三維打印技術在口腔正畸臨床教學中的應用和展望

潘永初 李丹丹 孫雯 王華 張衛兵 嚴斌

[摘 要]近年來，隨著數字化技術和工程制造技術的發展，三維打印已經成功地應用于各個醫療領域，在口腔正畸領域的應用包括咬合模型，個性化托槽、間接粘結托盤和種植體手術導板等，而廣泛的正畸臨床的應用帶來教學變革的迫切需求，三維打印模型不僅方便了臨床的教學和訓練，也為面向數字化的口腔正畸教學提出了新的挑戰。該文涵蓋了3D打印技術以及相關的正畸臨床應用的進展，以及對于教學領域的思考和展望，旨在將臨床需求與教學訓練更好的結合。

[關鍵詞]三維打印;口腔正畸學;教學

[中圖分類號] R783.5;G353.1 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2020）48-0-03 [收稿日期] 2020-07-25

三維打印（亦稱3D打印）在牙科的所有主要學科中都具有很高的教學潛力。它可以使口腔正畸醫生更好地觀察骨骼和牙齒，學生能夠形成更清晰的主觀感受印象和訓練出更強實踐操作能力[1]。在過去的幾年中，在口腔醫學學生和專業醫生接受的技能訓練方面，出現了一個明顯的轉變，教學上開始使用基于通過患者口腔內掃描獲得的數據，形成更真實的3D打印模型。

如今，3D打印可以滿足多種口腔臨床和教學的需求，包括從簡單的模型，蠟模，有色臨時牙齒和手術導板到更復雜的金屬和陶瓷假體以及數字化全口義齒。目前能夠選擇的材料種類包括玻璃、陶瓷，鈷鉻合金，聚合物，鈦，氧化鋯，未來將有更多材料可供選擇。各種打印材料范圍的擴展為牙科3D打印的臨床應用和教學開辟了新的可能性。

一、咬合模型

傳統的制作石膏模型方法是，通過托盤，盛放藻酸鹽或者硅橡膠材料，在患者口內待其固化取得陰模，然后將石膏粉或者超硬石膏粉，加水混合后澆在藻酸鹽或硅橡膠材料制作的咬合陰模，增加底座，待其硬化后，再分別手工打磨成型。相比于傳統的托盤采集口內陰模的方法，數字化采集口內形態的方法，可以避免患者不適，尤其是對于難以配合的兒童和部分張口受限的患者。比如，通過數字化的口內掃描儀，或者CBCT的三維重建，可以得到可供打印的數字化文件，然后3D打印機打印出相應的三維咬合模型，其數字化的文件更有利于儲存和遠程分享。

3D打印技術制作實體模型所需時間，要遠小于臨床上常見的制作石膏或者超硬石膏咬合模型的時間。石膏咬合模型，其對空氣的濕度要求較高，當保存在濕度較大的地方，很容易受潮霉變，導致模型變形。在臨床實踐過程中，由于頻繁地拿取模型以及石膏的強度較低，增加了模型損壞的概率;在灌注過程中，容易出現空泡，而且脫模時容易出現牙齒的斷裂，斷裂經常發生在過度唇傾或舌傾的個別上前牙和下前牙，從而使模型失去參考價值。

目前已經有研究表明，在口腔正畸學領域通過CBCT重建得到的口內三維打印的模型，其準確性與傳統的石膏模型相差無幾，可以替代傳統的石膏灌注模型。這對口腔正畸教學幫助巨大，學生們可利用正畸數字模型進行牙齒、牙弓的分析測量，對患者進行診斷和矯治設計，克服傳統模型易破損、難儲存的問題，有利于學生更深入地理解正畸學內容。

在本科和研究生教育的實驗課上，可以增加制作數字化三維打印模型的課程，方便學生更好的學習數字化文件的處理，以及通過數字化的方式對模型進行測量、修整以及打印。通過三維打印技術，可以將牙齒模型的牙根同樣打印出來。3D打印模型可以用來評估拔牙/不拔牙正畸治療與牙槽突變化之間的關系[2]。埋伏牙的間隙分配，通過單獨打印各個牙齒，進行排牙實驗。

