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研究 | 3D打印技术在牙体牙髓病学中的应用

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作者:夏文君,张灵,唐子圣,上海交通大学医学院附属第九人民医院牙体牙髓科


最早的3D打印技术于上世纪80年代中期出现在美国,该技术通过计算机控制定位,材料逐层堆积的方式实现三维复杂实体的构建,属于增材制造(additive manufacturing,AM)的一种。其运用现代扫描技术与计算机辅助软件来重构虚拟的三维模型,后在3D打印机上将材料逐层叠加,实现整体成型。
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目前,3D打印技术已广泛应用于口腔的各个学科领域,在牙体牙髓病中的应用也在逐步深入,其材料和打印方式与具体用途密切相关。3D打印技术结合锥形束CT、显微CT、计算机辅助设计与制作、数字化软件等技术都为牙体牙髓病诊疗和研究提供了新的理念和模式。本文将聚焦于牙体牙髓病学领域,对3D打印技术的应用进展作一综述。

  1. 3D打印技术的流程及方法   

1.1数据采集
第一步通过各种扫描系统进行数据采集。锥形束CT、显微CT和光学表面扫描在口腔医学领域应用最为广泛。

1.2数据处理
数据获取后将被导入三维重建软件。STL格式为通常使用的保存数据的格式。

1.3 3D打印
运用3D打印机进行3D打印。目前最常见且与牙体牙髓病中的应用直接相关的成型方法包括熔融沉积成型,多重喷射,立体光固化成型,选择性激光烧结,分层实体制造。不同3D打印方式由于材料、精度、速度等差异,也造成其在使用上的不同。

   2. 3D打印的材料    
目前3D打印在口腔医学领域中所应用的材料主要有:①金属材料:研究较多的主要是贵金属,如钛和钛合金材料在口腔医学中主要用于种植体修复等;
②高分子复合材料:最常用,大多具有较好的耐磨性和抗冲击吸收能力;
③陶瓷材料:其色泽近似于天然牙体组织,且生物相容性好,目前主要应用在口腔修复治疗中;
④生物组织工程材料:以细胞生物学和生物材料学为理论基础,通过计算机辅助设计来实现生物领域的快速成型。

  3. 3D打印在牙体牙髓病学中的应用研究   
近年来,3D打印技术在多个方面进行辅助牙体牙髓病学临床诊疗和科研实践,如3D牙模型、评价牙髓病治疗的方法和器械、制作根管治疗个性化导板、为治疗钙化阻塞根管导航等。以上这些应用探索利用了3D打印技术可重复和个性化的优势,大部分以解决临床实际问题为主。

3.1 3D打印牙模型
牙体牙髓病临床治疗、科研和教学的需求引导了3D打印牙模型的发展,高精度的数据获取方式和3D打印技术为3D打印牙模型精确仿真天然牙的外形及髓腔结构提供了可能。Khalil等为比较3D打印牙模型与天然牙的精确度,使用了SLA、PolyJet、FDM三种打印方式,认为这三种方法都提供了高精确度的牙复制品。Lee等通过测量发现FDM制作的牙模型稍小于天然牙,而PolyJet制作的牙模型则稍大于天然牙。这些作者总结了这些方法所制造3D打印牙模型的精确度与离体牙的误差存在统计学差异,但误差较小,对于临床应用而言,3D打印牙模型可认为是足够准确的。3D打印牙模型以其高度一致、便利、可重复等优势,逐步替代离体牙,成为近年来对根管治疗器械和方法研究探索的重要工具。

