3D打印在牙周病學(xué)臨床及教學(xué)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

張平 綜述 曹潔 胡文杰 審校

1 3D打印技術(shù)的概念及牙周領(lǐng)域常用的3D打印技術(shù)

3D 打印技術(shù)是一種利用數(shù)字模型文件,將材料逐層堆積快速生成目標(biāo)產(chǎn)物的增材制造技術(shù)。它具有可以同時處理多個或批量生產(chǎn)個性化產(chǎn)物的特點[1]。

目前3D打印技術(shù)在牙周領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面主要集中在3D打印支架和屏障膜在牙周組織再生術(shù)中的應(yīng)用[2];本文側(cè)重于介紹3D打印技術(shù)在牙周領(lǐng)域的臨床應(yīng)用,它以3D打印手術(shù)導(dǎo)板為主,同時部分3D打印模型用于牙周教學(xué)領(lǐng)域。

3D打印技術(shù)因打印原理、分類、材料及臨床目標(biāo)不同而種類繁多,下面列舉在牙周臨床和教學(xué)領(lǐng)域常用的打印技術(shù)[3-5],如表1。

表1 牙周臨床和教學(xué)領(lǐng)域常用的3D打印技術(shù)

2 3D打印技術(shù)在牙周臨床中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在牙周臨床的應(yīng)用以各種牙周手術(shù)導(dǎo)板為主,同時也應(yīng)用于牙周組織再生支架及松牙固定術(shù)導(dǎo)板。

2.1 牙冠延長術(shù)導(dǎo)板

在牙冠延長術(shù)中使用3D打印的個性化手術(shù)導(dǎo)板不僅有利于效果預(yù)測,方便醫(yī)患及醫(yī)技溝通,而且可以提高手術(shù)精度和美學(xué)效果。3D打印的牙冠延長術(shù)導(dǎo)板根據(jù)導(dǎo)板是否能對術(shù)后牙槽骨的位置進(jìn)行定位,分為單定位導(dǎo)板和雙定位導(dǎo)板,雙定位導(dǎo)板又可分為一體式和分體式。

前牙美學(xué)區(qū)的牙冠延長術(shù)要兼顧功能和美學(xué),通常需要完善的術(shù)前設(shè)計和精細(xì)的手術(shù)操作。傳統(tǒng)無導(dǎo)板牙冠延長術(shù),對軟硬組織的去除依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗和主觀審美,術(shù)后預(yù)期美學(xué)效果不確定[6]。傳統(tǒng)的壓膜式導(dǎo)板和診斷飾面式導(dǎo)板,需要手工制作,生成的導(dǎo)板邊緣較厚、精度有限,美學(xué)效果難以預(yù)測,而且僅能定位牙齦的位置[7]。數(shù)字化牙冠延長術(shù)導(dǎo)板,通過將口掃、面掃數(shù)據(jù)及CBCT數(shù)據(jù)相擬合獲得患者的三維重建模型,結(jié)合計算機(jī)軟件設(shè)計可以將術(shù)后效果更直觀地展示給患者,與患者溝通至滿意后再打印診斷模型,制作導(dǎo)板完成手術(shù),實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計向最終手術(shù)效果的轉(zhuǎn)移[8]。3D打印牙冠延長術(shù)導(dǎo)板可以指示并嚴(yán)格限定手術(shù)范圍,精度可達(dá)0.1 mm[9]。李崢等[10]及Creagh等[11]應(yīng)用3D打印的單定位導(dǎo)板指導(dǎo)實施牙冠延長術(shù),又分別聯(lián)合修復(fù)和正畸治療,均獲得了預(yù)期的美學(xué)效果,體現(xiàn)了多學(xué)科聯(lián)合治療的優(yōu)勢。Alazim等[12]制作牙冠延長術(shù)導(dǎo)板用于前牙被動萌出不足引起的露齦笑手術(shù)指引,術(shù)后追蹤1 年治療效果穩(wěn)定。王雪純等[13]及梁雪鴿等[14]設(shè)計的雙定位牙冠延長術(shù)導(dǎo)板可以實現(xiàn)對牙齦及牙槽骨的精準(zhǔn)定位修整,從而降低了手術(shù)風(fēng)險,提高了粉白美學(xué)效果和患者的滿意度。劉佳怡等[15]的隨機(jī)對照臨床研究表明3D打印導(dǎo)板指導(dǎo)牙冠延長術(shù)聯(lián)合3D打印臨時冠修復(fù)較傳統(tǒng)手術(shù)和修復(fù)技術(shù)更加微創(chuàng)和精密。當(dāng)然3D打印導(dǎo)板的設(shè)計和制作相對復(fù)雜,需要熟練的專業(yè)人員選擇合適的打印技術(shù)在安全可控的環(huán)境中操作,并且打印速度越高,打印精度越低,因此術(shù)前準(zhǔn)備會花費更長的時間和精力;另外3D打印的經(jīng)濟(jì)成本較高,患者不易接受,尚需尋找更經(jīng)濟(jì)實用的打印材料,通過改善打印工藝,優(yōu)化診療流程,將全程數(shù)字化診療更廣泛地應(yīng)用于臨床。 目前尚無一體式雙定位導(dǎo)板和分體式雙定位導(dǎo)板對手術(shù)效果評價的對比研究,值得進(jìn)一步探索。

