3D打印在口腔医疗器械领域的应用

王健王书晗冯晓明王春仁

1 中国食品药品检定研究院 （北京 102269）

2 深圳市药品检验研究院（深圳市医疗器械检测中心） （深圳 518057）

3 深圳医疗器械产品检测公共服务平台 （深圳 518057）

3D打印在口腔医疗器械领域的应用

王健1王书晗2,3冯晓明1王春仁1

1 中国食品药品检定研究院 （北京 102269）

2 深圳市药品检验研究院（深圳市医疗器械检测中心） （深圳 518057）

3 深圳医疗器械产品检测公共服务平台 （深圳 518057）

利用3D打印技术构建口腔医疗器械经过二十多年的发展，已经在口腔颅面外科学、口腔种植学、口腔外科学、口腔正畸学等多个口腔医疗领域广泛应用。本文就该领域的技术发展、材料学、临床应用、标准化的国内外最新进展进行综述，并根据技术发展趋势进行展望。

3D打印 口腔医疗器械 生物材料 标准化

0.前言

3D打印的思想起源于19世纪末的美国，3D打印机是一位名为恩里科·迪尼（Enrico Dini）的发明家设计的一种打印机[1]。3D打印技术在20世纪80年代首先应用于工程领域[2]，逐渐应用于航空航天、工业设计、纳米传感器、艺术等领域，Charles Hull首先推出光固化法3D打印，并于1990年首次应用于医学领域[3]，成为该项技术在生物医学领域应用的开端。经过二十多年的发展，利用3D打印技术构建口腔医疗器械，已经包含了口腔颅面外科学、口腔种植学、口腔外科学、口腔正畸学等多个口腔医疗领域。

1.3D打印技术在口腔医疗器械领域的应用

3D打印技术在口腔医学领域主要应用选择性激光烧结技术、立体光固化成型技术（SLM）、三维印刷（Three-Dimensional Printing，3DP）、熔融沉积成型技术（Fused Deposition Modeling，FDM）。

美国技术咨询服务协会Wohlers发布的2012年度报告预测，3D打印市场规模到2019年将增长到65亿美元，医学约占其中的15.1%[5]。而在医学领域采用3D打印技术最多、市场前景最好的是修复外科与口腔科领域。以下将结合上述不同原理的3D打印技术特点，从临床分类学的角度介绍相关进展。

1.1 3D打印技术与口腔颌面外科学

20世纪90年代，国外学者即开始尝试用3D打印技术进行颅颌面外科的术前评估，制定手术计划，并提高了诊断正确率29.60%、操作准确度36.23%、缩短手术时间17.63%[6]。3D打印技术由于可以由3D实体CAD模型直接制造出产品，在颌面外科最初主要是原型制造、模型外科，由此设计制作个性化修复体，如颌面缺损部位修复体、手术个性化导板、手术固定装置等。硬组织打印方面主要借助金属3D打印技术，可以方便地制作各种空间结构和孔隙度的多孔钛实体，使植入物的生物学多孔表面设计更为合理，工艺更为可靠，所得金属构件质量更轻，力学性能与人体骨组织更为匹配，广泛用于设计和制造颌骨、下颌骨、眼眶骨、鼻骨、耳骨等修复体，治疗口腔颌面部缺损。2011年6月，世界上首例由3D打印技术制作的人工下颌骨移植手术在荷兰进行，一位83岁的比利时女性接受了3D打印下颌骨重建手术，形成了立体的人造骨骼部件成品，术后下颌骨并未影响她的语言表达和进食能力[7]。2012年，Figliuzzi[8]利用3D打印制造种植体完成即刻种植，颌面部大面积缺损重建及修复，复杂性骨折的术前诊断、评估及制定手术计划，大量应用于口腔颌面外科[9～10]。

