三维打印颌骨支架的研究进展

Abstract

Large defects of jaw caused by tumor, trauma and so on in oral and maxillofacial region lead to facial deformity, language and chewing dysfunction, which severely damage the patient’s life quality. Three-dimensional printing (3DP) is also named additive manufacturing (AM), which can print materials layer by layer to create three-dimensional objects. The complex shape of jaw defects can be accurately reconstructed using 3DP scaffold combined with image data, computer-aided-design and manufacture. It has specific advantages compared with traditional way of jaw reconstruction and has attracted much attention in the field of jaw tissue engineering recently. This article presented the progress of 3DP scaffold and its application in jaw reconstruction, providing a new idea for jaw reconstruction.

引言

颌骨对维持面部外形，行使发音、咀嚼和吞咽等功能具有重要作用。口腔颌面部肿瘤、外伤、感染及先天畸形等常造成不同程度的颌骨缺损，其修复一直是临床上面临的重要问题。目前常用的颌骨缺损修复方法有自体骨移植、异体骨移植、人工骨替代物修复等，但均存在无法避免的缺点^[1]。传统的颌骨缺损外科修复手段存在创伤大、外形欠美观等缺点，因此需要寻找新的技术以提高修复的效果和功能，而三维打印（three-dimensional printing，3DP）颌骨组织工程支架作为颌骨缺损修复的新手段，有着很多传统修复手段所不具有的优势，比如传统方法不能进行个性化制造，而 3DP 可以对颌骨组织工程支架进行多曲面、非对称、内部复杂精细结构的快速设计和个性化制造，使支架不仅可以在外形上相匹配，并能在微观结构上进行调控，起到促进细胞的黏附、增殖与分化的作用，以获得理想的修复^[2-3]。

1. 3DP 颌骨修复技术

3DP 技术是快速成型技术之一，20 世纪 80 年代首先在工程领域应用，它运用重建的三维数据建立模型，导入软件进行设计优化后，输入打印机逐层堆积成实体模型^[4]。经过三十多年的发展，现已在口腔颌面外科、修复与种植等多个学科中应用。3DP 技术与传统“减材制造”技术相反，是根据“增材制造”的原则按照分层制造、逐层叠加的原理将材料直接加工成成品^[5]。目前可用于制作颌骨修复支架的 3DP 技术有：光固化成型（stereolithography appearance，SLA），选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS），熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM），自动注浆成型（robocasting），低温沉积制造（low temperature deposition manufacturing，LDM）等。

1.1. SLA 技术

SLA 技术是采用计算机控制下的紫外激光束对扫描区内的树脂进行扫描，使树脂发生光聚合反应后固化，最后通过逐层固化的方式获得三维支架。SLA 技术具有精度高、性能稳定且力学强度高等优点，但其缺点是仅适用于具有光敏性的高分子材料，目前较多地应用于金属树脂支架、颌骨修复术前诊断与手术导板的制作^[6]。

1.2. SLS 技术

SLS 技术是采用红外激光器将金属粉末预热到稍低于其熔点温度，然后再将粉末铺平，以激光束照射的方式在计算机控制下选择性烧结，经过逐层扫描粘结，烧结完后去掉多余的粉末得到最终的支架。其优点是加工速度快、强度高，但缺点是成型支架表面较粗糙，需后处理，精度有待提高，是目前金属颌骨修复支架的主要制作方式^[7]。

1.3. FDM 技术

FDM 技术是采用热熔喷头，将熔融的材料按计算机设置的参数沉积，凝固成型，经过逐层堆积后形成支架。该技术的优点是制造简单、成本低廉，制造出的支架强度好；其缺点是打印温度较高，易造成高分子材料的降解而产生形变，可打印金属和非金属颌骨修复支架^[8]。

1.4. 自动注浆成型技术

自动注浆成型技术是一种材料直接成型技术，该技术以胶体为基本浆料，通过层叠方式注浆成型制备复杂三维结构。自动注浆成型技术有很多优点，它一般采用具有高固体含量的水溶性浆料，有利于降低制备成本和减少毒性，烧结过程避免了复杂的去除粘接剂步骤，其高固体含量还有利于降低凝固过程中残余应力和减少烧结过程中塌陷的产生，且精度较高，适合多种材料支架的制备，具有广泛的应用前景^[9]。

