第三节 口腔颌面修复需求推进三维打印技术

一、三维打印与赝复体的制作
颌面赝复学是研究以人工材料恢复颌面部缺损、畸形患者的美观和部分功能的一门学科。尽管颜面赝复体的制作已有很长历史,但是其技术的发展却非常缓慢。许多最基本的技术依然是由第一、二次世界大战期间发展而来的。虽然20世纪70年代硅橡胶材料开始广泛的应用在颜面赝复领域,但是赝复体的基本制作方式至今依然没有太多的变化。目前颜面赝复体普遍采用的传统的制作方法主要包括制取面模、测量、蜡型雕刻、试戴调整、翻制石膏负型、充填硅橡胶、赝复体的内外着色等步骤,每个制作成功的颜面赝复体都是科学和美学两方面完美融合的结果。但是由于制作过程复杂,赝复体的制作周期较长、制作过程中患者就诊次数多,严重制约了赝复体制作技术的普及和推广。赝复体较高的制作技术要求使得赝复医师的培养非常困难,目前在国内能够提供颜面赝复体修复治疗的医师仅集中在少数几家医院。随着人口数量的增长,以及因医学技术进步癌症患者术后生存率的提高,需要进行赝复治疗的患者数量越来越多,缺损情况也越来越重,现有赝复医生的数量根本无法满足颜面缺损患者的需要。然而传统的颜面赝复体制作方法需要通过藻酸盐印模料制取面模、手工雕刻蜡型、临床试戴、装盒翻制石膏阴模等复杂的手工操作过程,一方面制作效率较低,另一方面修复效果也完全取决于赝复医师个人的临床技能和经验,因此一名合格的赝复医生不仅要掌握颜面组织的解剖形态,还要具备熟练的雕刻技能以及扎实的美学基础,这往往意味着需要多年的专业训练。传统赝复体制作技术不易推广普及,由此导致了颜面赝复治疗的发展完全不能满足临床颜面缺损患者的实际需求。探索一种快捷、有效的颜面赝复体制作方法,降低制作难度,缩短赝复医师的专业训练周期,促进赝复技术的普及推广已经成为本领域亟待解决的问题。
近年来,三维打印技术的发展,为颜面部缺损的快速仿真修复提供了一条新的途径。依托计算机辅助设计与制作技术( computer aided design&computer aided manufacturing,CAD/CAM)的主要流程主要包括:面部三维数据采集、赝复体计算机辅助设计以及赝复体模型实体的快速成形制作三部分。利用计算机辅助设计制作颜面赝复体省去了令患者不适的面部取模过程、降低了蜡型的雕刻难度,不仅保证了修复效果也提高了制作效率,减少患者的等待时间和就诊次数,已经成为颜面缺损赝复技术的主要发展方向。
因此,自20世纪90年代开始,国内外一些学者开始探索将此技术应用于颜面赝复体的制作领域。1997年,日本的Tsutsumi首次利用非接触表面测量与CAD/CAM技术获取了颜面缺损患者的面部三维形态数据并制作了眶赝复体的树脂模型,通过翻制成蜡模型,最终制作成为眶赝复体。
1999年,英国的Coward利用MRI技术获取了一名耳缺损患者的颜面三维数据并进行重建,通过镜像翻转健侧耳廓的方法,将健侧耳廓定位于患侧缺损区,然后利用SLA( stereo lithography apparatus,光固化立体造型)技术制作出树脂耳模型,通过翻制成蜡型的方法最终得到耳赝复体。之后,他又对MRI、CT、激光扫描技术重建耳部形态的方法进行了深入研究,认为三种方法都可满足耳赝复体制作的需求。
2003年,赵铱民、吴国锋等在国内首次利用激光扫描仪扫描一位单侧眶缺损患者的面部石膏模型获取了其面部三维形态数据,经过镜像健侧眶部组织数据的方法,最终完成了单侧眶缺损的赝复体设计。焦婷等采用激光扫描的方式获取了一例石膏外耳模型,并得出结论认为三维激光扫描技术可以用来重建外耳形态。其后她又尝试使用螺旋CT技术重建一例单侧外耳缺失患者健侧的外耳形态,然后利用该模型完成了耳赝复体的设计和制作。
