細胞提供附著,在患者體內可增加骨結合;多孔結構可以模擬松質骨的組織形態,一定程度緩解種植體受力時的應力遮蔽效應[7-9]。在2年隨訪研究中,SLS螺紋式窄徑種植體的生存率達到100%,成功率達到94.6%[10]。SLM是打印高強度、高精度種植體的有效手段,植體表面螺紋形態逼真,并表現出更好的應力分布和初期穩定性[4]。三維打印金屬材料主要為符合《外科植入物用鈦及鈦合金加工材料(GB/T 13810-2007)》《激光成型用鈦及鈦合金粉(GB/T 34486-2017)》規定的鈦和鈦合金粉末。三維打印此種材料在生物安全性上與銑削制造不相上下,在使用方式和范圍上有機會超過傳統制造的鈦植入物[11]。自Br?nemark首次發現鈦與骨組織間的骨結合現象以來,以Ti-6Al-4V(TC4)為材料制作的鈦合金螺釘型種植體已大量商業化生產并在口腔醫學中臨床應用[12]。三維打印的TC4種植體同樣具備良好的結構穩定性與生物相容性,在體內可以達到與經典Straumann種植體相似的骨結合[13]。因此,Ti-6Al-4V是目前三維打印種植體具有代表性的金屬材料及首選材料。

1.2 種植體形貌設計

種植體表面形貌設計,對骨結合至關重要[14]。表面呈現多孔結構的三維打印種植體可以適應骨缺損,與商用種植體相比,具有更好的骨再生能力和常規種植失敗后修復大面積骨缺損的應用前景[15]。根據已發表的文獻,骨種植材料的理想孔隙率為30%～90%,孔徑>100 μm有利于骨細胞長入,有利于種植體的穩定[16]?？讖皆酱?骨再生效果越明顯,這種現象可以用血管的生成伴隨骨骼的生成解釋,然而當孔徑>400 μm時的血管化差異無統計學意義[17]。350或500 μm的孔徑使TC4種植體在細胞增殖、附著和分化方面均有明顯改善,表現出優于傳統螺釘型種植體的生物相容性,且孔徑為350 μm的種植體在周圍骨組織中具有最佳的機械應力分布[18]。該研究制作的種植體結構復雜、精度高、孔徑尺寸均勻,為多孔結構在改善種植體幾何形貌和實施動物或臨床試驗提供了前景。對于孔型設計,500 μm的六邊形孔型的機械性能接近皮質骨,三角形和四邊形孔型的機械性能與松質骨相似[19]。在未添加生長因子和牛源性多孔異骨的情況下,種植體(SLM-TC4)表面特殊的十字形微孔孔型結構促進骨長入,在咀嚼過程中為種植體頸部提供了與天然牙齒相似的機械刺激,保持了牙槽骨高度,促進了種植體的穩定性和整體成功率[20]。另有研究表明菱形十二面體的高度對稱孔型結構在多向壓力下具有良好的穩定性,在高孔隙率的情況下,臨床應用也十分安全[21]。在即刻種植的臨床研究中,個性化根形種植體的設計方式可降低種植體使用過程中松動、脫落、牙槽骨吸收等并發癥的發生。將種植體表面孔隙率為60%～70%,孔徑在300～400 μm的菱形十二面體的根形種植體置于患者即拔即種的拔牙窩內,敲擊就位后取得良好的初期穩定性,在3、6、12個月的觀察期內種植成功率為100%,功能性負載后種植體頸部骨水平無變化,種植體根部無透射影[22]。這種根形種植體同時被證實與常規螺釘狀種植體相比,其在牙槽骨中具有更好的應力分布[23]。

種植體的孔隙率表現在燒結處理中隨著溫度的升高而顯著降低,但在較低的溫度下燒結,會形成多孔網絡,孔隙更大,連通性更高[24]。因此,如何調節三維打印工藝參數,設計并獲得孔隙率、孔徑和孔型均有利于細胞生長的多孔鈦植入物,還有待進一步研究和形成共識。

作為傳統種植體的替代,三維打印根形種植體的形態設計,提供了與原牙根相似的尺寸,與拔牙窩更好的匹配,但該技術需要準備患牙拔除前CBCT數據或患牙完整拔除后體外掃描數據,究竟以何種數據打印更為方便、有效及精準,尚有爭論。