2.2 牙周輔助加速成骨正畸手術(shù)導(dǎo)板

牙周輔助加速成骨正畸(periodontally accelerated osteogenic orthodontics,PAOO)在動物實驗和臨床試驗中均被證明能有效縮短治療周期,降低牙周組織損傷等并發(fā)癥的風(fēng)險[16]。常規(guī)翻瓣的PAOO術(shù)式往往存在創(chuàng)傷大、術(shù)后反應(yīng)重、并發(fā)癥多等問題[17]。近年來超聲骨刀結(jié)合3D打印手術(shù)導(dǎo)板實施的不翻瓣骨皮質(zhì)切開,可以避免對重要解剖結(jié)構(gòu)的損傷,對患者的牙周狀態(tài)、疼痛感知、支抗控制方面無不良影響,適應(yīng)證為牙齦退縮或薄齦型的患者[18],以及單純的骨皮質(zhì)切開術(shù)而無需同期骨增量的術(shù)式。Cassetta等[19-20]的臨床研究肯定了這項技術(shù)的有效性和相對安全性,但同時也指出導(dǎo)板引導(dǎo)槽的阻塞會影響散熱,從而引起熱灼傷,術(shù)中應(yīng)特別注意保持后牙區(qū)的沖洗和間隙,以降低風(fēng)險。本研究中值得指出的是112 個手術(shù)部位有28個部位在術(shù)后即刻發(fā)生了黏膜和牙槽骨的熱灼傷,但在2個月后復(fù)查未見黏膜病變及疤痕,為避免對重要解剖結(jié)構(gòu)造成損傷,導(dǎo)板設(shè)計應(yīng)考慮1.5 mm的安全距離。Hou等[21]改良設(shè)計了一種新型導(dǎo)板,其特點為使用半透明及剛性強(qiáng)的樹脂材料以增加術(shù)中的可見度和導(dǎo)板強(qiáng)度,多孔設(shè)計以增加手術(shù)過程中的沖洗冷卻,采用了咬合面-根向就位道的板狀設(shè)計,來避免托槽對就位及固位的影響。因此,合理的術(shù)前設(shè)計和導(dǎo)板制作可提高手術(shù)精度,減少術(shù)后的并發(fā)癥,目前尚有許多細(xì)節(jié)有待進(jìn)一步研究,如怎樣設(shè)計導(dǎo)板引導(dǎo)槽的位置以及與超聲骨刀之間的合理間隙,以實現(xiàn)既有利于散熱又減少切割誤差,另外3D打印手術(shù)導(dǎo)板引導(dǎo)的PAOO手術(shù)的組織安全性和穩(wěn)定性也需長期追蹤。

