通快TruPrint 1000:激光熔融3D打印能推动国产种植体实现弯道超车吗?

国际金属加工网 2021年04月07日

牙种植体在全球有着巨大的消费市场,近年来中国每年牙种植体销量都呈现上涨趋势,随着对生活质量的不断提升,人们对口腔问题也会越来越重视。

为了让读者更全面地了解牙种植体的相关知识,本文对相关技术进行了详细的阐述。为了方便大家抓住关键点,小编贴心地梳理了以下要点:

要点归纳

国产牙种植体的现状及局限性

激光熔融 3D 打印牙种植体的优势及应用

国内科研单位利用 3D 打印在牙种植体上的探索和创新

市场容量的不断扩大会带来国产产品技术的跃升吗? 以技术要求最高的牙科种植体为例。国外种植牙产品(系统)知名度较高的企业有丹纳赫 Nobel Biocare AB、BEGO、ITI Straussmann 等,他们产品售价高,利润厚,占有国内市场的大壁江山。相比之下,国产种植牙产品发展尚处于初期阶段,产品设计也以借鉴国外产品为主,精密车削加工在 CAD-CAM 应用实例中表现和费效比并不完善,加上设计专利的短板,国产厂商在牙种植体设计制造方面始终无法突出重围,价格战策略也自然不可能奏效。事实上,虽然国产种植体单价只有同类进口产品的一半甚至更低,但长年以来市场份额始终徘徊在 10% 左右,国产替代的前景甚不明朗。

上图:瑞士 Nobel biocare Nobelactive 种植体

下图:瑞士 ITI Straussmann 瑞锆系列种植体

上图图片来源:Danaher Nobel biocare 的官网

下图图片来源:ITI Straussmann 的官网

牙种植体虽然看上去与普通小螺钉无异,但实际上技术含量却非常高,涉及到材料技术、数字模拟,机械设计,生物学、生物力学,临床医学等多个学科。

牙种植体与普通螺丝区别最大的一点是它的使用环境, 即它是一根钉入人体牙槽嵴的特种螺钉。人类骨组织的维持对它承载的应力有着苛刻的要求。具体来说,种植体对周围骨组织必须施加适当的剪切力/ 压应力,辅之以骨粉/骨膜以诱发成骨过程来修复种植手术所造成的骨量损失。种植体周围骨组织所受剪切力/压应力始终保持在植骨界面应力屏蔽的阈值之上(一般认为是 2MPa),否则骨组织没有足够承载压力就会被吸收萎缩。但同时扭力又不能过大防止引起骨损伤(一般认为是 60MPa),造成种植体周围发炎,种植体周围骨组织的持续流失。最终这根牙种植体也就摇摇欲坠,患者不得不再一次承受重新手术的痛苦。

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二段分离潜入式牙种植过程示意图(单颗牙种植)

为了在种植体剪切和张拉动作对周围骨组织所施加的应力影响的狭小窗口中寻找最佳平衡,设计的诀窍是如何在粗糙孔隙表面的基础上通过表面设计获取最大植骨接触(Bone Implant Contact,BIC),最终达到最高的种植体的稳定系数(Implant Stability Quotient, ISQi)。在过去的几代种植体设计中,不断改变种植体柱体壁锥形度、螺纹密度、螺距、螺深、螺形、切削口宽度,植体颈部纹路的尝试都无法彻底解决应力屏蔽和骨吸收的问题。如果想设计更复杂的造型,那么当前的车削工艺就显露出较差的费效比。而这时候增材制造就充分显示出其定制化的优势了。

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以色列 A.B. Dental 公司 3Di 系列种植体

图片来源:A.B. dental 的官网

以色列 A.B. Dental 公司与 University of Delaware 大学的 Zvi Schwartz 教授联合发布了激光选区熔融 3D 打印 3Di 个性化种植体系列(Ti6Al4V-ELI基材)。其粗糙孔隙表面模拟了自然骨的形态增加了 BIC,配合其亲水性表面增了强骨整合效果。该产品正在进行广泛的体外及临床测试,预计很快将获得注册并上市销售。

激光熔融3D打印制造多孔支架牙种植 SEM 结果,MC3T3-E1 细胞在种植体多孔支架表面粘附荧光显微镜结果

图片来源:Yang F, Chen C, Zhou Q, Gong Y, Li R, Li C, Klämpfl F, Freund S, Wu X, Sun Y, Li X, Schmidt M, Ma D, Yu Y. Laser beam melting 3D printing of Ti6Al4V based porous structured dental implants: fabrication, biocompatibility analysis and photoelastic study. Sci Rep. 2017 Mar 28;7:45360. 

国内的科研单位在激光熔融 3D 打印种植体方面也颇有建树。在 2017 年,复旦大学中山医院口腔科余优成教授研究发表了激光熔融 3D 打印支架结构牙种植体相关论文,旨在通过在钛合金种植体柱体上打印 100-500 微米左右的多孔支架来降低局部弹性模量,从而降低应力屏蔽的风险并优化植体轴向的应力分散。事实表明,多孔支架能够通过改变应力传递对细胞信号道施加影响,提速成骨细胞的粘附和增殖效率,最后达到提高骨整合效率的效果。更多来自吉林大学、上海交通大学等科研单位的的研究表明,激光熔融 3D 打印在未来的应用是大势所趋。

那激光熔融 3D 打印能推动国产种植体实现弯道超车吗? 答案是一定的。在解决种植体表面处理、内径螺丝加工的问题后,各种形态的种植体将会不断涌现。同时激光增材制造钛锆合金和其他生物陶瓷正在成为下一个技术挑战。只要把握住这个技术风口,国产种植体在临床表现上战胜进口种植体就指日可待!

TruPrint 1000 是通快一款紧凑稳定的 3D 打印设备。成型空间 Ø100 x 100 mm³,可配置 1 至 2 台通快 200W 光纤激光器。光斑尺寸仅 55μm,最小可选配 30μm,可以保证优质的表面质量和尺寸精度。可选配粉床监控,并结合通快的工业级监控软件和传感器,实现激光熔融过程的全方位质量保证。为了匹配客户的需求亦可以开放数据协议端口,并且由德国总部提供丰富的粉料参数包,相比其他竞品有着更高的灵活性。

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通快一直重视在医疗器械行业的发展,也在医疗行业根植了多年。目前我们也与高校及附属医院进行应用合作项目,通过为临床医生定制种植体 CAD 设计、激光熔融 3D 打印打样,并且提供部分后期机加工、表面处理、材料形貌表征和机械测试的渠道服务来帮助临床医生有效简化研发流程,把更多注意力放在提高医疗器械的临床表现上。同时针对医疗器械生产商,我们强化为客户提供 IQ/OQ/MQ 的能力。通过在产学研平台不断挖掘和满足客户需求来提高国产医疗器械的生产设计水平,如您有相关需求可与通快激光陈经理联系。

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(激光市场部 通快)

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