熔融沉积制造技术在口腔医学领域中应用的研究进展

doi:10.13481/j.1671-587X.20230233

摘要/Abstract

摘要：

熔融沉积制造（FDM）技术是众多3D打印技术中的一种，因其具有结构简单、操作方便、产品精度好和成型速度快等优点，广泛应用于口腔医学领域，其打印产品包括教学模型、术前分析模型、正畸修复牙颌模型、手术导板、颌面部软硬组织缺损赝复体和骨组织工程支架等，应用范围几乎涵盖包括口腔颌面外科、种植科、正畸科、修复科、牙体牙髓科和牙周科等在内的全部口腔科室，以及骨组织工程支架的制备领域，对传统口腔疾病诊疗方式和制造方式产生重大影响。现结合国内外最新研究进展，从FDM技术的打印原理和步骤入手，分析其精度的影响因素，并对其材料体系和材料性质从人工合成高分子聚合物、天然高分子聚合物、生物陶瓷和复合材料4个方面进行总结归纳。重点从口腔医学模型、手术辅助工具、颌面部组织缺损赝复体和骨组织工程支架的制造及应用4个方面对FDM技术在口腔医学领域的应用进行分析，总结其优点和不足，并展望未来发展趋势，以期为FDM技术的改进及其在口腔医学领域的应用提供参考。

关键词: 熔融沉积制造, 3D打印, 口腔医学, 增材制造, 骨组织工程, 再生医学

中图分类号:

R783.1

夏德庚,张庆宇,矫君君,徐庭瑞,张天翼,仲杨,赵竹兰,马宁,张莉. 熔融沉积制造技术在口腔医学领域中应用的研究进展[J]. 吉林大学学报(医学版), 2023, 49(2): 542-548.

