金屬3D打印技術在口腔醫學應用

文/張亮

3D打印又稱增材制造（Additive Manufacturing，AM），屬于快速成形技術的一種，是通過設計數字模型，采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術[1]。3D打印技術擁有極高的加工自由度，對于醫學金屬材料的3D打印，其可以利用CT、MRI等醫學影像，通過計算機重建患者骨缺損模型，制造出生物學性能與力學性能更與骨匹配的植入物產品，在口腔醫學領域的應用前景廣闊。

1 金屬3D 打印技術概況

1.1 不同工藝金屬3D 打印分類

金屬3D 打印技術主要有：選區激光熔化/燒結（selective laser melting/selective laser sintering，SLM/SLS）、電子束選區熔化（electron beamselective melting， EBSM）、激光近凈成形（laser engineered net shaping，LENS）等[2]。

（1）SLM/SLS 該方法采用激光選擇性熔覆或者以固體粉末燒結的方式進行逐層熔覆，然后在逐層熔覆的基礎上形成三維實體零件。該方法基于離散-堆積原理、計算機技術、激光加工技術、數控技術和新材料技術相結合，可實現零件的自動、快速、精確的三維造型，并具有一定的結構和功能[3-4]。

（2）LENS 將選擇性激光燒結(SLS)技術與激光熔覆(Laser Cladding)技術兩者相結合，實現高密度、高強、高強金屬零件的近凈成形，被稱為“激光近形制造技術”“激光近形制造技術”或“工程凈成形技術”[5]。

（3）EBSM 技術是金屬粉末層通過電子束在程序控制下根據模型提供的信息掃描，有選擇在局部微小區域使其產生高溫，導致金屬微粒熔化燒結，通過逐層堆積直至整個零件完成[6]。

1.2 金屬3D打印與傳統金屬制造工藝的對比

（1）同傳統工藝相比，金屬3D打印整體上有不需模具，可直接成型而無需二次加工的優點，實現個性化設計并制作復雜結構與其他制造技術相比具有適用性廣泛、工藝簡單。但也有不足，如：金屬制品致密度不及鍛造，后需進行退火等處理；由于掃描精度不足，制作出的金屬制品表面較粗糙往往還需后續噴砂等處理；另外因3D打印的金屬合金存在各向異性的特點，所打印出的金屬件在不同方向的力學性質不同。

（2）各種3D打印金屬工藝與傳統工藝相比，不同的3D金屬打印技術除了共同優缺點外，還有各自的優缺點。

SLM/SLS 優點：①選材豐富，理論上，任何粉末材料經激光加熱后，能在粉粒間形成原子間連接，均可作為 SLS的成型材料。②工藝簡單，生產周期短，尤其適用于小批量、個性化定制復雜形狀零件[7]。缺點：①粉末材料的物理特性會影響零件的精度及粗糙度；②制作工藝的某些因素（如鋪粉厚度、掃描間距、激光的功率等）不穩定會降低零件的精度及表面光潔度，導致制作缺陷；③SLM 打印成形過程易產生熱應力、組織應力、殘余應力，易導致制件在打印過程中的翹曲變形與裂紋[7]。

EBSM 優點：①熔化過程中熔池細小，冷卻速度較快，可以有效避免鑄造過程中晶粒的過分長大和成分的偏析；②所采用的高真空環境正好，可以有效降低空氣中O、N對成形件的污染，特別適合于制備活性金屬（如鈦合金)；③樣品中內應力小，更適合于制備金屬生物多孔材料的設計[8]。缺點：①金屬粉末在電子束作用下易發生“粉末潰散”，需對粉末進行預熱；②工藝參數還需要進一步調整保證能量密度與粉末熔化速度之間的匹配減少冶金缺陷；③電子束能量密度比激光束高[9]。LENS 的優缺點與SLM 相仿。

2 在口腔醫學領域中3D 金屬打印的研究現狀

2.1 基礎研究

2.1.1 口腔頜面外科

采用3D打印技術對口腔頜面外科手術器械進行優化設計，可方便地制作出與人體骨組織形態和彈性模量更為匹配的植入物，可有效減少供區傷害，縮短療程，完成優質成形修復手術，提高術后面部外形復原效果[10]。

2.1.2 口腔修復

通過金屬3D 打印制作金屬內冠、全冠、可摘局部義齒支架，全口義齒基托。體外研究表明應用SLM 技術：制作鈷鉻金屬基底冠的金－瓷結合力與傳統工藝相當,兩者無統計學差異，符合ISO標準[11]。

2.1.3 口腔正畸

3D 打印的個性化舌側托槽已經成功設計并打印，但尚處在實驗階段。個性化的托槽底板與所設計的牙模表面高度吻合，并完全貼合患者牙齒模型。托槽佩戴于患者口腔后，托槽戴在病人口腔后，隱藏在牙內側，效果良好[12]。

2.1.4 口腔種植

利用3D 打印技術制作種植體；在種植體上形成復雜多孔結構，促進盡種植體骨結合。應用SLM 制作牙科種植體，機械性能均達到要求[13]。而且Traini 等[14]設計出梯度化Ti-6Al-4V 合金多孔牙科種植體，其具有良好的理化性能。

2.2 臨床應用

2012-02-05，比利時 Hasselt大學的 BIOMED研究所宣布，世界上第一個3D打印人工下頜骨置換術在一位83歲的老人成功實施[15]。Alessandro Cucchi等[16]應用3D打印技術制備個性化鈦網用于引導性骨再生術，成功修復患者萎縮下頜骨牙弓，使其能夠進行種植體修復。周萬林等[17]通過3D掃描技術聯合SLS技術能夠制備出外形結構完整、表面形貌粗糙的高精度TC4種植體，但研究尚處在實驗階段，還未應用。國內通過40例口腔舌側正畸托槽粘接效果分別進行分組觀察，發現3D打印托槽與傳統托槽相比，吻合度更高，粘接位置更準確，治療流暢性更好，遠期療效更好[18-19]。

3 今后研究方向

隨著金屬3D打印加工設備進一步優化，3D打印金屬材料的研發，以及計算機輔助設計廣泛應用。針對口腔科醫生，應根據不同學科的特點、金屬制品不同部件的性能和功能要求，以及所采用的加工技術，進行綜合考慮和重點研究。要想將金屬3D打印技術正確地應用于臨床，發揮其優勢，就要了解各種金屬3D打印工藝的特點，熟悉它們的工作原理和工藝，避免盲目應用。

為更好地應用增材制造技術為病人服務，應當進一步完善其結構設計，尋求更加完美的形貌和更合理的內部結構，對復雜外形和內部結構的高精度、高質量、個性化制造，對克服不理想的微觀組織結構和零件殘余應力等缺陷進行深入研究，深入了解金屬粉末受熱、熔化、流動、凝固過程的物理機制，提高制作工藝；確定適應征，完善治療流程，提高手術質量。金屬3D打印技術將在口腔醫學領域中獲得更加廣泛的應用。