3D打印技術在頜面部缺損修復中的應用

羅磊，許彪

(昆明醫科大學附屬口腔醫院口腔頜面外科，昆明 650106)

3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料通過逐層堆積產生的3D模型[1]，是一種不同于傳統制造方法的快速成型技術。目前，3D打印技術在工業中的運用相對成熟，隨著科學技術的發展，3D打印技術已被運用于醫學領域，通過磁共振成像、CT或計算機輔助設計(computer aided design，CAD)軟件獲得的圖像完成研究對象假體的3D模型設計[2]。近年來，3D打印技術在口腔頜面外科診斷和治療中的應用越來越廣泛，已經不僅僅局限于傳統的塑造外形，更兼顧恢復軟硬組織的形態和功能，因為頜面部畸形等問題會嚴重影響患者的生活質量和心理健康[3]。心理健康也是目前新醫學模式(生物-心理-社會醫學模式)的焦點。3D打印技術可以根據患者的個性化形狀和大小來選擇材料進行制作[4]，提高了手術的質量和手術的自主性。事實上，頜面外科可能是3D打印技術最大的潛在應用領域。現就3D打印技術在頜面部缺損修復中的應用予以綜述。

1 CAD與3D打印技術概況

1.1CAD技術和計算機輔助制作(computer aided manufacturing，CAM)技術 數字醫學的主要部分是CAD，包括鏡像成像、自由曲面構造、有限元分析、數據分割與構造、差分分析以及圖像配準技術[5]。CAD/CAM是快速制造技術的一種，可以系統地解讀患者的圖像數據，在術前規劃軟件的幫助下創建三維模型，更加直觀立體地展示三維空間立體結構，為外科醫師準確地確定切除范圍及修復體精確設計提供依據，減輕了醫師工作量，簡化了手術流程，減少了患者的創傷，增加了患者的滿意度[6]。

1.23D打印技術概況 1984年，有學者發明了3D打印，開創了從打印紙到打印物體的新時代，通過在光固化材料表面發射具有特定波長和強度的激光來創建單層形態，待其發生凝固，然后另一層在升降平臺上下移動時變得固化，經過以上步驟重復后形成三維立體結構[1]。21世紀初，出現了3D打印的人體膀胱，并且應用于需要膀胱成形術的患者，手術效果良好[7]。目前，3D打印已廣泛應用于骨關節外科、燒傷整形、器官移植等多個領域。

3D打印首先是獲取物體的3D打印圖像，CT掃描尤其是錐形束CT是臨床常用的方法，然后將醫學圖像導出到建模軟件中，將它們處理成由 positive-space代表實際硬組織的模型或由negative-space代表中空組織的模型，Mimics是常用軟件，最后導入打印軟件打印[8]，制作出成品3D立體模型。

2 3D打印技術在頜面外科中的應用概況

顱頜面組織是指由牙齒、骨骼、肌肉、軟骨和韌帶以及它們的支撐結構(如血管和神經)形成的復雜系統，擔負身體的許多關鍵功能，這些結構協同作用才能保證機體的正常功能(如言語、呼吸)。由于頜面部解剖結構復雜，外傷、畸形或者術后缺損修復重建等對于頜面外科醫師均是一巨大挑戰，因此3D打印技術被引入到頜面外科領域，作為解決這類挑戰的備選方案[9-10]。另外，3D打印技術還可與各種支架材料和細胞兼容，因此3D打印技術也代表著頜面部仿生組織構建的前沿[11]。

目前，3D打印技術最常應用的方向是精確模擬硬組織(如骨骼)。頜面部手術通常涉及骨手術(如截骨術、骨折手術和頜骨重建術)，這為尋找新興3D打印技術的模式提供了理想的區域。除了涉及骨骼的復雜三維解剖外，頜面外科還具有對稱性和功能性的要求，可以用3D打印模擬[8]。在大多數情況下，3D打印不僅可以提高顱頜面外科手術的準確性，還可以節省手術時間，減少患者創傷。

3 頜面外科中3D打印技術的使用分類

3.1使用3D打印輪廓建模 輪廓模型是顱頜面外科中最常用的3D打印技術，輪廓模型代表正空間模型，即患者的成像解剖結構，是3D打印對象，因此3D打印可清晰直觀地復制患者的特異性解剖結構[12]，然后根據3D模型模擬術前手術計劃，預先塑造鈦板等硬件，比在術中塑造更為容易。有臨床研究指出，采用3D建模后在模型上預彎鈦板成形的手術效果較傳統方式好，手術時間短且容貌改善較好[13]。虛擬手術計劃與3D打印技術相結合，使外科醫師能夠在術前顯示還原過程，并縮短手術時間，且復位更精確，3D打印的輪廓建模可以在治療復雜粉碎的下頜骨骨折方面提供更令人滿意的美學效果[14]。

