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解析3D打印钛及钛合金在颌骨缺损修复中的应用

导读: 在数字医学影像学技术和计算机辅助设计软件的协助下,3D打印钛及钛合金有望实现颌骨缺损个性化设计、制作和修复的目的。

颌骨是颅面骨的重要组成部分,维系着面部外形的完整,承担着咀嚼功能,与吞咽、语言、呼吸等功能密切相关。颌骨修复体植入体内后,不仅受到周围肌肉的牵拉作用,还要承担咀嚼压力,因此,该修复体要恢复患者个性化的外貌,还要有足够的机械强度来保证其在体内的稳定和功能的行使,最好还能作为组织工程支架加载具有成骨潜能的细胞和促骨生长因子来实现颌骨再生。

3D打印钛及钛合金在颌骨缺损修复中的应用

钛及钛合金具有优异的机械性能、低质量、耐腐蚀及良好的骨结合能力,在口腔颌面外科领域应用广泛。钛及钛合金可以制作钛板、钛网、固位螺丝、人工假体等来修复颌面骨缺损。由于颌骨复杂的解剖结构和外形轮廓,传统的工艺无法精确制备出和缺损区在形态、生物力学等特征完全相匹配并能完成义齿修复的钛合金修复体,因此,在术后常常会出现一些并发症,导致修复失败。3D打印技术具有完成复杂结构设计和比较精确、快速制作结构复杂的,尤其是在不仅外形结构复杂,而且内部结构同样复杂的颅颌面骨缺损修复体的潜力和独特的优势。因此,在数字医学影像学技术和计算机辅助设计软件的协助下,3D打印钛及钛合金有望实现颌骨缺损个性化设计、制作和修复的目的。本文综述了近些年3D打印钛及钛合金在颌骨缺损修复领域的相关研究。

1. 3D打印钛及钛合金的优势

1.1 个性化设计和制作金属

3D打印技术包括选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS),选择性激光熔化(selective laser melting,SLM)和选择性电子束熔化(selective electron beam melting,EBM),是以电子束或者激光为能量源,通过计算机将零件的三维实体模型通过计算机分层处理,转变为二维数据,然后通过3D打印设备,金属粉末逐层熔融、堆积,完成实体制造具有高精度、高效率、低消耗的优势。

依据CT等影像数据和计算机辅助设计(computer aided design,CAD)软件可以设计出与患者颌骨结构和外形相一致的修复体,还可以设计多孔/网状等复杂的结构,通过金属3D打印技术实现这些复杂修复体的制作,可以帮助我们实现颌骨的个性化修复。已有研究设计并采用SLM制作中空的纯钛下颌骨髁突,该髁突不仅质量轻,而且完全重塑了髁突的解剖外形,与患者的颞下颌关节相匹配。

Chen等设计和应用SLM制作了2种上颌切牙种植体,一种为根形种植体,另一种为根形螺纹种植体,结果证实3D打印能够设计和制作具有高密度、高强度和高精度的根形种植体,根形螺纹种植体具有更好的应力分布,较低的微动和较好的初期稳定性。多孔或三维网状等复杂精细的结构可以降低钛及钛合金修复体的质量,还为细胞和血管的长入、营养物质的输送提供空间。但是,颌骨外形为不规则的曲面,三维网状结构的设计并不容易,尤其是复杂网状结构拓扑优化设计更是难点。初期下颌骨三维网状组织工程支架建模研究显示将3D打印技术与有限元拓扑优化相结合,能够获得理想的下颌骨网状支架结构。

1.2 3D打印钛及钛合金的机械性能

作为骨组织修复体,钛及钛合金的机械性能与其植入体内后的稳定性、安全性与成骨能力密切相关。3D打印技术的工艺与金属传统方法如铸造、锻造、粉末冶金等不同,不同的制作工艺会影响钛及钛合金的组织结构,从而影响其机械性能。研究报道锻造钛合金的显微组织结构主要是粗大的、板状或针状α相间杂部分β相,铸造钛合金为α造钛相,SLM钛合金为α’马氏体混合α相,EBM钛合金是均一的针状α相,在晶界处有少量β相。SLS制作钛金属的杨氏模量为104GPa左右,接近锻造钛金属。SLM制作的Ti-6Al-4V的极限拉伸强度和屈服应力于锻造相似,优于EBM。