目前，用于口腔颌面外科的3D打印材料主要为纯钛和钛合金两种。但纯钛强度比钛合金低，纯钛的弹性模量高于骨组织。因此，涂层、表面氧化、表面粗糙化等处理技术逐渐涌现，用以改善其机械物理性能及生物相容性[11]。Li等[12]采用等离子注入的方法在TiNi形状记忆合金上制备金属钽，经过电化学测试，基体的耐蚀性有了很大提高。

1.2 3D打印技术与口腔种植学

3D打印技术在口腔种植领域的应用，即将口腔扫描、口腔图像处理和3D打印技术整合，采用“图像数字化采集重构、CAD/CAM专业设计、标准化3D打印制造、规范化种植治疗”等技术系统集成，可以打印不规则形状、尺寸和表面粗糙度要求不同的修复体。Faleh Tamimi[16]等通过PetCT研究牙科钛种植体植入3D打印植骨材料（DCPD，二水磷酸二钙）在缺损区的骨代谢情况，认为植入材料应设计为促进细胞生长、成骨的多孔结构，并证实了骨缺损区3D打印成骨材料与牙种植体形成骨整合的可能性。El-Hajje A[17]等应用3D打印技术制备多孔钛种植体，通过调整粘接剂聚乙烯醇含量和熔融温度控制孔隙率和力学性能，样品与松质骨弹性模量相近。Chen J、Zhang Z[18]等应用3D选择性激光熔附技术制备个性化纯钛根形和根形带螺纹种植体，系统研究了其力学性能、生物学行为，采用无限元和有限元方法研究了其应力分布和初期稳定性。

3D打印种植体不仅力学性能可以满足口腔种植体需求，而且可以通过梯度孔隙设计模拟生物体骨组织形貌达到诱导成骨、促进骨整合效果[15]。同时，3D打印技术出色的材料孔隙梯度控制，能够精确高效打印出符合患者个性化需求的种植体，使千篇一律的传统种植体面临逐渐被取代的趋势。目前已经成熟的口腔种植打印领域主要包括：（1）种植导航模板：精确捕捉可植体位置和方向，可确保种植的出色进行，已实现集种植手术规划、修复体设计、手术导板于一体的三维设计。（2）牙齿模型：利用高清摄像头、3轴运动、LED技术，保证了牙模扫描的速度和精确度，纹理扫描增强了表面细节的可视性，自适应扫描还能辅助达成自然咬合的目的。（3）义齿：使用特定的CAD软件可以实现同口腔颌面外科学相似，钛及钛合金为口腔种植体最常用的3D打印材料。

1.3 3D打印技术与口腔修复学

数字化光学印模采集技术已被公认为口腔修复学印模采集技术的发展趋势，具备真正无模化、数字化的特点，扫描设备深入口内直接对口腔内软硬组织进行扫描与测量，收集的数据通过CAD软件设计构建三维数字化模型，经过一些列数据处理，实现高精度的三维实体重建，最后实施3D打印。特别在口腔颌面修复与整形手术中所需要的植入体或修复体的个性化要求相当高，3D打印技术的个性化定制特点无疑在口腔颌面修复领域中具有独特的优势。王亚妹等[19]结合3D打印树脂模型评价了Cerec蓝光照相系统和Cerec彩摄像系统扫描主模型椅旁扫描系统的扫描精度。

2003年，金树人等[20]用CNC激光扫描系统扫描全冠的蜡型，再应用逆向工程软件形成全冠数字模型，最终利用激光快速成型机成功制作出树脂全冠。后在扫描精度和建模的快捷性上均取得了进步[21]。王晓波，高勃等[22]利用激光立体成形技术制备纯钛全冠，王忠东[23]利用逆向工程技术和3D打印技术制作出个性化桩核。从修复体精度来看，采用激光烧结出的金属冠边缘与预备后牙体之间的间隙明显优于传统铸造金属冠[24]。利用3D打印技术制作可摘局部义齿支架树脂[25]、利用选择性激光烧结技术制作鼻部缺损蜡型，并进一步制作出鼻部硅橡胶、蜡质赝复体[26～27]。3D打印技术可以打印不规则形状、尺寸和表面粗糙度要求不同的修复体，使其在口腔修复领域大放异彩。

