白石柱 畢云鵬 高蕊 董巖 馮志宏 謝瑞 吳秦 趙銥民
3D打印技術(shù)于上世紀(jì)90年代被引入我國,學(xué)術(shù)界將其命名為“快速成型技術(shù)”(rapid prototyping,RP)。由于能夠短時(shí)間內(nèi)制造出各種復(fù)雜零件的原型,克服了傳統(tǒng) CAD/CAM 加工技術(shù)的局限性,因此很快被應(yīng)用于汽車、電子、模具、五金等工業(yè)領(lǐng)域[1-3]。人體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,傳統(tǒng)的教學(xué)模型無法展示不同患者個(gè)性化的解剖結(jié)構(gòu);隨著利用CT掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建相關(guān)軟件的出現(xiàn)與應(yīng)用,快速成型技術(shù)在我國于本世紀(jì)初也被開始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,制作患者個(gè)性化的解剖模型。空軍軍醫(yī)大學(xué)第三附屬醫(yī)院是國內(nèi)較早開展3D打印技術(shù)應(yīng)用與研究的醫(yī)療單位之一,趙銥民教授帶領(lǐng)頜面缺損修復(fù)團(tuán)隊(duì)更是將3D打印技術(shù)卓有成效的應(yīng)用在了研究與臨床工作中,取得了系列重要的成果。本文對我院特別是本團(tuán)隊(duì)在此方向20多年的工作做一簡要介紹,并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)希望能夠?yàn)橥刑峁┙梃b。
空軍軍醫(yī)大學(xué)第三附屬醫(yī)院高勃等[4]在國內(nèi)口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最早開展了3D打印技術(shù)的相關(guān)研究與嘗試。于2000 年在通過層析測量建立了全牙列牙頜三維數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上,利用分層實(shí)體制造(laminated object manufacturing,LOM)方法用涂敷紙堆積獲得實(shí)體牙頜模型,制作最終尺寸精度達(dá)到0.3 mm;利用同樣的工藝,由下頜骨螺旋CT三維重建數(shù)據(jù)得到了下頜骨的紙質(zhì)模型[5];兩年后采用激光近形制造(laser engineered net shaping,LENS)的工藝加工出高 15 mm 的矩形 Rene95合金塊,試件表面光滑,側(cè)壁與基體材料基本垂直,掃描電鏡和能譜分析的結(jié)果表明3D打印試件的組織與結(jié)構(gòu)顯著優(yōu)于同材料的鑄造件;機(jī)械性能測試結(jié)果表明其力學(xué)性能與鑄造件相當(dāng),優(yōu)于常規(guī)牙科鎳基合金[6-7]。吳江與西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作,在無牙頜三維數(shù)據(jù)模型上設(shè)計(jì)構(gòu)建上半口三維基托,嘗試?yán)眉す饪焖俪尚渭夹g(shù)成功制備了全口義齒鈦基托,結(jié)果表明制備后的鈦基托外形尺寸良好;該技術(shù)與臨床常規(guī)方法相比,節(jié)約了時(shí)間和材料,簡化了工藝步驟[8]。
2003 年吳國鋒等[9]通過激光掃描儀對1 例鼻缺損患者的石膏面部模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,經(jīng)反求工程軟件處理,將健側(cè)外鼻組織數(shù)據(jù)鏡像翻轉(zhuǎn),并利用模具軟件設(shè)計(jì)出贗復(fù)體外表面的三維數(shù)據(jù)。最后通過快速成型方法制作出贗復(fù)體外表面的樹脂模型,翻制蠟型完成了贗復(fù)體制作(圖1)[9]。李風(fēng)蘭等[10]采用三維激光掃描儀掃描鼻石膏模型獲得鼻三維數(shù)據(jù)并進(jìn)行三維實(shí)體重建,用選擇性激光燒結(jié)法燒結(jié)蠟粉制作鼻蠟?zāi)P?,進(jìn)而制作出硅橡膠鼻贗復(fù)體。