1.5. LDM 技术

LDM 技术是将液态的原料从喷嘴挤出，挤出的原料在工作台面上逐层堆积成形，每堆积一层，工作台下降一个层高，整个成形过程在–20～–40℃ 的低温成形室中进行，以实现材料的堆积成型，得到冷冻的支架。该技术的优点是可以使用生物材料添加细胞组织等活性物质作为成形原料，获得骨组织工程支架，并且可以推广应用于具有复杂生物功能的组织工程支架的直接成形，甚至应用于细胞打印，是未来 3DP 的发展趋势^[10]。

如表 1 所示，本文列举了上述五种打印方式的各自优缺点。

表 1. Comparison of five types of 3DP technology.

五种 3DP 技术的优缺点对比

打印技术	优点	缺点	主要应用
SLA	精度高，稳定，力学性能好	必须使用光敏树脂材料	手术导板
SLS	精度高，速度快，力学性能好	表面粗糙	金属支架
FDM	制作方便，成本低	打印时温度高	金属及可降解支架
自动注浆成型	精度高，良好的生物相容性，力学性能好	打印速度慢	可降解支架
LDM	制作方便，精度高，可打印生物活性支架	力学性能欠佳	生物活性支架

2. 3DP 颌骨修复材料

3DP 颌骨修复支架不仅需要替代缺损的骨组织，还需要给细胞和生长因子提供一个稳定的成骨微环境，所以设计好合适的孔径大小、孔隙率和选择合适的材料是 3DP 的关键^[11]。符合颌骨缺损修复的支架必须具有良好的生物相容性、骨引导性能，且支架材料可降解，并具有良好的孔隙率以及机械强度，以达到与正常骨组织相似的性能^[12]。常用作为 3DP 颌骨的支架生物材料主要有：高分子聚合物、生物陶瓷及复合材料等。

2.1. 高分子聚合物

高分子聚合物由于其具有可降解性与良好的生物相容性，已经广泛地应用于各类支架材料的制作。可用于 3DP 的有机高分子材料主要有胶原、壳聚糖、聚己内酯（polycaprolactone，PCL）、聚乳酸、聚羟基乙酸（polyglycolic acid，PGA）及两者的共聚物（poly lactic-co-glycolic acid，PLGA）等为主^[13]。Eshraghi 等^[14]以 PCL 为原料，通过 SLS 打印技术制作了三维多孔支架，研究结果显示该设计支架孔径为 700 μm，当孔隙率为 68.5% 时支架强度达到了人骨松质的力学范围；体内实验证明此支架能与骨产生良好结合，具有良好的生物相容性，并可按照猪的下颌骨髁突原型进行打印。因此，鉴于颌骨应能起到支撑咀嚼等受力作用，故选择人工合成高分子聚合物作为 3DP 颌骨修复材料时，需要考虑其生物相容性、骨传导性能、降解性能、力学性能等。

2.2. 生物陶瓷

生物陶瓷的 3DP 主要采用磷酸三钙（tricalcium phosphate，TCP）和羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）等骨替代材料，其生物相容性、生物降解性以及力学性能良好，是目前研究使用较多的材料^[15-16]。袁景等^[17]采用 FDM 打印技术，以 TCP 粉末为原料，制备了具有三维结构的骨组织工程支架，其采用计算机辅助设计的支架孔径为 400 μm，孔隙率为 61.76%±2.53%，体外实验表明所制备的支架含有宏观孔隙和微观孔隙，有利于骨细胞附着、长入和微血管形成，也有利于新骨生成与重建以及营养物质代谢。可见，生物陶瓷材料作为传统的骨组织工程支架由于其良好的理化和生物学性能，更加适合大段的颌骨缺损修复。

