基于3D打印的可生物降解材料人造牙應用

來源：材料科學與工程


人類牙齒最基本的作用是機械地切割和磨碎食物，以分解食物，促進進一步的吞咽和消化。牙齒的第二個作用是實現頜面區(qū)美觀。對于無牙頜患者來說，牙齒缺失不僅影響咀嚼，降低生活質量，還會導致頜面區(qū)域塌陷，使人看起來特別衰老，影響外觀。

牙齒的結構
牙齒由冠部（牙齦線上方的部分）和一些根部（牙齦線下方的部分）組合而成。牙冠的外層是牙釉質，牙根的外層是牙骨質。這兩部分都有一個連續(xù)的牙本質內層，圍繞牙髓腔（見圖1）。骨骼和大部分牙齒都是由相同的基本材料構成的。僅僅是牙齒堅硬而又薄的外層(牙釉質)是完全不同的。組成骨頭的材料也被統(tǒng)稱為“骨頭”，牙齒(除了牙釉質)被統(tǒng)稱為“牙本質“。

圖 1牙齒結構示意圖[1]

牙齒根部材料選擇
一旦治療方法確定，牙齒結構明確，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，所以需要分開考慮。用作根部的材料應符合一定的要求。它們的設計應能使營養(yǎng)物質擴散到移植細胞中，并引導細胞的組織、附著和遷移。

細胞成分、細胞外基質和支架以及生長和分化因子是骨組織工程的必要條件。細胞的附著、增殖和分化都需要支架作為基質。此外，生長和分化因子必須誘導細胞增殖。在過去，金屬、陶瓷和聚合物由于細胞存活率低和血管化緩慢而不能廣泛應用。為了實現這些材料的細胞組織、附著和遷移，適當的力學特性和降解行為也是必不可少的。因此，在項目中有必要選用可生物降解的材料作為基礎部分，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）的一般結構

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。聚羥基烷酯集團擁有各種類型的材料，包括硬脆材料和軟彈性體材料。近年來，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)學領域的應用，如縫合、心血管補片、創(chuàng)面敷料、引導組織修復/再生裝置、組織工程支架等。

PHB 的特征和屬性
P(3HB)是PHA基團中最簡單、最普遍的一種，也是PHA聚合物中最早應用于生物醫(yī)學領域的一種。由于良好的經濟適用性，機械、化學和降解性。隨著聚羥基烷酸的發(fā)展，研究人員開始研究設計與無機相結合的復合材料的可能性，以進一步提高機械性能，降解率，并賦予生物活性。為了滿足牙齒的需求(圖3透明部分)，PHB是修復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，主要是因為PHB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、抗化學侵蝕和環(huán)境應力開裂能力。此外，PHB還具有廉價、耐用、熱膨脹系數低等顯著性能。成型方便，使ABS零件尺寸穩(wěn)定，表面質量優(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，植入物部分材料應不可生物降解，ABS因其強度、柔韌性、可加工性和較高的耐溫性而優(yōu)先，但在3D打印時會產生有害煙霧，干燥后煙霧會消失。

3D 打印組織工程應用
3D打印是一項先進的技術，其定義是通過快速的方法逐層添加材料，使其成為目標物。實際上，它已經成為一種可以應用于制造業(yè)、建筑維修、汽車制造、醫(yī)療應用等不同領域的快速制造工藝。在醫(yī)學衛(wèi)生領域，三維應用可以概括為4個不同層次的。

首先，3D打印模型可以在二維基礎上更立體地顯示需要手術的體位，從而降低手術風險。其次，3D打印被認為是外科醫(yī)生的一種工具。例如，3D打印可以輔助構建個性化的牙齒模型(圖4為牙齒根部3D打印模型)，醫(yī)生可以根據個體模型更專業(yè)地制定計劃。第三種是3D打印植入物，實際上是用來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)造更接近人類自身器官的替代品，減少排斥反應。

圖4. 3D打印牙齒根部實物圖[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.

英國謝菲爾德大學Roy Ipsita 實驗室碩士生Zixuan Zhang。

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