1.3 種植體表面修飾

種植體表面修飾技術是促進骨結合的重要手段之一。鈦合金的生物惰性表面使其體內生物反應較差,不同的涂層和表面改性技術被用于提高鈦植入體的生物相容性以促進骨結合[25]。雖然三維打印的種植體顯示出固有的粗糙表面可以改善成骨分化和植入后的早期骨結合,但為實現即時或早期負荷,表面處理的研究逐漸增多[26]。三維打印種植體與傳統螺紋種植體相比,術后12周穩定性差異無統計學意義,但初期穩定性表現出差別[27]。經過靶離子誘導等離子濺射(TIPS)的種植體可實現良好的初期骨結合,但經過充分的愈合期(12周),無論表面處理與否、采用何種處理方式,骨結合水平相似[26]。含鎂生物材料具有良好的可降解性和生物相容性,通過種植體(SLM-純鈦)孔隙填塞鎂合金的方法引導鎂離子到達種植體表面后誘導骨細胞增殖,無論初期和后期,種植體和牙槽骨均未發現應力集中區域,維護了松質骨的功能,提高了種植體的承載能力[28]。通過種植體表面負載基質細胞衍生因子SDF-1α,可獲得比常規種植體更明顯的干細胞招募作用,更多的鈣沉積物,結果表現為更高的骨結合[29]。在中藥涂層研究方面,TC4通過堿酸熱處理并負載黃芩苷涂層后具有良好的生物相容性,對大鼠骨髓間充質干細胞的成骨分化有促進作用,為今后種植體表面修飾中藥涂層方面提供了一個新的選擇[30]。此外,將SLM、電化學陽極和水熱(HT)工藝相結合,激發種植體(SLM-TC4)多結構表面,增強成骨樣細胞對納米微結構的黏附性,為改善骨結合和種植體的抗菌性能提供了所需的特性[31]。由上述研究發現,三維打印種植體的表面處理、修飾方法多種多樣,但何種方法最為成熟、有效,仍需進一步研究積累。

2 三維打印全瓷種植體

三維打印金屬及高分子材料趨向成熟,但在全瓷材料領域仍需進一步的發展[32]。氧化鋯種植體可以克服鈦種植體在前牙頰部骨丟失或/和薄齦生物型患者中易出現的美觀問題,克服鈦種植體可能帶來的超敏反應、材料降解腐蝕問題。有研究表明氧化鋯種植體與純鈦種植體的骨結合能力相當,能形成緊密的直接骨接觸,有望成為口腔種植體的可選材料[33]。但從修復的角度來看,種植體應穩定、抗老化,避免種植后出現微裂紋,而氧化鋯的主要缺點是脆性,不可見的微裂紋,這使氧化鋯的抗斷裂性能低于鈦,影響其臨床使用。

2.1 全瓷打印技術及材料

最早用于氧化鋯打印的工藝是直接噴墨打印(Direct Inkjet Printing,DIP),該工藝將粘接劑和待成型陶瓷粉制備為“陶瓷墨水”漿料,打印過程中不需要設置支撐,通過打印噴頭在計算機預先設置的建模數據下進行圖案繪制并層層疊加形成 3D 實體零件[34]。DIP需嚴格控制漿料黏度和顆粒均勻分散程度,否則打印噴頭易被團聚的顆粒堵塞[35-36]。這種墨水要求顆粒<1 μm,分布均勻,團聚小,粘接性小、流動性好,但由于墨水化學性質在高溫狀態下不穩定,噴射墨水時的精度較難控制,且為了解決噴嘴堵塞問題,無論是降低陶瓷墨水的黏度還是增大噴嘴的毛細直徑都會降低精度[34]。但是,DIP可以根據需求進行個性化設計,并且不需要借助激光技術,成本較低,目前仍是廉價個人或桌面打印解決方案[37]。SLS、SLM制作全瓷修復體不如金屬成熟,面臨制備試件內部孔隙、裂紋,表面粘粉,力學性能差等問題[38-40],這嚴重影響了其在臨床中的應用。目前,陶瓷打印主要通過將陶瓷粉末與其他成分混合制成漿料,利用漿料中其他成分的固化性能進行打印,完成后需行脫脂燒結得到最終制件。數字光投影技術(digital light processing,DLP)是目前采用的主要工藝,是立體光固化技術(sterolithography apparatus,SLA)的一個分支,以氧化鋯顆粒、光敏樹脂和分散劑等成分制成打印漿料,漿料成分和固相含量不同,燒結后表現不同的力學強度和精度。Osman等[41]使用DLP制作了氧化鋯螺紋種植體,結果顯示種植體打印精度的均方根(RMSE)為0.1 mm;0°打印的抗彎強度(1 006.6 MPa)明顯優于45°(892.2 MPa)與90°(866.7 MPa);掃描電鏡觀察到裂縫、孔隙范圍從196 nm到3.3 μm;粗糙度算術平均值Ra為(1.59±0.41)μm,均方根Rq值為(1.94±0.47)μm;晶相主要為氧化釔穩定四方相氧化鋯(Y-TZP),由此得出DLP可有效打印定制的氧化鋯種植體,具有足夠的尺寸精度,抗彎強度,但三維打印仍需工藝參數優化以進一步改善材料的微觀結構。在承載能力方面,全瓷材料超過了臨床預期的正常咬合力[42]。郭亮等[43]配制了固相質量分數72.5%的陶瓷-光敏樹脂漿料,研究了DLP制作陶瓷坯體過程中,曝光時間和強度對固化深度的影響,以及燒結溫度對試件致密度及硬度的影響,最終得到了具有良好固化效率與成型精度的陶瓷漿料,且燒結完成的胚體致密度達95%以上,維氏硬度達11.3 GPa,晶相為四方相氧化鋯陶瓷,實現了復雜陶瓷胚體的快速打印制備?？傊?DLP具有成型速度快、打印精度高且力學性能良好等優點,但仍面臨微裂紋等問題[44]。因此,下一步研究應通過改良打印漿料成分和工藝參數對氧化鋯三維打印技術進行優化,同時解決氧化鋯試件脫脂燒結時間長等問題,使DLP制作氧化鋯全瓷種植體值得嘗試。

