口腔修复论文第五篇：口腔修复中3D打印钴铬合金的应用综述
摘要：总结了3D打印钴铬合金技术特点和现状,对比了3D打印钴铬合金与铸造钴铬合金的性能差异,分析了3D打印钴铬合金生物相容性研究现状,最后探讨了3D打印钴铬合金在口腔修复领域面临的问题和发展方向。
关键词：3D打印; 钴铬合金; 口腔修复;
3D printing Co-Cr alloy in the application of prosthodontics
CAI Hai-jiao LIAO Zan ZHANG Ai-fang ZHANG Bao-xiang WANG Zhen-guo CHEN Gui YUAN Zhi-shan LI Jun-tao
GRIMED Medical (Beijing) Co.,Ltd. Yangquan Stomatological Hospital of Shanxi Province Beijing Chunlizhengda Medical Instruments Co., Ltd.
Abstract：Technical characteristics and current status of 3D printing Co-Cr alloy were summarized, the performance difference between 3D printing and cast Co-Cr alloy were compared, the research status of 3D printing Co-Cr alloy biocompatibility was analyzed, and finally the problems and development directions of 3D printing Co-Cr alloy in the field of prosthetics were discussed.
铸锭冶金法制备的医用金属材料是应用最早的医用材料之一,它具有优良的力学性能,易加工性,可靠性以及较低的成本,其制成的医疗器件具有很好的治疗、修复、替代人体组织和器官功能的作用,是目前全世界应用最多,最广泛的医用材料[1]。早在20世纪90年代,就有关于钴铬合金应用于骨科植入物的相关报道[2]。钴铬合金因为其生物相容性良好,耐疲劳性强、机械强度高,被用于各种医疗器械的制作,临床应用广泛,并成为中国目前应用最广的口腔用合金材料之一[3,24,25]。目前,常用的钴铬合金齿科部件的加工方式为铸造法和CNC加工。铸造法加工过程存在加工周期长、工艺繁琐、铸件性能不理想、铸件内有气孔和表面粗糙等问题[4]。CNC同样存在加工速度慢,材料利用率低等问题。近年来,随着数字化技术的发展,能够实现个性化、精准化制作的3D打印技术(增材制造技术)得到了口腔修复领域的广泛关注。
1 3D打印与铸造钴铬合金性能对比
相比于传统加工工艺,3D打印技术可以简化义齿加工工艺流程,使用软件建立牙齿模型后即可打印出义齿(见图1、图2),实现快速、精准、经济、高效地制作过程,主要可用于金属内冠、全冠,可摘局部义齿支架,全口义齿基托等修复体的制作。本文概述了3D打印钴铬合金在口腔修复领域的研究现状和面临的问题,并对其应用进行了展望。
图1 软件建立牙齿模型
图2 3D打印钴铬合金义齿
3D打印是以激光或电子束为热源,在密闭空间和惰性气体保护下将粉末材料熔化后层层叠加构造制品。与铸造钴铬合金相比,3D打印材料的微观形态(如组织结构、晶粒大小)和体现出的材料性能可能不同。针对以上问题,国内外学者已经做了大量研究,证明在合适的工艺参数下,3D打印钴铬合金制品的多项性能优于铸造态或与其相当。
Takaichi A等[5]探讨了SLM成形过程中工艺参数对钴铬合金组织结构及拉伸性能的影响,结果表明,成形试样的抗拉强度、屈服强度、伸长率等性能均优于铸造件。Schwindling F S等[6]将SLM成形的CoCr合金与铸造态钴铬合金对比,发现在相同周期的咀嚼模拟环境下磨损量较低,具有更好的耐磨性能。Andreas等[7]发现用SLM技术制造的修复体具有良好的表面性能同时避免了传统铸造修复体易出现气孔和铸造缺陷的缺点。李小宇等[8]研究发现,标准3D打印钴铬合金试件的耐蚀性及TS、BS的稳定性较铸造钴铬合金更优,VHN的稳定性与铸造钴铬合金相当,说明3D打印钴铬合金在口腔环境里能保持力学性能的稳定满足临床应用。刘爽[9]通过多项试验研究发现,3D打印钴铬合金硬度和耐腐蚀性均优于进口和国产铸造钴铬合金。李国强等[10]进行的试验表明,3D打印钴铬合金金瓷结合力明显优于铸造钴铬合金烤瓷金属基底冠;另一研究发现激光熔覆技术制作钴铬金属基底冠的金瓷结合力优于传统铸造法钴铬合金基底冠的金瓷结合力[11]。在烤瓷冠桥方面,有研究发现,运用3D打印方法制作的钴铬合金烤瓷内冠其边缘密合性与传统铸造工艺相似[12],金-瓷结合结合能力与传统工艺相当[13]。