圖1 通過鏡像翻轉(zhuǎn)獲取贗復(fù)體外表面數(shù)據(jù),打印樹脂模型,完成贗復(fù)體
在頜面外科領(lǐng)域,龔振宇等[11]利用三維重建的螺旋CT數(shù)據(jù),3D打印出復(fù)雜特殊病例的頜骨模型,便于更直觀地了解術(shù)區(qū)狀況,用于術(shù)前討論制定手術(shù)方案、模擬手術(shù)、設(shè)計(jì)安置重建鈦板和牽張器的位置和外形;進(jìn)一步利用鏡像技術(shù)在軟件中設(shè)計(jì)襯墊假體的外形并3D打印出實(shí)物作為指導(dǎo)手術(shù)的模板,術(shù)中參照模板將植入物雕刻成型完成手術(shù),從而大大縮短了手術(shù)時(shí)間,減少了對醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)的依賴,提高了手術(shù)的精度。劉彥普教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)和西安交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所盧秉恒院士、李滌塵教授團(tuán)隊(duì)合作,在國內(nèi)率先開展了三維打印植入物的臨床研究(圖2),但是由于金屬3D打印在國內(nèi)尚未得到應(yīng)用,因此是先利用立體光固化成型(stereolithography, SLA)技術(shù)打印出假體的樹脂模型,然后通過包埋鑄造的方式得到鈦假體用于植入;具體流程為首先在軟件中重建患者下頜骨三維模型,然后進(jìn)行鏡像翻轉(zhuǎn)、手術(shù)及修復(fù)假體的設(shè)計(jì),包埋后用牙科鑄鈦機(jī)鑄造,通過后處理得到鈦假體[12-13]。商洪濤等[14]通過CT掃描數(shù)據(jù)建立犬下頜骨缺損的數(shù)字模型,在軟件中設(shè)計(jì)修復(fù)缺損鈦網(wǎng)支架的模型,用同樣的工藝得到個(gè)性化預(yù)制鈦支架;進(jìn)一步開展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)修復(fù)犬下頜骨缺損,并與預(yù)成鈦網(wǎng)+松質(zhì)骨的傳統(tǒng)方法進(jìn)行了組織學(xué)變化的對照研究;結(jié)果表明個(gè)體化預(yù)制鈦支架和缺損區(qū)域形態(tài)相吻合,術(shù)中不需調(diào)整,大大節(jié)省了手術(shù)時(shí)間,且成骨效果與成品鈦網(wǎng)+松質(zhì)骨成骨效果相同,從而為臨床上應(yīng)用 3D打印技術(shù)修復(fù)大面積頜骨缺損提供了研究基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
圖2 軟件中設(shè)計(jì)下頜骨假體,SLA打印樹脂件,包埋鑄造得到植入鈦假體修復(fù)患者下頜骨缺損
我院還較早開展了3D打印技術(shù)用于支架材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制作研究。柴楓利用仿生建模軟件設(shè)計(jì)材料內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)及所需孔隙率,構(gòu)建3 種不同孔隙率支架的模型;利用熔融沉積造型(fused deposition modeling,F(xiàn)DM)的工藝完成支架材料負(fù)型的制作;將β-磷酸三鈣震蕩充填入支架材料負(fù)型中固化,得到不同孔隙率的樣本;接著以骨膜成骨細(xì)胞作為種子細(xì)胞,通過與支架材料的體外立體培養(yǎng),評(píng)價(jià)材料孔隙率對成骨細(xì)胞在支架內(nèi)生長增殖的影響;結(jié)果表明快速成型技術(shù)構(gòu)建的骨支架材料的孔隙率對成骨細(xì)胞的增殖及堿性磷酸酶相對活性有一定影響,且孔隙率越高,內(nèi)部細(xì)胞的增殖數(shù)目越多,從而為組織工程骨支架材料的構(gòu)形設(shè)計(jì)提供了參考[15]。
