熔融沉积制造技术在口腔医学领域中应用的研究进展

夏德庚, 张庆宇, 矫君君, 徐庭瑞, 张天翼, 仲 杨, 赵竹兰, 马 宁, 张 莉

（1.吉林大学口腔医院牙周科，吉林 长春 130021；2.吉林大学口腔医院急诊科，吉林 长春 130021）

熔融沉积制造（fused deposition modeling，FDM）技术是众多3D 打印技术中的一种，自SCOTT CRUMP 首次提出FDM 的概念和美国Stratasys 公司开发推出第一台商业机型3D-Modeler至今已有30 多年的历史。由于其具有原理简单、成本低、成型快、精度高和个性化定制等优点，广泛应用于医疗卫生、制药、航空航天、食品加工和汽车制造等领域［1］。近年来，随着材料学、组织工程学和计算机科学等学科交叉发展，FDM 技术在口腔医学领域的应用日益广泛［2］。口腔颌面部解剖结构复杂且组织类型多样，承载着咀嚼、吞咽、呼吸和美观等重要功能［3］。临床上因先天发育缺陷、外伤、肿瘤和感染等导致颌面部软硬组织缺损的患者非常常见，而传统的修复体仅凭术者的临床经验手工塑形，延长手术时间、增加术中出血量，且难以与组织缺损部位高度适配，导致术后恢复效果较差［4］。FDM 技术以其特殊的增材制造原理和材料体系特别适合于口腔颌面部软组织、牙齿和骨骼等复杂多曲面的解剖结构制造，为解决上述临床问题提供了有效途径［5］。由于FDM 打印机体积较小、操作简便，可作为椅旁辅助制造工具在口腔门诊应用，受到口腔医生和科研人员的关注。因此，现从FDM 技术原理、所用材料和精度影响因素出发对FDM 技术进行分析，重点归纳该技术在口腔医学领域的应用，总结其优缺点并展望未来的发展方向，旨在为FDM 技术的改进和更好地应用于口腔医学领域提供参考。

1 FDM 技术

1.1 FDM 技术原理

FDM 技 术 属 于 增 材 制 造 （additive manufacturing，AM）技术，是临床上最常见的3D 打印技术之一，其所用材料一般为丝状热塑性材料［6］。FDM 打印机的喷头在计算机控制下沿X 轴和Y 轴方向移动，工作台沿垂直Z 轴移动。热塑性材料经打印喷头加热呈熔融状态后挤出沉积在预先设定的位置，一层沉积后，根据设定的层高降低工作台，新的一层粘合到上一层材料上，随后材料在室温下固化，层层叠加从而形成一个3D 产品模型［7］。

1.2 FDM 打印过程

FDM 打 印 主 要 分 为4 个 步 骤［8-9］：①通 过 口 内扫 描 仪（intraoral scanner，IOS）、锥 形 束CT（cone beam computed tomography，CBCT）或磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）等获得打印对象的医学数字成像和通信文件（digital imaging and communications in medicine，DICOM）；②通过计算机辅助设计（computer aided design，CAD）软件创建一个三维数字模型，对模型进行裁剪以保留目标区域，经降噪和校正后将其“分层切片”为数量众多的标准曲面细分语言（standard tesselation language，STL）2D 模 型；③将STL 格式的2D 模型数据通过G-code 生成软件转换为FDM 打印机可识别的G 代码文件，输入打印机中打印出实体模型；④打印完成后去除支撑和精加工处理。

1.3 FDM 精度的影响因素

一个完整的模型打印过程需要经过数据采集、格式转换、打印和打印后处理4 个步骤，而整个过程中的每一环节均会影响最终产品的精度：①首先在数据采集阶段，不同的数据采集设备以及同种设备的不同型号之间均存在差异。如MRI 适合软组织检查而CT 更适合骨组织成像，不同的生产商和产品的更新换代产生差异，以增加辐射量为代价获得更清晰的影像资料［10-11］。②获得患者的DICOM数据后，需要将其转换为STL 格式，而UNKOVSKIY 等［12］发现：在此阶段发生的错误要多于实际打印过程中。烤瓷冠等产生的金属伪影，颞下颌关节和眶底周围等复杂、细小的解剖结构在不同的图像分割软件中显示出准确性差异［13］。③打印过程中精度的影响因素主要包括材料自身属

