如何运用口腔外科中的快速成型技术?
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发布时间：2024-09-26 08:27
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时间：2024-10-04 06:17
Harris等[5]预测RPMT技术快捷、准确的特点将使其在口腔颌面外科有着广阔的应用前景。
1、RPMT的特点[1，2，6]
RPMT基于计算机对物体几何形状、结构和连接状态的描述，自动、快速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造
物件，可使由CAD模型转换成物理模型的时间缩短80以上。随着以数字影像技术（CT、MRI、三维B超等）为特征的诊断技术的发展使人体局部的截面图像很容易用计算机进行三维重建，这些数据传输到RPMT系统便可造出这部分结构的组织实体。它特别适合小批量、复杂（如凹槽、凸肩、空心、嵌套等 [7]）、异形物件的直接制作；不同工艺原理的设备容易实现模块化，可互相切换；可借助互联网，进行远程制造服务；可用材料广泛（如树脂、塑料、纸、石蜡、薄膜、金属或陶瓷的粉末、箔、丝等等）；从理论上讲，原料利用率可达100，制造过程无振动、噪声，是一种环保高效的制造技术。目前采用专门的成型设备，最高精度可达0.001mm，层厚±0.005mm[2]，成型的零件尺寸最大可达800mm×1600mm×500mm（如清华大学的SSM-1600），速度为数小时至数十小时/件[2]。
2、RPMT在颌面外科应用的意义
颌面外科的目的不单要满足患者颜面部器官生理、功能需要，还要最大限度个性化恢复患者的容貌，这就要求：术前有谨慎而周密的计划；向患者解释术后的效果；手术操作尽量简捷等。而RPMT直接或间接的介入无疑简化了这些问题，它能在辅助诊断（骨折、关节强直甚至是阻生齿[8]）、制定计划、模拟手术(如Gateno等[9]把RPMT用于牵张成骨手术的预测)、治疗等方面发挥重要作用，使得原来通过几次手术才能完成的复杂矫形有望一次完成[7]。有人做过统计[10]：应用RPMT后，诊断正确率提高29.60，操作准确度提高36.23，手术时间提高17.63。不但如此，RPMT近年在颌面外科组织工程等基础研究领域的应用也备受瞩目，成为制造细胞载体支架的重要方法。
大体上，RPMT的应用可分为3个阶段：初级阶段，用于诊断和手术的生物实体模型；中级阶段（相容性生物模型），用于治疗和康复工程的植入体；高级阶段（高级生物模型），人工器官（可参与代谢过程的“真正”骨）。
3、颌面外科领域应用的几种快速原型制造技术
RPMT通常是按制造工艺原理进行分类的。现将在颌面外科领域应用的几种比较成熟的技术及其特点介绍如下[1，2，6]：
（1）立体印刷成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）又称光敏液相固化、立体光刻、立体造型等。该技术以光敏树脂为原料，用计算机控制下的紫外激光以预定原型各分层截面的轮廓为轨迹逐点扫描，被扫描区树脂固化，工作台移动同时布放新一层树脂，如此重复至制造完毕。此技术最为成熟，在颌面外科领域主要是获得可视化原型并进行各种数据测量、优化手术设计方案（如确定截骨部位、骨块移动方向等）以减少手术风险，并为教研提供宝贵资料。Anderl等[11]曾利用SLA模型给一个严重面中裂（从颅前窝到硬腭）的8月龄儿童制定方案、进行手术，结果定位准确，在保护了颅中窝重要神经前提下重建了颅前窝、鼻及硬腭，眶间距从65mm缩短至25mm，而此前两年他在未用SLA模型指导做的类似手术，曾造成患儿左眼部分视力丧失。Hollister等[12]利用SLA制作了Yucatan小型猪下颌关节侧部缺损的修复体，上面还制作了一个供螺丝固定用的钉洞。SLA制件表面质量好，可直接制造塑料件，多为透明体。SLA还可用于微型制造，日本Kyushu Institute of Technology曾生产出约50μm的模型[2]。SLA的不足为较难生成具有生物活性的微观结构；成形中的体积变化使控制难度增加。