参考文献 50

1	KOVALCIK A， SMILEK J， MACHOVSKY M， et al. Properties and structure of poly（3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate） filaments for fused deposition modelling［J］. Int J Biol Macromol， 2021， 183： 880-889.
2	CHEN Y W， HANAK B W， YANG T C， et al. Computer-assisted surgery in medical and dental applications［J］. Expert Rev Med Devices， 2021，18（7）： 669-696.
3	XIA D D， YANG F， ZHENG Y F， et al. Research status of biodegradable metals designed for oral and maxillofacial applications： a review［J］. Bioact Mater， 2021， 6（11）： 4186-4208.
4	MEMON A R， WANG E P， HU J L， et al. A review on computer-aided design and manufacturing of patient-specific maxillofacial implants［J］. Expert Rev Med Devices， 2020， 17（4）： 345-356.
5	HA S H， LEE H， CHOI J Y. Correction of midface deficiency in patient with crouzon syndrome by orthognathic surgery and patient specific facial implant： case report［J］. J Craniofac Surg， 2022， 33（2）： e191-e194.
6	SU X， WANG T， GUO S. Applications of 3D printed bone tissue engineering scaffolds in the stem cell field［J］. Regen Ther， 2021， 16： 63-72.
7	MANIA S， BANACH A， TYLINGO R. Review of current research on chitosan as a raw material in three-dimensional printing technology in biomedical applications［J］. Prog Chem Appl Chitin Deriv， 2020， 25： 37-50.
8	MEI K， GEAGAN M， ROSHKOVAN L， et al. Three-dimensional printing of patient-specific lung phantoms for CT imaging： Emulating lung tissue with accurate attenuation profiles and textures［J］. Med Phys， 2022， 49（2）： 825-835.
9	LEONOV D， KODENKO M， LEICHENCO D， et al. Design and validation of a phantom for transcranial ultrasonography［J］. Int J Comput Assist Radiol Surg， 2022， 17（9）： 1579-1588.
10	LEISNER L C， TASAKA A， TREBING C T， et al. Measuring peri-implant bone lesions using low-dose cone-beam computed tomography［J］. J Prosthodont Res， 2022， 66（2）： 326-332.
11	MORBÉE L， CHEN M， VAN DEN BERGHE T，et al. MRI-based synthetic CT of the hip： can it be an alternative to conventional CT in the evaluation of osseous morphology？［J］. Eur Radiol， 2022， 32（5）： 3112-3120.
12	UNKOVSKIY A， SPINTZYK S， AXMANN D， et al. Additive manufacturing： a comparative analysis of dimensional accuracy and skin texture reproduction of auricular prostheses replicas［J］. J Prosthodont， 2019， 28（2）： e460-e468.
13	KAMIO T， SUZUKI M， ASAUMI R， et al. DICOM segmentation and STL creation for 3D printing： a process and software package comparison for osseous anatomy［J］. 3D Print Med， 2020， 6（1）： 17.
14	VYAVAHARE S， KUMAR S， PANGHAL D. Experimental study of surface roughness， dimensional accuracy and time of fabrication of parts produced by fused deposition modelling［J］. Rapid Prototyp J， 2020， 26（9）： 1535-1554.
15	EUM J， KIM Y， UM D J， et al. Solvent-free polycaprolactone dissolving microneedles generated via the thermal melting method for the sustained release of capsaicin［J］. Micromachines （Basel），2021，12（2）： 167.
16	SHUJAAT S， SHAHEEN E， NOVILLO F， et al. Accuracy of cone beam computed tomography-derived casts： a comparative study［J］. J Prosthet Dent， 2021， 125（1）： 95-102.
17	MSALLEM B， SHARMA N， CAO S S， et al. Evaluation of the dimensional accuracy of 3D-printed anatomical mandibular models using FFF， SLA， SLS， MJ， and BJ printing technology［J］. J Clin Med， 2020， 9（3）： 817.
18	GAO S S， LIU R J， XIN H， et al. The surface characteristics， microstructure and mechanical properties of PEEK printed by fused deposition modeling with different raster angles［J］.Polymers （Basel），2021，14（1）： 77.
19	WANG Z L， NOGUEIRA L P， HAUGEN H J， et al. Dual-functional porous and cisplatin-loaded polymethylmethacrylate cement for reconstruction of load-bearing bone defect kills bone tumor cells［J］. Bioact Mater， 2022， 15： 120-130.
20	METLERSKI M， GROCHOLEWICZ K， JAROŃ A， et al. Comparison of presurgical dental models manufactured with two different three-dimensional printing techniques［J］. J Healthc Eng， 2020， 2020： 8893338.
21	JAIN S， FUOCO T， YASSIN M A， et al. Printability and critical insight into polymer properties during direct-extrusion based 3D printing of medical grade polylactide and copolyesters［J］. Biomacromolecules， 2020， 21（2）： 388-396.
22	JAIDEV L R， CHATTERJEE K. Surface functionalization of 3D printed polymer scaffolds to augment stem cell response［J］. Mater Des， 2019， 161： 44-54.
23	YE X L， LI L H， LIN Z F， et al. Integrating 3D-printed PHBV/Calcium sulfate hemihydrate scaffold and chitosan hydrogel for enhanced osteogenic property［J］. Carbohydr Polym， 2018， 202： 106-114.
24	WANG Q Q， JI C C， SUN L S， et al. Cellulose nanofibrils filled poly（lactic acid） biocomposite filament for FDM 3D printing［J］. Molecules， 2020， 25（10）： 2319.
25	SONG Y， WU H， GAO Y， et al. Zinc silicate/nano-hydroxyapatite/collagen scaffolds promote angiogenesis and bone regeneration via the p38 MAPK pathway in activated monocytes［J］. ACS Appl Mater Interfaces， 2020， 12（14）： 16058-16075.
26	GAO X S， WANG H H， ZHANG X， et al. Preparation of amorphous poly（aryl ether nitrile ketone） and its composites with nano hydroxyapatite for 3D artificial bone printing［J］. ACS Appl Bio Mater， 2020， 3（11）： 7930-7940.
