3D打印技術在口腔頜面外科的應用

郭騏源　董盛仲　尚艷杰　郭亞東　劉穎

摘要：隨著數字醫療的興起，3D打印技術在醫學領域中的應用范圍也不斷拓展，本文主要對近年來3D打印技術在口腔頜面外科中頜面部骨折、缺損的修復重建應用進行總結，并展望未來3D打印技術在頜面外科中的應用及發展。

關鍵詞：3D打印；口腔頜面外科；頜面部骨折；修復重建

中圖分類號：G642.0；R269 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）34-0112-03

3D打印技術起源于上世紀80年代末期，本質上是一種快速成型技術，最初被應用在制造業及模型設計中。該技術以數字模型為基礎，利用專業軟件將模型分割成層狀，在眾多材料中選用不同的打印方式制造出實物。與傳統機床加工相比，3D打印使用通過掃描實物或建立數字模型的方式實現了個性化定制，并且在制作過程避免了磨、剖、銑等繁瑣的工藝步驟，能有效地縮短加工時間，節省人力和材料[1]。近年來隨著精密加工的發展，原材料的種類逐漸繁多，使得該技術能夠在醫療領域當中廣泛應用。

在口腔頜面外科手術中，醫生常用植入替代物的方法來對骨折及缺損部位進行修復重建，但由于面部結構形態的不規則性和復雜性，無論是用患者自體組織還是以固定模式制作出的替代物，都無法與缺損部位完全吻合，達到精準修復[2]。3D打印的出現在很大程度上解決了此難題，即為患者制作出適用于自身的個性化替代物。

一、3D打印

根據產品的具體要求，如對精確度、硬度、強度、工作環境溫度等方面的差異，選用相應的打印材料與打印方式，不同材料對應不同的打印方式，但同一種材料可能有多種打印方式[3]。近年來，3D打印技術中的粉末粘結、光固化打印、熔融材料沉積制造等技術發展已趨于成熟，以下幾種工藝已在口腔頜面領域中得到較廣泛的應用[4，5]。

1.立體光刻（Stereo Lithigraphy Apparatus，SLA）。SLA工藝的材料為光敏樹脂，這種樹脂在特定波長和強度光的照射下可迅速發生聚合，從而從液態變為固態。由于材料本身限制，該打印方式需要設置支撐結構，且保存方式需特別注意。通過SLA技術打印出的成品一般較脆、易斷裂，在口腔領域中廣泛應用于口腔美容、充填缺損牙齒等。近年來隨著科學技術的發展，美國一家公司研制出了一種特殊的光敏樹脂，以藍色鹵素冷光替代高強度的紫外光來進行固化，從而解決了牙齒治療過程中因溫度升高而導致口腔不適的問題[6]。

2.熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，FDM）。FDM的材料大部分為熱塑性絲狀材料，如ABS（中英文全稱）材料絲、聚碳酸酯等，材料絲經傳送機構進入熱熔噴頭中進行加熱，再經噴嘴擠出、凝固，層層疊加，最終成型。該類材料多用于口腔種植修復體，當選取聚乳酸類復合材料（如羥磷灰石/聚乳酸等），可以誘導牙槽窩內成骨細胞向修復體黏附，相比傳統口腔修復方法，該技術明顯節省了治療費用，縮短了手術時間、提高了修復體強度[7]。

3.疊層實體制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）。LOM的材料薄材（紙張，塑料膜等）在熱熔膠的作用下層層粘連。該技術的最大優點是原材料價格較為低廉，精確度尚可[8]，但其成品表面較為粗糙，有明顯的階梯紋、容易層裂，因此該技術通常用于制作頜骨及牙列模型等，可供醫生在術前根據此類模型制定周全有效的手術計劃，降低治療成本[9-10]。

4.選擇性激光燒結（Selective Laser Sin-tering，SLS）、選擇性激光熔化（Selec-tive Laser Melting，SLM）。SLS和SLM的工藝材料為各種受熱后可粘結的粉末，包括鈦及鈦合金粉末、尼龍粉、鎳基或鈷基合金粉末等。SLS成型方法可分為兩種，一種是直接法，即直接對單一粉末材料進行燒結，缺點是易產生球化現象，影響成型質量。后來人們將目光轉向了間接法，間接法一般用兩種熔點不同的粉末混合物，低熔點粉末熔化后起粘結作用粗成型，再對成型件進行降解粘結劑、二次焙燒等后處理，這明顯提升了成品的致密度，并顯著改進了其機械性能[11]。SLM則是利用激光將金屬粉末熔化，是一種復雜的物理化學冶金變化，該技術克服了SLS工藝過于復雜的問題，且制作出的成品致密性更好，性能更高，但易產生球化效應，需要不斷改良優化制作過程[12，13]。由于二者的工藝材料大多為金屬粉末，因此在口腔領域中多用于金屬種植導板、大面積骨缺損替換物的制作等。

