口腔个性化根形种植体的研究进展

    口腔即刻种植手术中，标准化种植体植入牙槽窝后与骨壁之间留有间隙，难以做到完美贴合，为了获得初期稳定性，往往需要在余留间隙填充植骨材料或者选用更大直径的种植体。为解决即刻种植手术中标准化种植体与牙槽窝不匹配的问题，国外有研究者提出了为患者量身定做种植体，通过定制与拔除牙牙根形态一致的根形种植体（root analogue implant，RAI）来匹配牙槽窝形态，妥善解决了个体差异问题，获得了良好的治疗效果。
目前国内个性化种植领域的研究大多局限于个性化基台，个性化种植体相关的报道较为少见。本文拟回顾国内外文献，在个性化RAI的历史发展、制作方法、研究进展等方面展开作一综述。
    1.RAI的历史发展
    RAI的出现已有50年历史，期间研究者们进行了多种尝试，在制作材料和制作工艺上均有所改进。1969年，Hodosh等最先提出了“牙聚合物种植体发现所有植入RAI稳固。2014年，国内北京大学报道了电子束熔融（electron beam melting，EBM）技术制作钛RAI。
2015年，兰州大学王宁等报道熔融沉积（fused deposition modelling，FDM）技术打印聚乳酸材料RAI。2017年，Anssari等采用数字光处理（digitallightprocessing，DLP）技术打印制作氧化锆RAI。同年，Saeidi等研发了一款复合材料RAI，他们把钛种植体根部和氧化锆基台经过烧结融为一体，避免了微动和微间隙。
    RAI经过50年的发展，形成了目前以钛和氧化锆为主要材料，以CAD/CAM和3D打印为主要制作方法的格局。期间，研究者们通过不断改良RAI，在种植体骨结合、初期稳定性、长期稳定性等方面均获得了长足的进步。
    从临床表现看，数十例接受RAI植入（18.9±2.4）个月的回访数据显示，RAI的存活率为94.4%，与传统螺纹柱状种植体相当，且RAI在软组织保存和美学效果上表现更佳。
    2.RAI的制作方法
    2.1CAD/CAM
    早期采用翻模或机器复刻等传统方法制作的RAI精确度较差且外形不能改良，直到Kohal等引入了CAD/CAM系统。CAD/CAM是在计算机辅助下，用数控机床（computer numerical control，CNC）对金属或陶瓷等坯料切削加工的减材制造技术。其基本步骤包括:患者拔牙，光学扫描离体牙获取牙根轮廓数据，数据导入计算机，经计算机辅助设计，用CNC对金属或陶瓷坯料切削加工达到所需形状实体，实体件植入骨内部分还需喷砂酸蚀等表面处理，最后整体消毒备用。CAD/CAM制作摆脱了传统方法的限制，可以通过计算机在RAI原始形态上作出一定的改良，以获得更好的初期稳定性。
    2.2 3D打印
    3D打印是一种由数据驱动逐层叠加直接制造实体件的增材制造技术。RAI的打印制作需要借助CBCT和计算机，步骤如下:在患者拔牙前，使用CBCT扫描患者颌面部，获取颌骨及牙齿的原始数据，数据导入计算机三维重建软件中，分离重建出所需牙的三维模型，然后把牙根三维模型导入到CAD软件中设计种植体，完成之后以STL格式输出，并使用相应的3D打印机进行RAI制作。
    3D打印的出现，把种植体制作提早到拔牙前，实现了患者拔牙后即刻种植。不同材料RAI的3D打印方法亦有所不同。金属RAI的制作材料主要是钛和钛合金，有文献报道的3D打印制作金属RAI的技术共有4种，即选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）、DMLS、选择性激光熔融（selective laser melting，SLM）和EBM。前三者以激光束为能量源烧结或熔融金属粉末，制件过程相似，国内有学者把它们归为同一种技术。
    EBM技术的原理与SLM相似，不过EBM采用电子束代替激光束作为热源。电子束的加工效率高于激光，加工成本更低，粉末材料更易制取，但由于存在假烧结现象，成品的精度比SLM要低。除金属RAI外，Anssari等还报道了采用数字光处理技术（DLP）打印制作氧化锆RAI，成品与原牙比较最大偏差值仅为0.86mm。
    王宁等则报道了采用熔融沉积（FDM）技术制造聚乳酸材料RAI。FDM是一种熔化原料并挤压成型的3D打印技术，无需昂贵的激光烧结设备，价格相对低廉，但该技术受材料限制，在牙种植体制作方面应用较少。3D打印技术避免了许多传统制造耗时长、材料浪费等缺陷，且相对于CAD/CAM在复合材料融合成形和构造复杂内部结构方面也具有独特的优势。
    3.RAI的改良研究
    3.1宏观固位结构
    RAI与牙槽窝之间的匹配度是影响种植成功率的一个重要因素。早期动物实验发现，原始形态复刻的RAI植入牙槽窝后，尽管大部分产生了骨结合，但骨结合位点平均只占30.5%（植入2个月后），初期稳定性较差。Kohal等尝试对RAI放大增宽以提升种植体与牙槽窝的匹配度，但植入过程常遇到问题。部分病例在植入过程中出现了颊侧骨壁骨折，部分病例则不能将植入物插入到预定的深度。