1.4 3D打印技术与口腔内科学

3D打印技术在口腔内科学的应用主要配合影像学技术，利用三维影像重建技术应用于根管形态学研究，可从三维立体角度观察根管形态，进行综合测量和分析，以了解并总结根管系统的解剖特征和变异。通过3D打印技术将重建出来的模型实体化后，还可以广泛应用于口腔教学和临床复杂根管的术前诊断及模拟手术。Kfir等[28]通过CT获得牙体根管的解剖，然后制作出树脂模型，在树脂模型上制定手术计划，并模拟操作，最终成功在未破坏髓腔情况下填充内陷的空腔。

1.5 3D打印技术与口腔正畸学

3D打印技术配合运用具备成本效益的常用矫治器CAD设计软件，可以轻松定制所有类型的矫治器，包括夜用咬合板、固位器、个性化带环、牙合板、扩弓器、生物调节器、双牙合板等[29]。采用3D打印为基础构建的数字模型较传统石膏模型的精确性大为提高[30～31]，可以成为石膏模型的一种替代。王洪一[32]等将3D打印技术应用在正颌外科手术中，术后随访时间平均4.5个月，患者咬合并系明显改善，无血管神经损伤等并发症发生。林泽等[33]用选区激光熔化快速成型口腔专用3D打印设备制造个性化舌侧托槽粘接，6个月后复查，试验组个性化舌侧托槽临床远期效果为95%，远高于对照组的75%。当前，无托槽隐形矫治技术处于快速发展阶段，3D打印技术在其中也扮演重要的角色。

2.3D打印技术与标准化现状

国际上，3D打印技术通用化制定标准制定已经启动。ISO/TC106已成立“第九分技术委员会牙科计算机辅助设计/计算机辅助制造（CAD/ CAM）系统”（SC 9 plenary Dental CAD/CAM Systems），其工作组分工如表2[34]。

目前正在组织制修订的标准如下：

第2工作组正在制定《牙科学—CAD/CAM系统工序术语》；

表2 . I S O / T C 1 0 6工作组分工表I S O / T C 1 0 6 / S C 0 9 " D e n t a l C A D / C A M s y s t e m s " S C 9牙科计算机辅助设计/计算机辅助制造( C A D / C A M )系统I S O / T C 1 0 6 / S C 0 9 / W G 0 2 " T e r m i n o l o g y " W G 0 2 术语I S O / T C 1 0 6 / S C 0 9 / W G 0 3 " D i g i t i z i n g d e v i c e s " W G 0 3 数字化设备I S O / T C 1 0 6 / S C 0 9 / W G 0 4 " I n t e r o p e r a b i l i t y " W G 0 4 互用性I S O / T C 1 0 6 / S C 0 9 / W G 0 5 " M a c h i n e d d e v i c e s " W G 0 5 加工设备I S O / T C 1 0 6 / S C 0 9 / W G 0 6 " M a c h i n a b l e b l a n k s " W G 0 6 可被机器加工的材料块

第3工作组正在修定《ISO 12836牙科学—间接牙体修复CAD/CAM系统的数字设备—评估准确性的测试方法》；

第4工作组正在制定《牙科学——CAD/ CAM系统的互通性》；

第5工作组正在制定《牙科学——CAD/ CAM系统—器械间接修复体的精度—测试方法和标记》；

第6工作组正在制定《牙科学——可加工种板》。

3.展望

随着影像技术、计算机图像处理技术、3D打印技术及打印材料的进步，有望进一步促进3D打印技术在口腔颌面外科学领域的应用，在辅助手术设计和手术，修复体设计、优化，保证安全有效的基础上显著减修复体质量，降低制造损耗，完成更为精细复杂的高性能打印等诸多方面进一步提升。随着技术普及的道路愈走愈宽，普通种植牙科诊所拥有牙科专用3D打印机以及相配套的3D口腔扫描仪、3D口腔CT全景机、3D图像处理软件，所形成的完整全数字化方案将逐渐普及。然而由于系统价格昂贵，多数材料还依赖进口，完成3D打印技术与组织工程学的结合，最终实现以人自身细胞为原料，打印构建高度仿真、组织相容性好、具备全部生理功能的人造器官，任重道远。

