一体化双色3D打印聚醚醚酮口腔修复体的初步临床报告

陆伟 陈晞 冀堃 杨春成 丁玲 吴国锋

聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)具有优良的力学性能、热稳定性、生物相容性和耐磨损性等优点，已成功应用于骨科、神经外科、心胸外科等人体植入物领域，近年来有文献支持其可作为一种良好的口腔修复材料。PEEK加工方式包括热压铸造、数控切削和3D打印三种方法，最新研究表明三者加工的PEEK口腔修复体机械性能无显著差异[1]。目前一般认为3D打印技术是其实现单件成品复杂形态低成本快速制造的理想方法，如何应用先进3D打印技术个性化定制人体植入物或口腔修复体是本领域的热点问题，2016年美国食品药品监督管理局已允许3D打印PEEK人体植入物应用于临床，我国也自2020 年1 月正式实施《定制式医疗器械监督管理规定(试行)》(国家药品监督管理局2019年第59号公告)，鼓励包括3D打印PEEK在内的各类个性化定制医疗器械临床试用[2-5]。

作者近年来相继开展了多项数字化铣削和3D打印PEEK口腔修复体的临床研究，证实了PEEK制作各类口腔修复体、乳牙早失间隙保持器和咬合导板等临床应用的可行性[6-10]，同时也发现其存在主要问题之一为PEEK修复体美学性能亟需提升。目前PEEK修复体临床需要额外进行表面粗化处理与饰面树脂粘接等工艺以改善其美学性能，费时费力且未来存在树脂崩脱风险；此外PEEK修复材料主要用于义齿支架的临床研究，未见有一体化口腔修复体的文献报道。因此，作者新开展了一项旨在研究PEEK美学口腔修复材料及其一体化打印加工的临床研究，综合运用聚合物混合改性和控性增材制造等先进手段，尝试建立一体化双色(牙色/牙龈色)3D打印PEEK口腔修复体工艺方法，研究内容包括研究PEEK颜料共混改性、结晶度行为调控以及研制PEEK牙色/牙龈色系列色块等，目前已成功应用于可摘局部义齿、颌面缺损赝复体等，本文将结合研究中存在问题做初步总结并对未来研究方向做展望分析。

1 双色打印PEEK材料颜色与透光性的研究

纯PEEK基材本身外观为棕褐色且不透明(图 1)，若直接使用其美观效果不能满足口腔美学修复要求。现有商品化的PEEK牙科材料主要通过共混适当比例金属氧化物方法改变材料颜色，以国内市场在售的2 种PEEK产品举例：一是用于高温铸压加工方法的PEEK粒料(比丹公司，Bio-HPP， 德国)，可提供3 种颜色粒料供选择； 二是适用于数字化铣削的国产预成PEEK材料盘(吉林省登泰克牙科材料有限公司)，也只有3种颜色(白色W，粉红P，黄色Y)。目前关于3D打印用的不同颜色PEEK修复材料研究目前尚未见有文献报道，不过已有研究报道的共混氧化物和调控打印温度两种方法可供借鉴用于以调控PEEK复合物的色彩与透光性，为本研究开发双色打印PEEK修复体材料与技术提供了可行思路。研究中作者通过向PEEK共混适当比例纳米二氧化钛获得了接近天然牙颜色的PEEK材料(图 2)，其后研究中也配制出接近牙龈色的PEEK打印材料，并观察到3D打印加工温度对其成品透光度存在显著影响。