3.2使用3D打印手術導航 3D打印具有精確性，使用圍繞患者骨骼解剖結構的負空間來打印患者特定的模板，而該模板僅在術中適合于某些骨段，以指導精確切割鉆孔或定位。通過使用3D導板，縮短了手術時間，且獲得了改善顱面外科手術的效果，這主要歸功于術前3D手術模擬和使用手術導向器輔助手術的精確進行[15]。對于下頜骨和移植物的切除以及在腫瘤切除和重建期間重建缺失的部分，通常使用3D打印指導手術，其中一個重要的用途是指導骨瓣的制備。有研究指出，3D打印結合CAD/CAM技術制作出的腓骨切割導板能夠幫助外科醫師精確地分割骨瓣，而且通過3D模擬CAD/CAM技術制備的骨瓣，可以預先模擬血供情況，對于頜骨重建有著至關重要的指導作用[16]。頜面部異物，特別是較深部位的異物，若定位不準確，會給患者造成不必要的痛苦，3D計算機輔助導航通過計算機處理模型交互，在虛擬環境中排除重要解剖結構，動態定位，確定實際位置與目標位置的偏差，提高了手術的準確性和成功率，確保了手術準確完成[17]。

3.3用作植入物的3D打印 3D打印植入物為骨缺損提供了解決方案，目前3D打印植入物需要的是生物相容性材料，發揮特定功能且不被排異，但未來3D打印物可能被用作工程組織的支架[8]。目前，在頜面外科中主要使用由鈦、聚甲基丙烯酸甲酯、羥基磷灰石、聚醚醚酮、環氧丙烯酸羥基磷灰石、聚丙烯-聚酯以及非特定丙烯酸樹脂等組成的定制植入物[15]。Mangano等[18]借助CAD/CAM技術制作了嚴重萎縮的下頜前牙去牙槽嵴增強磷酸鈣支架，植入后與牙槽骨缺損區貼合嚴密，2年后，還在支架上成功種植了牙齒，患者滿意度較好。因此，從目前的研究來看，3D打印作為植入物的準確性是肯定的[19]。

4 3D打印技術在特定頜面外科手術中的應用

4.1下頜骨手術 頭頸部癌癥患者多次在術后留下面部畸形。由于復雜的3D結構，重建下頜骨特別困難。當進行下頜骨切除術、去除改變下頜骨輪廓的缺損組織時，下頜骨重建變得更具挑戰性。此外，下頜骨結構排列的任何變化均可能導致咬合不良，從而引起功能障礙。3D打印是一種準確、快速的下頜骨重建技術。CAD/CAM程序越來越多地用于制造醫學快速成型模型，這些模型可用于下頜骨重建外科手術[9]。采用3D技術可縮短手術時間和全身麻醉時間、減少血液流失，使手術過程更精確[20]。有研究對常規程序與3D打印輪廓模型手術導航指導下頜骨重建術進行了比較，結果發現，與常規程序組相比，3D打印組平均操作時間縮短了2 h，且游離皮瓣尺寸更小，提示患者特異性的3D打印技術提高了手術效率[21]。

正頜外科專門用于矯正骨骼咬合不良引起的頜面畸形[22]。傳統上，根據患者特定的石膏模型，由技師制造夾板，現在3D打印技術正越來越多地用于術前計劃與咬合關系的轉移中。Adolphs等[23]對10例患者進行了試點研究，通過計算機輔助3D打印技術制作咬合導板，結果顯示8例患者使用3D打印導板達到了較為理想的咬合關系。

惡性口腔癌和鼻咽癌的放射性骨壞死是最嚴重的并發癥之一[24]，為了控制感染和減輕疼痛，在晚期放射性骨壞死的治療中，可能會行下頜骨切除的根治性治療。盡管使用游離皮瓣可以治療復雜的頜面部缺損，但下頜骨放射性骨壞死的復雜缺損修復仍具有挑戰性。Man等[25]報道了術前運用3D生物模型規劃和流動徑向前臂皮瓣成功游離了腓骨皮瓣，取得了較為滿意的效果。Schepers等[26]報道了另外一種下頜骨重建方法，即在3D打印虛擬技術的幫助下，用3D打印假體置換切除的下頜骨，而且還在打印體上裝上了義齒。由此可見，可以通過3D虛擬技術完全規劃下頜骨重建和即刻假體加載。

下頜角骨切除術是一種通過切除突出的下頜角矯正頜面部畸形的一種方法[27]。但由于無法直視進入手術部位，導致視野受限，因此在手術時可能存在困難或并發癥。有研究提出，可應用計算機圖像引導手術模板進行下頜角骨切除術，該研究納入了9例下頜角突出的患者，通過CAD和3D打印制造一對立體光刻模板，而雙邊下頜角骨切除術均是在這些模板的指導下進行，結果所有患者對美容效果均感到滿意，模擬的下頜骨輪廓的右側和左側與術后下頜骨最終輪廓之間的最大殼-殼偏差分別為(2.02±0.32) mm和(1.97±0.41) mm[28]。這項新技術可以幫助外科醫師制訂更好的手術前計劃，并確保更準確和更安全的操作。