二、個性化托槽和間接粘結托盤

使用固定的托槽矯正的正畸治療是一個非常耗時的過程。而使用間接粘結技術可以減少治療時間和減少預約復診的次數，這不僅對患者正常生活有利，而且從牙齒健康的角度來說，較短的治療時間可以防止牙齒脫礦和牙根吸收[3]。使用3D打印技術生產的間接粘結托盤，能夠把托槽與牙齒之間接觸的位置進行準確定位。通過對牙齒托槽位置的數字化設計，能夠通過使用3D打印的間接粘結的轉移托盤，將托槽精確定位到各個牙齒表面[4]，最終可以縮短治療過程的整體時間，同時獲得理想的治療效果。

目前已經有一些公司開發了商用的基于采用3D打印技術的固定矯正器正畸治療數字化方案，比如唇側個性化托槽的間接粘結系統Insignia以及3M公司舌側個性化托槽比如Incognito系統。它們通過制造了定制的弓絲和定制的托槽來有序的移動牙齒到理想的位置。兩套系統，均采用了個性化定制的托槽和弓絲，通過3D打印出定制弓絲的模型，然后鑄成合金。托槽通過一個間接粘結托盤粘接在牙齒的唇側或舌側，以此將理想的托槽的位置轉移到患者的口腔中，形成了一個特定的彎曲的弓形，然后，通過定制的序列弓絲分別入槽，達到弓絲序列治療的目的。通過技術的進步，相信3D打印的托槽將能夠更好地服務臨床，滿足醫生和患者對于舒適便捷診療的需求，而且現在的3D打印機可以直接在牙科實驗室和正畸醫生的辦公室，直接生產相對便宜的間接粘結托盤。

在臨床教學過程中，可以適當增加學生對間接粘結技術的嘗試，增加數字化托槽定位的訓練，相比于傳統的依靠醫生經驗定位的方法，該方法能夠極大的降低帶教老師對于學生托槽定位不準的擔憂，盡可能地保證托槽設計的位置就是最后粘貼的位置，提高粘接的準確性。通過三維數字化牙齒模型，在計算機上準確的定位托槽位置，而且數字化設計時，能夠保證牙根平行度，所以托槽位置更加準確，從而提高了矯正的效率，節省了正畸治療后期重新調整托槽位置進行精細咬合調整的時間。

三、種植支抗導板

目前正畸治療過程中需要植入臨時種植體時，最常用的是參考X線（X-ray）片，對于治療前拍攝過錐形束計算機體層掃描（Cone-beam computed tomography，CBCT）的患者，可能會參考其治療前的CBCT，然后依靠醫生的判斷和經驗決定種植體，位置和角度，根據旋轉手柄時的醫生的手感和患者的感受，推測種植體是否碰觸到牙根，再決定是否改變種植體的植入角度。該方法存在很高的技術門檻，有賴于臨床醫生的長期實踐。

而數字化3D打印的種植導板可以很大程度上解決這一問題，通過良好的術前設計，采集口內軟組織掃描和CBCT硬組織數據，能夠很好地保持種植體與周圍牙根>1.5mm的安全距離，與牙長軸保持60-90°的角度。