图 1 3D打印纯PEEK口腔修复体

图 2 3D打印含二氧化钛的PEEK口腔修复体

1.1 共混改性策略

PEEK作为一种高分子聚合物，共混改性是工业上聚合物改善其性能的主要方法。聚合物可以通过混合适合颜料以获得适宜颜色外观，但选择何种类型颜料共混将直接影响改性后PEEK混合物美学性能，而且也会改变材料的基本理化性质。聚合物混合颜料选择主要包括有机颜料与无机颜料两大类，有机颜料虽具有着色力强、颗粒容易研磨和分散、不易沉淀、色彩鲜艳等特点，但其耐热性较差，不适用于PEEK的3D打印方法制造(PEEK熔点为343 ℃)，在PEEK的3D打印加工温度下会出现颜色分布不均匀、碳化而降解等不良现象。无机颜料主要是有色金属的氧化物或某些不溶性的金属盐，优点是耐热，耐晒，耐溶剂性好，遮盖力强，但也存在色谱不齐全、着色力低、颜色鲜艳度差等不足。为此，作者采用了“先校基色，再调牙色”的共混改性策略：即首先选用合适比例的纳米二氧化钛(TiO2)、氧化锆颗粒混入PEEK基材，改变其原有棕褐色基色，结果获得了颜色从白色向米黄色渐变的系列PEEK复合物(图 3)，可用于3D打印口腔修复体的牙色PEEK修复材料；在此基础上再添加不同含量的氧化铁红或氧化铁黄，继续调整PEEK混合物的颜色使其呈现不同类型的红色(牙龈色)外观，获得所需的系列牙龈色PEEK修复材料。有其他研究显示在PEEK基材中添加纳米二氧化钛等能够改变材料的弹性模量，并使其拉伸强度和硬度等性能提高了20%～50%。因此后续研究中有必要综合观察无机颜料添加后PEEK材料美学性能与机械性能的整体表现，最终确定添加颜料种类及比例。此外，3D打印工艺基于逐层堆积加工成型方法，更有利于颜料在PEEK基材中的均匀分布，避免传统方法添加材料成团簇集、发泡沉积或分布不均匀的情况。

1.2 结晶度行为调控

PEEK又是一种半结晶的聚合物，内部结构具有结晶度可调的材料特性。聚合物的晶体大小与结晶度会影响光线的折射与漫反射：如果材料内部晶体尺寸比光线波长大，光线遇之易发生反射与漫反射，则材料本身呈不透明趋势；反之，若晶体尺寸较小则光线更易通过，材料外观则呈更透明状。PEEK结晶行为受到其加工温度的直接调控，PEEK在常温下是半结晶态，从玻璃化转变温度143 ℃到熔点343 ℃加工过程中PEEK内部具有不同的结晶度，而在PEEK从熔融到再结晶的处理过程中，结晶度可以受到人为热处理条件的影响，例如冷却速率或热处理梯度等。合适的退火处理可以提高PEEK的结晶度，并抑制在高温下或在消除内应力时发生的尺寸变化。有文献报道PEEK的本体结晶度可以通过退火处理将其调控至10%～45%的不同比例结晶度[11]，结晶体大小也呈现不同尺寸与聚集状态。作者研究中应用2 种不同加工温度打印PEEK观察到温度影响其透光性能进而影响成品的颜色外观(图 4)，在加工过程中如果材料冷却速度过快，在边缘会形成薄的非结晶态外衣(颜色呈棕褐色)。PEEK材料的结晶度越高，代表其材料内部结晶区比例越高，高分子链排列规则的结晶区更倾向对光进行反射，因此在同一光源下高结晶度PEEK材料的反射光较多，透射光较少，即其亮度会越高，灰度值会越大(越接近白色的灰度值255)，透光性越低(图 5)。

图3 分别共混二氧化钛或氧化锆颗粒的PEEK打印义齿及其外观颜色 图 4 2 种不同加工温度(喷嘴温度左430℃，右390 ℃)对PEEK打印试件透光性及颜色外观影响

1.3 打印丝材与系列色块研制

如前所述，作者综合采用共混改性与结晶度调控2 种手段改变PEEK基材的颜色，主要是加入医用级氧化铁红、氧化铁黄、纳米二氧化钛、氧化锆、氧化铝等分别获得牙色/牙龈色(双色)两种系列PEEK颜色的配方，并且对应于高/低两种不同结晶度建立了3D打印温度控制方案。初步结果验证了上述方案的可行性，目前已经试制出适用于熔融沉积(Fused deposition modeling，FDM，3D打印方法之一)加工的牙色/牙龈色丝材(图 6～7)，已成功用于可摘局部义齿、软腭缺损阻塞器的一体化双色3D打印加工。同时为了方便临床使用配色，作者也制备出3D打印PEEK牙色系列色块和牙龈色系列色块(图 8)，临床试用效果良好。

