基於3D列印的可生物降解材料人造牙應用
2020-10-18 材料科學與工程1、牙齒的作用
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美觀。對於無牙頜患者來說，牙齒缺失不僅影響咀嚼，降低生活質量，還會導致頜面區域塌陷，使人看起來特別衰老，影響外觀。
2、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稱為「骨頭」，牙齒(除了牙釉質)被統稱為「牙本質「。
圖 1牙齒結構示意圖[1]
3、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。由於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物質擴散到移植細胞中，並引導細胞的組織、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、陶瓷和聚合物由於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。
3.1 PHA的特徵和屬性：
圖 2聚羥基烷酸（PHA）的一般結構
聚羥基烷酸酯是一種可用於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，以發展其在生物醫學領域的應用，如縫合、心血管補片、創面敷料、引導組織修復/再生裝置、組織工程支架等。
3.2 PHB 的特徵和屬性
P(3HB)是PHA基團中最簡單、最普遍的一種，也是PHA聚合物中最早應用於生物醫學領域的一種。由於良好的經濟適用性，機械、化學和降解性。隨著聚羥基烷酸的發展，研究人員開始研究設計與無機相結合的複合材料的可能性，以進一步提高機械性能，降解率，並賦予生物活性。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
4、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、良好的熱穩定性、抗化學侵蝕和環境應力開裂能力。此外，PHB還具有廉價、耐用、熱膨脹係數低等顯著性能。成型方便，使ABS零件尺寸穩定，表面質量優良。總之，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先，但在3D列印時會產生有害煙霧，乾燥後煙霧會消失。
5、3D 列印組織工程應用
3D列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於製造業、建築維修、汽車製造、醫療應用等不同領域的快速製造工藝。在醫學衛生領域，三維應用可以概括為4個不同層次的。
首先，3D列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列印被認為是外科醫生的一種工具。例如，3D列印可以輔助構建個性化的牙齒模型(圖4為牙齒根部3D列印模型)，醫生可以根據個體模型更專業地制定計劃。第三種是3D列印植入物，實際上是用來製造壞死骨組織的替代支架。最後，在組織再生方面，3D列印還能夠創造更接近人類自身器官的替代品，減少排斥反應。
圖4. 3D列印牙齒根部實物圖[2]
(文：張子旋)
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