这些成果均说明了利用3D打印技术制作金属材料修复体能有效提高修复体多项性能,操作简便,适合应用于临床。
2 3D打印钴铬合金生物相容性研究
利用3D打印技术加工钴铬合金,在加工过程中并未带入有毒成分和产生毒性物质,因此不会影响材料的生物安全性和生物相容性。XIN等[14]将SLM打印的钴铬合金材料在人工唾液中放置7天后比同条件下的铸造钴铬合金释放出较少的钴离子和钼离子,具有更良好的生物相容性;并用细胞生长试验证明了3D打印金属材料比铸造金属材料具有更加优越的生物安全性及生物相容性。刘爽[9]通过细胞毒试验和细胞凋亡试验,认为3D打印钴铬合金对小鼠成纤维细胞L-929的生物相容性优于进口铸造钴铬合金、国产铸造钴铬合金。田甜等[3]通过溶血试验、短期全身毒性试验、细胞毒性试验、口腔黏膜刺激试验对LRF Co-Cr合金进行生物安全性评价,初步认为激光快速成形钴铬合金具有良好的生物安全性。
同时,也有关于钴铬合金离子析出方面的报道。研究发现,使用含钴铬合金假体的全髋关节置换患者,其血液中的钴离子和铬离子水平增高,术后出现一系列神经症状,临床上应该慎用[15]。陈志红[16]对5种牙科合金进行彗星试验和体外试验,检测未见口腔粘膜细胞有明显的遗传损伤,但发现钴铬合金细胞毒性相比其他合金有明显差异,初步分析认为这些差异与合金中析出的离子浓度有关。以上研究表明,钴铬合金长期植入人体后,会释放铬离子等金属离子,具有潜在的细胞毒性、致癌性和过敏反应。因此,3D打印钴铬合金在临床应用前的研究过程中仍要关注离子析出对周围组织和人体产生的影响。
3 3D打印钴铬合金临床应用
3D打印钴铬合金在口腔修复领域的临床应用报道较少,主要集中在义齿冠和支架制作两方面。
有学者利用3D打印技术直接制作可摘局部义齿的钴铬合金支架,随访显示患者对其临床效果较为满意[17]。黄丽娟等[18]通过3D 打印技术制作10件钴铬合金可摘局部义齿支架,并在患者口内试戴,结果制作完成的修复体外观完整,大部分义齿就位顺利,有5件义齿就位时稍困难,局部调磨后顺利就位,义齿就位后无翘动,卡环、牙合支托与基牙密合,金属连接体与软组织贴合度良好。李靖敏等[19]用3D打印钴铬合金烤瓷冠和传统铸造钴铬合金烤瓷冠修复220 颗患牙,在黏结后1、6、12、24 个月进行随访观察,结果显示3D打印钴铬合金烤瓷冠边缘着色比传统铸造钴铬合金烤瓷冠少,具有良好的边缘密合度,近期临床效果满意。魏玉华等[20]研究了3D打印钴铬合金烤瓷冠修复的效果及对血清和牙龈组织中炎症因子、黏附分子含量的影响,发现其有助于缓解牙龈组织的炎症反应,表现为炎症因子和黏附分子生成减少,是冠修复的理想材料。苑翔等[21]通过两组共86颗烤瓷冠的对照试验,研究了3D打印烤瓷冠对牙周组织的影响,结果发现3D打印钴铬合金烤瓷冠较常规钴铬合金烤瓷冠对牙周组织影响更小。
4 面临的问题及发展方向
与美国、德国等3D打印技术水平较高的国家相比,中国的3D打印技术研究起步较晚,但近5年相关研究数量增长态势与国际同步[22,23],说明针对3D打印技术的研究热度不减,且仍存在诸多需要解决的问题。
3D打印的实现包括数据采集、数据处理和3D打印3个主要过程,软件、设备和材料是影响打印效率和质量的重要因素。目前,中国市场上3D打印软件和设备的核心技术基本由国外专业公司垄断,价格昂贵,极大地限制了3D打印技术在中国口腔医学领域的推广。在口腔修复领域,3D打印钴铬合金技术的推广还面临一些需要关注和解决的问题:(1)钴铬合金粉末主要依赖进口,国产钴铬合金粉末各项性能还不尽人意,亟需研究开发国产高质量3D打印钴铬合金粉末,从而推动中国3D打印技术的发展。(2)关于口腔医学领域的3D打印钴铬合金粉末的行业标准缺乏,导致粉末质量参差不齐、难以管控,亟需建立相关规范和标准。(3)国家对于3D打印粉末和医疗器械的管理政策严格,该类产品的注册成本高、周期长、前期投入大,对企业要求高。
5 结语
3D打印钴铬合金在对个性化定制要求较高的口腔修复领域拥有无可比拟的先天优势。相信在不久的将来,随着3D打印设备和材料的不断发展,以及相关标准和制度的完善,加之临床跟踪研究的深入和大量临床研究数据的积累,3D打印钴铬合金技术在口腔修复领域会有更加广阔的应用前景。
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