3D打印技术在口腔颌面外科的应用

郭骐源　董盛仲　尚艳杰　郭亚东　刘颖

摘要：随着数字医疗的兴起，3D打印技术在医学领域中的应用范围也不断拓展，本文主要对近年来3D打印技术在口腔颌面外科中颌面部骨折、缺损的修复重建应用进行总结，并展望未来3D打印技术在颌面外科中的应用及发展。

关键词：3D打印；口腔颌面外科；颌面部骨折；修复重建

中图分类号：G642.0；R269 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）34-0112-03

3D打印技术起源于上世纪80年代末期，本质上是一种快速成型技术，最初被应用在制造业及模型设计中。该技术以数字模型为基础，利用专业软件将模型分割成层状，在众多材料中选用不同的打印方式制造出实物。与传统机床加工相比，3D打印使用通过扫描实物或建立数字模型的方式实现了个性化定制，并且在制作过程避免了磨、剖、铣等繁琐的工艺步骤，能有效地缩短加工时间，节省人力和材料[1]。近年来随着精密加工的发展，原材料的种类逐渐繁多，使得该技术能够在医疗领域当中广泛应用。

在口腔颌面外科手术中，医生常用植入替代物的方法来对骨折及缺损部位进行修复重建，但由于面部结构形态的不规则性和复杂性，无论是用患者自体组织还是以固定模式制作出的替代物，都无法与缺损部位完全吻合，达到精准修复[2]。3D打印的出现在很大程度上解决了此难题，即为患者制作出适用于自身的个性化替代物。

一、3D打印

根据产品的具体要求，如对精确度、硬度、强度、工作环境温度等方面的差异，选用相应的打印材料与打印方式，不同材料对应不同的打印方式，但同一种材料可能有多种打印方式[3]。近年来，3D打印技术中的粉末粘结、光固化打印、熔融材料沉积制造等技术发展已趋于成熟，以下几种工艺已在口腔颌面领域中得到较广泛的应用[4，5]。

1.立体光刻（Stereo Lithigraphy Apparatus，SLA）。SLA工艺的材料为光敏树脂，这种树脂在特定波长和强度光的照射下可迅速发生聚合，从而从液态变为固态。由于材料本身限制，该打印方式需要设置支撑结构，且保存方式需特别注意。通过SLA技术打印出的成品一般较脆、易断裂，在口腔领域中广泛应用于口腔美容、充填缺损牙齿等。近年来随着科学技术的发展，美国一家公司研制出了一种特殊的光敏树脂，以蓝色卤素冷光替代高强度的紫外光来进行固化，从而解决了牙齿治疗过程中因温度升高而导致口腔不适的问题[6]。

2.熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）。FDM的材料大部分为热塑性丝状材料，如ABS（中英文全称）材料丝、聚碳酸酯等，材料丝经传送机构进入热熔喷头中进行加热，再经喷嘴挤出、凝固，层层叠加，最终成型。该类材料多用于口腔种植修复体，当选取聚乳酸类复合材料（如羟磷灰石/聚乳酸等），可以诱导牙槽窝内成骨细胞向修复体黏附，相比传统口腔修复方法，该技术明显节省了治疗费用，缩短了手术时间、提高了修复体强度[7]。

3.叠层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）。LOM的材料薄材（纸张，塑料膜等）在热熔胶的作用下层层粘连。该技术的最大优点是原材料价格较为低廉，精确度尚可[8]，但其成品表面较为粗糙，有明显的阶梯纹、容易层裂，因此该技术通常用于制作颌骨及牙列模型等，可供医生在术前根据此类模型制定周全有效的手术计划，降低治疗成本[9-10]。

4.选择性激光烧结（Selective Laser Sin-tering，SLS）、选择性激光熔化（Selec-tive Laser Melting，SLM）。SLS和SLM的工艺材料为各种受热后可粘结的粉末，包括鈦及钛合金粉末、尼龙粉、镍基或钴基合金粉末等。SLS成型方法可分为两种，一种是直接法，即直接对单一粉末材料进行烧结，缺点是易产生球化现象，影响成型质量。后来人们将目光转向了间接法，间接法一般用两种熔点不同的粉末混合物，低熔点粉末熔化后起粘结作用粗成型，再对成型件进行降解粘结剂、二次焙烧等后处理，这明显提升了成品的致密度，并显著改进了其机械性能[11]。SLM则是利用激光将金属粉末熔化，是一种复杂的物理化学冶金变化，该技术克服了SLS工艺过于复杂的问题，且制作出的成品致密性更好，性能更高，但易产生球化效应，需要不断改良优化制作过程[12，13]。由于二者的工艺材料大多为金属粉末，因此在口腔领域中多用于金属种植导板、大面积骨缺损替换物的制作等。

