三维打印口腔修复种植体的研究进展

王伟娜,雒 静,赵金花,李泽彬,李 潇

三维打印作为数字化制造的一种,在口腔临床中广泛应用。口腔内扫描和锥形束计算机断层扫描等三维成像和建模技术的进步,以及计算机辅助设计日益广泛的应用,三维打印技术在口腔种植学领域越来越受到重视。目前,三维打印应用于种植模型制备,个性化托盘制作,以及辅助种植手术的种植导板等,取得了较好的临床使用效果[1-3]。个性化种植体具有适应不同解剖结构的几何形状,有利于保存软硬组织,减少愈合时间[4-5]。而使用传统方法制造个性化种植体是相当具有挑战性和昂贵的,相比之下,三维打印以更低的成本和更简单的方式制造出复杂结构的种植体[6]。三维打印涉及的种植体材料主要有钛、钛合金和氧化锆全瓷,其中,金属材料的打印相对比较成熟,氧化锆等全瓷材料还处于研发阶段。现就三维打印口腔金属及全瓷种植体的研究进展予以综述。

1 三维打印金属种植体

1.1 金属打印技术及材料

三维打印金属种植体的代表性技术有选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)和选择性激光熔化(selective laser melting,SLM)。SLS可以制作具有高精度的复杂几何形状和粗糙的多孔表面种植体。粗糙表面可以增加摩擦力形成高强度的机械稳定性,为各类成骨细胞提供附着,在患者体内可增加骨结合;多孔结构可以模拟松质骨的组织形态,一定程度缓解种植体受力时的应力遮蔽效应[7-9]。在2年随访研究中,SLS螺纹式窄径种植体的生存率达到100%,成功率达到94.6%[10]。SLM是打印高强度、高精度种植体的有效手段,植体表面螺纹形态逼真,并表现出更好的应力分布和初期稳定性[4]。三维打印金属材料主要为符合《外科植入物用钛及钛合金加工材料(GB/T 13810-2007)》《激光成型用钛及钛合金粉(GB/T 34486-2017)》规定的钛和钛合金粉末。三维打印此种材料在生物安全性上与铣削制造不相上下,在使用方式和范围上有机会超过传统制造的钛植入物[11]。自Brånemark首次发现钛与骨组织间的骨结合现象以来,以Ti-6Al-4V(TC4)为材料制作的钛合金螺钉型种植体已大量商业化生产并在口腔医学中临床应用[12]。三维打印的TC4种植体同样具备良好的结构稳定性与生物相容性,在体内可以达到与经典Straumann种植体相似的骨结合[13]。因此,Ti-6Al-4V是目前三维打印种植体具有代表性的金属材料及首选材料。

1.2 种植体形貌设计

种植体表面形貌设计,对骨结合至关重要[14]。表面呈现多孔结构的三维打印种植体可以适应骨缺损,与商用种植体相比,具有更好的骨再生能力和常规种植失败后修复大面积骨缺损的应用前景[15]。根据已发表的文献,骨种植材料的理想孔隙率为30%～90%,孔径>100 μm有利于骨细胞长入,有利于种植体的稳定[16]。孔径越大,骨再生效果越明显,这种现象可以用血管的生成伴随骨骼的生成解释,然而当孔径>400 μm时的血管化差异无统计学意义[17]。350或500 μm的孔径使TC4种植体在细胞增殖、附着和分化方面均有明显改善,表现出优于传统螺钉型种植体的生物相容性,且孔径为350 μm的种植体在周围骨组织中具有最佳的机械应力分布[18]。该研究制作的种植体结构复杂、精度高、孔径尺寸均匀,为多孔结构在改善种植体几何形貌和实施动物或临床试验提供了前景。对于孔型设计,500 μm的六边形孔型的机械性能接近皮质骨,三角形和四边形孔型的机械性能与松质骨相似[19]。在未添加生长因子和牛源性多孔异骨的情况下,种植体(SLM-TC4)表面特殊的十字形微孔孔型结构促进骨长入,在咀嚼过程中为种植体颈部提供了与天然牙齿相似的机械刺激,保持了牙槽骨高度,促进了种植体的稳定性和整体成功率[20]。另有研究表明菱形十二面体的高度对称孔型结构在多向压力下具有良好的稳定性,在高孔隙率的情况下,临床应用也十分安全[21]。在即刻种植的临床研究中,个性化根形种植体的设计方式可降低种植体使用过程中松动、脱落、牙槽骨吸收等并发症的发生。将种植体表面孔隙率为60%～70%,孔径在300～400 μm的菱形十二面体的根形种植体置于患者即拔即种的拔牙窝内,敲击就位后取得良好的初期稳定性,在3、6、12个月的观察期内种植成功率为100%,功能性负载后种植体颈部骨水平无变化,种植体根部无透射影[22]。这种根形种植体同时被证实与常规螺钉状种植体相比,其在牙槽骨中具有更好的应力分布[23]。

