3D打印技术在口腔种植修复中的应用进展

2019-4-10 11:04  来源:医学研究生学报
作者:谢明杰 李潇 阅读量:7972

    3D打印技术是快速成型技术之一,基于重建的三维数字模型,采用分层加工和叠加成形的方式制作实体模型的加工工艺。该技术在制作复杂的几何形态的实体上具有成型精度好,生产效率高,可重复性好等传统技术无法媲美的优势。随着科学的进步,3D打印技术在活体细胞培养和组织器官再生的方面的技术突破,使其广泛应用于骨关节外科、血管外科、烧伤科和器官移植等医学领域当中。另外,3D打印能制造精准的医学模型,提高了各学科术前诊断及手术定位的准确率,有益于疾病的治疗。

    目前,3D打印技术在口腔医学领域也有重要的应用,如在口腔颌面外科中,3D打印预成型的钛网提高眼眶爆裂骨折的整复效果。本文主要对3D打印技术的基本步骤及其在口腔种植、口腔修复方面的应用作一综述。

    1.3D打印的步骤

    1.1采集数据

    三维数据的采集是模型制作的首要步骤。常用方式有软件设计、光学扫描、机械式扫描和放射学扫描四种方式,经计算机和软件技术处理后可成为理想的三维数据。目前常用于口腔种植修复领域的方式主要是光学扫描和放射学扫描。

    1.2处理数据

    将获得的数据导入三维重建软件,并用携带相关软件的计算机来处理。以计算机辅助设计制作种植导板为例,对患者需种植部位进行CT扫描,并将其CT扫描数据保存为DICOM格式输出并导入计算机。利用相关软件读取数据进行三维重建,在此基础上结合患者的信息,使用计算机辅助种植设计相关的商业软件,制定最佳种植设计方案,最后将导板模型数据经处理后输入快速成型机加工制作。

    1.33D打印

    3D打印技术根据制造方法的种类不同大致可分为:光固化成型(stereolithography appearance,SLA)、选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)、熔融沉积成型、分层实体制造和三维喷墨打印技术。

    值得一提的是,选择性激光熔融(selective laser melting,SLM)是近年来诞生的技术,其利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术,能直接成型出接近完全致密度的金属零件,克服了SLS制造金属零件工艺过程复杂的困扰,适合用于制造金属内冠和义齿支架。直接金属激光烧结技术(direct metal laser sintering,DMLS)则是通过使用高能量的激光束再由3D模型数据控制来局部熔化金属基体,同时烧结固化粉末金属材料并自动地层层堆叠,以生成致密的几何形状的实体零件,多被应用于制作个性化种植体。

    2.3D打印技术在口腔种植领域的应用

    2.1口腔种植导板

    在种植技术还处于早期发展阶段时,种植体植入的角度和位置需要在手术中翻开黏骨膜瓣后,根据局部骨组织情况来确定,手术易出现植入位置不正等不良结果,进而影响后期的修复效果。早期压膜式手术导板,存在倒凹过大、易变形等问题。更关键的是,压膜式导板是在诊断模型上制作,不能参考骨组织信息,无法明确植入区的颌骨三维结构,不适用于多个植入体需获得一致种植角度、需要完成即刻义齿修复或全牙列的种植修复等口腔条件较差的患者。

    随着三维影像成像技术和计算机技术的不断进步,数字化技术在口腔种植领域中得到极大的发展。利用计算机断层扫描或光学扫描,结合解剖结构和修复体的参数,从而获得三维数字化种植数据,便可在术前对种植区的解剖进行分析,合理设计种植体位置。根据以上设计,利用3D打印技术制作出种植导板,能克服传统压膜导板的缺点。不仅如此,将椅旁光学扫描、3D打印技术相结合,首诊时可在椅旁采集数据打印制备种植导板,复诊时便可利用导板辅助种植体准确植入,降低了手术需要的治疗和时间成本。现阶段利用3D打印技术制造的种植导板的材料多数为树脂材料。