2.3 牙槽骨缺損模型與牙周組織再生支架

牙周病造成的牙周組織缺損通常形態(tài)復(fù)雜,目前臨床常用的引導(dǎo)性組織再生術(shù)(guided tissue regeneration,GTR)聯(lián)合植骨術(shù)中植骨材料和屏障膜的固位和穩(wěn)定、感染的控制都是手術(shù)成功的影響因素[22], 3D打印骨缺損模型指導(dǎo)手術(shù)以及3D打印個性化屏障膜的應(yīng)用可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)治療的缺點,以3D打印個性支架為載體,結(jié)合干細(xì)胞或生物活性因子為牙周組織再生提供了新思路。

Palkovics等[23]的臨床試驗證明了通過數(shù)據(jù)采集形成的3D虛擬牙槽骨缺損形態(tài)的信息與術(shù)中測量值之間無顯著性差異,因此重建的3D虛擬模型能較好地描述實際骨缺損的形態(tài),利用3D打印的虛擬模型可用于術(shù)前模擬植骨術(shù)及屏障膜的修剪等操作。Lei等[24]針對牙槽骨吸收至根尖1/3區(qū)的上頜側(cè)切牙,術(shù)前打印骨缺損模型,術(shù)中先在標(biāo)準(zhǔn)無菌模型上將富血小板血漿(platelet-rich fibrin,PRF)與骨粉混合塑形成與骨組織缺損形態(tài)相匹配的黏骨,然后將其植入術(shù)區(qū),并在模型的指導(dǎo)下修剪屏障膜,這樣既可以保證植入物的穩(wěn)定,又縮短了口內(nèi)操作時間,降低了術(shù)區(qū)感染的風(fēng)險。術(shù)后1 年影像學(xué)檢查可見明顯的骨充填影像,這為復(fù)雜牙周組織缺損的治療帶來新希望。另外年輕醫(yī)生術(shù)前應(yīng)用此模型進(jìn)行模擬訓(xùn)練,有助于提高手術(shù)操作水平;術(shù)者根據(jù)模型可明確骨缺損的范圍和形態(tài),從而指導(dǎo)設(shè)計更加微創(chuàng)的切口,有利于促進(jìn)組織愈合,增加治療效果的可預(yù)期性。

目前3D打印支架用于牙周組織再生的研究多處于動物實驗階段,臨床應(yīng)用較少。2015年Rasperini等[25]首次在GTR術(shù)中應(yīng)用了聚己內(nèi)酯(polycaprolactone,PCL)打印的支架,13 個月后因軟組織開裂支架暴露被取出,經(jīng)分析打印技術(shù)精度不足以及支架材料降解率低可能是引起失敗的主要原因。2016 年Baba等[26]的臨床試驗中將間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)、PRP與3D打印支架相結(jié)合用于10 例PD≥4 mm,且具有垂直性骨下袋患牙的牙周組織再生,術(shù)后1 年,臨床附著CAL增加2.68 mm,探診深度PD減少2.48 mm,垂直向骨高度LBG增加了4.4 mm,3 年后3 個指標(biāo)均逐漸改善,獲得了相對穩(wěn)定的療效。這種干細(xì)胞結(jié)合支架的療法為牙周組織再生帶來新希望,但此研究樣本量小,需要進(jìn)行多中心的隨機(jī)對照試驗來確認(rèn)此治療的有效性和安全性,針對更嚴(yán)重的牙周缺損,也需要進(jìn)一步研究以開發(fā)更合適的支架材料。

Goh等[27]將3D打印的PCL支架用于牙槽嵴保存術(shù),6 個月后評估比自然愈合組能更好地維持牙槽嵴高度。但試驗組在種植體植入后,因支架材料部分殘留影響了種植體的骨整合。研究證實PCL-磷酸三鈣(PCL-TCP)相比PCL具一定的骨引導(dǎo)性和更好的降解率[28],因此融合多種生物材料來產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),改善支架的性能是提高其臨床應(yīng)用效果的必要條件。