种植体的孔隙率表现在烧结处理中随着温度的升高而显著降低,但在较低的温度下烧结,会形成多孔网络,孔隙更大,连通性更高[24]。因此,如何调节三维打印工艺参数,设计并获得孔隙率、孔径和孔型均有利于细胞生长的多孔钛植入物,还有待进一步研究和形成共识。

作为传统种植体的替代,三维打印根形种植体的形态设计,提供了与原牙根相似的尺寸,与拔牙窝更好的匹配,但该技术需要准备患牙拔除前CBCT数据或患牙完整拔除后体外扫描数据,究竟以何种数据打印更为方便、有效及精准,尚有争论。

1.3 种植体表面修饰

种植体表面修饰技术是促进骨结合的重要手段之一。钛合金的生物惰性表面使其体内生物反应较差,不同的涂层和表面改性技术被用于提高钛植入体的生物相容性以促进骨结合[25]。虽然三维打印的种植体显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结合,但为实现即时或早期负荷,表面处理的研究逐渐增多[26]。三维打印种植体与传统螺纹种植体相比,术后12周稳定性差异无统计学意义,但初期稳定性表现出差别[27]。经过靶离子诱导等离子溅射(TIPS)的种植体可实现良好的初期骨结合,但经过充分的愈合期(12周),无论表面处理与否、采用何种处理方式,骨结合水平相似[26]。含镁生物材料具有良好的可降解性和生物相容性,通过种植体(SLM-纯钛)孔隙填塞镁合金的方法引导镁离子到达种植体表面后诱导骨细胞增殖,无论初期和后期,种植体和牙槽骨均未发现应力集中区域,维护了松质骨的功能,提高了种植体的承载能力[28]。通过种植体表面负载基质细胞衍生因子SDF-1α,可获得比常规种植体更明显的干细胞招募作用,更多的钙沉积物,结果表现为更高的骨结合[29]。在中药涂层研究方面,TC4通过碱酸热处理并负载黄芩苷涂层后具有良好的生物相容性,对大鼠骨髓间充质干细胞的成骨分化有促进作用,为今后种植体表面修饰中药涂层方面提供了一个新的选择[30]。此外,将SLM、电化学阳极和水热(HT)工艺相结合,激发种植体(SLM-TC4)多结构表面,增强成骨样细胞对纳米微结构的黏附性,为改善骨结合和种植体的抗菌性能提供了所需的特性[31]。由上述研究发现,三维打印种植体的表面处理、修饰方法多种多样,但何种方法最为成熟、有效,仍需进一步研究积累。

2 三维打印全瓷种植体

三维打印金属及高分子材料趋向成熟,但在全瓷材料领域仍需进一步的发展[32]。氧化锆种植体可以克服钛种植体在前牙颊部骨丢失或/和薄龈生物型患者中易出现的美观问题,克服钛种植体可能带来的超敏反应、材料降解腐蚀问题。有研究表明氧化锆种植体与纯钛种植体的骨结合能力相当,能形成紧密的直接骨接触,有望成为口腔种植体的可选材料[33]。但从修复的角度来看,种植体应稳定、抗老化,避免种植后出现微裂纹,而氧化锆的主要缺点是脆性,不可见的微裂纹,这使氧化锆的抗断裂性能低于钛,影响其临床使用。

