陆伟 李涤尘 吴国锋

聚醚醚酮(PEEK)材料是近年来备受关注的新型生物材料，因其具有优良的力学性能、热稳定性、生物相容性和耐磨损性等，所以适合于制作人体骨组织支架和高寿命人工关节等，2013 年美国食品药品监督管理局(FDA)已批准PEEK人工骨关节临床产品上市[1]。近3 年来围绕如何结合3D 打印技术( 3D printing technology，3DP)制造具有精准解剖结构的植入物是本领域的热点问题[2-3]，本课题组成员前期工作中曾采用3D打印PEEK技术制作并临床实际成功应用了人工肋骨、肩胛骨、椎板等人体植入物[4-6]，但3D打印PEEK口腔修复体临床应用目前尚未见国内外报道。

作者自2019 年初以来开展了一项旨在验证3D打印PEEK口腔修复体技术的临床试验，修复体类型包括可摘局部义齿、颌面缺损赝复体等，研究内容涵及3D打印PEEK材料基本性能、3D打印PEEK口腔修复体临床应用效果、存在问题和未来展望，本文将结合最新文献对此作初步总结报告。

1 3D打印PEEK材料的基本性能

1.1 加工性能

目前口腔修复体加工方式主要包括精密铸造、注塑成型、数控铣削和3D打印多种方法。本研究应用熔融沉积制造(Fused Deposition Modeling，FDM)工艺，成功实现对可摘局部义齿等口腔修复体的3D打印：PEEK丝材熔融、挤出及成型加工性能良好；所获修复体整体形态完整，材料质地致密、未见明显加工缺陷；卡环、牙合支托等细微结构清晰，修复体成品表面通过特定工艺可以实现良好抛光。作者研究中通过改进打印喷嘴，可以精准打印最小规格为0.2 mm×0.2 mm的网格状试件(图1)，并有望进一步提高打印精度。相较于其他口腔修复体加工方法，3D打印技术因其加工周期短、材料浪费量少、可以成形复杂形态等优点，更适合口腔修复体个体化单件定制的临床要求。此外，3D打印加工时可以通过温度场调控等手段实现不同口腔修复体具有不同的刚度和弹性等性能[7]，亦可向PEEK基材内添加复合氧化钛、短纤维等用于改进成品的美学和力学性能(图2)，以更好地满足口腔修复临床需求。

图1 喷嘴挤丝直径为0.2mm的打印试件 图2 添加氧化钛与纯PEEK口腔修复体

1.2 机械性能

郭芳等[8]曾报道对三种不同加工方法获得的PEEK试件进行机械性能比较，结果显示：3D打印PEEK(Jugao-MT45 PEEK，陕西聚高)试件的拉伸模量为(374 6.40±266.26) MPa、拉伸强度为(95.55±1.85) Mpa、弯曲模量(3 578.80±131.84) MPa、弯曲强度(140.62±2.12) MPa、压缩模量(2 779.20±126.84) MPa、压缩强度(142.42±7.53) MPa；其抗拉能力与数控铣削、注塑成型相比无显著性差异；抗弯能力略低于机械加工，与注塑成型相比无显著性差异；抗压能力与数控铣削相比无显著性差异，明显优于注塑成型。作者按照相应国家标准(GB/T1040.1-2006、GB/T1040.2-2006、GB/T 9341-2008、GB/T1041-2008等)，制备3D打印PEEK(赢创Evonik，德国)标准试件进行测试，结果显示3D打印PEEK机械强度显著高于牙科聚甲基丙烯酸酯基托树脂试件(山八齿材，日本)，提示其可用于可摘局部义齿基托等制作。目前初步研究结论是3D打印PEEK试件力学性能较佳，符合口腔修复体关于机械性能方面的的临床要求。

1.3 粘接性能

PEEK本身属于一种惰性材料，其表面需要经过粗化处理才能与常用牙科材料发生可靠粘接。因此，作者研究观察了喷砂(50 μm Al2O3颗粒，0.25 MPa压力)、酸蚀(98%浓硫酸)等表面粗化处理方法对3D打印PEEK试件表面形貌的影响。研究结果显示：电镜下未处理组3D打印PEEK表面试件呈现为较为平坦的表面；喷砂处理组表面可见明显被粗化；酸蚀处理组则可见其表面呈均匀孔蚀状形态，孔隙大小形态规则一致(图3A～E)。该研究结果与作者另一项关于聚醚酮酮(PEKK)材料表面粗化试验研究结果相似[9]，显示3D打印PEEK材料试件打磨后使用98%浓硫酸酸蚀5 s组为最优组。研究中还初步测量到酸蚀组3D打印PEEK试件与牙科粘接树脂粘接强度平均值为16.41 MPa，能够达到临床牙科树脂粘接要求(≥15 MPa)。

A：未处理组(表面单纯打磨)；B：打磨后喷砂处理组；C：打磨后酸蚀5 s组；D：打磨后酸蚀30 s组；E：打磨后酸蚀60 s组图3 不同表面处理方法对3D打印PEEK试件表面形态影响(SEM)