5.三维打印（Three Dimensional Printing，3DP）。3DP的工艺材料包括各类粉末，如常规金属粉末、淀粉、陶瓷粉末、石膏粉末、复合材料粉末等。该技术在喷嘴装有粘结剂，通过层层粘结粉末最终得到成型物，但同时也因为成型精度不高、强度较差等缺点，在口腔领域中用于各类模型产品的制作，如牙列模型、上颌骨、下颌骨模型等[14]。

二、颌面外科手术

1.颌面手术特点。颌面部的骨骼数目较多，形态各异，结构精细而复杂。颌面部骨折、塌陷一般是由于交通意外、高处坠落、打架斗殴等导致面部在受到严重外力打击时引起，造成咬合紊乱、面部不对称，同时也严重影响如咀嚼、语言及呼吸等正常的生理功能，或对患者的心理健康造成极大的负担。传统手术中，骨折复位的精确与否主要取决于医生的个人临床经验，手术借助于影像学检查虽可复位移位的颌骨骨块并恢复口腔主要功能，但对于外貌的改善效果往往不是很理想。由此，能够理想的复位移动骨块、恢复颌面部外形，最大程度上复原咬合关系和张口、咀嚼等功能，尽可能减少手术并发症，则显得尤为重要。与传统颌面外科手术相比3D打印技术使手术的难度大幅度降低、精准度明显提高、手术耗时明显缩短。以下颌骨粉碎性骨折为例，颌骨破损严重，骨碎块多，一般需要用钛网固定骨块。传统手术中，医生依据下颌外形来确定钛网形状并弯曲钛网，并在术中不断调整，力求所植入的钛网最大限度与原下颌骨曲线相同。但由于塑型耗时多且很难实现精准复位。而Ma J等利用3D打印技术的优势将其应用于下颌骨粉碎性骨折的治疗中，首先利用计算机辅助镜像模拟等手段得出完好的下颌骨轮廓，之后设计出精确的钛网模型，并用SLM技术制作个体化钛网。术中暴露术区，去除粉碎细小骨块，个体化钛网直接固定大骨块。手术历时大大缩短，复位精确度高，面部外形恢复良好，患者对手术效果满意。

2.术前模拟手术。术前评估患者病情，制定手术计划并进行手术模拟。传统手术中，医生结合影像学资料和临床经验来对骨折的情况进行判断，制定手术方案，但主观性强，准确性也不高，医患沟通时，模拟手术只存在于医生的脑中无法直观地展示给患者及其家属。而3D打印技术可根据患者的扫描图像制作出1：1模型，医生可以直观地观察患者骨折移位等情况，术前就可以做到精准定位并对手术过程进行演练，节省手术时间，提高手术精确度，此外也可使医患沟通更有成效，让患者放下心理负担，增强对手术的信心。该类模型在教育教学方面也有着重要意义，年轻的外科医生通过对多个模型的分析、实践逐步积累经验、掌握方法，从模型中受益，同时降低了手术风险。

3.个性化替代物设计制造。患者颌面部损伤及肿瘤切除后若出现骨和软组织的缺损，外科手术常以植入替代物对其进行修复重建。传统替代物的来源主要有两种，一种是取用患者的自体软硬组织，另一种是术中根据缺损情况，以特殊材料（多为医用高分子材料或具有良好生物相容性的金属材料）制成的替代物。此类方法不仅手术耗时长，而且通常难以精确契合缺损部位，特别是上、下颌骨缺损的修复重建，术后患者面形恢复不理想，咬合、张口及咀嚼等生理功能也不能得到有效恢复[1]。3D打印技术的应用很好地解决了上述问题，基于人面部的对称性，可先利用计算机扫描出患者正常侧的形态结构，通过对比确定缺损部位的具体形态，然后打印出实体模型。相比于传统笨重的金属植入物，3D打印的“层层叠加”原理使得这种实体模型不仅仅在外部形态上可与缺损部位精准契合，其内部的三维空间结构与正常组织也更为匹配，更加轻便，机械性能更好，从而可以达到良好的外形的恢复效果[14]。3D打印技术为个性化植入物的设计制造提供了强有力的技术基础，同时也大大推动了其发展[1]。国内首例钛合金3D打印已经成功应用于实践，院方在对患者进行常规手术检查之后，采集患者影像资料进行三维重建，在此基础上完成植入体的设计与修饰，之后运用钛合金粉末进行3D打印，完成个体化植入体的加工，术后6周进行检查，患者面形及功能都恢复得比较好。

三、展望

虽然3D打印技术在口腔外科领域的应用仍处于初期阶段，许多问题亟待解决，如打印设备和日常维护费用较高，应用范围相对较小等，但仍凭借其工作方式和特点成为口腔颌面部损伤治疗的一种革命性的新技術。随着研究者对制造工艺研究的不断加深，打印材料的不断改进，“个性化定制”的理念不断发展，相信3D打印技术未来会成为口腔颌面部损伤治疗技术的“中流砥柱”。

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