27	FAIRAG R， LI L， RAMIREZ-GARCIALUNA J L， et al. A composite lactide-mineral 3D-printed scaffold for bone repair and regeneration［J］. Front Cell Dev Biol， 2021， 9： 654518.
28	ULBRICH L M， BALBINOT G S， BROTTO G L，et al. 3D printing of poly（butylene adipate-co-terephthalate）（PBAT）/niobium containing bioactive glasses （BAGNb） scaffolds： Characterization of composites， in vitro bioactivity， and in vivo bone repair［J］. J Tissue Eng Regen Med， 2022， 16（3）： 267-278.
29	ZHAO S， XIE K， GUO Y， et al. Fabrication and biological activity of 3D-printed polycaprolactone/magnesium porous scaffolds for critical size bone defect repair［J］. ACS Biomater Sci Eng， 2020， 6（9）： 5120-5131.
30	CHEN W T， NICHOLS L， BRINKLEY F， et al. Alkali treatment facilitates functional nano-hydroxyapatite coating of 3D printed polylactic acid scaffolds［J］. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl， 2021， 120： 111686.
31	ZHANG Z Z， ZHANG H Z， ZHANG Z Y. 3D printed poly（ε-caprolactone） scaffolds function with simvastatin-loaded poly（lactic-co-glycolic acid） microspheres to repair load-bearing segmental bone defects［J］. Exp Ther Med， 2019， 17（1）： 79-90.
32	POUHAËR M， PICART G， BAYA D， et al. Design of 3D-printed macro-models for undergraduates’ preclinical practice of endodontic access cavities［J］. Eur J Dent Educ， 2022， 26（2）： 347-353.
33	GIACOMINI G O， DOTTO G N， MELLO W M，et al. Three-dimensional printed model for preclinical training in oral radiology［J］. Eur J Dent Educ， 2022.DOI：10.1111/eje.12801 . doi: 10.1111/eje.12801
34	BHADRA D， SHAH N C， ARORA A， et al. Deducing a surgical dilemma using a novel three dimensional printing technique［J］. J Conserv Dent， 2018， 21（5）： 582-585.
35	JABER S T， HAJEER M Y， KHATTAB T Z， et al. Evaluation of the fused deposition modeling and the digital light processing techniques in terms of dimensional accuracy of printing dental models used for the fabrication of clear aligners［J］. Clin Exp Dent Res， 2021， 7（4）： 591-600.
36	MOHD TAHIR N， WAN HASSAN W N， SAUB R. Comparing retainers constructed on conventional stone models and on 3D printed models： a randomized crossover clinical study［J］. Eur J Orthod， 2019， 41（4）： 370-380.
37	WANG X， SU J S. Evaluation of precision of custom edentulous trays fabricated with 3D printing technologies［J］.Int J Prosthodont，2021，34（1）： 109-117.
38	SHILO D， CAPUCHA T， GOLDSTEIN D， et al. Treatment of facial deformities using 3D planning and printing of patient-specific implants［J］. J Vis Exp， 2020，159.DOI：10.3791/60930 . doi: 10.3791/60930
39	ROY CHOWDHURY S K， SHADAMARSHAN RENGASAYEE A， KRISHNAPRABHU R. The application of pre-operative three-dimensional models in the management of mandibular pathology： is it really useful？ an institutional study［J］. J Maxillofac Oral Surg， 2021， 20（1）： 121-131.
40	ATEF M， MOUNIR M. Computer-guided inferior alveolar nerve lateralization with simultaneous implant placement： a preliminary report［J］. J Oral Implantol， 2018， 44（3）： 192-197.
41	SUN Y， DING Q， TANG L， et al. Accuracy of a chairside fused deposition modeling 3D-printed single-tooth surgical template for implant placement： an in vitro comparison with a light cured template［J］. J Craniomaxillofac Surg， 2019， 47（8）： 1216-1221.
42	PIERALLI S， SPIES B C， HROMADNIK V， et al. How accurate is oral implant installation using surgical guides printed from a degradable and steam-sterilized biopolymer？［J］. J Clin Med， 2020， 9（8）： 2322.
43	ROUZÉ L'ALZIT F， CADE R， NAVEAU A， et al. Accuracy of commercial 3D printers for the fabrication of surgical guides in dental implantology［J］. J Dent， 2022， 117： 103909.
44	YOUSEFI F， SHOKRI A， FARHADIAN M， et al. Accuracy of maxillofacial prototypes fabricated by different 3-dimensional printing technologies using multi-slice and cone-beam computed tomography［J］. Imaging Sci Dent， 2021， 51（1）： 41-47.
45	DING L， CHEN X， ZHANG J， et al. Digital fabrication of a maxillary obturator prosthesis by using a 3-dimensionally-printed polyetheretherketone framework［J］. J Prosthet Dent，2023，129（1）：230-233.
46	CHEN X， WANG F， SUN F F， et al. Digital fabrication of an adult speech aid prosthesis by using a 3-dimensionally printed polyetheretherketone framework［J］. J Prosthet Dent， 2022，127（2）： 358-361.
47	WANG C， HUANG W， ZHOU Y， et al. 3D printing of bone tissue engineering scaffolds［J］. Bioact Mater， 2020， 5（1）： 82-91.
48	PARK S A， LEE S J， SEOK J M， et al. Fabrication of 3D printed PCL/PEG polyblend scaffold using rapid prototyping system for bone tissue engineering application［J］. J Bionic Eng， 2018， 15（3）： 435-442.
49	LEE C H， HAJIBANDEH J， SUZUKI T， et al. Three-dimensional printed multiphase scaffolds for regeneration of periodontium complex［J］. Tissue Eng Part A， 2014， 20（7/8）： 1342-1351.
50	CUI M S， PAN H， LI L， et al. Exploration and preparation of patient-specific ciprofloxacin implants drug delivery system via 3D printing technologies［J］. J Pharm Sci， 2021， 110（11）： 3678-3689.