2.4 松牙固定術(shù)導(dǎo)板、夾板

中重度牙周炎患者常伴有連續(xù)多顆牙的松動與移位,有效的松牙固定可以起到分散力,促進(jìn)牙周組織修復(fù)的作用。常規(guī)的松牙固定方式如樹脂粘接、纖維帶、金屬結(jié)扎絲聯(lián)合樹脂夾板等存在臨床操作時間長、不易清潔及塑形不美觀的缺點,而3D打印技術(shù)可在體外精準(zhǔn)復(fù)制牙齒的形態(tài),在導(dǎo)板的輔助下獲得更好的治療效果。朱春暉等[29]在3D打印導(dǎo)板輔助下樹脂粘接固定松動牙比傳統(tǒng)手工操作可以更快速、精準(zhǔn)地引導(dǎo)樹脂成形,縮短臨床操作時間,增加舒適性和美觀度,但其遠(yuǎn)期效果尚需進(jìn)一步觀察。數(shù)據(jù)采集時要注意牙石的偽影、松動牙齒、軟組織對CBCT和口掃精度的影響,以及口內(nèi)軟組織形態(tài)、高度和牙的相對位置對導(dǎo)板固位的干擾。Zhang等[30]采用3D打印的鈦合金牙周夾板,用于重度牙周炎患者下前牙的松牙固定,使預(yù)后極差的患牙得以保留并恢復(fù)其功能,6 個月后復(fù)查牙槽骨有明顯的再生。此夾板對牙弓曲線和牙齒舌側(cè)輪廓有良好的適應(yīng)性,相比樹脂夾板具有更高的強(qiáng)度和更好的拋光性,不會出現(xiàn)老化變形的現(xiàn)象,但其美觀性不及樹脂夾板。綜上所述這些方法為重度牙周炎患者的松牙固定提供新的臨床策略。

3 3D打印技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

實踐操作是口腔醫(yī)學(xué)教育中的重要教學(xué)內(nèi)容,在前期實習(xí)培訓(xùn)中如何模擬口腔環(huán)境,并在模型上有效訓(xùn)練提高學(xué)生的操作技能,是口腔醫(yī)學(xué)教育關(guān)注的重要問題。傳統(tǒng)的口腔教學(xué)模型結(jié)構(gòu)簡單,仿真性不佳,模型練習(xí)與口內(nèi)實操存在主觀體驗落差[31],難以提高學(xué)生的臨床技能水平,增強(qiáng)臨床實踐自信心。目前3D打印教學(xué)模型在口腔醫(yī)學(xué)各個領(lǐng)域都有所應(yīng)用。如修復(fù)中學(xué)生使用3D打印的模型進(jìn)行牙本質(zhì)樁的制備,可以反復(fù)操作訓(xùn)練,從而快速掌握操作要點,縮短理論與實踐的距離[32];在牙體牙髓中使用3D打印的齲齒模型,可以避免天然牙的倫理問題和交叉感染[33];然而3D打印模型在牙周教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用相對較少。