2.1 全瓷打印技术及材料

最早用于氧化锆打印的工艺是直接喷墨打印(Direct Inkjet Printing,DIP),该工艺将粘接剂和待成型陶瓷粉制备为“陶瓷墨水”浆料,打印过程中不需要设置支撑,通过打印喷头在计算机预先设置的建模数据下进行图案绘制并层层叠加形成 3D 实体零件[34]。DIP需严格控制浆料黏度和颗粒均匀分散程度,否则打印喷头易被团聚的颗粒堵塞[35-36]。这种墨水要求颗粒<1 μm,分布均匀,团聚小,粘接性小、流动性好,但由于墨水化学性质在高温状态下不稳定,喷射墨水时的精度较难控制,且为了解决喷嘴堵塞问题,无论是降低陶瓷墨水的黏度还是增大喷嘴的毛细直径都会降低精度[34]。但是,DIP可以根据需求进行个性化设计,并且不需要借助激光技术,成本较低,目前仍是廉价个人或桌面打印解决方案[37]。SLS、SLM制作全瓷修复体不如金属成熟,面临制备试件内部孔隙、裂纹,表面粘粉,力学性能差等问题[38-40],这严重影响了其在临床中的应用。目前,陶瓷打印主要通过将陶瓷粉末与其他成分混合制成浆料,利用浆料中其他成分的固化性能进行打印,完成后需行脱脂烧结得到最终制件。数字光投影技术(digital light processing,DLP)是目前采用的主要工艺,是立体光固化技术(sterolithography apparatus,SLA)的一个分支,以氧化锆颗粒、光敏树脂和分散剂等成分制成打印浆料,浆料成分和固相含量不同,烧结后表现不同的力学强度和精度。Osman等[41]使用DLP制作了氧化锆螺纹种植体,结果显示种植体打印精度的均方根(RMSE)为0.1 mm;0°打印的抗弯强度(1 006.6 MPa)明显优于45°(892.2 MPa)与90°(866.7 MPa);扫描电镜观察到裂缝、孔隙范围从196 nm到3.3 μm;粗糙度算术平均值Ra为(1.59±0.41)μm,均方根Rq值为(1.94±0.47)μm;晶相主要为氧化钇稳定四方相氧化锆(Y-TZP),由此得出DLP可有效打印定制的氧化锆种植体,具有足够的尺寸精度,抗弯强度,但三维打印仍需工艺参数优化以进一步改善材料的微观结构。在承载能力方面,全瓷材料超过了临床预期的正常咬合力[42]。郭亮等[43]配制了固相质量分数72.5%的陶瓷-光敏树脂浆料,研究了DLP制作陶瓷坯体过程中,曝光时间和强度对固化深度的影响,以及烧结温度对试件致密度及硬度的影响,最终得到了具有良好固化效率与成型精度的陶瓷浆料,且烧结完成的胚体致密度达95%以上,维氏硬度达11.3 GPa,晶相为四方相氧化锆陶瓷,实现了复杂陶瓷胚体的快速打印制备。总之,DLP具有成型速度快、打印精度高且力学性能良好等优点,但仍面临微裂纹等问题[44]。因此,下一步研究应通过改良打印浆料成分和工艺参数对氧化锆三维打印技术进行优化,同时解决氧化锆试件脱脂烧结时间长等问题,使DLP制作氧化锆全瓷种植体值得尝试。

2.2 种植体形貌设计及表面修饰

Cheng等[45]提出了影响植体稳定性的内外因(外因包括种植体的螺纹螺距、螺纹深度、植体颈部最大直径及种植体尺寸等;内因包括骨密度、皮质骨厚度及非骨性结合等)并进行不同种植体形态设计,利用有限元模拟其在动态载荷下的动度并优化种植体模型;最终采用粒度为1 μm的钇稳定氧化锆陶瓷粉,配制重量比为13∶5的氧化锆和光固化树脂混合浆料,采用DLP方法(层厚20 μm,激光波长470 nm)及两阶段烧结法(第一步采用恒热速率烧结,以蒸发粘结剂;第二步在较低温度下进行等温烧结,以增加密度而不产生明显的气孔)成功制作了优化后的种植体,植体晶相结构良好,力学性能优异(烧结前和烧结后试件的抗弯强度分别为(20.41±3.8)MPa 和(632.1±72.5)MPa,维氏硬度分别为0.12 GPa和14.72 GPa),但烧结后的精度仍有待提高。三维打印的氧化锆种植体具有商业纯钛种植体水平的生物相容性,但该种植体不如喷砂钛种植体的骨结合更快和更强,因此在临床应用中需要足够的表面处理方法[46]。通过比较两组不同表面修饰的根形种植体在患者体内的有效性发现仅进行喷砂处理的植体在2个月内脱落,而种植体表面设计了肉眼可见的固位形的生存率达到了92%,骨吸收和软组织萎缩最小,达到良好的美观和功能效果[47]。为了避免氧化锆种植体出现裂纹、破碎的问题,仿生自釉叠层氧化锆材料应运而生,该材料表面覆盖有三维打印纳米颗粒形成的光滑表层,并与内部形成整体,显著提高了氧化锆材料的力学性能[48]。

三维打印氧化锆种植体是可行的,但数控铣削在微观结构设计/分布和形状控制方面仍占有重大优势,三维打印在全瓷领域若想拥有竞争力,需进一步控制微观结构/孔隙度,了解其如何影响骨结合和种植体周围生物学[49]。目前针对全瓷种植体的表面处理方法的研究尚不足,这或许为我们指明了一种新的研究方向。

3 小 结

三维打印口腔种植体的技术层面已逐渐成熟,无论是金属还是全瓷材料均有可选择的三维打印技术,且打印完成的种植体已初步符合临床要求。三维打印金属种植体较为成熟,经过表面修饰的多孔TC4种植体极具代表性,其在体内可形成有效的骨结合。金属种植体表面多孔设计及表面处理方法具有多样性,且已经过相关研究证明其有效性,但何种表面设计及修饰方法最为有效尚需进一步研究及形成共识。三维打印全瓷种植体最为成熟及常用的技术为DLP,该方法制作的氧化锆种植体表现出良好的精度及力学性能,但在优化工艺参数、工艺流程以控制微观结构方面有待突破。全瓷种植体的表面形貌及修饰的研究较少,如何通过合适的材料选择、优秀的表面处理以增加骨结合和改善种植体周围生物学仍需后续研究。此外,对于金属及全瓷种植体的适用范围、临床选择尚需进一步的思考。