2.3. 复合材料

鉴于单一材料性能的局限，复合材料的应用逐渐受到重视。一些具有生物活性的无机材料，如生物玻璃等，已经用于加入高分子材料中以制备新型的骨组织工程复合材料^[18]。常见的复合材料组合方式有：生物陶瓷同类材料间的复合、生物陶瓷与天然高分子间的复合、人工合成高分子与生物陶瓷的复合以及人工合成高分子材料间的复合等^[19]。Kim 等^[20]使用 PCL/PLGA 复合材料打印支架，该支架具有规则的三维结构和孔隙，降解速率和力学强度比单纯 PCL 支架有明显的提高，其良好的生物相容性和骨传导性也能满足颌骨修复材料的基本要求。复合材料因其良好的生物学性能，已被广泛应用于骨组织支架，但是由于其亲水性较差且打印过程中会残留有机溶剂，使得支架的细胞毒性无法完全消除，因此使用复合材料进行 3DP 颌骨支架仍有许多问题待解决。

如表 2 所示，本文列举了三种不同类型打印材料的优缺点。

表 2. Comparison of three types of biomaterials.

三种生物材料的优缺点对比

分类	材料	优点	缺点
高分子聚合物	胶原、壳聚糖、PCL、PGA、PLGA	来源广泛，易于打印	力学性能欠佳
生物陶瓷	HA、TCP	力学性能较好，生物相容性良好	成型要求高
复合材料	TCP/HA、PCL/PLGA、PLGA/TCP	来源广泛，生物相容性良好	成型要求高

3. 3DP 颌骨修复支架

口腔颌面外科是最早、也是最常使用 3DP 技术的学科。由于颌面部重建过程非常复杂，术中大量的时间都用来复位骨片及修整钛板，但通过建立三维模型并打印出来，在术前就可以完成对骨片的定位和对钛板的修整，不仅大大缩短手术进程，还减少了术中出血和切口暴露的时间。凭借这些优势，使用 3DP 技术制作手术导板在口腔颌面外科手术中几乎是不可或缺的。朱明等^[21]应用 3DP 技术制备头颅三维模型预塑形钛板，在术中能起到导板作用，指导骨块移动，提高了手术安全性和精确性，显著降低了颞颌关节功能紊乱等并发症的发生。鄢荣曾等^[22]将患者的影像资料作为建模数据，用计算机设计生成下颌骨修复体外形，然后对支架内部三维网状结构进行设计，将计算机辅助设计的模型输入打印设备采用 3DP 技术完成支架的制备，为临床应用骨组织工程支架的制备提供理论和操作依据。

众多科研工作者及临床医生在个性化植入物领域已有多年探索，目前相关的 3DP 可降解支架也已趋向成熟，大量实验证据已证明其生物安全性与临床应用前景^[23-25]。Lee 等^[26]采用 3DP 技术打印出和人下颌骨外形高度匹配的可降解颌骨支架，体外实验证明其具有良好的生物相容性和力学性能。Abarrategi 等^[27]用自动注浆成型技术打印 TCP 支架，复合重组人骨形态发生蛋白-2（recombinant human bone morphogenetic protein-2，rhBMP-2）后，体外实验证明该支架具有良好的生物活性并可促进细胞的生长，并成功修复了猪的上颌骨缺损。Rasperini 等^[28]采用 SLS 技术打印 PCL 支架，成功为 1 例严重牙周炎导致骨缺损患者修复了牙周的骨缺损，术后 1 年探诊深度仍在 3 mm 以内，但 13 个月后支架材料暴露于口腔。说明 3DP 颌骨组织工程支架如要广泛应用于临床，仍需大量的体内外研究证明其安全性和可靠性。

4. 展望

3DP 支架已在颌骨组织工程研究应用，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问题还需要进一步的研究。相信随着生物材料学的发展以及新的 3DP 技术不断涌现，具有高成骨活性、良好生物相容性和力学性能的 3D 打印颌骨支架将制作出来，并应用于临床，这会改变颌骨修复重建的治疗模式，最终造福于广大的患者。

Funding Statement

国家自然科学基金资助项目（81671029）；国际口腔种植协会基金资助项目（881-2012）；广东省科技计划资助项目（2013B021800314，2015B090920002）