2.2 種植體形貌設計及表面修飾

Cheng等[45]提出了影響植體穩定性的內外因(外因包括種植體的螺紋螺距、螺紋深度、植體頸部最大直徑及種植體尺寸等;內因包括骨密度、皮質骨厚度及非骨性結合等)并進行不同種植體形態設計,利用有限元模擬其在動態載荷下的動度并優化種植體模型;最終采用粒度為1 μm的釔穩定氧化鋯陶瓷粉,配制重量比為13∶5的氧化鋯和光固化樹脂混合漿料,采用DLP方法(層厚20 μm,激光波長470 nm)及兩階段燒結法(第一步采用恒熱速率燒結,以蒸發粘結劑;第二步在較低溫度下進行等溫燒結,以增加密度而不產生明顯的氣孔)成功制作了優化后的種植體,植體晶相結構良好,力學性能優異(燒結前和燒結后試件的抗彎強度分別為(20.41±3.8)MPa 和(632.1±72.5)MPa,維氏硬度分別為0.12 GPa和14.72 GPa),但燒結后的精度仍有待提高。三維打印的氧化鋯種植體具有商業純鈦種植體水平的生物相容性,但該種植體不如噴砂鈦種植體的骨結合更快和更強,因此在臨床應用中需要足夠的表面處理方法[46]。通過比較兩組不同表面修飾的根形種植體在患者體內的有效性發現僅進行噴砂處理的植體在2個月內脫落,而種植體表面設計了肉眼可見的固位形的生存率達到了92%,骨吸收和軟組織萎縮最小,達到良好的美觀和功能效果[47]。為了避免氧化鋯種植體出現裂紋、破碎的問題,仿生自釉疊層氧化鋯材料應運而生,該材料表面覆蓋有三維打印納米顆粒形成的光滑表層,并與內部形成整體,顯著提高了氧化鋯材料的力學性能[48]。

三維打印氧化鋯種植體是可行的,但數控銑削在微觀結構設計/分布和形狀控制方面仍占有重大優勢,三維打印在全瓷領域若想擁有競爭力,需進一步控制微觀結構/孔隙度,了解其如何影響骨結合和種植體周圍生物學[49]。目前針對全瓷種植體的表面處理方法的研究尚不足,這或許為我們指明了一種新的研究方向。

3 小 結

三維打印口腔種植體的技術層面已逐漸成熟,無論是金屬還是全瓷材料均有可選擇的三維打印技術,且打印完成的種植體已初步符合臨床要求。三維打印金屬種植體較為成熟,經過表面修飾的多孔TC4種植體極具代表性,其在體內可形成有效的骨結合。金屬種植體表面多孔設計及表面處理方法具有多樣性,且已經過相關研究證明其有效性,但何種表面設計及修飾方法最為有效尚需進一步研究及形成共識。三維打印全瓷種植體最為成熟及常用的技術為DLP,該方法制作的氧化鋯種植體表現出良好的精度及力學性能,但在優化工藝參數、工藝流程以控制微觀結構方面有待突破。全瓷種植體的表面形貌及修飾的研究較少,如何通過合適的材料選擇、優秀的表面處理以增加骨結合和改善種植體周圍生物學仍需后續研究。此外,對于金屬及全瓷種植體的適用范圍、臨床選擇尚需進一步的思考。