通过增材制造技术制作的具有温度响应特性的个性化正畸矫治器

《Additive Manufacturing》：Additively Manufactured Thermoresponsive Patient-Specific Orthodontic Typodonts

　　•针对患者的3D打印牙模可精确监测牙齿移动范围，误差在±0.5毫米以内•热响应型多材料FFF技术可实现可重复的程序化移动-固定治疗流程•经过筛选的720种设计晶格库符合设备级的牙模要求•通过有限元分析与实验相结合的筛选方法，从457种可打印晶格中选出6种最佳候选方案

引言
正畸治疗对牙齿及其支撑组织的功能、外观以及长期健康状况有着重要影响。临床治疗效果取决于牙齿移动计划的精确程度及控制水平。[1]、[2] 若能拥有精准模拟正畸牙齿移动的工具，临床医生便可在治疗前测试力值系统，选择更安全、力度更小的力量，减少试错次数，进而缩短就诊时间与整体治疗时长。[3]、[4] 简而言之，更优的模拟效果意味着更少的并发症以及更可预测的治疗结果。[5] 目前的预测方法主要分为数值模型和物理模型两大类。就数值模型而言，有限元分析能够详细预测应力与初始位移，但对实际中存在不确定性的输入参数极为敏感。[6]、[7] 在正畸牙齿移动过程中起关键作用的牙周韧带的本构行为难以确定，接触与摩擦条件也很难界定，而且边界条件的微小变化都可能导致预测的牙齿移动出现较大差异。[8]、[9] 除了计算预测之外，正畸实践目前还缺乏一种可重复使用、具备定量能力且解剖结构准确的物理模型，无法在接近临床实际的力量作用下再现真实的牙齿移动过程。蜡制牙模是目前常用的标准物理模型，仍可用于教授基础力学知识。[10] 然而，这种模具很难与患者的口腔解剖结构相匹配，需要人工操作且制作速度较慢，同时其材质为均匀的整体结构，无法呈现牙周韧带那种低模量、各向异性且随时间变化的特性。[11] 因此，现有牙模所模拟的牙齿移动情况与患者实际情况存在显著差异。此外，蜡材的热质量较大，加热和冷却速度缓慢，难以实现可控、可重复的激活过程，也会降低实验效率。最后，蜡并非形状记忆材料，其刚度无法调节，所以蜡制牙模仍然属于静态、一次性使用的工具，无法模拟真实且随时间变化的牙齿移动过程。[12]、[13] 至今，还不存在一种经过验证、针对特定患者的牙模，能够同时满足以下要求：（i）保留牙齿的解剖结构；（ii）模拟牙周韧带的顺弹性、各向异性以及区域性的力学特性；（iii）支持快速、可重复的程序化移动-固定循环；（iv）能与患者的实际牙齿移动数据进行定量对比。

四维打印通过在3D打印的基础上引入时间这一额外设计维度，使得打印出的结构能够对外部刺激（如热量、[14]、[15]电流、[16]光线、[17]湿气、[18]或磁场[19]）作出反应，从而改变自身的形状、刚度或功能。这种特性是通过使用智能材料实现的，这类材料的微观结构或聚合物网络能够在刺激作用下发生可逆的重构，从而实现可编程、可预测的结构变化。[20] 在生物医学领域，4D打印已被用于制造自膨胀支架、[21]血管支架、[22]药物释放系统，以及能够在生理条件下发生折叠或收缩的组织构建体。[24] 在这些应用中，基于热效应或水合作用的驱动机制最为常用，因为它们无需外部硬件即可实现直接且具有生物相容性的控制功能。[25] 数字设计与响应型材料的结合使得这类系统能够根据不同患者的具体情况进行定制，可用于微创或可重复的操作。不过，4D打印在牙科领域的应用仍然十分有限，目前大多仅用于制造用于移动牙齿的治疗装置（如具有形状记忆功能的矫正器或弓丝），而非用于定量模拟正畸牙齿移动并可与临床扫描数据相互验证的可重复使用物理平台。[26]、[27]、[28] 近年来，4D打印技术、响应型形状记忆聚合物复合材料，以及可编程机械超材料与智能生物医学结构的增材制造技术都取得了新的进展，进一步拓展了下一代响应型设备的设计可能性。[29]、[30]、[31]、[32]、[33] 但迄今为止，这些进展仍未产生出我们在此所设计的那种针对特定患者、经过临床验证的正畸牙齿移动模拟器。因此，一种针对特定患者、具备可恢复功能且能与临床牙齿移动数据保持可测量程度一致性的生物力学模拟器，依然是当前亟待解决的需求。