3.1 牙周探診檢查模型

牙周探診檢查是醫(yī)生評估患牙預(yù)后以及制定治療方案的重要參考指標(biāo),牙齒解剖結(jié)構(gòu)的多樣性和口腔環(huán)境的復(fù)雜性增加了其操作難度。早期的教學(xué)和培訓(xùn)通常使用標(biāo)準(zhǔn)化模型或標(biāo)準(zhǔn)化病人,然而標(biāo)準(zhǔn)化模型無法模擬臨床中復(fù)雜多樣的解剖結(jié)構(gòu),口內(nèi)訓(xùn)練也會給病人帶來疼痛和出血等不適,目前使用3D打印的個性化仿真教學(xué)模型可以達(dá)到反復(fù)練習(xí)、精準(zhǔn)反饋和有效評估的效果。Heym等[34]使用3D打印的模型進(jìn)行探診檢查訓(xùn)練,當(dāng)探診用力過大或角度偏斜時模型會產(chǎn)生形變實現(xiàn)觸覺反饋,并且該模型在不影響檢查精度的前提下可反復(fù)使用34 次。另此研究在對根分叉病變探診的訓(xùn)練中發(fā)現(xiàn)根分叉病變的程度通常被高估,這與Darby等[35]的研究結(jié)果相一致。后續(xù)研究中應(yīng)用計算機(jī)對檢查結(jié)果實時反饋獲得了更好的訓(xùn)練效果,另外此培訓(xùn)方法也可用于培訓(xùn)和校準(zhǔn)臨床研究員的技能[36]。Mahrous等[37]對天然牙、3D打印模型、3D虛擬模型和AR技術(shù)進(jìn)行解剖教學(xué)效果問卷調(diào)查對比,結(jié)果顯示學(xué)生認(rèn)為天然牙的解剖結(jié)構(gòu)最鮮明,而3D打印模型最方便使用,AR技術(shù)趣味性更強(qiáng)。因此如能將3D打印技術(shù)和AR技術(shù)聯(lián)合使用,將虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合,在虛擬的口腔環(huán)境中實操,并實現(xiàn)人機(jī)交互反復(fù)精準(zhǔn)訓(xùn)練將具有較大的發(fā)展空間。

在3D打印過程中,學(xué)生可以掌握從數(shù)據(jù)采集、設(shè)計到打印制作的全程技術(shù),并通過自主設(shè)計打印具有不同的疾病形式和解剖特點的個性化教學(xué)模具,豐富臨床經(jīng)驗,提高處理復(fù)雜病例的能力。目前牙周教學(xué)中的3D打印模型較少,研發(fā)可實施齦上潔治、齦下刮治及牙周手術(shù)操作訓(xùn)練的模型有一定的必要性。

3.2 松牙固定教學(xué)模型

在松牙固定中充分展示牙齒以及周邊牙槽骨缺損的三維結(jié)構(gòu)有助于學(xué)生更直觀的了解病情,是提高松牙固定教學(xué)效果的有效手段,朱春暉等[38]進(jìn)行了隨機(jī)對照試驗,對照組采用案例導(dǎo)向(case-based-learning,CBL)教學(xué),試驗組采用CBL聯(lián)合3D打印模型,結(jié)果試驗組同學(xué)表現(xiàn)更加活躍,制定治療方案的一致性較高,并能積極回答治療方案,這為3D打印教學(xué)模型在其它方面教學(xué)中的應(yīng)用提供了參考。3D打印模型的精度受CBCT圖像質(zhì)量的影響,因此拍攝時需要患者制動,并選擇較高分辨率的CBCT數(shù)據(jù)制作導(dǎo)板。

雖然目前受到價格較高等因素限制,3D打印尚未能真正在醫(yī)學(xué)教育中做到推廣,但相信3D打印應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育將成為未來的發(fā)展趨勢。

4 總結(jié)與展望

3D打印牙周手術(shù)工具及教學(xué)模型相比傳統(tǒng)的切削技術(shù)具有精準(zhǔn)化、高效性和可預(yù)期性的特點,但導(dǎo)板的設(shè)計和制作過程中仍需控制各個環(huán)節(jié)的誤差,如:數(shù)據(jù)源誤差、數(shù)據(jù)間轉(zhuǎn)換誤差和導(dǎo)板打印誤差等,從而提高導(dǎo)板精度[39]。

目前3D打印技術(shù)的普及應(yīng)用受經(jīng)濟(jì)與時間成本的限制,通過改善材料和工藝有望改善現(xiàn)狀。如:優(yōu)化工藝參數(shù),進(jìn)一步提高打印速度與打印精度,縮短后處理時間。材料方面,熱塑性聚合物的強(qiáng)度需進(jìn)一步提高[40];牙周組織再生支架材料需融合多種生物材料來產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),從而改善目標(biāo)產(chǎn)物的性能是未來的研究方向[41]。