口腔頜面部腫瘤、外傷等常造成大范圍的頜骨缺損，導致患者面部畸形、語言和咀嚼功能障礙等，嚴重影響患者生活質量。三維打印（3DP），又名“增材制造”，是一類將材料逐層添加來制造三維物體的技術。利用三維打印并結合影像數據、計算機設計和個性化制造頜骨修復支架，可以對復雜形態的頜骨缺損進行精確的修復重建，相對于傳統的頜骨修復方式具有獨特的優勢，成為近年來頜骨組織工程支架研究的熱點。本文就三維打印頜骨支架在頜骨修復中的應用作一綜述，為臨床上頜骨缺損的修復提供新思路。
引用本文： 曹帥帥, 周苗. 三維打印頜骨支架的研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2017, 34(6): 963-966. doi: 10.7507/1001-5515.201702030 復制
引言
頜骨對維持面部外形，行使發音、咀嚼和吞咽等功能具有重要作用。口腔頜面部腫瘤、外傷、感染及先天畸形等常造成不同程度的頜骨缺損，其修復一直是臨床上面臨的重要問題。目前常用的頜骨缺損修復方法有自體骨移植、異體骨移植、人工骨替代物修復等，但均存在無法避免的缺點[1]。傳統的頜骨缺損外科修復手段存在創傷大、外形欠美觀等缺點，因此需要尋找新的技術以提高修復的效果和功能，而三維打印（three-dimensional printing，3DP）頜骨組織工程支架作為頜骨缺損修復的新手段，有著很多傳統修復手段所不具有的優勢，比如傳統方法不能進行個性化制造，而 3DP 可以對頜骨組織工程支架進行多曲面、非對稱、內部復雜精細結構的快速設計和個性化制造，使支架不僅可以在外形上相匹配，并能在微觀結構上進行調控，起到促進細胞的黏附、增殖與分化的作用，以獲得理想的修復[2-3]。
1 3DP 頜骨修復技術
3DP 技術是快速成型技術之一，20 世紀 80 年代首先在工程領域應用，它運用重建的三維數據建立模型，導入軟件進行設計優化后，輸入打印機逐層堆積成實體模型[4]。經過三十多年的發展，現已在口腔頜面外科、修復與種植等多個學科中應用。3DP 技術與傳統“減材制造”技術相反，是根據“增材制造”的原則按照分層制造、逐層疊加的原理將材料直接加工成成品[5]。目前可用于制作頜骨修復支架的 3DP 技術有：光固化成型（stereolithography appearance，SLA），選擇性激光燒結（selective laser sintering，SLS），熔融沉積成型（fused deposition modeling，FDM），自動注漿成型（robocasting），低溫沉積制造（low temperature deposition manufacturing，LDM）等。
1.1 SLA 技術
SLA 技術是采用計算機控制下的紫外激光束對掃描區內的樹脂進行掃描，使樹脂發生光聚合反應后固化，最后通過逐層固化的方式獲得三維支架。SLA 技術具有精度高、性能穩定且力學強度高等優點，但其缺點是僅適用于具有光敏性的高分子材料，目前較多地應用于金屬樹脂支架、頜骨修復術前診斷與手術導板的制作[6]。
1.2 SLS 技術
SLS 技術是采用紅外激光器將金屬粉末預熱到稍低于其熔點溫度，然后再將粉末鋪平，以激光束照射的方式在計算機控制下選擇性燒結，經過逐層掃描粘結，燒結完后去掉多余的粉末得到最終的支架。其優點是加工速度快、強度高，但缺點是成型支架表面較粗糙，需后處理，精度有待提高，是目前金屬頜骨修復支架的主要制作方式[7]。
1.3 FDM 技術
FDM 技術是采用熱熔噴頭，將熔融的材料按計算機設置的參數沉積，凝固成型，經過逐層堆積后形成支架。該技術的優點是制造簡單、成本低廉，制造出的支架強度好；其缺點是打印溫度較高，易造成高分子材料的降解而產生形變，可打印金屬和非金屬頜骨修復支架[8]。
1.4 自動注漿成型技術
自動注漿成型技術是一種材料直接成型技術，該技術以膠體為基本漿料，通過層疊方式注漿成型制備復雜三維結構。自動注漿成型技術有很多優點，它一般采用具有高固體含量的水溶性漿料，有利于降低制備成本和減少毒性，燒結過程避免了復雜的去除粘接劑步驟，其高固體含量還有利于降低凝固過程中殘余應力和減少燒結過程中塌陷的產生，且精度較高，適合多種材料支架的制備，具有廣泛的應用前景[9]。
1.5 LDM 技術
LDM 技術是將液態的原料從噴嘴擠出，擠出的原料在工作臺面上逐層堆積成形，每堆積一層，工作臺下降一個層高，整個成形過程在–20～–40℃ 的低溫成形室中進行，以實現材料的堆積成型，得到冷凍的支架。該技術的優點是可以使用生物材料添加細胞組織等活性物質作為成形原料，獲得骨組織工程支架，并且可以推廣應用于具有復雜生物功能的組織工程支架的直接成形，甚至應用于細胞打印，是未來 3DP 的發展趨勢[10]。
如表 1 所示，本文列舉了上述五種打印方式的各自優缺點。
表1
五種 3DP 技術的優缺點對比
Table1.
