3D打印钛及钛合金在颌骨缺损修复中的应用
颌骨是颅面骨的重要组成部分，维系着面部外形的完整，承担着咀嚼功能，与吞咽、语言、呼吸等功能密切相关。颌骨修复体植入体内后，不仅受到周围肌肉的牵拉作用，还要承担咀嚼压力，因此，该修复体要恢复患者个性化的外貌，还要有足够的机械强度来保证其在体内的稳定和功能的行使，最好还能作为组织工程支架加载具有成骨潜能的细胞和促骨生长因子来实现颌骨再生。
钛及钛合金具有优异的机械性能、低质量、耐腐蚀及良好的骨结合能力，在口腔颌面外科领域应用广泛。钛及钛合金可以制作钛板、钛网、固位螺丝、人工假体等来修复颌面骨缺损。由于颌骨复杂的解剖结构和外形轮廓，传统的工艺无法精确制备出和缺损区在形态、生物力学等特征完全相匹配并能完成义齿修复的钛合金修复体，因此，在术后常常会出现一些并发症，导致修复失败。3D打印技术具有完成复杂结构设计和比较精确、快速制作结构复杂的，尤其是在不仅外形结构复杂，而且内部结构同样复杂的颅颌面骨缺损修复体的潜力和独特的优势。因此，在数字医学影像学技术和计算机辅助设计软件的协助下，3D打印钛及钛合金有望实现颌骨缺损个性化设计、制作和修复的目的。本文综述了近些年3D打印钛及钛合金在颌骨缺损修复领域的相关研究。
1.3D打印钛及钛合金的优势
1.1个性化设计和制作金属
3D打印技术包括选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS），选择性激光熔化（selective laser melting，SLM）和选择性电子束熔化（selective electron beam melting，EBM），是以电子束或者激光为能量源，通过计算机将零件的三维实体模型通过计算机分层处理，转变为二维数据，然后通过3D打印设备，金属粉末逐层熔融、堆积，完成实体制造具有高精度、高效率、低消耗的优势。
依据CT等影像数据和计算机辅助设计（computer aided design，CAD）软件可以设计出与患者颌骨结构和外形相一致的修复体，还可以设计多孔/网状等复杂的结构，通过金属3D打印技术实现这些复杂修复体的制作，可以帮助我们实现颌骨的个性化修复。已有研究设计并采用SLM制作中空的纯钛下颌骨髁突，该髁突不仅质量轻，而且完全重塑了髁突的解剖外形，与患者的颞下颌关节相匹配。
Chen等设计和应用SLM制作了2种上颌切牙种植体，一种为根形种植体，另一种为根形螺纹种植体，结果证实3D打印能够设计和制作具有高密度、高强度和高精度的根形种植体，根形螺纹种植体具有更好的应力分布，较低的微动和较好的初期稳定性。多孔或三维网状等复杂精细的结构可以降低钛及钛合金修复体的质量，还为细胞和血管的长入、营养物质的输送提供空间。但是，颌骨外形为不规则的曲面，三维网状结构的设计并不容易，尤其是复杂网状结构拓扑优化设计更是难点。初期下颌骨三维网状组织工程支架建模研究显示将3D打印技术与有限元拓扑优化相结合，能够获得理想的下颌骨网状支架结构。
1.2 3D打印钛及钛合金的机械性能
作为骨组织修复体，钛及钛合金的机械性能与其植入体内后的稳定性、安全性与成骨能力密切相关。3D打印技术的工艺与金属传统方法如铸造、锻造、粉末冶金等不同，不同的制作工艺会影响钛及钛合金的组织结构，从而影响其机械性能。研究报道锻造钛合金的显微组织结构主要是粗大的、板状或针状α相间杂部分β相，铸造钛合金为α造钛相，SLM钛合金为α’马氏体混合α相，EBM钛合金是均一的针状α相，在晶界处有少量β相。SLS制作钛金属的杨氏模量为104GPa左右，接近锻造钛金属。SLM制作的Ti-6Al-4V的极限拉伸强度和屈服应力于锻造相似，优于EBM。
EBM的延展性优于锻造、SLM和铸造，SLM的延展性较差。EBM的硬度高于SLM和锻造钛合金，而SLM和锻造钛合金的硬度相似。作为颌骨组织修复体，疲劳强度是钛合金修复体的一个重要性能。Joshi等报道垂直取向的EBM钛合金的疲劳强度高于水平取向的钛合金。经过热等静压处理后，EBM制备的钛合金的疲劳强度明显提高，具有和锻造钛合金相似的疲劳强度性能。
总的来说，3D打印技术制备的钛及钛合金的机械性能与锻造钛合金相似，仍高于骨组织。多孔或网状结构的设计可以降低钛及钛合金的机械性能，调整多孔或者三维网状结构参数可以精确调控钛合金的机械强度，使其与骨组织更匹配。但是，粉末冶金、发泡法、纤维烧结等多孔金属方法无法实现此类设计的精确制作，而金属3D打印技术可以按照设计精确制作出孔隙完全相互贯通的复杂的多孔或三维网状结构。
3D打印制备的多孔钛合金的刚度和抗压强度随着孔隙率的增加而降低。EBM制备的孔隙率为61.5%的Ti6Al4V植入体，其抗压强度为172MPa，弹性模量为3.1GPa，近似人骨组织。通过检测3D打印三维网状钛合金支架的力学性能，证实三维网状结构单元经过优化设计后的网状钛合金支架的生物力学性能可以满足下颌骨修复的需求。但是，孔隙结构同样会影响钛合金的疲劳强度，有研究报道SLM制作多孔钛合金的疲劳极限低于实心钛合金。孔隙率不同的钛合金，其抗疲劳强度也不同，但是，在低应力作用下，多孔钛合金的抗疲劳强度相似。
因此，应该依据钛及钛合金修复体应用部位的力学要求，经过力学分析来设计应力分布更合理的修复体，通过3D打印技术来调整其机械性能，使其与骨组织相匹配，保证修复体在体内能够稳定的行使功能，目前，这方面的研究还很少。
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