（2）层合实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）。该技术按CAD分层模型获得的数据，用激光束将单面涂有热溶胶的薄膜材料切割成预制原型在该层平面的内外轮廓，再经加热辊加热，使刚切好一层与下面已切割层粘接，最后将不需要材料剥离即得模型。LOM能制造大尺寸原型；设备及成型材料价格低，成型的模型无内应力及变形，精度高；强度和刚度高；制作时间短；与SLA相比因无需支撑而更利于复杂自由曲面制作；目前LOM工艺正向可选材料的多样化发展（如金属薄板及陶瓷材料等）[2]。邱明国等[13]用LOM法制出颞骨的纸质实物模型，可用于复杂耳神经外科术前设计，也可模拟手术操作。LOM临床上可用于先天、创伤、颅骨切除减压术后、感染等因素引起的颅面部骨组织缺损的硬组织替代，如Ono等[14] 通过LOM用HA陶瓷给9个患者修复复杂的颌骨缺损（最大达14.7cm×12.0cm），节省了手术操作时间及患者在射线中暴露的时间，减少术中及术后的并发症，缩短了患者住院日。LOM的不足为材料的耐侯性、粘结强度与所选的基材及胶种很密切，废料分离较费时间。
（3）选域激光烧结（Selected Laser Sintering，SLS）。它借助精确引导的激光束使材料粉末烧结或熔融后凝固形成三维原型或模型。一般不加粘结剂也无后续处理，因此可形成高强度的模型；不需要支撑；模型精度高（粒径小于0.1mm时可达±0.01mm）；若用蜡粉可直接制造精密铸造蜡模。早期的SLS法因难以去除孔隙间的粉末而较难胜任组织工程细胞支架的制造，目前SLA的发展已能通过控制参数来调整烧结生成物的内部微结构（孔隙和孔径）。如Cheah等[15]利用激光能量减低且扫描速度增加时，在X－Z平面上微管道的孔径增大的原理，通过控制致密区和多孔区的形成制造了药物缓释装置，对颌面骨肿瘤区域的缺损重建意义重大；Tan等[16]在商用的SLS设备上控制两种材料的不同比例，用聚醚醚酮－羟磷灰石（PEEK－HA）粉末合成的含孔隙生物工程支架，这些也充分利用了SLS的无溶剂加工技术。SLS的不足为烧结中单位面积吸收功率精确控制有一定难度；有时模型表面相对粗糙，需适当焙烧固化并打磨。
（4）熔融沉积造型（Fused Deposition Modeling，FDM）又称熔化堆积法，熔融挤出成模等。是用热熔喷头，使半流动状态的材料按CAD分层数据控制的路径挤压并沉积在制定的位置凝固成型，逐渐沉积、凝固后形成模型。该方法不采用激光，成本低、设备体积小。Eppley等[7] 通过FDM给13个患者进行颅骨重建，制作个性化赝复体，大大节省了术中操作时间。Rohner等[17]利用FDM制作了骨髓基质细胞的载体――可降解的聚已酸内酯（PCL）支架，修复猪的颌面部骨缺损，成骨效果令人满意。Schantz等[18]在新西兰白兔颅骨上造成15mm缺损，利用FDM以PCL、纤维蛋白胶等为原料 “复制”有一定孔隙的缺损处“颅骨”，成骨细胞在其上培养3天后植入体内，3个月后形态恢复良好，强度达正常骨的60，屈服力达正常骨的85~90。Cao等[19]针对关节软骨缺损难于修复，提出了通过FDM建立软骨细胞和成骨细胞共生的承重可吸收支架，结果展示了用以修复骨软骨缺损得巨大潜力。 不足为精度相对较低；也有体积变化；FDM法因需加热而仅适合制作在加工过程中不添加生长因子等活性物质的支架。
（5）常温多喷射成形(normal temperature multi-insufflation forming，TMF)。这种方法是将混合后能够成形固化的材料分别装入不同容器，经多喷头喷射混合成形。其突出优点[20]是可以免除高温带来的对活性物质的伤害，对人骨生长因子的复合不是用当前流行的后期复合的办法，而是通过特殊处理，使之在快速成形阶段即可以达到多维复合；并且具有缓释功效，大大有利于缺损区域骨的愈合；制造过程中可以改变材料从而产生多种不同材料、颜色、力学性能、热性能组合的复合或非均质材料和多孔型结构，实现功能梯度材料堆积成形。因此有希望成为制备生物工程支架（精细结构喷射堆积成形）的主要工艺方法。国内清华大学史延春等[21]，将分子量接近10万的聚乳酸（PLA）复合上HA、胶原和BMP通过TMF技术制作出直径和高均为5mm的多孔圆柱，将其置入狗桡骨缺损处后发现明显利于骨组织愈合。
4、展望
除上述最为成熟的技术外，还有许多技术也已实用化。如三维喷涂粘接、光掩膜法、数码累积、及最新的直接壳法等技术。目前国外正大力将RPMT应用于医疗领域。在软件和硬件的标准化，切片方式的曲面化，加工进一步智能化，设备工艺的集成化等方面还有很大的发展空间。用RPMT制造人体组织、器官以辅助诊断和外科手术等还极具发展潜力。对于颌面外科，由于其“区域”的特殊性，将会使RPMT有更多的“用武之地”。
参考文献
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