在臨床教學中，應該適當普及種植導板，其設計方法直觀，制作準確，操作簡便，非常適合本科生及研究生學習種植支抗的臨床實際操作時，在帶教老師的指導下使用。

四、其他方面

成人中顳下頜關節（Temporomandibular joint，TMJ）功能障礙的發生率在25%至50%之間，患者更容易出現牙齒不齊，這些會導致牙齒過度磨損，并伴有咀嚼肌疼痛。由于這些牙列錯位的患病率很高，因此需要進一步研究和改善咬合導板的制作[5]。對于TMJ功能障礙患者，設計咬合導板時候，為了避免單個牙齒的早接觸造成的創傷，需要患者帶上咬合分離的導板之后，花非常久的時間在椅旁進行調磨，而通過數字化設計的咬合板，可以非常精準地讓大部分牙齒均勻的接觸，有研究描述了在患有顳下頜關節功能障礙的患者制造咬合導板中使用3D打印的方法[6]。另外，對于夜磨牙的患者，同樣可以根據精確的3D打印，調整咬合，避免因早接觸點導致的咬合創傷。采用快速成型技術可以改善咀嚼肌的張力。此外，這種方法通過減少整個過程中的手動步驟數量，節省醫患雙方椅旁就診和操作的時間，并提高了精度[6]。在正畸診療中還會遇到一些較嚴重的偏頜畸形的患者，需要在治療過程中使用咬合導板，重新對咬合進行定位。

隨著廣泛的臨床應用，3D打印成為口腔教育和培訓的理想的工具，可以進行手術模擬，特定的外科手術的手術導板已近采用3D打印，并用于牙齦切除術和微笑設計[7]。這樣的模板以其個性化和準確性而著稱[8]。近年來，隱適美（Invisalign）率先使用連續牙齒位置的三維打印模型，在該模型上制造了透明的正畸矯正器。

在科研領域，對復雜的口腔組織樣結構進行生物打印可以揭示正畸力所產生的生物學反應，這些模型可以一定程度上替代當前正在使用的動物實驗[9，10]。

五、討論

最近這些年來，人們已經認可了3D數據在正畸和顱面疾病中的重要性。石膏模型現已被數三維數據所取代[11]。這不僅解決了正畸醫生經常遇到的模型存儲問題，而且為教育和研究開辟了新的視野。三維打印在教育和培訓中正在不斷發展，讓口腔醫學的學生來訓練其固定矯治和活動矯治的正畸技術，幫助學生獲得更好的技能[12]。

迄今為止，正畸學中的3D打印主要用于生產矯正牙齒的正畸矯正器的過程中，包括可摘的活動矯正器和固定矯正器。活動矯正器比如無托槽透明矯正器，患者可以隨時摘除這些矯正器，并且在大多數情況下，它們只需要簡單的清洗來維護[13]。比如一些簡單的牙齒角度的矯正，通過快速的3D打印出活動矯正器，就能夠簡單方便的滿足患者的需求[14]。固定的個性化托槽和弓絲，同樣會采用3D打印的方法打印出模具，制造正畸矯正器[15]。快速3D打印技術的進步，遲早會取代傳統的正畸材料生產方式。包括可3D打印的金屬，雖然目前可供3D打印的金屬種類不多，但是例如使用CoCr粉末合金，就可以通過在燒結過程中添加更多或更少的氧氣來改變性能，以改變最終產品的硬度，現在可以直接使用生物相容性的材料來直接進行打印，例如手術中使用的固定鈦板，無須打印制造模型，而直接3D打印個性化鈦板，省卻了中間3D打印制造鑄模的步驟。

三維打印技術也存在著一些不足。選擇合適的打印系統時，必須考慮材料的可用性、材料的醫療特性、所需的時間、打印對象的所需分辨率、以及打印速度和打印后處理的復雜性。需要進一步研究的問題是可用材料種類的局限性，特別是當其超越常規的聚合物時的生物相容性。

隨著正畸矯治個性化的發展，3D打印技術也在不斷進步，相信不久的將來，我們能夠在診室現場設計和打印各個正畸托槽和弓絲。在這種情況下，我們將能夠自定義托槽的轉矩，傾斜度，甚至是制成的材料，還能夠進行弓絲的彎制。此外，這項技術可使我們通過3D模型，在安裝弓絲之前，就預覽弓絲和最近打印的矯正器產生的運動。醫生將能夠制造自己的矯正器，并在每次復診時生產新的矯正器，幫助牙齒產生持續的移動。屆時，掌握3D打印技術將是正畸醫生的一項必備技能，為了邁向新的數字化正畸的大門，更早的開始納入數字化正畸的概念到研究生甚至是本科教育，將是一項重要而且迫切的任務。總體而言，基于3D打印的技術具有巨大的潛力，可以改變研究，治療方法和口腔教育，從而改善全民口腔保健。

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