[1] 张阳春, 张志清, 3D 打印技术的发展与在医疗器械中的应用, 中国医疗器械信息, 3D打印专题, 1-6

[2] Benjamin LS, The evolution of multiplanar diagnostic imaging:predictable transfer of preoperative analysis to the surgical site [J], J. Oral Implant 2002,28(3):135-144

[3] Mankovich NJ, Cheeseman AM, Stoker NG. The display of three dimensional anatomy with stereolithographic mode [J]. J Digit Imaging, 1990,3(3):200-203

[4] International A. Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies. 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428.

[5] 周伟民, 闵国全, 李小丽, 3D打印医学, 组织工程与重建外科杂志, 2014,(1):1-3,7

[6] D′urso PS, Barker TM, Earwaker WJ, et al. Stereolithographic biomodelling cranio-maxillofacial surgery:a prospective trial [J]. J Craniomaxillofac Surg, 1999,27(1):30-37.

[7] Nickels L. World"s frst patient-specifc jaw implants[J]. Metal Powder Report, 2012,67(2):12-14.

[8] Figliuzzi M, Mangano F, Mangano C. A novel root analogue dental implant using CT scan and CAD/CAM:selective laser melting, [J] Int J Oral Maxillofac Surg, 2012,41(7):858-862

[9] Wagner JD, Baack B, Brown GA, etal. Rapid3Dimensional prototyping for surgical repair of maxillofacial fractures:a technical note [J]. J Oral Maxillofac Surg, 2004,62(7):898-901.

[10] Esses SJ, Berman P, Bloom AI, et al. Clinical applications of physical 3D models derived from MDCT data and created by rapid prototyping [J]. AJA Am J Roentgenol, 2011,196(6):W683-W688

[11] Liu CK, Jing CX, Tan XY, et a1.Using three-dimensional porous internal titanium Scaffold orallogenic bone scaffold fortissue-engineering condyle as a novel reconstruction of mandibular condylar defects [J]. Journal 0f Medical Hypotheses and Ideas, 2013,11.

[12] Li Y, Wei S, Cheng X, et al. Corrosion behavior and surface characterization of tantalum implanted TiNi alloy [J]. Surf Coat Tech, 2008,202(13):3017-3022.

[13] 孙成, 于金华, 3D打印技术在口腔临床的应用, 口腔生物医学2014,5(1):49-52

[14] 徐步光, 李丹荣等, 3D 打印技术在口腔种植领域的应用及对牙科工业发展的革命性影响, 中国医疗器械信息, 3D打印专题, 13-18

[15] Qian C, Zhang F, Sun J. Fabrication of Ti/HA composite and functionally graded implant by three-dimensional printing [J]. Biomed Mater Eng. 2015,25(2):127-136.

[16] Tamimi F, Torres J, Al-Abedalla K, et al. Osseointegration of dental implants in 3D-printed synthetic onlay grafts customized according to bone metabolic activity in recipient site[J]. Biomaterials. 2014,35(21):5436-5445.

[17] El-Hajje A, Kolos EC, Wang JK, et al. Physical and mechanical characterisation of 3D-printed porous titanium for biomedical applications [J]. J Mater Sci Mater Med. 2014,25(11):2471-2480.

[18] Chen J, Zhang Z, Chen X, et al. Design and manufacture of customized dental implants by using reverse engineering and selective laser melting technology [J]. J Prosthet Dent. 2014,112(5):1088-1095.