结构化晶格提供了一种通过几何结构而非化学成分来调控刚度、各向异性以及变形模式的有效途径。[34]、[35]、[36]、[37] 在生物医学工程领域，三周期极小曲面以及其他晶格拓扑结构已被广泛用于研究骨支架、骨整合种植体以及承重组织构建体，这类结构的互连孔隙结构、可调控的有效刚度以及较高的表面积与体积比，使其能够与宿主组织在力学性能上相匹配，同时也有利于细胞渗透所需的物质传输。[38] 结合响应型聚合物后，这类结构还能够实现软化、变形、固定以及恢复等功能的全周期程序化控制，从而形成可重复使用且可编程的机械系统。[39] 尽管4D打印超材料的发展速度很快，但将晶格拓扑结构与整体顺弹性、局部应变集中情况以及大变形条件下的循环恢复能力联系起来的定量设计框架仍然较为匮乏，尤其是在多轴、与实际应用相关的载荷作用下的设计框架更为不足。一个核心问题在于，结构的恢复能力不仅受整体变形程度的影响，还会受到由结构本身的应力集中现象以及边界条件作用导致的局部应变过大的区域的影响。[40] 实际设计时需要在整体应变和局部峰值应变两个方面设定限制：一方面要实现预期的牙齿移动效果，另一方面又要保证结构的恢复能力与耐用性，这也就促使人们采用基于模型库的筛选方法，而非通过试错的方式来选择合适的结构设计。

为填补长期以来缺乏精准、可重复使用的正畸牙齿移动模拟器的空白，我们将热触发型形状记忆聚合物与结构化晶格相结合，打造出一种可编程、可恢复的牙周组织替代模型。在该模型中，晶格负责提供受几何结构控制的顺弹性与各向异性特性，而形状记忆聚合物则起到可逆的热开关作用：当温度高于玻璃化转变温度时，结构会变软，从而允许牙齿进行可控的移动；一旦温度下降，结构又会变硬，将变形后的状态固定下来，以便进行测量以及后续的治疗步骤。要在接近临床实际的多轴载荷作用下实现可重复的操作，就需要满足一系列严格的操作状态要求：在室温下要保持结构稳定性，以便于操作和调整牙齿位置；在高温状态下（温度高于玻璃化转变温度）要确保结构具有足够的流动性，以便于牙齿移动；同时还要控制局部应变的程度，以保证结构具备循环恢复能力。因此，我们采用了基于模型库的筛选方法，将打印可行性分析与自动化的有限元分析及实验结果筛选相结合，从而找出能够同时满足这些相互冲突要求的晶格结构与材料组合。

具体而言，我们首先[1]设计并制作出能够实现类似牙周韧带响应特性的、分区可调的形状记忆聚合物-晶格牙模；其次[2]在典型的以及较为剧烈的孤立性正畸移动场景下对该系统进行测试；最后[3]通过重叠分析以及云到云距离分析等方法，量化并验证该系统的移动精度与患者实际牙齿移动情况的匹配程度。总体而言，这项工作满足了长期以来临床领域对于一种可重复使用、针对特定患者的模拟平台的迫切需求，这类平台能够准确捕捉真实的牙齿移动力学特性，并借助合成结构材料实现基于力学特性的正畸装置优化设计。

章节节选
概念与工作流程
图1展示了我们的概念与工作流程，以及其与现有蜡制牙模的差异。我们从患者的数字牙模数据出发，先制作出[1]传统的蜡制牙模，再制作出[2]由形状记忆聚合物晶格与薄支撑外壳组成的4D打印牙模。正畸治疗在室温下进行，之后会将整个装置加热以使牙齿发生移动：在4D打印牙模中，是通过让形状记忆聚合物晶格的温度升高至其玻璃化转变温度以上来实现结构软化，从而使牙齿移动；而在蜡制牙模中则是……

材料制备与表征
本部分通过筛选合适的聚合物作为刚性牙齿/基座部分材料以及具有顺弹性且可恢复的晶格部分材料，为牙模装置奠定材料基础。我们首先概述了材料的制备与表征方法，随后通过热机械测试、循环测试以及界面测试，找出最能满足4D打印牙模在刚度对比、热驱动性能、恢复能力以及多材料粘接性能方面要求的材料组合。