在這一時(shí)期,通過與西安交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所、西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室兩家國內(nèi)領(lǐng)軍單位的密切合作,我院最早開展了3D打印相關(guān)研究,并一直處于領(lǐng)先水平。同時(shí)由于我國3D打印整體發(fā)展水平還不算高,也還沒有出現(xiàn)3D打印市場化服務(wù),所以我院主要依托合作開展研究,加工工藝主要是采用SLA技術(shù),金屬3D打印尚在探索階段。
2007年,我院在國內(nèi)醫(yī)療單位中率先通過公開招標(biāo)采購了3D打印機(jī),所購型號(hào)為北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的ASF360選區(qū)激光燒結(jié)(selective laser sintering, SLS)快速成型機(jī)(圖3)。從此可以獨(dú)立開展相關(guān)工作,大大降低了試錯(cuò)成本,縮短了設(shè)計(jì)加工周期。我院的3D打印研究與應(yīng)用進(jìn)入了新的時(shí)期,最主要的研究與應(yīng)用集中在頜面軟硬組織缺損修復(fù)領(lǐng)域;趙銥民教授領(lǐng)銜于2011 年獲得了我國口腔屆唯一的國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)《嚴(yán)重顏面部戰(zhàn)創(chuàng)傷缺損與畸形的形態(tài)修復(fù)與功能重建》,其中許多工作都與這臺(tái)打印機(jī)密切相關(guān)。
圖3 2007 年采購的ASF360選區(qū)激光燒結(jié)快速成型機(jī)
頜面軟硬組織缺損對患者生理和心理都造成很大影響,治療需求非常迫切;幫助這些患者重建功能、恢復(fù)容貌、重返社會(huì),是口腔醫(yī)生尤其是頜面缺損修復(fù)醫(yī)生必須要完成的責(zé)任。頜面缺損修復(fù)的工作首先是重建患者頜骨正常結(jié)構(gòu)及咀嚼、吞咽和語言等功能,另外還需要實(shí)現(xiàn)容貌恢復(fù),包括形態(tài)、顏色、質(zhì)感的仿真,這些都是口腔臨床診療中非常復(fù)雜而又極富挑戰(zhàn)性的工作。然而傳統(tǒng)的方法完全依賴醫(yī)生經(jīng)驗(yàn),難度大,效果不可預(yù)期,花費(fèi)時(shí)間長。因此作者團(tuán)隊(duì)在趙銥民教授的帶領(lǐng)下探索采用數(shù)字化方式,將3D打印技術(shù)應(yīng)用在頜骨缺損修復(fù)領(lǐng)域,以降低難度,提高效率。
傳統(tǒng)贗復(fù)體的制作流程包括取面模、灌制模型、雕刻贗復(fù)體蠟型、試戴、裝盒、充膠、外著色等多個(gè)環(huán)節(jié),工藝復(fù)雜、過程繁瑣、需要大量手工操作、制作周期長,對醫(yī)生的要求高,最終治療效果完全取決于主觀因素,往往仿真程度較差。作者團(tuán)隊(duì)建立了數(shù)字化顏面印模技術(shù),利用鏡像翻轉(zhuǎn)功能及中國人顏面器官三維形態(tài)數(shù)據(jù)庫獲取贗復(fù)體表面特征的設(shè)計(jì)基礎(chǔ);提出“基于邊界進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)” 的新思想,自主開發(fā)出國際唯一的顏面贗復(fù)體設(shè)計(jì)專用軟件,實(shí)現(xiàn)了贗復(fù)體邊緣位置形態(tài)厚度完全可控的精確設(shè)計(jì);進(jìn)而建立起系統(tǒng)的贗復(fù)體負(fù)型設(shè)計(jì)制作方法,通過3D打印加工出尼龍材質(zhì)的贗復(fù)體型腔,充填硅橡膠并固化后就可得到最終贗復(fù)體;從而最大程度的減少了手工操作,可對各種顏面缺損進(jìn)行快速仿真修復(fù),精確恢復(fù)患者容貌[16]。這項(xiàng)技術(shù)十年前就已基本成熟在我院常規(guī)開展,服務(wù)于每一位前來就診的顏面缺損患者,通過整合可見光掃描和3D打印技術(shù),徹底免除了印模材、石膏、蠟等傳統(tǒng)修復(fù)材料的使用,是對傳統(tǒng)贗復(fù)體制作方法的革命性變革(圖4)。