[1]	金明明,孙然,范明慧,高璐,盛敏佳. 脐带间充质干细胞在女性生殖系统疾病治疗中应用的研究进展[J]. 吉林大学学报(医学版), 2025, 51(3): 839-847.
[2]	刘鑫钢,陈旭,刘亚东,苗锦虎,邵国喜. 3D打印PLA/PTMC-Ca₃(PO₄)₂复合支架制备及其对兔骨髓间充质干细胞成骨分化的影响[J]. 吉林大学学报(医学版), 2024, 50(6): 1519-1525.
[3]	李国鑫,赵小琳,李晨曦,刘影驰,朱芷墨,袁瑶,安政雯. DMSCs三维培养方法及其在组织再生和疾病治疗中应用的研究进展[J]. 吉林大学学报(医学版), 2024, 50(2): 564-571.
[4]	刘帅,商圣涛,尹腾程,薛锦儒,刘曦宇,侯奕楠,王岩. 3D打印钛合金胸骨治疗传统钛板胸骨重建术失败患者1例报告及文献复习[J]. 吉林大学学报(医学版), 2023, 49(5): 1351-1357.
[5]	李腾海,杨田野,彭维海. 3D打印耳廓模型在耳廓再造软骨支架雕刻成形中的应用[J]. 吉林大学学报(医学版), 2023, 49(3): 770-776.
[6]	陈丽燕,林景广. 经微弧氧化/碱处理并加载RGD肽涂层多孔钛合金支架的制备及其生物学特性[J]. 吉林大学学报(医学版), 2023, 49(1): 84-93.
[7]	潘洁, 汪德州, 宋文植. 新型nHA/PLGA纳米复合微球对大鼠颅骨缺损的修复作用[J]. 吉林大学学报(医学版), 2022, 48(3): 615-621.
[8]	王蕊,李美华,周万琳. 3D打印钛合金种植体的制备及其骨结合性能[J]. 吉林大学学报(医学版), 2021, 47(1): 82-88.
[9]	吴乃超, 韩青, 李珊, 陈炳鹏, 张奥博, 刘旸, 王金成. 3D打印技术辅助术前设计和重建肘关节解剖结构1例报告及文献复习[J]. 吉林大学学报(医学版), 2019, 45(06): 1422-1426.
[10]	王宁宁, 徐志民, 郑叶, 张赢心, 韩冰. 聚多巴胺涂层3D打印双相磷酸钙组织工程支架的制备及其评价[J]. 吉林大学学报(医学版), 2019, 45(04): 955-959.
[11]	陈辰, 韩青, 陈炳鹏, 王辰宇, 张客松, 杨科荣, 王金成. 3D打印技术辅助设计下个体化定制半肩关节假体在肱骨近端重建肩关节置换术中的应用[J]. 吉林大学学报(医学版), 2019, 45(03): 614-620.
[12]	赵一安, 杨舒婷, 李亚龙, 刘国民, 孙淑芬, 罗云纲. 静电喷雾法制备聚乳酸-羟基乙酸共聚物/羟基磷灰石微载体的工艺及其效果评价[J]. 吉林大学学报(医学版), 2019, 45(02): 439-444.
[13]	闫志文, 李硕峰, 李傲, 张帆, 赵文迪, 李静怡, 黄东铭, 李思奇, 孙红. 3D生物打印技术在组织工程和器官移植中应用的研究进展[J]. 吉林大学学报(医学版), 2019, 45(01): 197-201.
[14]	张客松, 韩青, 陈炳鹏, 邹运, 杨科荣, 王辰宇, 王金成. 3D打印技术辅助治疗髋臼肿瘤1例报告及文献复习[J]. 吉林大学学报(医学版), 2018, 44(04): 828-832.
[15]	夏轶超, 澈力格尔, 李宝印, 文静, 孙静淳, 王宁宁, 韩冰. 壳聚糖膜覆盖3D打印双相磷酸钙骨组织工程支架的制备和性能[J]. 吉林大学学报(医学版), 2018, 44(04): 770-775.