3D打印技術(shù)在口腔科的應(yīng)用

徐沈杰 吳燕岷 孫偉蓮 陳莉麗

【摘要】3D 打印是近年來迅猛發(fā)展的一種新興技術(shù),在口腔科的應(yīng)用越來越廣，因此有必要進(jìn)行系統(tǒng)分類和綜合闡述。根據(jù)信息源采集、輸出方式、打印材料三方面，分別對(duì)3D打印技術(shù)在口腔科應(yīng)用進(jìn)行分類。通過文獻(xiàn)回顧發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)創(chuàng)新性地改變?cè)锌谇豢频尼t(yī)療診斷模式，在精確手術(shù)、模型個(gè)性化制作、可替代材料等方面有著廣泛的應(yīng)用。未來的3D打印技術(shù)不僅從根本上改變了延續(xù)近百年的現(xiàn)代口腔科診療模式，也從深層影響了醫(yī)療領(lǐng)域的方方面面。

【關(guān)鍵詞】3D打印 口腔科 應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】R781.05 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B【文章編號(hào)】1004-4949(2014)07-0518-02

引言

三維打印技術(shù)，最早由美國(guó)麻省理工學(xué)院Sachs等提出，依據(jù)“逐層打印，層層疊加”的概念，在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)物體的CAD模型或CT等數(shù)據(jù)，通過材料的堆積，快速而精確地制造具有特殊外型或復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物體。

3D打印作為一種通俗化名稱，其實(shí)質(zhì)是增材制造技術(shù)。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)將增材制造技術(shù)定義為：基于3D模型數(shù)據(jù)，采用與減式制造技術(shù)相反的逐層疊加的方式生產(chǎn)物品的過程，通常通過電腦控制將材料逐層疊加，最終將計(jì)算機(jī)上的三維模型變?yōu)榱Ⅲw實(shí)物，是大批量制造模式向個(gè)性化制造模式發(fā)展的引領(lǐng)技術(shù)［1］。相對(duì)于傳統(tǒng)大型的增材制造設(shè)備，3D打印概念著重體現(xiàn)了其設(shè)備的小型化、智能化及個(gè)人化特征。經(jīng)過近20年的探索，3D打印技術(shù)已經(jīng)有了長(zhǎng)足進(jìn)步，在打印材料、精度、速度等方面都有較大幅度的提高。目前已經(jīng)能夠在0．01 mm的單層厚度上實(shí)現(xiàn)600 dpi的精細(xì)分辨率。目前該技術(shù)可使用的材料種類非常豐富，以生物細(xì)胞為材料可打印出器官、骨骼；以沙子為材料可打印建筑；以玻璃為材料可打印玻璃制品；以金屬為材料可打印機(jī)械零件等。下面主要介紹在口腔科的應(yīng)用。

1應(yīng)用根據(jù)信息源不同分類

1.1拍照式光學(xué)三維掃描：主要用于冠、橋、活動(dòng)義齒的制作。其結(jié)構(gòu)原理主要由光柵投影設(shè)備及兩個(gè)工業(yè)級(jí)的CCD Camera所構(gòu)成，由光柵投影在待測(cè)物上，并加以粗細(xì)變化及位移，配合CCD Camera將所擷取的數(shù)字影像透過計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理，即可得知石膏模型的實(shí)際3D外型。

1.2X線透射掃描（CT三維重建）：用于種植導(dǎo)板、頭顱模型的制作和頜面外傷、骨折、腭裂的術(shù)前診斷。CT(Computed Tomography)，即電子計(jì)算機(jī)斷層掃描，它是利用精確準(zhǔn)直的X線束與靈敏度極高的探測(cè)器一同圍繞人體的某一部位作一個(gè)接一個(gè)的斷面掃描，每次掃描過程中由探測(cè)器接收穿過人體后的衰減X線信息，再由快速模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后輸入電子計(jì)算機(jī)，經(jīng)電子計(jì)算機(jī)高速計(jì)算，得出該層面各點(diǎn)的X線吸收系數(shù)值，用這些數(shù)據(jù)組成圖像的矩陣。再經(jīng)圖像顯示器將不同的數(shù)據(jù)用不同的灰度等級(jí)顯示出來，這樣該斷面的解剖結(jié)構(gòu)就可以清晰的顯示在監(jiān)視器上，主要是硬組織的表達(dá)。