圖4 顏面贗復(fù)體負(fù)型設(shè)計(jì)制作方法
在系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用的不同階段中,探索使用了多種3D打印工藝和材料。最早是在軟件中設(shè)計(jì)贗復(fù)體的外表面形態(tài),通過SLA工藝與光敏樹脂材料加工外表面模型,再翻制蠟型進(jìn)行修整來完成贗復(fù)體制作[17];在軟件中能夠設(shè)計(jì)出組織面形態(tài)后,通過SLS機(jī)器加工聚烯烴蠟粉得到蠟型,再完善邊緣和表面細(xì)節(jié)特征制作贗復(fù)體[18];在贗復(fù)體負(fù)型設(shè)計(jì)制作方法的建立過程中,主要使用SLS機(jī)器加工聚苯乙烯粉末,后處理滲透樹脂得到負(fù)型的實(shí)物;但由于硅橡膠固化過程需加熱至120°,常用的3D打印樹脂都有可能變形,而且有些樹脂材料還會(huì)影響硅橡膠材料的聚合,因此最終選擇SLS工藝加工軟化點(diǎn)溫度高于150°的尼龍粉末來制作贗復(fù)體負(fù)型。
在數(shù)字化頜骨缺損重建方面,我院的工作一直在國內(nèi)領(lǐng)先。購置SLS打印機(jī)后,大大降低了加工成本。復(fù)雜患者利用CT數(shù)據(jù)重建加工頜骨模型,便于外科醫(yī)生更直觀地了解術(shù)區(qū)狀況,并結(jié)合模型討論制定治療計(jì)劃,還可以在模型上進(jìn)行手術(shù)模擬,發(fā)現(xiàn)可能遇到的問題,評(píng)價(jià)手術(shù)效果,制定更合理的手術(shù)方案。
隨著對贗復(fù)體設(shè)計(jì)制作系統(tǒng)研究的深入,團(tuán)隊(duì)熟練地掌握了多個(gè)軟件的應(yīng)用,能夠在軟件中模擬各類手術(shù)方案,并且嘗試設(shè)計(jì)制作種植手術(shù)導(dǎo)板、腓骨重建手術(shù)導(dǎo)板等多種輔助導(dǎo)板用于臨床治療;特別是在“坑面女”的手術(shù)中(圖5),3D打印的上頜種植手術(shù)導(dǎo)板與下頜正頜手術(shù)板的成功應(yīng)用,保證了最終的治療效果[19]。在此基礎(chǔ)上,團(tuán)隊(duì)探索并建立了數(shù)字化頜骨缺損重建的完整技術(shù)流程:CT掃描數(shù)據(jù)重建后,在軟件中根據(jù)腫瘤范圍確定頜骨的截骨線;將健側(cè)頜骨數(shù)據(jù)鏡像至患側(cè),得到缺損區(qū)需要修復(fù)的頜骨外形及牙列位置,在此基礎(chǔ)上生成虛擬種植體以指導(dǎo)移植骨塊的準(zhǔn)確定位;接著對腓骨或髂骨進(jìn)行截骨及擺放,使移植骨塊滿足外形及功能的要求;將移植骨塊與余留頜骨融合生成術(shù)后頜骨模型,通過SLA工藝打印出光敏樹脂材料或FDM工藝打印出聚乳酸材料的實(shí)物,可以用來術(shù)前預(yù)彎鈦板;在軟件中設(shè)計(jì)頜骨、腓骨或髂骨的截骨導(dǎo)板,以及移植骨塊在缺損區(qū)的成型與定位導(dǎo)板,術(shù)中同期種植的還可將種植導(dǎo)板整合設(shè)計(jì)到上述導(dǎo)板中,通過SLS工藝打印出尼龍材料的導(dǎo)板實(shí)物,最終將虛擬手術(shù)方案準(zhǔn)確轉(zhuǎn)化到實(shí)際手術(shù)中,從而大大簡化了手術(shù)操作,縮短了手術(shù)時(shí)間,降低了手術(shù)效果對醫(yī)生個(gè)人經(jīng)驗(yàn)與操作技術(shù)的依賴。更重要的是,借助數(shù)字化技術(shù)修復(fù)醫(yī)生能夠在整個(gè)治療過程開始前就和外科醫(yī)生進(jìn)行治療方案的討論,確定義齒修復(fù)所需要的頜骨基礎(chǔ),保證了重建的頜骨能夠滿足義齒修復(fù)的要求,從而實(shí)現(xiàn)外形和功能的統(tǒng)一。