2 3D打印PEEK口腔修复体的临床应用

本部分研究全程受南京大学医学院附属口腔医院(南京市口腔医院)伦理委员会监督和指导(临床试验批准编号：2019NL-006)。

2.1 可摘局部义齿应用

2.1.1 制作可摘局部义齿支架 患者为1例下颌双侧第一磨牙缺失伴四环素牙病例，治疗方案计划通过双侧可摘局部义齿修复牙列缺损。治疗过程中首先通过数字化口内扫描仪获取了患者牙列三维信息，然后通过义齿设计软件获得可摘局部义齿支架(图4A)，最后采用3D打印技术制作PEEK可摘局部义齿支架。因患者口内余留牙颜色呈棕褐色，因此材料选用纯PEEK材料制作义齿支架，临床试戴支架结果显示其形态完整、就位顺利、颜色呈黄褐色，患者表示对其佩戴与美观效果满意。后续在此义齿支架上排牙充胶等常规操作(图4B～C)。临床初戴义齿时义齿固位与稳定效果良好修复效果满意(图4D)，本研究观察期内(临床初戴后10 个月)口腔修复体未见有修复体发生变形、折断等不良现象。

2.1.2 制作一体化可摘局部义齿 患者16牙缺失，治疗计划行一体化3D打印PEEK可摘局部义齿修复(图5A)。与本文中上一病例不同之处在于，该技术直接同时打印出完整义齿基托和人工牙，无需进行后续人工牙排列、基托装盒充胶等操作，因此简化了临床流程，同时打印材料选用了含有二氧化钛的PEEK材料用于改善义齿卡环颜色[10]。经患者口内试戴，义齿就位与稳定性良好，其卡环固位力与基托适合性均满足临床要求(图5B～F)。但在临床实践中观察到3D打印PEEK义齿外观为白灰色，与患者口腔黏膜和余留牙颜色差异较大，作者对义齿基托和人工牙颊尖区域进行了材料回切与烤塑处理(图5D)，结果其美学效果患者非常满意。因PEEK制作的人工牙的耐磨性要明显高于普通树脂牙和复合树脂牙[11-12]，作者保留了义齿人工牙功能尖(舌尖)原有PEEK材料，临床戴用6 个月效果显示未见义齿牙尖有明显磨耗。此外，因3D打印PEEK材料密度值低，本研究中新制作的3D一体化打印120#PEEK可摘局部义齿修复体与患者原有金属修复体重量对比，观察到PEEK修复体重量减轻在59%～65%之间(图6A～B)。

A：可摘局部义齿支架软件设计;B：最终完成的PEEK可摘局部义齿;C：最终完成的PEEK可摘局部义齿树脂模型就位情况;D：最终完成的PEEK可摘局部义齿口内试戴情况图4 D打印纯PEEK可摘局部义齿支架

2.2 颌面缺损赝复体应用

2.2.1 制作上颌骨缺损阻塞器 在成功应用3D打印PEEK技术制作普通可摘局部义齿之后，作者尝试将其用于制作大型颌骨缺损赝复体支架并获得成功。患者为1 例因肿瘤切除致使半侧上颌骨缺损病例，计划行上颌骨阻塞器修复。治疗过程同前，通过获取数字化模型，在义齿设计软件中设计出支架，通过PEEK打印机FDM打印(图7A)，顺利3D打印出纯PEEK材料赝复体支架(图7B)，去除支撑并表面抛光后获得所需PEEK赝复体支架(图7C)，后经常规排牙充胶等技工处理得到最终的上颌骨缺损阻塞器义齿。患者口内试戴，卡环适合性及固位良好，戴用6 个月后复查，患者对赝复体使用效果良好(图7D)。

A：3D打印完成的PEEK可摘局部义齿;B：义齿修复前口内观(面观);C：义齿修复前口内观(颊面观);D：一体化3D打印PEEK可摘局部义齿烤塑后;E：义齿修复后口内观(面观);F：义齿修复后口内观(颊面观)图5 3D打印一体化PEEK可摘局部义齿

A：一体化打印可摘局部义齿;B：传统钴铬合金支架可摘局部义齿图6 患者同一牙位不同材料可摘局部义齿重量

2.2.2 制作软腭缺损语音球 该患者因咽部鳞状细胞癌切除术后致使软腭缺损，之前曾行普通钴铬合金支架语音球赝复，患者自诉赝复体过重且作吞咽动作时咽部不适。作者为其设计制作了3D打印的PEEK语音球支架，打印材料选用复合二氧化钛的PEEK材料，顺利打印出PEEK语音球支架(图8A)；临床试戴支架观察到其与患者口腔软硬组织贴合紧密，固位良好，后经制作二次印模、分割模型及围模灌注等操作获得软腭缺损终模型(图8B)，最后通过常规技工处理获得最终的PEEK软腭缺损语音球赝复体(图8C)。患者反映新语音球赝复体戴用轻便，并且材料具有适当弹性，咽部不适感显著减轻。