5.三維打印（Three Dimensional Printing，3DP）。3DP的工藝材料包括各類粉末，如常規金屬粉末、淀粉、陶瓷粉末、石膏粉末、復合材料粉末等。該技術在噴嘴裝有粘結劑，通過層層粘結粉末最終得到成型物，但同時也因為成型精度不高、強度較差等缺點，在口腔領域中用于各類模型產品的制作，如牙列模型、上頜骨、下頜骨模型等[14]。

二、頜面外科手術

1.頜面手術特點。頜面部的骨骼數目較多，形態各異，結構精細而復雜。頜面部骨折、塌陷一般是由于交通意外、高處墜落、打架斗毆等導致面部在受到嚴重外力打擊時引起，造成咬合紊亂、面部不對稱，同時也嚴重影響如咀嚼、語言及呼吸等正常的生理功能，或對患者的心理健康造成極大的負擔。傳統手術中，骨折復位的精確與否主要取決于醫生的個人臨床經驗，手術借助于影像學檢查雖可復位移位的頜骨骨塊并恢復口腔主要功能，但對于外貌的改善效果往往不是很理想。由此，能夠理想的復位移動骨塊、恢復頜面部外形，最大程度上復原咬合關系和張口、咀嚼等功能，盡可能減少手術并發癥，則顯得尤為重要。與傳統頜面外科手術相比3D打印技術使手術的難度大幅度降低、精準度明顯提高、手術耗時明顯縮短。以下頜骨粉碎性骨折為例，頜骨破損嚴重，骨碎塊多，一般需要用鈦網固定骨塊。傳統手術中，醫生依據下頜外形來確定鈦網形狀并彎曲鈦網，并在術中不斷調整，力求所植入的鈦網最大限度與原下頜骨曲線相同。但由于塑型耗時多且很難實現精準復位。而Ma J等利用3D打印技術的優勢將其應用于下頜骨粉碎性骨折的治療中，首先利用計算機輔助鏡像模擬等手段得出完好的下頜骨輪廓，之后設計出精確的鈦網模型，并用SLM技術制作個體化鈦網。術中暴露術區，去除粉碎細小骨塊，個體化鈦網直接固定大骨塊。手術歷時大大縮短，復位精確度高，面部外形恢復良好，患者對手術效果滿意。

2.術前模擬手術。術前評估患者病情，制定手術計劃并進行手術模擬。傳統手術中，醫生結合影像學資料和臨床經驗來對骨折的情況進行判斷，制定手術方案，但主觀性強，準確性也不高，醫患溝通時，模擬手術只存在于醫生的腦中無法直觀地展示給患者及其家屬。而3D打印技術可根據患者的掃描圖像制作出1：1模型，醫生可以直觀地觀察患者骨折移位等情況，術前就可以做到精準定位并對手術過程進行演練，節省手術時間，提高手術精確度，此外也可使醫患溝通更有成效，讓患者放下心理負擔，增強對手術的信心。該類模型在教育教學方面也有著重要意義，年輕的外科醫生通過對多個模型的分析、實踐逐步積累經驗、掌握方法，從模型中受益，同時降低了手術風險。

3.個性化替代物設計制造。患者頜面部損傷及腫瘤切除后若出現骨和軟組織的缺損，外科手術常以植入替代物對其進行修復重建。傳統替代物的來源主要有兩種，一種是取用患者的自體軟硬組織，另一種是術中根據缺損情況，以特殊材料（多為醫用高分子材料或具有良好生物相容性的金屬材料）制成的替代物。此類方法不僅手術耗時長，而且通常難以精確契合缺損部位，特別是上、下頜骨缺損的修復重建，術后患者面形恢復不理想，咬合、張口及咀嚼等生理功能也不能得到有效恢復[1]。3D打印技術的應用很好地解決了上述問題，基于人面部的對稱性，可先利用計算機掃描出患者正常側的形態結構，通過對比確定缺損部位的具體形態，然后打印出實體模型。相比于傳統笨重的金屬植入物，3D打印的“層層疊加”原理使得這種實體模型不僅僅在外部形態上可與缺損部位精準契合，其內部的三維空間結構與正常組織也更為匹配，更加輕便，機械性能更好，從而可以達到良好的外形的恢復效果[14]。3D打印技術為個性化植入物的設計制造提供了強有力的技術基礎，同時也大大推動了其發展[1]。國內首例鈦合金3D打印已經成功應用于實踐，院方在對患者進行常規手術檢查之后，采集患者影像資料進行三維重建，在此基礎上完成植入體的設計與修飾，之后運用鈦合金粉末進行3D打印，完成個體化植入體的加工，術后6周進行檢查，患者面形及功能都恢復得比較好。

三、展望

雖然3D打印技術在口腔外科領域的應用仍處于初期階段，許多問題亟待解決，如打印設備和日常維護費用較高，應用范圍相對較小等，但仍憑借其工作方式和特點成為口腔頜面部損傷治療的一種革命性的新技術。隨著研究者對制造工藝研究的不斷加深，打印材料的不斷改進，“個性化定制”的理念不斷發展，相信3D打印技術未來會成為口腔頜面部損傷治療技術的“中流砥柱”。

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