圖5 3D打印的上頜種植導(dǎo)板與下頜正頜板輔助坑面女的手術(shù)獲得成功
在世界首臺(tái)自主式種植牙機(jī)器人的研發(fā)中,3D打印技術(shù)也發(fā)揮了非常重要的作用。種植牙機(jī)器人除了機(jī)械臂、視覺/力傳感器、控制系統(tǒng),還有許多硬件組件;其中最重要的是機(jī)器人的末端執(zhí)行器,用來把持種植手機(jī),固定在機(jī)械臂的末端,同時(shí)表面還需要有視覺標(biāo)志點(diǎn),保證視覺傳感器能夠?qū)崟r(shí)捕獲到種植手機(jī)的位置。由于手術(shù)時(shí)末端執(zhí)行器距離患者頭部較近,所以體積不能過大;需要有足夠的剛度,手術(shù)時(shí)不會(huì)發(fā)生形變;能與種植手機(jī)緊密連接又要方便拆卸,術(shù)中不會(huì)松動(dòng),術(shù)后方便消毒;因此末端執(zhí)行器功能要求較高,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。從開始研發(fā)機(jī)器人到最終形成產(chǎn)品,末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)始終在不斷改進(jìn)(圖6)。團(tuán)隊(duì)在發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)金屬件機(jī)加工的制作方式存在周期長、成本高、精度不能保證等問題后,立即改為采用3D打印制作末端執(zhí)行器的方法;充分利用了在頜面缺損修復(fù)工作中積累的經(jīng)驗(yàn),發(fā)揮了3D打印技術(shù)的優(yōu)勢,能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)方案快速加工為實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證與改進(jìn),加快了產(chǎn)品的迭代開發(fā),縮短了整個(gè)項(xiàng)目的研發(fā)周期。此外,機(jī)器人手術(shù)時(shí)還需要牙列模型及系列個(gè)性化手術(shù)輔助組件,如口戴定位板、吸唾板、臨時(shí)修復(fù)體等,都是在軟件中設(shè)計(jì)后通過3D打印制作。機(jī)器人模型實(shí)驗(yàn)中用到的模塊化模型,也是在軟件中將模型各部分設(shè)計(jì)后打印出實(shí)物,準(zhǔn)確裝配在一起[20]。
圖6 在種植牙機(jī)器人研發(fā)過程的不同階段,3D打印被用于制作末端執(zhí)行器
研發(fā)過程中應(yīng)用了多種3D打印工藝及打印材料。其中SLA、數(shù)字光處理(digital light processing,DLP)、多噴頭打印(multijet printing,MJP)等精度較高的工藝,可固化光敏樹脂,被用于制作牙列模型、各種個(gè)性化一次性手術(shù)組件,早期也被用于打印定位板。SLS工藝燒結(jié)尼龍粉末,被用于制作精度、強(qiáng)度要求都較高,而且需要反復(fù)消毒的末端執(zhí)行器與各種定位板。FDM固化聚乳酸由于精度較差,被用來在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)過程中制作犬下頜骨的印模托盤。3D打印技術(shù)在機(jī)器人研發(fā)過程中的應(yīng)用,拓展了設(shè)計(jì)的創(chuàng)新思維,能夠快速發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的缺陷并加以解決,提高了設(shè)計(jì)效率,縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低了成本,為口腔種植機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)提供了重要保障。