性、打印参数和模型尺寸，并且各影响因素之间相互关联［14］。材料的熔点决定打印温度，聚醚醚酮（polyether ether ketone，PEEK）熔 点 为343 ℃，打印温度通常在 380 ℃以上；聚己内酯（polycaprolactone，PCL）熔点一般在59 ℃～64 ℃，最适打印温度在65 ℃左右［15］。但产品均在室温下冷却硬化，因此熔点越高的材料受温差引起的翘曲和尺寸变化越明显，该现象在SHUJAAT 等［16］的研究中也得到证实。④打印结束后，若在打印过程中使用支撑材料则需将其去除，聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）等可溶解材料不会影响表面质量，而难以去除的支撑材料则会影响模型的精度［17］。

1.4 FDM 技术材料体系

1.4.1 人工合成高分子聚合物 FDM 技术所用材料主要为热塑性高分子聚合物材料，其中PEEK［18］、聚 甲 基 丙 烯 酸 甲 酯 （polymethyl methacrylate，PMMA）［19］和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（acrylonitrile-butadiene-styrene，ABS）［20］等 材料由人工合成，其具有机械强度高、可塑性强和生物惰性等特点，主要用于颌骨解剖模型、牙弓模型、关节假体和手术导板等打印。而聚乳酸-羟基乙 酸 共 聚 物 （polylactic-co-glycolic acid，PLGA）［21］、PCL［6］和 聚 乳 酸（polylactic acid，PLA）［22］等材料具有良好的生物相容性和生物降解性，但其亲水性较差，影响细胞黏附，导致与骨组织整合不良，用于骨组织工程支架材料的制备时常需与其他材料复合或进行表面改性处理以改善骨支架的成骨性能。

1.4.2 天然高分子聚合物 天然高分子聚合物主要来自动植物，主要包括壳聚糖［23］、纤维素［24］和胶原［25］等，具有良好的生物相容性、生物降解性及细胞黏附能力强和降解产物无毒等优点，但其机械性能较差，无法单独用于FDM 打印过程，因此常作为改性成分添加到骨组织工程支架中。

1.4.3 生物陶瓷 生物陶瓷主要包括羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）［26］、磷 酸 钙 （calcium phosphate tribasic，TCP）［27］和 生 物 玻 璃（bioglass，BG）［28］，均具有良好的生物相容性和骨传导性能，在体内降解过程中通过释放钙和磷离子促进新骨的形成，广泛应用于植骨材料，但降解速率慢、断裂韧性和脆性低是其固有缺点。

1.4.4 复合材料 以骨支架材料为例，由于材料

本身的固有属性，目前没有任何一种材料可以同时满足骨支架对于机械强度、生物相容性、降解速率和成骨能力等方面的要求［6］。因此需要将2 种及2 种以上材料复合以提高骨支架的整体性能。将人工合成高分子聚合物与金属复合以提高复合支架材料的机械强度［29］；与生物陶瓷类材料或天然高分子材料结合以调节复合支架的降解速率，提高亲水性［30］；还可以通过加载辛伐他汀［31］等药物成分，进一步提高骨支架的骨缺损修复能力的同时赋予支架抑菌性能。

2 FDM 在口腔医学领域的应用

2.1 FDM 在口腔医学模型设计和制造中的应用

2.1.1 教学模型 医学生和年轻医生的培养过程离不开大体标本的辅助，而可供教学和培训使用的大体标本数量严重不足。随着3D 打印技术在口腔领域的应用，3D 解剖模型成为解决上述问题的关键。POUHAËR 等［32］利用FDM 技术将分别染成黑色和白色的PLA 和可溶性PVA 打印成牙体髓腔结构模型，该模型与天然牙高度相似，并且可按照比例将其放大，更为细致地展现牙体解剖结构的细微之处，提供了大量临床教学资源，有助于加强医学生对根管系统的认知，提升临床技能。GIACOMINI 等［33］将射线不透性材料PLA 制备成人颅面骨骼模型用于口腔内放射技术临床前培训，可以避免实习操作过程中不合理的X 射线曝光而造成的人体伤害，并且模型具有清晰的颞下颌关节、上颌骨颧突和骨缝等解剖结构，能够在一定程度上替代昂贵的商业模型。

2.1.2 术前分析模型 当病变部位与重要结构密切相关时，仅凭借X 线检查结果很难确定病变的具体范围和影响程度。利用 3D 打印的医学模型能将病变及相关组织内部结构的细节形象直观地展现，便于辅助术前分析和制定手术计划，便于患者理解病情进而提高患者依从性，最终改善治疗效果，是一种有价值的辅助手段。BHADRA 等［34］对16 例慢性根尖周炎症与上颌窦关系密切的患者制造了3D 模型用于确定病变部位与上颌窦的确切位置、范围和关系，并应用模型对患者进行解释和教育。在模型的引导下，成功施行根尖切除手术，持续性的根尖周炎症状得以消除。面对异常和复杂的病理解剖结构时，3D 模型能够同时为医生和患者提供帮助。