图5 PEEK结晶度与透光性(灰度值)关系 图 6 牙色PEEK打印丝材 图 7 牙龈色PEEK打印丝材

图 8 3D打印PEEK系列色块

2 一体化双色3D打印PEEK口腔修复体的临床应用

本部分研究全程受南京大学医学院附属口腔医院(南京市口腔医院)伦理委员会监督和指导(临床试验批准编号：2019NL-006)。

2.1 可摘局部义齿应用

1 例16牙列缺损，缺牙区窦嵴距仅2 mm，同时伴有上颌窦炎症，患者考虑暂不种植行可摘义齿修复，但要求修复材料美观无金属，经知情同意，为其设计制作了16缺牙一体化双色3D打印PEEK义齿，选择基托部分PEEK材料颜色接近患者缺牙区牙龈黏膜色，卡环和人工牙则接近相邻余留牙的颜色。通过FDM增材制造设备进行PEEK材料的一体化双色打印，顺利加工出PEEK可摘局部义齿(图 9A、C)。经患者口内临床试戴，义齿卡环的固位力以及适合性均满足临床要求(图 9B、D)，咬合过程中义齿未出现翘动，旋转，摆动，下沉等情况。目前临床随访观察6 个月， 未出现卡环折断、 基托破损等不良现象。最新文献报道PEEK人工牙耐磨性明显高出普通树脂牙和复合树脂牙[12]，并且省去排牙、充胶等繁琐技工过程和时间。临床观察双色打印PEEK义齿美观性与传统牙科树脂尚存在一定差距，考虑改进方法一是继续系统开展双色PEEK材料颜料共混研究，二是沿用PEEK表面粘接饰面树脂方法，后者因PEEK材料基色已显著改善其烤塑处理后义齿美观效果会更加理想。

2.2 软腭缺损阻塞器应用

患者为一例因粘液表皮样癌切除术后致使左侧硬软腭交界部分缺损， 缺损大小直径1 cm， 女性， 31 岁， 计划行软腭阻塞器修复(图 10A)。治疗过程同前，通过数字化口内扫描直接获取缺损区域模型，在义齿设计软件中进行一体化双色3D打印PEEK支架数字化设计，通过FDM打印设备加工一体化双色PEEK支架(图 10B)，后经常规等技工处理得到最终的一体化双色3D打印PEEK软腭缺损阻塞器。患者口内临床试戴效果非常满意，支架及卡环等部件适合性，阻塞器固位、支持、稳定等性能良好(图 10C)；患者戴用3 个月后复查，未出现支架变形[13]。患者反映新修复体重量轻、无金属异味、缺损区无明显不适感，对其美观效果表示满意。

由上述2 个临床病例可知，PEEK一体化双色3D打印技术因其加工周期短、材料浪费量少、可以成形复杂形态零件等优点，且改善了PEEK材料美观效果，更适合口腔修复体个体化单件定制的临床要求。PEEK由于弹性模量比金属低，用于制作可摘义齿的卡环具有优势，且比金属美观，但硬度低，在设计时考虑强度基托和卡环需要加厚。所获修复体整体形态完整，材料质地致密、未见明显加工缺陷；卡环、禾支托等细微结构清晰，修复体成品表面通过特定工艺可以实现良好抛光。作者研究中PEEK打印参数设置是喷嘴直径0.4 mm，喷嘴温度420 ℃，层厚0.15 mm，挤出速度40 mm/s，填充率100%，能够满足口腔临床需求，后续研究需要进行更多样本的临床研究，优化筛选出一体化双色3D打印口腔修复体最佳的打印参数。

A：一体化双色3D打印PEEK可摘局部义齿(去支撑前); B： 牙列缺损口内颊侧观; C： 一体化双色3D打印PEEK可摘局部义齿; D： 一体化双色3D打印PEEK可摘局部义齿口内戴入颊侧观

图 9 一体化双色3D打印PEEK可摘局部义齿

A：软腭缺损口内照 B：一体化双色3D打印PEEK支架 C：一体化双色3D打印PEEK软腭阻塞器临床初戴口内照

3 问题与展望

作者初步验证了一体化双色3D打印PEEK口腔修复体临床应用可行性，在原有3D打印PEEK义齿的基础上对颜色进行了改进，同时实现可摘义齿的支架的双色打印制作，具有潜在的临床应用价值，但尚存很多问题亟待解决：不同种类、不同比例PEEK-颜料共混色彩变化机理尚不明晰；双色PEEK打印材料透光性能需要进一步提高；双色打印材料交界面过渡区域精度需要提升；一体化双色3D打印PEEK修复体抗疲劳与耐久性尚需研究；一体化双色3D打印PEEK修复体的颜色稳定性及抗老化性能也需要研究；设计大样本的临床随机对照试验来验证新材料新技术性能等。总体而言，作者认为一体化双色3D打印PEEK口腔修复体有研究价值和临床应用前景，有望在可摘局部义齿和颌面缺损赝复体领域推广应用，为临床提供一种新的非金属美学修复材料和工艺选择。