[19] 王亚妹等, 不同数字印模技术对3D打印模型精度的影响, 实用口腔医学杂志2016,5,32(3):313-316

[20] 金树人, 姚月玲, 高勃, 等. 应用快速成型法制作磨牙树脂全冠[J]. 第四军医大学学报, 2003,24(8):700-702.

[21] 彭峰. 应用快速成型和激光近形制造技术制作磨牙全冠的实验探究与分析[J]. 海南医学院学报, 2013,19(5):693-695.

[22] 王晓波, 高勃, 孙应明, 等. 激光立体成形技术制备纯钛全冠的初步研究[J]. 实用口腔医学杂志, 2009,25(3):315 －318.

[23] 王忠东. 应用反求工程和快速成型技术制作个体化桩核的研究[D]. 广州:中山大学, 2007.

[24] Bindl A. Morman WH. Marginal and internal ft of allce-ramic CAD/CAM crown copings on chamfer preparations[J]. J OralRehabil, 2005,32:441-447

[25] 牛茂, 许在俊, 李月. 基于三位打印技术制作可摘局部义齿支架树脂熔模的适合性研究[J]. 重庆医学, 2015,44(9):1235-1238

[26] 周冰, 赵铱民, 吴国锋, 等. 选区激光烧结成型技术在鼻赝复体制作中的应用[J]. 中国激光, 2008,35(10):1644-1648.

[27] 李风兰, 赵铱民. 选择性激光烧结法烧结复合蜡粉制作耳赝复体[J]. 中国激光, 2009,36(10):2712-2716.

[28] Kfr A, Telishevsky-Strauss Y, Leitner A, et al. The diagnosis and conservative treatment of a complex type3Dens invaginatus using cone beam computed tomography (CBCT) and 3D plastic models [J]. Int endod J, 2013,46(3):275-288

[29] 徐步光, 李丹荣, 宁锐剑. 3D 打印技术在口腔种植领域的应用及对牙科工业发展的革命性影响[J]中国医疗器械信息, 2015( 8) :13-18.

[30] Whetten JL, Williamson PC, Heo G, et al. Variations in orthodontic treatment planning decisions of class II patients between virtual 3-dimensional models and traditional plaster study models [J]. Am J Orthod Dentofacial Orthop, 2006 130(4):485-491

[31] Asparova M, Grafova L, Dvorak P et al. Possibility of reconstruction of dental plaster cast from 3D digital study models [J]. Biomed Eng Online, 2013,12:49.

[32] 王洪一, 梁久龙等, 3D 打印技术在正颌外科手术中的应用, 解放军医药杂志2015,11(27):13-16

[33] 林泽, 陈军等, 数字化3D打印技术在口腔舌侧正畸托槽粘接中应用研究, 中同实用口腔科杂志, 2016,2(9):104-107

[34] www. iso. org

Application and Prospect of 3D Printing in the Field of Oral Medical Devices

WANG Jian1WANG Shu-han2,3FENG Xiao-ming1WANG Chun-ren1
1 National Institutes for Food and Drug Control (Beijing 100050)
2 Shenzhen Institute for Drug Control(Shenzhen Testing Center of Medical devices) (Shenzhen 518057)
3 Shenzhen Public Testing Service Platform for Medical Devices (Shenzhen 518057)

After more than and 20 years of development, the construction of oral medical devices using 3D printing technology, has been widely used in the field of oral health care, including oral craniofacial surgery, oral implantology, oral surgery, orthodontics etc. This article reviews the latest progress in the feld of technology development, materials science, clinical application and standardization in the feld of domestic and foreign, and in accordance with the development trend of technology are discussed.

3D printing, oral medical equipment, biological materials, standardization

1006-6586(2017)03-0011-05

R318.08

A

2016-11-24

王春仁，通讯作者