Comparison of five types of 3DP technology
2 3DP 頜骨修復材料
3DP 頜骨修復支架不僅需要替代缺損的骨組織，還需要給細胞和生長因子提供一個穩定的成骨微環境，所以設計好合適的孔徑大小、孔隙率和選擇合適的材料是 3DP 的關鍵[11]。符合頜骨缺損修復的支架必須具有良好的生物相容性、骨引導性能，且支架材料可降解，并具有良好的孔隙率以及機械強度，以達到與正常骨組織相似的性能[12]。常用作為 3DP 頜骨的支架生物材料主要有：高分子聚合物、生物陶瓷及復合材料等。
2.1 高分子聚合物
高分子聚合物由于其具有可降解性與良好的生物相容性，已經廣泛地應用于各類支架材料的制作。可用于 3DP 的有機高分子材料主要有膠原、殼聚糖、聚己內酯（polycaprolactone，PCL）、聚乳酸、聚羥基乙酸（polyglycolic acid，PGA）及兩者的共聚物（poly lactic-co-glycolic acid，PLGA）等為主[13]。Eshraghi 等[14]以 PCL 為原料，通過 SLS 打印技術制作了三維多孔支架，研究結果顯示該設計支架孔徑為 700 μm，當孔隙率為 68.5% 時支架強度達到了人骨松質的力學范圍；體內實驗證明此支架能與骨產生良好結合，具有良好的生物相容性，并可按照豬的下頜骨髁突原型進行打印。因此，鑒于頜骨應能起到支撐咀嚼等受力作用，故選擇人工合成高分子聚合物作為 3DP 頜骨修復材料時，需要考慮其生物相容性、骨傳導性能、降解性能、力學性能等。
2.2 生物陶瓷
生物陶瓷的 3DP 主要采用磷酸三鈣（tricalcium phosphate，TCP）和羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）等骨替代材料，其生物相容性、生物降解性以及力學性能良好，是目前研究使用較多的材料[15-16]。袁景等[17]采用 FDM 打印技術，以 TCP 粉末為原料，制備了具有三維結構的骨組織工程支架，其采用計算機輔助設計的支架孔徑為 400 μm，孔隙率為 61.76%±2.53%，體外實驗表明所制備的支架含有宏觀孔隙和微觀孔隙，有利于骨細胞附著、長入和微血管形成，也有利于新骨生成與重建以及營養物質代謝。可見，生物陶瓷材料作為傳統的骨組織工程支架由于其良好的理化和生物學性能，更加適合大段的頜骨缺損修復。
2.3 復合材料
鑒于單一材料性能的局限，復合材料的應用逐漸受到重視。一些具有生物活性的無機材料，如生物玻璃等，已經用于加入高分子材料中以制備新型的骨組織工程復合材料[18]。常見的復合材料組合方式有：生物陶瓷同類材料間的復合、生物陶瓷與天然高分子間的復合、人工合成高分子與生物陶瓷的復合以及人工合成高分子材料間的復合等[19]。Kim 等[20]使用 PCL/PLGA 復合材料打印支架，該支架具有規則的三維結構和孔隙，降解速率和力學強度比單純 PCL 支架有明顯的提高，其良好的生物相容性和骨傳導性也能滿足頜骨修復材料的基本要求。復合材料因其良好的生物學性能，已被廣泛應用于骨組織支架，但是由于其親水性較差且打印過程中會殘留有機溶劑，使得支架的細胞毒性無法完全消除，因此使用復合材料進行 3DP 頜骨支架仍有許多問題待解決。
如表 2 所示，本文列舉了三種不同類型打印材料的優缺點。
表2
三種生物材料的優缺點對比
Table2.