    莫晖等应用3D打印技术制作新型金属镂空式种植外科导板用于口腔种植手术,操作简便、术中冷却效果良好和手术视野开阔,且精确度较高,为种植导板的材料制作提供了新思路。Sebastian等对3D打印的种植导板精确度进行了相关研究,利用种植导板辅助设计软件设计并3D打印出种植导板模型17份,分析了虚拟设计的导板和实际制作的导板之间的偏移度,结果导板植入位点中心顶部(冠部)的偏移范围0.07mm~0.38mm,基底部为0.08mm~0.36mm,偏移角度为0.4°~3.3°,认为该种植导板具有较高的精确度。

    而Mora等对近年来有关于3D打印的种植导板精确度的各种研究进行分析总结,指出由于研究者们采用的测量方法、种植导板设计系统、进行研究的方法以及对精确度定义的不一致,目前难以认为这些研究结果均符合临床情况,但可确认,3D打印的种植导板可减少误差以及与种植相关的并发症。

    2.2口腔种植体

    钛及其合金因具有低密度、高强度、优异的生物相容性和耐腐蚀性等优点,目前广泛应用于口腔种植体。在口腔种植中,种植体的存活率受其初期稳定性的影响,而骨结合则是初期稳定性的关键。目前多种传统的改性方法可改善种植体的表面活性,能使种植体表面产生孔隙的技术,从而优化其机械物理性能和生物相容性以提高骨结合率。但以上方法并不能完全准确控制种植体外部形态和内部的孔隙的联通性,种植体的孔隙梯度结构不能受到严格控制,无法达到最适宜尺寸以及机械强度。

    随着3D打印制造技术的发展,有望克服传统改性方法的不足。利用DMLS可制造出几何形态复杂、严格的孔隙结构梯度变化的种植体。显著的种植体孔隙结构可能更利于骨的长入以及血管化,以提高骨结合力。另外,此种植体的屈服强度和弹性模量更接近种植体—骨界面的骨组织,其优势在于减少应力遮挡效应,防止新生骨的再吸收。传统的即刻种植手术中多数种植体与拔牙窝形态不一致,造成种植体与拔牙窝之间不密合,给即刻种植手术带来一定困难,进而影响即刻种植的成功率。近年来报道有学者用直接金属激光烧结技术制造出新型的个性化种植体,如根型种植以及刃状种植体,以求改进传统方法的缺陷。

    Mangano等学者对62名患者使用DMLS制造的内六角形的种植体201颗(上颌106颗,下颌95颗)进行临床研究,其中单冠修复105例,固定桥修复45例以及种植固定修复下颌无牙列2例,1年后进行功能性负载,种植体存活率达99.5%。另外,Mangano等选择24个患者,共96颗应用DMLS技术制造的种植体,进行即刻负载的覆盖义齿修复下颌牙列缺失,1年后种植体存活率达98.9%。

    Mangano等进行了为期2年的临床研究,选择16名患者使用DMLS种植体进行了种植固定桥的即刻修复(上颌14颗,下颌23颗),2年后种植体的存活率达94.6%。另外Mangano等还进行了15例前磨牙即刻种植,首先通过CT扫描采集三维数据,计算出预拔除牙牙根的大小,建立三维模型,然后利用DMLS技术加工制造根型种植体,进行即刻种植。1年后种植体存活率为100%,所有的种植体均稳定,无感染。

    3.3D打印技术在口腔修复领域的应用

    口腔数字化印模技术现成为口腔修复技术的研究热点之一,该技术联合3D打印技术的临床应用是口腔修复一大趋势,目前主要应用于氧化锆全瓷修复体、金属类修复体、树脂临时冠、修复体蜡型、可摘局部义齿、全口义齿和颌面赝复体。

    3.1口腔固定修复

    就固定修复体精度而言,3D打印出的金属冠边缘金属内冠与预备后牙体的密合度明显优于传统方法铸造金属冠。李美康等利用3种不同的技术制作三单位钴铬合金固定修复体,比较其冠边缘、内冠与牙体的密合度,发现利用DLMS制作的修复体密合度最佳。传统的桩核冠修复牙齿残根、残冠后更容易发生折裂。

    肖燕等对3D打印个性化碳纤维复合树脂桩核系统修复后牙根应力分布进行有限元分析,认为3D打印个性化桩核系统能够有效提高牙齿的抗折性,对牙体的修复效果均优于预成桩核系统。从目前制作金属内冠、碳纤维复合树脂桩来看,3D打印技术具备应用在牙齿固定修复领域的前景。关于陶瓷类修复体制作方面,以计算机辅助设计和快速成型相结合为原理的直接喷墨系统可用于制作二氧化锆全瓷修复体。