Gok等用选取经预备后的C型根管离体牙,用CBCT、3D打印技术制造80个高精度的复制品,随机分组并分别用不同的充填方法,得出在根尖区冷侧压充填方法比热牙胶充填有更好的效果。Eken等用ProTaperUniversal、WaveOne、Mtwo等7种根管锉系统对3D打印的树脂牙模型的椭圆形根管进行预备,后用CT扫描并建立有限元分析模型,分析各组模型应力分布情况。
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3.2根管治疗定位导板
用于开髓和根尖周手术的3D打印导板也很有应用前景。Zehnder等将CBCT与口内扫描相结合,用3D打印制备出导板,从而能准确地找到根管预备的最佳途径,这种方法使定位根尖1/3成为可能,并在离体牙上验证了此技术方法的可行性及精确性。Connert等使用该方法对伴有根尖周炎的钙化下颌切牙进行治疗,实现了微创髓腔入路制备和根管定位,完成了数字化导航微创牙髓治疗技术的临床应用。Meer等亦报道了类似病例。设计制作根管治疗定位导板看似耗时,但治疗的椅旁时间却很少,其额外成本也可以通过降低诸如穿孔等医源性损伤的可能性来平衡。

3.3复杂病例治疗方案设计、体外模拟操作及个性化器械设计制作

CBCT检查可以为牙体牙髓病医生提供可靠的参考。现在可以通过在3D打印模型上进行操作训练,术前设计手术方案等。Nosrat等在治疗上颌侧切牙牙内陷病例时,也利用了CBCT三维重建复杂的内部解剖结构,并制作3D打印牙模型用于术前模拟治疗操作,辅助治疗。三维影像重建和3D打印技术不仅可应用于根管形态学研究中,亦可应用于根尖周及牙槽骨结构的重建与研究。在临床治疗中,根尖手术术区体外模型有助于手术方案设计,并可通过3D打印技术获得有助于开展治疗的个性化器械。Patel等报道了在根尖手术前,利用CBCT、CAD、3D打印技术获得了术区体外模型,并制造了个性化的手术拉钩,为手术提供了准确的定位和清晰的视野,使术区周围软硬组织的损伤最小化,并为后续的愈合提供了有利的条件从而保证了术区的美观。

3.4牙体解剖及牙体牙髓病治疗操作教学

目前用于牙体牙髓病教学的离体牙严重不足,对口腔医学院校正常的教学工作产生了较大的影响。3D打印牙齿模型由于其可重复性,可广泛应用于牙体牙髓病学的操作培训,如窝洞充填术、根管治疗术等操作技能培训等。解决了目前离体牙来源有限,不可复制等问题,培训者可反复练习同一颗牙齿模型的治疗,有利于提高操作水平。

4. 3D打印技术目前的不足   

3D打印技术在牙体牙髓病学的治疗、研究和教学方面均凸显了无可比拟的优势,但发展过程中面临的诸多问题还有待研究和解决。

4.1材料的限制
医学领域相比于其他行业对原材料有着更高的要求。而目前适合口腔医学领域应用的3D打印原材料十分有限。因此,必须加强对医用3D打印材料的研究。

4.2成品的精确性
由于受到3D打印技术水平以及材料应用的限制,目前3D打印成品仍不足以完全模拟真实物体。这个问题将随着技术水平的发展和材料工艺的进步而得到进一步解决。

4.3技术成本较高
3D打印机就目前来说仍属于造价昂贵的高端科研试用品,而通过个性化生产设计的三维模型也需较高的费用。另一方面,对扫描数据的转换和操作运行3D打印机也是一项很复杂的工作,需要在专业的工程人员协助下完成,这样无疑增加了很多的技术成本。

5. 展望   
3D打印技术作为近几年广泛应用的新兴技术,为牙体牙髓病学提供了更高效、精确和经济的诊疗和科研手段。运用生物组织工程的3D打印必然是未来发展的一个大趋势。而开发体积较小,操作简便的3D打印机也是日后应用于口腔领域的一个发展目标。随着计算机扫描、图像处理技术、3D打印原材料及设备的进步,3D打印技术在牙体牙髓病学领域的应用有望进一步拓展。

作者:夏文君,张灵,唐子圣,上海交通大学医学院附属第九人民医院牙体牙髓科


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