EBM的延展性优于锻造、SLM和铸造,SLM的延展性较差。EBM的硬度高于SLM和锻造钛合金,而SLM和锻造钛合金的硬度相似。作为颌骨组织修复体,疲劳强度是钛合金修复体的一个重要性能。Joshi等报道垂直取向的EBM钛合金的疲劳强度高于水平取向的钛合金。经过热等静压处理后,EBM制备的钛合金的疲劳强度明显提高,具有和锻造钛合金相似的疲劳强度性能。

总的来说,3D打印技术制备的钛及钛合金的机械性能与锻造钛合金相似,仍高于骨组织。多孔或网状结构的设计可以降低钛及钛合金的机械性能,调整多孔或者三维网状结构参数可以精确调控钛合金的机械强度,使其与骨组织更匹配。但是,粉末冶金、发泡法、纤维烧结等多孔金属方法无法实现此类设计的精确制作,而金属3D打印技术可以按照设计精确制作出孔隙完全相互贯通的复杂的多孔或三维网状结构。

3D打印制备的多孔钛合金的刚度和抗压强度随着孔隙率的增加而降低。EBM制备的孔隙率为61.5%的Ti6Al4V植入体,其抗压强度为172MPa,弹性模量为3.1GPa,近似人骨组织。通过检测3D打印三维网状钛合金支架的力学性能,证实三维网状结构单元经过优化设计后的网状钛合金支架的生物力学性能可以满足下颌骨修复的需求。但是,孔隙结构同样会影响钛合金的疲劳强度,有研究报道SLM制作多孔钛合金的疲劳极限低于实心钛合金。孔隙率不同的钛合金,其抗疲劳强度也不同,但是,在低应力作用下,多孔钛合金的抗疲劳强度相似。

因此,应该依据钛及钛合金修复体应用部位的力学要求,经过力学分析来设计应力分布更合理的修复体,通过3D打印技术来调整其机械性能,使其与骨组织相匹配,保证修复体在体内能够稳定的行使功能,目前,这方面的研究还很少。

2. 3D打印钛及钛合金在颌骨修复领域的实验研究

有研究采用三维有限元对SLM打印的个性化纯钛髁突修复体的应力分布进行了分析,认为3D打印和有限元分析可以为颞下颌关节的修复重建的设计和制作提供更可靠的技术保证。Schouman等采用EBM制作了两种不同刚度(高和低相差10倍)的多孔钛金属支架修复羊下颌骨18mm的节段性缺损,结果低刚度多孔支架内新骨长入量多于高刚度支架,认为通过调整3D打印多孔钛支架的刚度可以改善骨组织的长入。但是,低刚度多孔钛合金支架的固位螺丝在实验过程中出现了松动,这提示该支架的力学性能仍与下颌骨组织不相匹配。研究证实EBM制作的钛合金对骨髓间充质干细胞的增殖和成骨分化功能没有影响,具有良好的细胞相容性,应用EBM制作的三维网状钛合金支架修复比格犬下颌骨缺损时,没有引起机体的不良反应,成功修复了下颌骨缺损的连续性。该研究提示EBM制作的三维网状钛合金支架具有良好的生物相容性,而且该三维网状支架有望作为骨组织工程支架应用于下颌骨缺损的修复。