近些年,3D打印技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。2019 年底,隨著我院顱頜面外科大樓投入使用,醫(yī)院數(shù)字化口腔醫(yī)學(xué)中心、軍事口腔醫(yī)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室口腔數(shù)字化技術(shù)研究平臺(tái)相繼建成;BLT-A200金屬打印機(jī)(鉑力特)、J750全彩打印機(jī)(Stratasys)、多臺(tái)DLP打印設(shè)備相繼投入使用(圖7),我院臨床診療中3D打印技術(shù)也得到了越來越多的應(yīng)用。
圖7 軍事口腔醫(yī)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)的3D打印設(shè)備
目前在頜骨重建、正頜外科的手術(shù)中,3D打印技術(shù)已經(jīng)常規(guī)開展,各種手術(shù)導(dǎo)板、板被廣泛應(yīng)用,降低了復(fù)雜手術(shù)對醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)與手術(shù)操作的要求,年輕醫(yī)生也可順利完成,提高了手術(shù)質(zhì)量,縮短手術(shù)時(shí)間,保證了手術(shù)效果。同時(shí)3D打印PEEK植入物已經(jīng)開展了數(shù)十例臨床研究,展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[21]。
在口腔修復(fù)領(lǐng)域,除了顏面贗復(fù)體的制作中100%的應(yīng)用了3D打印技術(shù)外,全院可摘局部義齒、全口義齒的鈦支架也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了100%的3D打印,不再需要鑄造,且支架適合性有了顯著改善;數(shù)字化設(shè)計(jì)和3D打印制作的個(gè)別托盤、恒基板,已經(jīng)得到臨床醫(yī)生的青睞;臨時(shí)冠、過渡義齒、樹脂全口義齒等修復(fù)體,也建立了數(shù)字化設(shè)計(jì)3D打印加工的基本流程,并得以大量應(yīng)用,取得了良好效果。
口腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展離不開新技術(shù)與新材料,導(dǎo)板輔助種植、隱形矯治、舌側(cè)矯治、個(gè)性化植入物等目前已在臨床中廣泛應(yīng)用的先進(jìn)口腔診療技術(shù)都是基于3D打印實(shí)現(xiàn)的。隨著打印工藝、材料的不斷發(fā)展更新,臨床應(yīng)用的不斷深入,今后一定還會(huì)有許多依托3D打印的新技術(shù)會(huì)被創(chuàng)造出來,在完善后推廣普及能夠造福更多患者。例如現(xiàn)有氧化鋯切削加工效率低,且存在材料浪費(fèi);三維打印陶瓷的技術(shù)與工藝成熟后,加工效率將會(huì)大大提高,成本降低,對口腔修復(fù)將是一個(gè)重要的變革。
同時(shí)也要清醒的認(rèn)識(shí)到,3D打印作為一個(gè)高效精準(zhǔn)的工具,能夠?qū)⑽覀兊膭?chuàng)意轉(zhuǎn)化成實(shí)體,但整個(gè)過程中最核心的部分永遠(yuǎn)還在我們醫(yī)生的頭腦中,這就要求醫(yī)生必須具有堅(jiān)實(shí)的理論功底,熟練掌握傳統(tǒng)診療方法,才可能在這些基礎(chǔ)上去實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新,更好地發(fā)揮3D打印這個(gè)武器的作用。