2.1.3 正畸和修复用模型 在口腔正畸科和修复科的日常诊疗工作中，石膏模型的制取是一项繁琐且繁重的工作。印模制取过程容易给患者带来恶心和呼吸不畅等不适感并易导致患者产生抵触心理，尤其对于不配合的儿童很难完成治疗。此外，正畸患者的研究模型需要妥善保存数年之久，而石膏模型易吸潮损坏，需额外的空间和专业人员进行保管，带来了很大的人力和物力资源浪费。在目前精准医疗与数字化医疗的大背景下，FDM 技术是有潜力成为替代传统石膏模型的一种高效、便捷并惠及医患双方的诊疗技术。将FDM 技术与其他技术相结合或单独应用FDM 技术进行牙弓模型的制备［35］均展现出良好的精度。正畸保持器是为了巩固牙颌畸形矫治完成后的疗效并保持牙齿位于理想的美观及功能位置的定制医疗器械。研究［36］表明：在FDM 牙弓模型上制备的保持器与在传统石膏模型上制备的保持器比较，二者在患者的口腔健康生活质量和稳定性方面无明显差异。此外，应用FDM 技术制作无牙颌托盘的研究也证明其较手工制作方法更为简便、准确，可应用于临床［37］。总之，采用FDM 制作的牙颌模型精度良好，能够简化正畸和修复诊治流程，有望改变传统修复体的制作方式，实现患者牙颌模型的数字化存储。

2.2 FDM 在手术辅助工具制造中的应用

2.2.1 FDM 在手术导板制造中的应用 FDM 手术导板主要应用于外科切除手术和种植手术中，是目前实现高精度手术操作的实用工具，可降低手术的技术敏感性。SHILO 等［38］通过患者的CT 数据打印正颌手术导板，术中依照导板实现精确截骨和固定板安装。而对于因口底恶性肿瘤行下颌骨广泛切除需术后骨重建的患者，可通过FDM 模型在术前即完成钛板预弯处理，术中直接实现钛板的固定和安装［39］，不仅节省手术时间、提高准确性，而且FDM 打印的假体与骨缺损部位高度吻合，外形基本一致，有利于颌面部外形的快速恢复，从而减轻对患者的心理影响。长时间后牙缺失的患者，由于其缺牙部位的牙槽骨缺少生理性咀嚼刺激，牙槽骨吸收导致牙槽嵴顶与下牙槽神经管之间的骨高度有限，在该部位植入种植体时极易损伤下牙槽神经。若先行垂直骨增量技术增加牙槽骨的高度再行种植手术，虽然可以降低损伤下牙槽神经的风险，但植骨术延长了种植修复的时间，影响患者的生活质量。为实现即刻种植，ATEF 等［40］为7 例患者打印了FDM 下牙槽神经侧化手术导板，术中实现开窗位置和轮廓的精确定位，剥离下牙槽神经的同时植入植体，术后随访期间患者未出现任何永久性神经感觉功能障碍症状，种植体均表现出良好的临床稳定性和骨结合，表明FDM 手术导板是一种简单、微创和高精度的工具，极大地降低了下牙槽神经损伤的概率。

2.2.2 FDM 在手术解剖模型制造中的应用 传统种植手术术前行常规CBCT 检查可辅助医生判断种植区骨量情况及与上颌窦和下牙槽神经等重要解剖结构的位置关系，但手术时仍需在牙龈切开，翻瓣后根据实际暴露的牙槽骨情况确定种植位置和种植角度，尤其对于牙槽骨吸收严重、需连续种植的患者，对术者的临床经验要求较高。因此，为降低种植手术的技术敏感性，提高种植准确率，亟需一种有望替代传统自由手种植的辅助工具。SUN 等［41］和PIERALLI 等［42］分别利用FDM 技术打印适用于单牙种植和双牙种植的导板，并与常用的光固化种植导板SLA 导板进行准确性对比，结果表明：二者在种植体位置、种植体基部与尖端的角度偏差、近远中向偏差和颊舌向偏差方面无明显差异，且FDM 技术的准确率更高。研究［43］显示：当进一步扩大种植区范围时，导板精度随着尺寸的增加而降低，与YOUSEFI 等［44］对其尺寸影响模型精度的研究结果一致。