3. 3D打印钛及钛合金在颌骨修复领域的临床研究

3D打印钛及钛合金修复体最终要应用于人体,其术中的可操作性、与骨缺损区的匹配性、植入后的修复效果、对机体有无不良作用、能否在体内长期稳定的存留及能否正常行使功能是我们所关注的。有研究报道依据患者的术前CT及其修复意愿,通过CAD软件和3D打印设备制作了厚度为0.6mm的钛网,加载自体骨颗粒和Bio-Oss来修复上颌萎缩的牙槽骨。该钛网仅靠自身固位,未采用其它固位方式。术后8个月,牙槽嵴的垂直高度和水平宽度分别增加了2.57mm和3.41mm,取出钛网后行种植体植入,咬合功能恢复良好。Shan等应用镜像技术和3D打印设备制作了厚度为1mm的钛网,复合自体腓骨修复了因肿瘤切除导致的2例Ⅲ型和Ⅴ型上颌骨缺损,2例下颌骨颏部缺损,所有患者术后愈合良好,未出现并发症,面部的外形轮廓均得到了良好的恢复。

由于成品钛网的外形无法与患者的颌骨外形完全一致,在术中常需要预弯,而钛网的预弯操作较难,另外,经过反复调整的钛网容易疲劳,导致断裂,最终使得修复失败。3D打印个性化的钛网与患者缺损区相一致,术中易操作,而且术后的外形修复效果好,在颌骨修复方面具有广泛的应用前景。有研究依据患者的CT,镜像技术、CAD和EBM打印设备设计和制作了个性化的纯钛导板、重建钛板和附带承重板的钛网,修复4例下颌骨缺失的患者。个性化导板用于在术中指导切除颌骨,重建钛板和钛网用于固定血管化的腓骨或游离自体骨来修复缺损,结果证明3D打印钛修复体在术中的操作和匹配性较好,节约了手术时间,但是,3D打印钛金属需要的成本较高。

Suska等报道1例3D打印技术制作钛合金修复体修复节段性下颌骨缺损。患者因肿瘤切除左侧下颌骨体及下颌角,通过CAD软件设计,3D打印制作了厚0.8mm的个性化钛合金假体,体积约12 cm3,重53克,在假体与宿主骨断端结合的部位设计为多孔结构以促进骨长入,增加假体的固位力。术后6个月,患者外形轮廓恢复较好,精神状态良好。

4. 总结与展望

由于颌面骨组织的解剖形态和结构较为复杂,钛合金个性化修复体的设计和制作极为重要,而传统工艺的制作不仅精度很难达到要求,而且制作过程既费时间又耗费材料。3D打印技术无需模具,精度较高,制作过程省时、省料。数字化医学、计算机软件和3D打印技术的快速发展,有望实现颌面骨缺损修复体的个性化设计、制作和修复。这些技术为颌骨缺损修复的术中操作和术后效果的分析提供了极大地便利。减少了患者的就诊次数,有助于口腔颌面外科的医生与患者的沟通,改善了颌骨修复的效果。但是,金属3D打印技术尚不完美,3D打印过程中许多因素都会影响金属的性能,多孔或者三维网状结构的打印精度和设计会有一些偏差,有时甚至打印不完整。

研究发现3D打印的多孔钛合金的微结构会出现一些小的缺陷,比如锐角,容易造成应力集中,导致裂纹形成,降低钛合金的抗疲劳强度。金属材料的成分、打印参数、后处理方式、结构设计均会影响3D打印金属修复体的性能,关于3D打印技术制备钛及钛合金颌骨修复体的生物学性能和力学性能的研究还较少,如表面性能的改善和机械性能的调整还需要进一步研究。目前,在国内外已能成熟应用金属3D打印技术进行制备个性化颌骨钛植入物,但作为颌骨植入物的动物学实验研究和临床研究还很少。2015年8月,国内首例金属3D打印髋臼杯已获得国家食品药品监督管理总局(China food and drug administration,CFDA)批准。2016年5月6日,国内首例个性化金属3D打印椎体植入物又获得了CFDA的批准。但是,至今还未有金属3D打印颌骨个性化修复体准入。因此,金属3D打印个性化颌骨植入物仍需进一步的动物学验证、临床观察以及严格的注册评审后才可以应用于临床。随着3D打印技术和相关设备的发展,3D打印钛及钛合金的成本也会逐渐降低,3D打印钛及钛合金在颌骨修复领域的应用极具前景。

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