    颌骨影像学显示，牙根近远中有足够的骨量可以扩展，而颊舌侧骨则非常薄弱，易发生骨折及压力下的骨吸收，因此为了防止颊侧壁骨折，RAI颊舌径应避免增宽处理。关于RAI近远中的处理，Pirker等在较新的研究中提出了一种宏观固位结构（macro-retentions），这是一种人为添加在RAI近远中表面的棘状突起物，数量为2对及以上，对称出现，遗憾的是研究者并没有给出具体的制作参数。
    Pirker等通过临床研究发现，增加宏观固位结构之后，不论是单根还是多根牙的RAI，均可以获得良好的初期稳定性和骨结合，且在RAI植入后2年的随访中，软组织和硬组织均表现良好。
    3.2螺纹结构
    原始形态RAI表面缺乏固位结构，其初期稳定性的获得多依靠与牙槽窝之间的挤压配合。Anssari等在RAI原始形态基础上设计出4种不同形态的固位结构:棱柱形（prism）、鱼鳍形（fins）、螺纹形（plug）、灯泡形（bulbs），以原始形态RAI为参照，利用三维有限元分析法比较不同结构的力学影响。结果表明，在RAI表面添加几何结构有助于改善骨组织应力分布，减少应力集中，获得更好的初期稳定性。其中，螺纹形固位结构的vonMises应力最小。
    Chen等研究也得出相似结论，RAI表面添加螺纹设计既保持了与天然牙根相似的几何形态，又表现出更好的应力分布和初期稳定性。由此可见，螺纹形态对RAI有积极意义。但螺纹形态、间距、角度、高度和位置的不同，力学表现就完全不同。
    林春平等在RAI表面设计了“V”形、支撑形、反支撑形、矩形4种螺纹形态，结果显示前三者相比矩形螺纹设计，应力分布更加均匀，且种植体内部应力分布不受螺纹设计及螺纹形态的影响。同时也有研究表明，相比均衡分布的单一螺纹，在植体的骨皮质区和骨松质区采用不均衡螺纹设计有更好的骨结合性能。
    3.3多孔结构
    传统种植体材料的弹性模量均比人体骨组织高（钛110GPa，陶瓷350GPa，人体骨1.4～18.0GPa），两者弹性模量的巨大差异容易引发应力遮蔽现象，导致种植体周围骨吸收。为改善这种现象，有研究者发现在模拟牙试件内部和表面添加微孔结构，通过调整孔隙率和孔径大小等参数，可以有效降低植体的弹性模量，使之与人骨相匹配。
    魏霆等研究也得出相似结论，模型件准弹性模量与孔隙率呈负相关关系，当调整孔隙率为30%与70%时，弹性模量分别与人皮质骨与松质骨接近。吕越等研究发现随着植体弹性模量的降低，有利于载荷力在种植体和周围骨组织中的传导分散，受到的应力会随之降低，提高了种植体的长期稳定性和保存率。而秦风利等研究发现，在RAI表面添加多孔结构，在将其植入骨内后，骨组织会长入多孔结构内部，达到良好的骨结合。
    3.4过盈设计
    种植体与种植窝的过盈配合是另一种增加初期稳定性的有效方式，尤其适合因拔牙或牙周炎等导致的牙槽窝骨缺损情况。彭伟等研究表明，当种植体与种植窝有间隙时微动明显，初期稳定性较差；当增加接触配合到无间隙时，其微动值下降明显；而当过盈量从0增到0.1mm时，微动值也有较明显的降低。研究也发现过盈量增大到一定程度时，后期微动值的减小程度并不明显。
    同时，一味增加过盈量可能会过度挤压牙槽窝，引起种植体周围骨吸收而导致种植失败。因此，调整RAI的过盈量在一个适宜的值非常必要。徐国皓等进行了过盈植入的三维有限元分析，结果发现，过盈量为0.5mm时，种植体与骨界面所产生的应力值在骨组织所能承受范围内。而高亦林等研究提出，在过盈量相同情况下，皮质骨相比松质骨受到的应力要大。因此，RAI在皮质骨和松质骨的过盈设计应当不同，且前者过盈量应小于后者。
    3.5表面粗糙度调控
    Andrukhov等研究表明，种植体表面粗糙度的差异会直接影响早期细胞行为和骨整合，而3D打印制作的RAI表面粗糙度相对较高且并不一致。粗糙度不一致的表面可能导致不同的骨整合，而各个部位不同的骨整合强度可能会对种植体的初始和长期稳定性产生负面影响。
    Li等开展研究，在3D打印（SLM技术）中设置不同的工艺参数和倾角来制作RAI样品，分别测量和研究了样品的表面粗糙度，以实验结果论述了能量密度、扫描速度和偏离量这3组参数和倾角对表面粗糙度的影响。在此基础上，他们提出了一种使用梯度处理工艺制作的RAI。与单参数制备的种植体相比，梯度参数制备的种植体表面粗糙度较低且一致。
    4.结语
    目前临床上，即刻种植所用的种植体采用标准化工艺制作完成，同型号的种植体在形状和大小方面完全一致，而我们遇到的每个患者口腔种植条件都是存在差异的。RAI则根据患者的具体情况设计制作，避免了牙槽骨上钻洞的二次伤害，可最大限度地保存牙槽骨量，简化了手术操作，缩短了治疗时间，提升了患者舒适度。
    与传统螺纹柱状种植体相比，RAI的拟根形结构有助于减少应力集中，应力分布更符合生理，且多根牙RAI在抗旋转性上更有优势，缺点是RAI需要设计和定制，现阶段制作费用比较高昂。但个性化种植是未来趋势，必定有越来越多的医生和患者选择RAI种植方案。RAI的出现既是口腔医学融合数字化技术和3D打印的成功实践，也是对目前主流标准化种植体的有益补充，建议口腔医生关注和开展相关研究。