3 3D打印PEEK口腔修复体存在问题

3.1 美观问题

目前3D打印PEEK技术研究主要用于人工胸骨、肋颅骨缺损补片等人体植入物等，因此对其成品外观颜色并无特殊要求，一般呈现PEEK材料本身的棕褐色，但不能满足牙科材料美学性能的要求。作者前期研究中曾尝试利用数字化技术铣削红色PEEK材料盘方法，获得了颜色接近于口腔黏膜的全口义齿PEEK基板(图9A)，成功制作了上颌半口义齿(图9B)。3D打印技术优势在于其不仅节省原材料，而且适合于研制多种接近牙本质色和牙龈色的3D打印PEEK基材料(图10)。因此未来研制多种不同牙龈色/牙齿颜色3D打印PEEK材料是值得探索的研究方向。当前3D打印PEEK口腔修复体可以通过表面树脂烤塑来解决美观问题[13-14]，本研究进行期间未观察到PEEK修复体饰面树脂崩脱等不良情况，仍需长期随访。

A：3D打印PEEK设备;B：3D打印完成的PEEK赝复体支架(未去除支撑);C：3D打印完成的PEEK赝复体支架(去除支撑后);D：3D打印PEEK赝复体临床初戴情况图7 3D打印的纯PEEK颌骨缺损阻塞器支架

A：3D打印完成的PEEK语音球支架(未去除支撑);B：临床二次印模、分割模型及围模灌注;C：最终完成的3D打印PEEK语音球赝复体图8 3D打印PEEK语音球支架

A：数字化铣削牙龈色PEEK基托口内试戴情况;B：最终完成的数字化铣削牙龈色PEEK上颌半口义齿临床试戴情况图9 数字化铣削技术制作PEEK上颌半口义齿

3.2 强度问题

PEEK的弹性模量和硬度低于传统的金属合金，但其具有与金属合金相近的抗磨损性能[15]。Nazari等[16]报道PEEK种植固定桥修复体的平均破坏荷载为(1 430±262) N，能满足磨牙区正常的咬合力。根据PEEK卡环体外三维有限元分析研究，目前建议PEEK卡环宽度设计为3.00 mm、底部厚度为为2.25 mm，进入基牙倒凹深度0.50 mm时具有最佳的机械性能[17]。本研究验证了3D打印PEEK制作可摘式口腔修复体具有临床可行性，但应进一步研究如何提升材料强度与改进加工工艺。已有研究在3D打印PEEK基材中加入碳纤维、玻璃纤维或纳米复合物来改善PEEK基材的机械性能及颜色[18]。关于3D打印PEEK打印条件的设置，目前认为拉伸强度的理想参数是打印速度60 mm/s，层厚0.25 mm，打印温度370 ℃，填充率60%；最佳延伸率组合设定为打印速度为20 mm/s，层厚为0.25 mm，打印温度370 ℃，填充率40%；弹性最佳组合为打印速度60 mm/s，层厚0.2 mm，打印温度360 ℃，填充率为60%[19]。

3.3 精度问题

李欣欣等[20]曾应用数字化铣削方法制作一体化PEEK可摘局部，并在体外石膏模型上对义齿不同形态组件适合性作定量评价，结果显示支托的平均间隙分别为(84.3± 23.6) μm、基托平均间隙为(32.5±27.8) μm、大连接体的平均间隙(49.9±9.96) μm。作者在上述研究基础上，采用3D打印技术制作PEEK口腔修复体并在临床实际戴用，观察到修复体与患者余留牙和口腔黏膜贴合紧密，长期使用后未出现支架变形、食物嵌塞等不良现象，目前初步结论是3D打印技术制作的PEEK义齿能够达到临床要求，后续计划将设计科学试验以对修复体制作精度和口内密合情况进行定量分析，为临床应用提供依据。

4 3D打印PEEK口腔修复体的未来展望

本临床研究初步验证了证3D打印 PEEK口腔修复体的可行性，虽然临床效果良好，但其距离成熟临床应用尚存很多问题亟待解决，例如：需要研制多种系列牙龈色和牙齿颜色PEEK打印材料以满足临床牙科美学性能要求，需要系统研究不同口腔修复体形式下PEEK材料的抗疲劳性能表现；应摆脱传统金属支架义齿设计理念条框，依据PEEK材料特性重新设计口腔修复体支架设计方案；3D打印PEEK修复体表面抛光工艺及检测标准尚需研究；3D打印PEEK可摘局部义齿如何进行基托重衬或义齿维修；需要设计科学的随机对照临床试验来验证3D打印PEEK可摘义齿修复体性能,总体而言，作者认为3D打印PEEK口腔修复体有研究价值，并有望在可摘局部义齿和颌面缺损赝复体领域推广应用，为临床提供一种新型材料和制作方法选择。