基于3D打印的可生物降解材料人造牙应用

来源：材料科学与工程


人类牙齿最基本的作用是机械地切割和磨碎食物，以分解食物，促进进一步的吞咽和消化。牙齿的第二个作用是实现颌面区美观。对于无牙颌患者来说，牙齿缺失不仅影响咀嚼，降低生活质量，还会导致颌面区域塌陷，使人看起来特别衰老，影响外观。

牙齿的结构
牙齿由冠部（牙龈线上方的部分）和一些根部（牙龈线下方的部分）组合而成。牙冠的外层是牙釉质，牙根的外层是牙骨质。这两部分都有一个连续的牙本质内层，围绕牙髓腔（见图1）。骨骼和大部分牙齿都是由相同的基本材料构成的。仅仅是牙齿坚硬而又薄的外层(牙釉质)是完全不同的。组成骨头的材料也被统称为“骨头”，牙齿(除了牙釉质)被统称为“牙本质“。

图 1牙齿结构示意图[1]

牙齿根部材料选择
一旦治疗方法确定，牙齿结构明确，下一步就是考虑种植牙材料的选择。由于牙齿是由两部分组成的，所以需要分开考虑。用作根部的材料应符合一定的要求。它们的设计应能使营养物质扩散到移植细胞中，并引导细胞的组织、附着和迁移。

细胞成分、细胞外基质和支架以及生长和分化因子是骨组织工程的必要条件。细胞的附着、增殖和分化都需要支架作为基质。此外，生长和分化因子必须诱导细胞增殖。在过去，金属、陶瓷和聚合物由于细胞存活率低和血管化缓慢而不能广泛应用。为了实现这些材料的细胞组织、附着和迁移，适当的力学特性和降解行为也是必不可少的。因此，在项目中有必要选用可生物降解的材料作为基础部分，不可生物降解的材料作为顶部。

PHA的特征和属性：

图 2聚羟基烷酸（PHA）的一般结构

聚羟基烷酸酯是一种可用于组织工程的可生物降解聚合物。聚羟基烷酯集团拥有各种类型的材料，包括硬脆材料和软弹性体材料。近年来，人们不断探索和研究聚羟基烷酸酯的特性，以发展其在生物医学领域的应用，如缝合、心血管补片、创面敷料、引导组织修复/再生装置、组织工程支架等。

PHB 的特征和属性
P(3HB)是PHA基团中最简单、最普遍的一种，也是PHA聚合物中最早应用于生物医学领域的一种。由于良好的经济适用性，机械、化学和降解性。随着聚羟基烷酸的发展，研究人员开始研究设计与无机相结合的复合材料的可能性，以进一步提高机械性能，降解率，并赋予生物活性。为了满足牙齿的需求(图3透明部分)，PHB是修复和填充牙槽骨缺损部分的理想材料。PHB之所以能成为牙齿的基础，主要是因为PHB是一种可生物降解和生物相容性的材料。

图 3 meshmixer 模拟人造牙

牙齿冠部材料选择
ABS是一种工程塑料，丁二烯部分均匀分布在丙烯腈-苯乙烯基体上。ABS聚合物具有高韧性(即使在低温条件下)、足够的刚性、良好的热稳定性、抗化学侵蚀和环境应力开裂能力。此外，PHB还具有廉价、耐用、热膨胀系数低等显著性能。成型方便，使ABS零件尺寸稳定，表面质量优良。总之，ABS具有生物相容性和不可降解性，可以作为人工牙种植体的一部分。除了牙槽骨部分，植入物部分材料应不可生物降解，ABS因其强度、柔韧性、可加工性和较高的耐温性而优先，但在3D打印时会产生有害烟雾，干燥后烟雾会消失。

3D 打印组织工程应用
3D打印是一项先进的技术，其定义是通过快速的方法逐层添加材料，使其成为目标物。实际上，它已经成为一种可以应用于制造业、建筑维修、汽车制造、医疗应用等不同领域的快速制造工艺。在医学卫生领域，三维应用可以概括为4个不同层次的。

首先，3D打印模型可以在二维基础上更立体地显示需要手术的体位，从而降低手术风险。其次，3D打印被认为是外科医生的一种工具。例如，3D打印可以辅助构建个性化的牙齿模型(图4为牙齿根部3D打印模型)，医生可以根据个体模型更专业地制定计划。第三种是3D打印植入物，实际上是用来制造坏死骨组织的替代支架。最后，在组织再生方面，3D打印还能够创造更接近人类自身器官的替代品，减少排斥反应。

图4. 3D打印牙齿根部实物图[2]

(文：张子旋)
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.

英国谢菲尔德大学Roy Ipsita 实验室硕士生Zixuan Zhang。

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