金属3D打印技术在口腔医学应用

文/张亮

3D打印又称增材制造（Additive Manufacturing，AM），属于快速成形技术的一种，是通过设计数字模型，采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术[1]。3D打印技术拥有极高的加工自由度，对于医学金属材料的3D打印，其可以利用CT、MRI等医学影像，通过计算机重建患者骨缺损模型，制造出生物学性能与力学性能更与骨匹配的植入物产品，在口腔医学领域的应用前景广阔。

1 金属3D 打印技术概况

1.1 不同工艺金属3D 打印分类

金属3D 打印技术主要有：选区激光熔化/烧结（selective laser melting/selective laser sintering，SLM/SLS）、电子束选区熔化（electron beamselective melting， EBSM）、激光近净成形（laser engineered net shaping，LENS）等[2]。

（1）SLM/SLS 该方法采用激光选择性熔覆或者以固体粉末烧结的方式进行逐层熔覆，然后在逐层熔覆的基础上形成三维实体零件。该方法基于离散-堆积原理、计算机技术、激光加工技术、数控技术和新材料技术相结合，可实现零件的自动、快速、精确的三维造型，并具有一定的结构和功能[3-4]。

（2）LENS 将选择性激光烧结(SLS)技术与激光熔覆(Laser Cladding)技术两者相结合，实现高密度、高强、高强金属零件的近净成形，被称为“激光近形制造技术”“激光近形制造技术”或“工程净成形技术”[5]。

（3）EBSM 技术是金属粉末层通过电子束在程序控制下根据模型提供的信息扫描，有选择在局部微小区域使其产生高温，导致金属微粒熔化烧结，通过逐层堆积直至整个零件完成[6]。

1.2 金属3D打印与传统金属制造工艺的对比

（1）同传统工艺相比，金属3D打印整体上有不需模具，可直接成型而无需二次加工的优点，实现个性化设计并制作复杂结构与其他制造技术相比具有适用性广泛、工艺简单。但也有不足，如：金属制品致密度不及锻造，后需进行退火等处理；由于扫描精度不足，制作出的金属制品表面较粗糙往往还需后续喷砂等处理；另外因3D打印的金属合金存在各向异性的特点，所打印出的金属件在不同方向的力学性质不同。

（2）各种3D打印金属工艺与传统工艺相比，不同的3D金属打印技术除了共同优缺点外，还有各自的优缺点。

SLM/SLS 优点：①选材丰富，理论上，任何粉末材料经激光加热后，能在粉粒间形成原子间连接，均可作为 SLS的成型材料。②工艺简单，生产周期短，尤其适用于小批量、个性化定制复杂形状零件[7]。缺点：①粉末材料的物理特性会影响零件的精度及粗糙度；②制作工艺的某些因素（如铺粉厚度、扫描间距、激光的功率等）不稳定会降低零件的精度及表面光洁度，导致制作缺陷；③SLM 打印成形过程易产生热应力、组织应力、残余应力，易导致制件在打印过程中的翘曲变形与裂纹[7]。

EBSM 优点：①熔化过程中熔池细小，冷却速度较快，可以有效避免铸造过程中晶粒的过分长大和成分的偏析；②所采用的高真空环境正好，可以有效降低空气中O、N对成形件的污染，特别适合于制备活性金属（如钛合金)；③样品中内应力小，更适合于制备金属生物多孔材料的设计[8]。缺点：①金属粉末在电子束作用下易发生“粉末溃散”，需对粉末进行预热；②工艺参数还需要进一步调整保证能量密度与粉末熔化速度之间的匹配减少冶金缺陷；③电子束能量密度比激光束高[9]。LENS 的优缺点与SLM 相仿。

2 在口腔医学领域中3D 金属打印的研究现状

2.1 基础研究

2.1.1 口腔颌面外科

采用3D打印技术对口腔颌面外科手术器械进行优化设计，可方便地制作出与人体骨组织形态和弹性模量更为匹配的植入物，可有效减少供区伤害，缩短疗程，完成优质成形修复手术，提高术后面部外形复原效果[10]。

2.1.2 口腔修复

通过金属3D 打印制作金属内冠、全冠、可摘局部义齿支架，全口义齿基托。体外研究表明应用SLM 技术：制作钴铬金属基底冠的金－瓷结合力与传统工艺相当,两者无统计学差异，符合ISO标准[11]。

2.1.3 口腔正畸

3D 打印的个性化舌侧托槽已经成功设计并打印，但尚处在实验阶段。个性化的托槽底板与所设计的牙模表面高度吻合，并完全贴合患者牙齿模型。托槽佩戴于患者口腔后，托槽戴在病人口腔后，隐藏在牙内侧，效果良好[12]。

2.1.4 口腔种植

利用3D 打印技术制作种植体；在种植体上形成复杂多孔结构，促进尽种植体骨结合。应用SLM 制作牙科种植体，机械性能均达到要求[13]。而且Traini 等[14]设计出梯度化Ti-6Al-4V 合金多孔牙科种植体，其具有良好的理化性能。

2.2 临床应用

2012-02-05，比利时 Hasselt大学的 BIOMED研究所宣布，世界上第一个3D打印人工下颌骨置换术在一位83岁的老人成功实施[15]。Alessandro Cucchi等[16]应用3D打印技术制备个性化钛网用于引导性骨再生术，成功修复患者萎缩下颌骨牙弓，使其能够进行种植体修复。周万林等[17]通过3D扫描技术联合SLS技术能够制备出外形结构完整、表面形貌粗糙的高精度TC4种植体，但研究尚处在实验阶段，还未应用。国内通过40例口腔舌侧正畸托槽粘接效果分别进行分组观察，发现3D打印托槽与传统托槽相比，吻合度更高，粘接位置更准确，治疗流畅性更好，远期疗效更好[18-19]。

3 今后研究方向

随着金属3D打印加工设备进一步优化，3D打印金属材料的研发，以及计算机辅助设计广泛应用。针对口腔科医生，应根据不同学科的特点、金属制品不同部件的性能和功能要求，以及所采用的加工技术，进行综合考虑和重点研究。要想将金属3D打印技术正确地应用于临床，发挥其优势，就要了解各种金属3D打印工艺的特点，熟悉它们的工作原理和工艺，避免盲目应用。

为更好地应用增材制造技术为病人服务，应当进一步完善其结构设计，寻求更加完美的形貌和更合理的内部结构，对复杂外形和内部结构的高精度、高质量、个性化制造，对克服不理想的微观组织结构和零件残余应力等缺陷进行深入研究，深入了解金属粉末受热、熔化、流动、凝固过程的物理机制，提高制作工艺；确定适应征，完善治疗流程，提高手术质量。金属3D打印技术将在口腔医学领域中获得更加广泛的应用。