Comparison of three types of biomaterials
3 3DP 頜骨修復支架
口腔頜面外科是最早、也是最常使用 3DP 技術的學科。由于頜面部重建過程非常復雜，術中大量的時間都用來復位骨片及修整鈦板，但通過建立三維模型并打印出來，在術前就可以完成對骨片的定位和對鈦板的修整，不僅大大縮短手術進程，還減少了術中出血和切口暴露的時間。憑借這些優勢，使用 3DP 技術制作手術導板在口腔頜面外科手術中幾乎是不可或缺的。朱明等[21]應用 3DP 技術制備頭顱三維模型預塑形鈦板，在術中能起到導板作用，指導骨塊移動，提高了手術安全性和精確性，顯著降低了顳頜關節功能紊亂等并發癥的發生。鄢榮曾等[22]將患者的影像資料作為建模數據，用計算機設計生成下頜骨修復體外形，然后對支架內部三維網狀結構進行設計，將計算機輔助設計的模型輸入打印設備采用 3DP 技術完成支架的制備，為臨床應用骨組織工程支架的制備提供理論和操作依據。
眾多科研工作者及臨床醫生在個性化植入物領域已有多年探索，目前相關的 3DP 可降解支架也已趨向成熟，大量實驗證據已證明其生物安全性與臨床應用前景[23-25]。Lee 等[26]采用 3DP 技術打印出和人下頜骨外形高度匹配的可降解頜骨支架，體外實驗證明其具有良好的生物相容性和力學性能。Abarrategi 等[27]用自動注漿成型技術打印 TCP 支架，復合重組人骨形態發生蛋白-2（recombinant human bone morphogenetic protein-2，rhBMP-2）后，體外實驗證明該支架具有良好的生物活性并可促進細胞的生長，并成功修復了豬的上頜骨缺損。Rasperini 等[28]采用 SLS 技術打印 PCL 支架，成功為 1 例嚴重牙周炎導致骨缺損患者修復了牙周的骨缺損，術后 1 年探診深度仍在 3 mm 以內，但 13 個月后支架材料暴露于口腔。說明 3DP 頜骨組織工程支架如要廣泛應用于臨床，仍需大量的體內外研究證明其安全性和可靠性。
4 展望
3DP 支架已在頜骨組織工程研究應用，但是打印支架如何更好的血管化、如何有效控制支架的降解速度等問題還需要進一步的研究。相信隨著生物材料學的發展以及新的 3DP 技術不斷涌現，具有高成骨活性、良好生物相容性和力學性能的 3D 打印頜骨支架將制作出來，并應用于臨床，這會改變頜骨修復重建的治療模式，最終造福于廣大的患者。
引言
頜骨對維持面部外形，行使發音、咀嚼和吞咽等功能具有重要作用。口腔頜面部腫瘤、外傷、感染及先天畸形等常造成不同程度的頜骨缺損，其修復一直是臨床上面臨的重要問題。目前常用的頜骨缺損修復方法有自體骨移植、異體骨移植、人工骨替代物修復等，但均存在無法避免的缺點[1]。傳統的頜骨缺損外科修復手段存在創傷大、外形欠美觀等缺點，因此需要尋找新的技術以提高修復的效果和功能，而三維打印（three-dimensional printing，3DP）頜骨組織工程支架作為頜骨缺損修復的新手段，有著很多傳統修復手段所不具有的優勢，比如傳統方法不能進行個性化制造，而 3DP 可以對頜骨組織工程支架進行多曲面、非對稱、內部復雜精細結構的快速設計和個性化制造，使支架不僅可以在外形上相匹配，并能在微觀結構上進行調控，起到促進細胞的黏附、增殖與分化的作用，以獲得理想的修復[2-3]。
1 3DP 頜骨修復技術
3DP 技術是快速成型技術之一，20 世紀 80 年代首先在工程領域應用，它運用重建的三維數據建立模型，導入軟件進行設計優化后，輸入打印機逐層堆積成實體模型[4]。經過三十多年的發展，現已在口腔頜面外科、修復與種植等多個學科中應用。3DP 技術與傳統“減材制造”技術相反，是根據“增材制造”的原則按照分層制造、逐層疊加的原理將材料直接加工成成品[5]。目前可用于制作頜骨修復支架的 3DP 技術有：光固化成型（stereolithography appearance，SLA），選擇性激光燒結（selective laser sintering，SLS），熔融沉積成型（fused deposition modeling，FDM），自動注漿成型（robocasting），低溫沉積制造（low temperature deposition manufacturing，LDM）等。