2.3 FDM 技术在颌面部组织缺损赝复体制造中的应用

由先天性发育不全、外伤或肿瘤等导致颌面部软硬组织缺损的患者在临床上较为常见。较大的颌骨缺损可以通过自体腓骨联合钛板等修复，严重的颞下颌关节强直和肿瘤等可以通过FDM 技术制备关节假体进行置换。但对于缺损较大、结构复杂的软骨组织和软组织等的恢复重建，手术并不能达到最佳效果。3D 打印由于其快速成型、高精度构筑以及个性化定制等优点成为制作颌面部组织缺损赝复体的新方法，其中FDM 技术所用的PEEK 等热塑性材料具有出色的生物相容性和类似于皮质骨的杨氏模量，其制备成的上颌闭孔假体［45］和软腭语音辅助假体［46］框架展现出精确的贴合性、出色的保持力和更轻的质量，配合PMMA 等材料完成的最终假体很好地贴合口腔组织，颜色、形状和功能均能够满足临床要求，可减少患者痛苦和手术费用，是一种经济有效的治疗方法。

2.4 FDM 技术在组织工程和再生医学领域的应用

骨 组 织 工 程 （bone tissue engineering，BTE）包括支架、细胞和生物信号分子3 个基本要素。基于FDM 技术在骨支架结构及外形设计方面的优势，科研人员将其与骨组织工程原理相结合，推动FDM 技术在骨缺损修复方面的发展。

2.4.1 FDM 在仿生骨支架制造中的应用 天然骨为由皮质骨和松质骨构成的包含血管的分层多级结构，孔隙的大小与骨缺损修复过程中各类细胞的黏附和迁移等生物学行为关系密切［47］，因此对于骨支架多级结构的探索可能是提高其成骨能力的关键。PARK 等［48］将PEG 作为造孔剂与PCL 熔融共混制备支架，水溶性PEG 溶解后在支架表面形成层级微孔，改善支架的生物相容性和亲水性，促进细胞黏附和增殖。与骨组织结构不同，牙周组织由牙骨质、牙槽骨、牙龈和牙周膜构成。牙周病的发病率极高，由牙周炎导致的牙周组织丧失和再生问题是目前面临的重大难题。LEE 等［49］利用FDM技术开发了具有时空传递生物活性因子的多相区域特异性微支架用于整合牙周组织再生，支架的3 个不同大小孔径的区域分别负载包裹重组人牙釉蛋白、结缔组织生长因子和骨形态发生蛋白-2 的PLGA 微球，在小鼠背部皮下实验中证明了多相牙周组织可以通过多种蛋白质和多相微观结构的时空传递促进再生。

2.4.2 FDM 在载药骨支架制造中的应用 植骨术后术区的细菌感染是导致手术失败的主要原因，而用于促进骨再生的骨支架材料本身无明显的抑菌作用。目前临床上为减少术后感染发生的概率，常在治疗前后全身使用抗生素，但是全身用药到达局部的药物浓度常较低，而增加剂量则可能造成耐药菌的产生和其他器官的损害。因此制备出既具有成骨作用又有一定抗炎抑菌作用的骨支架材料十分必要。CUI 等［50］采 用 半 固 态 挤 压（semi-solid extrusion，SSE）和FDM 技术制备原位负载环丙沙星（ciprofloxacin，CIP）的复合支架，与传统的表面载药支架比较，该支架负载的药物初始爆发效应降低，并表现出呈线性模式的长期缓释行为；与全身给药比较，较低的载药量即可达到有效局部药物浓度，从而避免全身给药导致的不良反应。上述结果表明：FDM 技术为骨缺损患者的植骨材料选择和植骨术后的感染防治提供了一种更为安全有效的途径。

3 总结与展望

FDM 技术作为一种准确、高效、个性化和低成本的制造方式已经在口腔领域广泛应用，其制造的个性化病理模型、手术辅助工具和口腔颌面部缺损赝复体在手术全程和术后修复中均发挥重要作用，可帮助医生提前进行手术规划，极大提高了手术精准度和疗效，同时为口腔教学提供了丰富的实体解剖模型资源，有利于提高医学生的培养质量。但是，FDM 技术在目前口腔疾病诊疗领域的应用过程中仍存在很多限制因素，主要包括：①可用于FDM 技术的材料种类比较有限，目前常用的热塑性高聚物仅有ABS、PLA、PEEK、PCL 和PLGA等；②FDM 过程中的高温环境限制了温度敏感型材料和药物的应用；③FDM 技术的打印精度对于教学模型、牙颌模型和手术导板等产品的精度要求尚可，但对于牙冠模型和隐形矫治器等产品的精度要求尚待提高；④受材料冷却收缩和挤出胀大效应的影响，支架的实际尺寸与理论尺寸之间存在差异。因此，拓宽FDM 技术材料体系范围、改进打印技术和提高打印精度才能进一步扩大FDM 技术在口腔疾病诊疗领域应用的广度和深度。