基于生物学原理的考量
晶格库与打印可行性
本部分明确了使用所选的形状记忆聚合物以及目标FFF 3D打印机时，结构化晶格部分的可行设计空间。我们首先评估打印机的精度以及可能出现的打印故障类型，然后建立涵盖晶格拓扑结构、单元尺寸以及实体程度的晶格库，最后筛选出那些能够稳定打印、便于后续筛选及整合到牙模中的结构组合。

设计筛选框架
本部分将牙模的功能需求转化为针对晶格库的定量设计筛选标准。我们首先定义最恶劣的正畸载荷条件，描述用于评估可打印设计方案的自动化有限元分析流程，随后通过对整体运动、局部应变以及恢复能力等方面的操作周期限制，筛选出适合用于牙模制作的晶格结构候选项。

小型牙模的开发与测试结果
在本部分中，我们在开展针对全口牙齿的特定患者测试之前，先在孤立牙齿移动的场景下验证所选材料与晶格筛选框架的可靠性。通过使用专门用于测试不同类型牙齿移动的小型牙模，我们比较了有限元分析预测结果与实验测量结果在牙齿平移、侵入、倾斜以及旋转等方面的差异，并将结构的恢复性能与晶格体积中超过局部应变阈值的占比联系起来。

针对特定患者的全口牙模
本部分旨在验证当从孤立牙齿移动的场景过渡到与临床情况相符的全口牙齿治疗场景时，该设计框架是否依然具有准确的预测能力。我们介绍了针对特定患者的设计与制作流程、复现的治疗步骤以及扫描数据配准方法，随后通过云到云分析指标以及误差分解方法，评估牙模模拟结果与临床牙齿移动情况在各治疗阶段的匹配程度。

总结与结论
本研究提出了一种可重复使用、针对特定患者、具有热响应特性且通过增材制造技术制成的牙模平台，该平台能够定量模拟正畸牙齿移动过程，且在加热后可以恢复原有形状，从而实现多次重复使用。通过材料设计与表征工作，我们选择了SMP4D和PETG作为晶格结构以及牙齿/基座部分的材料，选择这些材料的依据包括其在25摄氏度时的刚度稳定性、在60摄氏度时的软化与恢复能力、良好的循环耐久性，以及出色的晶格结构与牙齿之间的粘接强度。

CRediT作者贡献说明
Nicole Bacca：方法设计、概念构思。Sánchez Cruz Ramón：方法设计、概念构思。J. William Boley：文章撰写——审稿与编辑、文章撰写——初稿撰写、项目监督、资源协调、项目管理、方法设计、研究实施、正式分析、概念构思。Elie Amm：文章撰写——审稿与编辑、文章撰写——初稿撰写、结果验证、项目监督、资源协调、方法设计、概念构思。Patriot Berisha：数据整理。Gracie Abdalla：结果验证、数据整理。

关于写作过程中生成式人工智能与人工智能辅助技术的声明
在撰写本手稿的过程中，作者们仅将基于生成式人工智能的语言工具（大型语言模型辅助工具）用于对自身撰写的文本进行语言润色、语法检查以及表述优化。这些工具并未被用于生成科学内容、解读实验结果或起草科学论点。所有的技术内容、数据分析、图表、结论以及最终的科学决策均完全由作者们独立完成。

利益冲突声明
作者们声明自己不存在任何已知的、可能影响本文研究结果的财务利益关系或个人关系。

致谢
作者们衷心感谢美国国家科学基金会的CAREER奖（项目编号CMMI-2047683；资助人J.W.B.）所提供的支持。同时，我们也非常感谢美国空军科学研究办公室的DURIP奖（项目编号FA9550-24-1-0073），正是该奖项的资助让我们购置了用于材料表征的DMA设备。本研究成果是基于美国国家科学基金会研究生研究奖学金项目（项目编号2234657；资助人N.B.）的支持而完成的。本材料中所表达的所有观点、发现、结论以及建议均属于作者们以及Amin Montazeri|Hatim Alqurashi|Patriot Berisha|Haolat Demilekun Sadiku|Gracie Abdalla|Ramón E. Sánchez Cruz|Nicole Bacca|Elie Amm|J. William Boley的观点。