1.1 SLA 技術
SLA 技術是采用計算機控制下的紫外激光束對掃描區內的樹脂進行掃描，使樹脂發生光聚合反應后固化，最后通過逐層固化的方式獲得三維支架。SLA 技術具有精度高、性能穩定且力學強度高等優點，但其缺點是僅適用于具有光敏性的高分子材料，目前較多地應用于金屬樹脂支架、頜骨修復術前診斷與手術導板的制作[6]。
1.2 SLS 技術
SLS 技術是采用紅外激光器將金屬粉末預熱到稍低于其熔點溫度，然后再將粉末鋪平，以激光束照射的方式在計算機控制下選擇性燒結，經過逐層掃描粘結，燒結完后去掉多余的粉末得到最終的支架。其優點是加工速度快、強度高，但缺點是成型支架表面較粗糙，需后處理，精度有待提高，是目前金屬頜骨修復支架的主要制作方式[7]。
1.3 FDM 技術
FDM 技術是采用熱熔噴頭，將熔融的材料按計算機設置的參數沉積，凝固成型，經過逐層堆積后形成支架。該技術的優點是制造簡單、成本低廉，制造出的支架強度好；其缺點是打印溫度較高，易造成高分子材料的降解而產生形變，可打印金屬和非金屬頜骨修復支架[8]。
1.4 自動注漿成型技術
自動注漿成型技術是一種材料直接成型技術，該技術以膠體為基本漿料，通過層疊方式注漿成型制備復雜三維結構。自動注漿成型技術有很多優點，它一般采用具有高固體含量的水溶性漿料，有利于降低制備成本和減少毒性，燒結過程避免了復雜的去除粘接劑步驟，其高固體含量還有利于降低凝固過程中殘余應力和減少燒結過程中塌陷的產生，且精度較高，適合多種材料支架的制備，具有廣泛的應用前景[9]。
1.5 LDM 技術
LDM 技術是將液態的原料從噴嘴擠出，擠出的原料在工作臺面上逐層堆積成形，每堆積一層，工作臺下降一個層高，整個成形過程在–20～–40℃ 的低溫成形室中進行，以實現材料的堆積成型，得到冷凍的支架。該技術的優點是可以使用生物材料添加細胞組織等活性物質作為成形原料，獲得骨組織工程支架，并且可以推廣應用于具有復雜生物功能的組織工程支架的直接成形，甚至應用于細胞打印，是未來 3DP 的發展趨勢[10]。
如表 1 所示，本文列舉了上述五種打印方式的各自優缺點。
表1
五種 3DP 技術的優缺點對比
Table1.
Comparison of five types of 3DP technology
2 3DP 頜骨修復材料
3DP 頜骨修復支架不僅需要替代缺損的骨組織，還需要給細胞和生長因子提供一個穩定的成骨微環境，所以設計好合適的孔徑大小、孔隙率和選擇合適的材料是 3DP 的關鍵[11]。符合頜骨缺損修復的支架必須具有良好的生物相容性、骨引導性能，且支架材料可降解，并具有良好的孔隙率以及機械強度，以達到與正常骨組織相似的性能[12]。常用作為 3DP 頜骨的支架生物材料主要有：高分子聚合物、生物陶瓷及復合材料等。
2.1 高分子聚合物
高分子聚合物由于其具有可降解性與良好的生物相容性，已經廣泛地應用于各類支架材料的制作。可用于 3DP 的有機高分子材料主要有膠原、殼聚糖、聚己內酯（polycaprolactone，PCL）、聚乳酸、聚羥基乙酸（polyglycolic acid，PGA）及兩者的共聚物（poly lactic-co-glycolic acid，PLGA）等為主[13]。Eshraghi 等[14]以 PCL 為原料，通過 SLS 打印技術制作了三維多孔支架，研究結果顯示該設計支架孔徑為 700 μm，當孔隙率為 68.5% 時支架強度達到了人骨松質的力學范圍；體內實驗證明此支架能與骨產生良好結合，具有良好的生物相容性，并可按照豬的下頜骨髁突原型進行打印。因此，鑒于頜骨應能起到支撐咀嚼等受力作用，故選擇人工合成高分子聚合物作為 3DP 頜骨修復材料時，需要考慮其生物相容性、骨傳導性能、降解性能、力學性能等。
2.2 生物陶瓷
