基于3D打印的可生物降解材料人造牙應(yīng)用

來(lái)源：材料科學(xué)與工程


人類(lèi)牙齒最基本的作用是機(jī)械地切割和磨碎食物,，以分解食物,，促進(jìn)進(jìn)一步的吞咽和消化,。牙齒的第二個(gè)作用是實(shí)現(xiàn)頜面區(qū)美觀,。對(duì)于無(wú)牙頜患者來(lái)說(shuō),，牙齒缺失不僅影響咀嚼，降低生活質(zhì)量,，還會(huì)導(dǎo)致頜面區(qū)域塌陷,，使人看起來(lái)特別衰老，影響外觀,。

牙齒的結(jié)構(gòu)
牙齒由冠部（牙齦線(xiàn)上方的部分）和一些根部（牙齦線(xiàn)下方的部分）組合而成,。牙冠的外層是牙釉質(zhì)，牙根的外層是牙骨質(zhì),。這兩部分都有一個(gè)連續(xù)的牙本質(zhì)內(nèi)層,，圍繞牙髓腔（見(jiàn)圖1）。骨骼和大部分牙齒都是由相同的基本材料構(gòu)成的,。僅僅是牙齒堅(jiān)硬而又薄的外層(牙釉質(zhì))是完全不同的,。組成骨頭的材料也被統(tǒng)稱(chēng)為“骨頭”，牙齒(除了牙釉質(zhì))被統(tǒng)稱(chēng)為“牙本質(zhì)“,。

圖 1牙齒結(jié)構(gòu)示意圖[1]

牙齒根部材料選擇
一旦治療方法確定,，牙齒結(jié)構(gòu)明確，下一步就是考慮種植牙材料的選擇,。由于牙齒是由兩部分組成的,，所以需要分開(kāi)考慮。用作根部的材料應(yīng)符合一定的要求,。它們的設(shè)計(jì)應(yīng)能使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)擴(kuò)散到移植細(xì)胞中,，并引導(dǎo)細(xì)胞的組織、附著和遷移,。

細(xì)胞成分,、細(xì)胞外基質(zhì)和支架以及生長(zhǎng)和分化因子是骨組織工程的必要條件。細(xì)胞的附著,、增殖和分化都需要支架作為基質(zhì),。此外，生長(zhǎng)和分化因子必須誘導(dǎo)細(xì)胞增殖,。在過(guò)去,，金屬、陶瓷和聚合物由于細(xì)胞存活率低和血管化緩慢而不能廣泛應(yīng)用,。為了實(shí)現(xiàn)這些材料的細(xì)胞組織,、附著和遷移，適當(dāng)?shù)牧�學(xué)特性和降解行為也是必不可少的,。因此,，在項(xiàng)目中有必要選用可生物降解的材料作為基礎(chǔ)部分，不可生物降解的材料作為頂部,。

PHA的特征和屬性：

圖 2聚羥基烷酸（PHA）的一般結(jié)構(gòu)

聚羥基烷酸酯是一種可用于組織工程的可生物降解聚合物,。聚羥基烷酯集團(tuán)擁有各種類(lèi)型的材料，包括硬脆材料和軟彈性體材料,。近年來(lái),，人們不斷探索和研究聚羥基烷酸酯的特性，以發(fā)展其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,，如縫合,、心血管補(bǔ)片,、創(chuàng)面敷料、引導(dǎo)組織修復(fù)/再生裝置,、組織工程支架等,。

PHB 的特征和屬性
P(3HB)是PHA基團(tuán)中最簡(jiǎn)單、最普遍的一種,，也是PHA聚合物中最早應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一種,。由于良好的經(jīng)濟(jì)適用性，機(jī)械,、化學(xué)和降解性,。隨著聚羥基烷酸的發(fā)展，研究人員開(kāi)始研究設(shè)計(jì)與無(wú)機(jī)相結(jié)合的復(fù)合材料的可能性,，以進(jìn)一步提高機(jī)械性能,，降解率，并賦予生物活性,。為了滿(mǎn)足牙齒的需求(圖3透明部分),，PHB是修復(fù)和填充牙槽骨缺損部分的理想材料。PHB之所以能成為牙齒的基礎(chǔ),，主要是因?yàn)镻HB是一種可生物降解和生物相容性的材料,。

圖 3 meshmixer 模擬人造牙

牙齒冠部材料選擇
ABS是一種工程塑料，丁二烯部分均勻分布在丙烯腈-苯乙烯基體上,。ABS聚合物具有高韌性(即使在低溫條件下),、足夠的剛性、良好的熱穩(wěn)定性,、抗化學(xué)侵蝕和環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂能力,。此外，PHB還具有廉價(jià),、耐用,、熱膨脹系數(shù)低等顯著性能。成型方便,，使ABS零件尺寸穩(wěn)定,，表面質(zhì)量?jī)?yōu)良�,？傊�,，ABS具有生物相容性和不可降解性，可以作為人工牙種植體的一部分,。除了牙槽骨部分,，植入物部分材料應(yīng)不可生物降解，ABS因其強(qiáng)度,、柔韌性,、可加工性和較高的耐溫性而優(yōu)先,，但在3D打印時(shí)會(huì)產(chǎn)生有害煙霧，干燥后煙霧會(huì)消失,。

3D 打印組織工程應(yīng)用
3D打印是一項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù),，其定義是通過(guò)快速的方法逐層添加材料，使其成為目標(biāo)物,。實(shí)際上,，它已經(jīng)成為一種可以應(yīng)用于制造業(yè),、建筑維修,、汽車(chē)制造、醫(yī)療應(yīng)用等不同領(lǐng)域的快速制造工藝,。在醫(yī)學(xué)衛(wèi)生領(lǐng)域,，三維應(yīng)用可以概括為4個(gè)不同層次的。

首先,，3D打印模型可以在二維基礎(chǔ)上更立體地顯示需要手術(shù)的體位,，從而降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。其次,，3D打印被認(rèn)為是外科醫(yī)生的一種工具,。例如，3D打印可以輔助構(gòu)建個(gè)性化的牙齒模型(圖4為牙齒根部3D打印模型),，醫(yī)生可以根據(jù)個(gè)體模型更專(zhuān)業(yè)地制定計(jì)劃,。第三種是3D打印植入物，實(shí)際上是用來(lái)制造壞死骨組織的替代支架,。最后,，在組織再生方面，3D打印還能夠創(chuàng)造更接近人類(lèi)自身器官的替代品,，減少排斥反應(yīng),。

圖4. 3D打印牙齒根部實(shí)物圖[2]

(文：張子旋)
Reference:
[1] R.Shahar and S. Weiner, “Insights into whole bone and tooth function usingoptical metrology,” J. Mater. Sci., vol. 42, no. 21, pp. 8919–8933,2007.
[2] R.Sadid-Zadeh, A. Farsaii, A. Goodarzi, and E. L. Davis, “Loss of tooth structureassociated with preparation for two monolithic CAD-CAM complete coveragerestorations,” J. Prosthet. Dent., vol. 120, no. 3, pp. 403–408, 2018.

英國(guó)謝菲爾德大學(xué)Roy Ipsita 實(shí)驗(yàn)室碩士生Zixuan Zhang。

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