    应用3D打印技术制造全瓷修复体,与目前为切削为主的制作方式相比,其优点是耗材少,精度高、速度快。然而该项技术尚未完全成熟,在临床应用上缺需进一步研究及观察。

    3.2可摘局部义齿和全口义齿

    由于口内解剖结构复杂精细,利用传统印模方法和传统修复工艺制作的义齿与口腔密合性仍有一定不足。口腔数字化印模技术联合3D打印技术有望提高义齿与口腔的密合性。

    Chen等应用光学扫描仪对口腔内组织进行数字采集,从而代替传统印模,计算机辅助设计并3D打印出局部义齿,该义齿与组织黏膜均匀贴合,降低了临床上义齿戴后压迫黏膜疼痛、减少牙槽骨吸收。Kattadiyil等应用全口义齿计算机设计系统进行设计,并利用3D打印技术打印出树脂型全口义齿。由于SLM技术日趋成熟,利用该技术制作义齿的钛合金支架能获得较好的合适性。也有学者认为,先利用3D打印技术制作蜡型,再以传统工艺铸造制作义齿支架,能减少直接制作修复体的后期加工处理,且相关机器设备更易配备,技工室成本更低。就现阶段而言,全口义齿的制作仍以传统制作方法为主。

    3.3口腔颌面赝复体

    传统赝复体制备技术对复杂的缺损难以精确复模,从而影响修复效果。Subburaj等就利用MRI获取三维成像数据,通过镜像原理重建了患侧耳廓数据,并应用SLA制作出患侧树脂耳模型,然后制作蜡型,使患侧的耳赝复体在外形、结构及位置上均达到了满意效果。近年来,口腔数字化印模技术发展迅速,已被利用进行颌面部解剖形态的信息采集与三维重建。顾晓宇等探索了三维打印数字化阴模辅助制作口腔颌面缺损赝复体的加工方案,根据赝复体数据设计数字化阴模,并三维打印树脂阴模,硅橡胶充填并固化,完成赝复体制作,可减少临床手工操作强度,并使口腔颌面缺损患者获得良好的治疗效果。

    毕云鹏等利用SLA和SLS制作赝复体皮纹负型,从而翻制出硅橡胶赝复体,研究结果显示SLA技术能够满足制作对皮纹要求较高的颜面赝复体,与唐雪鹏等的研究结果一致。袁喜根则结合SLM成型钛合金材料能力强的特点,通过上颌赝复体支架的结构分析和设计,构建了与铸造支架相比具有重量更小、精确度更好的口腔赝复体支架。

    目前,3D打印技术主要应用于赝复体支架、阴模的制作,主要使用的材料有金属粉末、树脂、树脂蜡等,尚未见直接打印硅橡胶赝复体材料的报道。综上所述,数字化印模相对于传统操作规程,省去了取模准备、托盘选择、取模、灌制石膏模型、传送到技工室的过程,节省了大量时间,明显减少患者的不适感,使患者容易配合。数字化印模精度高,可利用计算机即刻重建检查外形和边缘,避免再次加工。

    3D打印技术的优点是速度快、材料成本低,打印出的实体模型准确,未来较适合于氧化锆、氧化铝等昂贵修复体。

    4.结语

    3D打印技术是种植体制造的一种革命性制造工艺,但关于种植体制造方面,如何利用这种工艺制造更精细更复杂的种植体表面微观结构需要进一步研究。另外,这种改性后的种植体表面与骨结合有关的细胞生物反应还需要进一步研究和掌握。关于种植导板的精确度方面虽然有大量研究,但是以树脂为主要材料的导板精确度还有待提高,而即刻负载出现术后并发症也有报道。目前可供打印的材料有限,尤其是生物打印所需要的材料,且打印设备昂贵,限制了其在临床中的应用。在口腔种植修复领域内,关于3D打印技术行业标准依然缺乏,3D打印的产品安全性及合法性值得考究,最终都需要大量长期的临床跟踪研究以及法律法规的规范。相信随着上述问题的改善,3D打印技术在口腔种植修复领域会有更广阔的应用前景。

编辑: 陆美凤

网友评论