生物陶瓷的 3DP 主要采用磷酸三鈣（tricalcium phosphate，TCP）和羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）等骨替代材料，其生物相容性、生物降解性以及力學性能良好，是目前研究使用較多的材料[15-16]。袁景等[17]采用 FDM 打印技術，以 TCP 粉末為原料，制備了具有三維結構的骨組織工程支架，其采用計算機輔助設計的支架孔徑為 400 μm，孔隙率為 61.76%±2.53%，體外實驗表明所制備的支架含有宏觀孔隙和微觀孔隙，有利于骨細胞附著、長入和微血管形成，也有利于新骨生成與重建以及營養物質代謝。可見，生物陶瓷材料作為傳統的骨組織工程支架由于其良好的理化和生物學性能，更加適合大段的頜骨缺損修復。
2.3 復合材料
鑒于單一材料性能的局限，復合材料的應用逐漸受到重視。一些具有生物活性的無機材料，如生物玻璃等，已經用于加入高分子材料中以制備新型的骨組織工程復合材料[18]。常見的復合材料組合方式有：生物陶瓷同類材料間的復合、生物陶瓷與天然高分子間的復合、人工合成高分子與生物陶瓷的復合以及人工合成高分子材料間的復合等[19]。Kim 等[20]使用 PCL/PLGA 復合材料打印支架，該支架具有規則的三維結構和孔隙，降解速率和力學強度比單純 PCL 支架有明顯的提高，其良好的生物相容性和骨傳導性也能滿足頜骨修復材料的基本要求。復合材料因其良好的生物學性能，已被廣泛應用于骨組織支架，但是由于其親水性較差且打印過程中會殘留有機溶劑，使得支架的細胞毒性無法完全消除，因此使用復合材料進行 3DP 頜骨支架仍有許多問題待解決。
如表 2 所示，本文列舉了三種不同類型打印材料的優缺點。
表2
三種生物材料的優缺點對比
Table2.
Comparison of three types of biomaterials
3 3DP 頜骨修復支架
口腔頜面外科是最早、也是最常使用 3DP 技術的學科。由于頜面部重建過程非常復雜，術中大量的時間都用來復位骨片及修整鈦板，但通過建立三維模型并打印出來，在術前就可以完成對骨片的定位和對鈦板的修整，不僅大大縮短手術進程，還減少了術中出血和切口暴露的時間。憑借這些優勢，使用 3DP 技術制作手術導板在口腔頜面外科手術中幾乎是不可或缺的。朱明等[21]應用 3DP 技術制備頭顱三維模型預塑形鈦板，在術中能起到導板作用，指導骨塊移動，提高了手術安全性和精確性，顯著降低了顳頜關節功能紊亂等并發癥的發生。鄢榮曾等[22]將患者的影像資料作為建模數據，用計算機設計生成下頜骨修復體外形，然后對支架內部三維網狀結構進行設計，將計算機輔助設計的模型輸入打印設備采用 3DP 技術完成支架的制備，為臨床應用骨組織工程支架的制備提供理論和操作依據。
眾多科研工作者及臨床醫生在個性化植入物領域已有多年探索，目前相關的 3DP 可降解支架也已趨向成熟，大量實驗證據已證明其生物安全性與臨床應用前景[23-25]。Lee 等[26]采用 3DP 技術打印出和人下頜骨外形高度匹配的可降解頜骨支架，體外實驗證明其具有良好的生物相容性和力學性能。Abarrategi 等[27]用自動注漿成型技術打印 TCP 支架，復合重組人骨形態發生蛋白-2（recombinant human bone morphogenetic protein-2，rhBMP-2）后，體外實驗證明該支架具有良好的生物活性并可促進細胞的生長，并成功修復了豬的上頜骨缺損。Rasperini 等[28]采用 SLS 技術打印 PCL 支架，成功為 1 例嚴重牙周炎導致骨缺損患者修復了牙周的骨缺損，術后 1 年探診深度仍在 3 mm 以內，但 13 個月后支架材料暴露于口腔。說明 3DP 頜骨組織工程支架如要廣泛應用于臨床，仍需大量的體內外研究證明其安全性和可靠性。
4 展望
3DP 支架已在頜骨組織工程研究應用，但是打印支架如何更好的血管化、如何有效控制支架的降解速度等問題還需要進一步的研究。相信隨著生物材料學的發展以及新的 3DP 技術不斷涌現，具有高成骨活性、良好生物相容性和力學性能的 3D 打印頜骨支架將制作出來，并應用于臨床，這會改變頜骨修復重建的治療模式，最終造福于廣大的患者。