3D打印技術也可以輔助修復下頜骨髁突骨折。下頜骨髁突骨折是比較常見的骨折，占所有下頜骨骨折的29%～52%[29]。髁突部位解剖結構復雜，精準的手術是外科醫師的共同愿望。有研究描述了一種基于CAD/CAM和快速原型制作納米級羥基磷灰石/聚酰胺的方法，用于個體設計、制造和植入下頜骨髁突，患者最終恢復了合理的頜骨輪廓、外觀以及顳下頜關節功能[30]。另外，在術前有術者設計了一個使用3D打印和虛擬手術的手術導航(3D手術導向器允許使用克氏針精確對準骨折，而無須額外的解剖和組織損傷)，結果發現，通過3D打印技術增強的克氏針固定，在青少年髁突骨折中產生了良好的效果[31]。

4.2上頜骨手術 在正頜外科手術期間，上頜骨通常在常規外科導板夾板的幫助下定位，這具有許多局限性。有研究描述了在雙頜正頜外科手術中3D虛擬輔助手術與傳統手術方式中上頜骨定位的準確性，最終得出，在臨床情況下，CAD中間夾板的準確性能夠滿足雙頜手術的要求[32]。

CAD/CAM模板為上頜骨手術計劃的轉移提供了可靠方法，是中間夾板技術一個很好的替代方法。Li等[33]使用CAD/CAM模板指導截骨術和上頜骨的重新定位，對6例患者的研究模板使用3D打印技術制作，該設計符合3D手術計劃，包括Le Fort截骨術和上頜骨的重新定位，并基于CT掃描數據，在上頜骨的硬組織界標與參考平面之間進行術后測量，分析測量結果并與虛擬計劃進行比較，初步結果顯示，上頜位置精度(<1 mm)能夠達到臨床要求，且手術時間也顯著縮短。Mazzoni等[34]使用CAD/CAM切割導軌和定制鈦板進行上頜骨重新定位，以精確復制術前虛擬計劃，無須使用任何手術夾板，并明確了用于正頜外科手術的完整CAD-CAM工作流程：手術治療的虛擬計劃；CAD-CAM和定制手術裝置的3D打印(外科切割導向器和鈦固定板)；計算機輔助手術。

4.3眶底骨折手術 對于眶底骨折，3D打印提供了骨缺損的準確解剖，允許臨床醫師在術前預設鈦板進行眼眶重建。從理論上講，通過縮短手術時間、降低眶板定位錯誤的風險、減少多次插入引起的軟組織創傷以及調整眶板等，可以改善手術效果[35]。

有研究評估了顱骨的鏡像3D打印模型和用于面部創傷患者創傷性眶壁重建的預模擬合成的支架，該研究納入104例眼眶缺損重建患者和23例眼眶創傷后缺損重建的患者，對于每種情況均使用3D打印技術重建鏡像圖像和單獨制造的顱骨快速原型模型，顱骨模型作為指導的解剖學預模擬合成支架，進行眼眶腔的3D分析，并對術后并發癥進行評估，結果發現，術后眶容積與原體積均無顯著差異[36]。

4.4鼻部手術 鼻缺損的重建在手術和美學上具有挑戰性，特別是當涉及軟骨部分時，手術結果必須在功能和美學上可接受，而且準確再現鼻內襯、支撐和鼻呼吸、覆蓋、鼻形以及紋理至關重要[37]。Horn等[38]描述了使用3D技術對惡性外周神經鞘瘤患者進行鼻腔重建，首先在眉間和鼻腔區域接受了近全部鼻腔切除術，在腫瘤切除后，動態鈦網在術前通過3D打印模型預先進行，并重建軟骨和骨結構，使用相反的頭皮瓣覆蓋軟組織缺損，實現了足夠的長期功能、美學和腫瘤學的良好結果。

Ciocca等[39]使用3D打印技術設計手術模板，引導植入物插入鼻假體，手術使用虛擬手術軟件計算植入物的最佳位置，并將位置轉移到CAD建模軟件，然后設計手術指導，使用快速原型系統打印三部分模板，模擬手術標記提升皮瓣之前皮膚的切口指導以及用于骨鉆的手術指導，最后通過測量植入物軸的傾斜度(角度偏差)和植入物頂點的位置(頂點偏差)來評估計劃放置位置與最終放置位置之間的準確度，此方法可行性高。

5 小 結

目前，3D打印技術已經從最初的模型制作轉變為手術指導。隨著信息技術的發展和各種打印技術的改進，將進一步促進3D打印技術滲透到口腔醫學的各個領域，特別是在頜面外科中的應用。3D打印在頜面外科中的應用具有十分重要的現實意義，而隨著3D打印技術的發展，高性能、高質量、低成本材料和技術的出現以及CAD/CAM等計算機輔助軟件的普及，3D打印技術在頜面外科中的應用前景將更廣闊。但3D打印制作成本高，且需要特殊的生產設備，因此在臨床醫學的普及過程中仍存在許多問題，未來需進一步探索。