2應(yīng)用根據(jù)打印材料分類：

2.1熱塑性塑料：一類應(yīng)用最廣的塑料，以熱塑性樹脂主要成分，并添加各種助劑而配制成塑料。在一定的溫度條件下，塑料能軟化或熔融成任意形狀，冷卻后形狀不變；這種狀態(tài)可多次反復(fù)而始終具有可塑性，且這種反復(fù)只是一種物理變化。使用熔融沉積成型技術(shù)的3D 打印機(jī)通過將熱塑性材料加熱到半液體狀態(tài)并沿計(jì)算機(jī)控制的路線進(jìn)行擠壓逐層構(gòu)造零件。

2.2骨替代材料……

美國(guó)研究人員利用3D打印機(jī)開發(fā)骨骼打印技術(shù)，造出類似骨骼的材料。研究人員說，它可被用于骨科、牙科治療或開發(fā)治療骨質(zhì)疏松癥藥物。華盛頓州立大學(xué)蘇斯米塔?博斯帶領(lǐng)研究小組，耗費(fèi)4年時(shí)間開發(fā)類骨骼物質(zhì)。他們發(fā)現(xiàn)，在生物陶瓷粉主要成分磷酸鈣中添加硅和氧化鋅可以使其強(qiáng)度提升一倍。磷酸鈣生物陶瓷材料是整形外科領(lǐng)域一類重要的骨修復(fù)材料，可模擬人體自然骨結(jié)構(gòu)，適宜細(xì)胞和骨組織的長(zhǎng)入。

據(jù)英國(guó)《每日郵報(bào)》2月6日?qǐng)?bào)道，世界上首例由3D打印技術(shù)制作的人工下頜骨移植手術(shù)細(xì)節(jié)日前公布［5］。移植手術(shù)于去年6月在荷蘭進(jìn)行，接受移植的病人是名患有骨髓炎的83歲女性。術(shù)后她的恢復(fù)狀況良好，新的下頜骨并未影響她的語言表達(dá)和進(jìn)食能力。

這項(xiàng)新的人造骨骼3D打印技術(shù)由比利時(shí)公司LayerWise和比利時(shí)哈瑟爾特大學(xué)的科研人員共同開發(fā)研制，而器官制作過程被稱為“疊加制作法”。通過該方法，技術(shù)人員可根據(jù)移植患者的具體需求來設(shè)計(jì)骨骼部件的效果圖，然后利用高精度的鐳射槍來熔解鈦粉，并將它們一層層地噴涂疊加起來，最終形成一個(gè)立體的人造骨骼部件成品。整個(gè)過程不需要任何的膠水或粘結(jié)劑。

3結(jié)論與展望

3D 打印的“部件”植入人體在國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)有先例。北醫(yī)三院骨科主任劉忠軍的相關(guān)研究已進(jìn)入臨床觀察階段，為近 40 位患者植入了 3D 打印出的“骨骼”，用的也是鈦合金材料。做一次 CT，回家等兩天，牙醫(yī)就會(huì)拿出一顆與你原來失去的牙一模一樣的合金“3D 打印牙”，無需麻醉和手術(shù)，往牙床里一塞，種牙就完成了——3D 打印的科技浪潮已經(jīng)進(jìn)入口腔醫(yī)學(xué)，也許在不久的將來取代現(xiàn)在復(fù)雜而昂貴的種牙技術(shù)。北大口腔醫(yī)院主任醫(yī)師唐志輝大夫已經(jīng)把生物 3D 打印技術(shù)應(yīng)用于補(bǔ)種牙等口腔修復(fù)，并進(jìn)行到了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，2 至 3 年后有望被批準(zhǔn)應(yīng)用于人體。

隨著3D打印的產(chǎn)品在材料、精度、方便易用性方面的不斷成熟，未來的3D打印技術(shù)不僅從根本上改變了延續(xù)近百年的現(xiàn)代口腔科診療模式，也從深層影響了醫(yī)療領(lǐng)域的方方面面。

參考文獻(xiàn)

［1］ 張楠，李飛.3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對(duì)未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)，2013，30(7)：97—99．

［2］吳菲菲，段國(guó)輝，黃魯成.基于團(tuán)隊(duì)識(shí)別的3D打印技術(shù)發(fā)展前景分析［J］．情報(bào)雜志，2013，32(8)：62—67．

［3］馬立敏,張余, 周燁, 周霞,夏虹,藍(lán)國(guó)波.3D打印技術(shù)在股骨遠(yuǎn)端骨腫瘤的應(yīng)用［J］．中國(guó)數(shù)字醫(yī)學(xué)，2013，8(8)：70—72．