到了2005年,AI Mardini与Ciocca L等分别采用激光扫描单侧耳缺损患者健侧耳石膏模型的方式获得了健侧耳廓的三维数据,然后利用三维打印技术制作了健侧耳廓的树脂镜像模型用于赝复体的制作。其后Ciocca又分别在2007至2010年陆续发表数篇文章,内容涉及单双侧耳缺损、眶颊缺损、鼻缺损的赝复体设计、种植体定位、眼镜架定位等多个方面。
2007年,Subburaj K等利用FDM( fused deposition modeling,熔融沉积造型)和3DP技术分别制作了耳赝复体树脂模型,最后认为尽管FDM加工精度稍差,但两者都可满足耳赝复体模型制作的要求。
2008年,有学者通过结构光扫描患者面部形态,经选区激光烧结的方式制作了蜡质材料的鼻、眶赝复体模型,并直接在快速成形制作的树脂面部缺损模型上制作出硅橡胶赝复体,最终获得了满意的修复效果。该研究完全省去了传统获取颜面石膏模型的方式,不仅简化了赝复体的工艺步骤,同时也避免了传统印模方法对面部软组织造成压迫变形的缺点。
图17-4 利用3D打印技术制作出来的耳赝附体
2009年,研究人员首次将CAD/CAM技术应用于颜面大面积缺损的赝复治疗,利用结构光扫描的方法获取了一例颜面大部分缺损患者的面部外形数据,通过镜像的方法完成了赝复体的设计,同时把直接加工的蜡质模型进行了双面浸蜡,而后在其上进行了皮纹的雕刻,制作完成的赝复体达到了满意的修复效果。同年,有研究人员将一例单侧耳缺失患者CT数据三维重建,经过快速成形加工树脂实体模型后,翻制成耳赝复体蜡型,最终制作成耳赝复体。2010年,DAVIS等采用快速成形的方式制作了耳赝复体,并对面中部区域制作了类似面罩形态的种植辅助定位装置。Bibb等对采用快速成形方式制作赝复体皮肤纹理的技术进行了探讨,认为快速成形技术可以满足赝复体皮肤纹理制作的需要。同年,Marafon等将一志愿者的CT数据镜像后,比较了面部各标志点的尺寸差异,认为采用镜像对侧数据的方式可以满足赝复体设计的需要。总之,随着CAD/CAM技术的不断发展,已有越来越多的赝复医师将该技术应用于赝复体的制作,并且通过直接制作蜡型或负型的方式,逐步简化了手工制作的过程。
二、三维打印与个性化种植体
20世纪40年代初期,Bother发现钛与骨组织之间无不良组织反应,从而开启了钛在生物医学领域中的应用。钛及钛合金具有优良的机械性能、耐腐蚀性及生物相容性,使其作为医用植入材料在临床上得到了广泛应用。但是它们的高弹性模量所带来的应力屏蔽效应,影响了植入体的初期稳定性和长久修复效果。为了改善这一问题,学者们提出多孔钛植入体的概念。大量开放连通的孔隙不仅降低了钛的弹性模量,使之与人体自然骨相匹配;而且其多孔的结构也有利于骨细胞的黏附生长和体内营养物的传输。因此,有关多孔钛植入体的研究,特别是其制备方法与性能的研究已成为了一个热点。目前多孔钛植入体的制备方法主要有粉末松装、烧结法、凝胶注模法、浆料发泡法等,这些方法都需要用到模具。然而医用植入材料的最大特点是尺寸因人而异、形状复杂、微小细节丰富,传统工艺在制作复杂三维形态的试件时存在不足。无需模具的三维打印技术是一项基于喷射的快速成形技术,可以成形树脂、金属、陶瓷等多种粉末材料。根据CAD模型,打印头在薄层粉末上喷射黏结剂形成二维平面,并逐层堆积成形,然后对初成形的模型进行烧结,获得最终的模型。它具有设备简单,精度高( 40~50μm),成本低(无需激光系统),体积小,工作中无污染,成形速度快等优点,适合于制作植入性假体、组织工程支架、控制释放给药系统等,上海交通大学附属九院孙健等人采用三维打印技术制备了直径25mm×20mm的多孔纯钛植入体,评价分析了其组织结构和力学性能。研究三维打印技术在制备多孔纯钛植入材料方面的可行性。运用三维打印技术成功制备了具有生物力学相容性的个体化多孔纯钛植入体。说明该技术在制备多孔纯钛植入体方面具有其独特的优势和良好的发展前景。在今后的研究中,相关学者将对复杂形状的成形和力学性能的优化以及生物相容性作深入探讨。