三维打印技术在口腔正畸临床教学中的应用和展望

潘永初 李丹丹 孙雯 王华 张卫兵 严斌

[摘 要]近年来，随着数字化技术和工程制造技术的发展，三维打印已经成功地应用于各个医疗领域，在口腔正畸领域的应用包括咬合模型，个性化托槽、间接粘结托盘和种植体手术导板等，而广泛的正畸临床的应用带来教学变革的迫切需求，三维打印模型不仅方便了临床的教学和训练，也为面向数字化的口腔正畸教学提出了新的挑战。该文涵盖了3D打印技术以及相关的正畸临床应用的进展，以及对于教学领域的思考和展望，旨在将临床需求与教学训练更好的结合。

[关键词]三维打印;口腔正畸学;教学

[中图分类号] R783.5;G353.1 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）48-0-03 [收稿日期] 2020-07-25

三维打印（亦称3D打印）在牙科的所有主要学科中都具有很高的教学潜力。它可以使口腔正畸医生更好地观察骨骼和牙齿，学生能够形成更清晰的主观感受印象和训练出更强实践操作能力[1]。在过去的几年中，在口腔医学学生和专业医生接受的技能训练方面，出现了一个明显的转变，教学上开始使用基于通过患者口腔内扫描获得的数据，形成更真实的3D打印模型。

如今，3D打印可以满足多种口腔临床和教学的需求，包括从简单的模型，蜡模，有色临时牙齿和手术导板到更复雜的金属和陶瓷假体以及数字化全口义齿。目前能够选择的材料种类包括玻璃、陶瓷，钴铬合金，聚合物，钛，氧化锆，未来将有更多材料可供选择。各种打印材料范围的扩展为牙科3D打印的临床应用和教学开辟了新的可能性。

一、咬合模型

传统的制作石膏模型方法是，通过托盘，盛放藻酸盐或者硅橡胶材料，在患者口内待其固化取得阴模，然后将石膏粉或者超硬石膏粉，加水混合后浇在藻酸盐或硅橡胶材料制作的咬合阴模，增加底座，待其硬化后，再分别手工打磨成型。相比于传统的托盘采集口内阴模的方法，数字化采集口内形态的方法，可以避免患者不适，尤其是对于难以配合的儿童和部分张口受限的患者。比如，通过数字化的口内扫描仪，或者CBCT的三维重建，可以得到可供打印的数字化文件，然后3D打印机打印出相应的三维咬合模型，其数字化的文件更有利于储存和远程分享。

3D打印技术制作实体模型所需时间，要远小于临床上常见的制作石膏或者超硬石膏咬合模型的时间。石膏咬合模型，其对空气的湿度要求较高，当保存在湿度较大的地方，很容易受潮霉变，导致模型变形。在临床实践过程中，由于频繁地拿取模型以及石膏的强度较低，增加了模型损坏的概率;在灌注过程中，容易出现空泡，而且脱模时容易出现牙齿的断裂，断裂经常发生在过度唇倾或舌倾的个别上前牙和下前牙，从而使模型失去参考价值。

目前已经有研究表明，在口腔正畸学领域通过CBCT重建得到的口内三维打印的模型，其准确性与传统的石膏模型相差无几，可以替代传统的石膏灌注模型。这对口腔正畸教学帮助巨大，学生们可利用正畸数字模型进行牙齿、牙弓的分析测量，对患者进行诊断和矫治设计，克服传统模型易破损、难储存的问题，有利于学生更深入地理解正畸学内容。

在本科和研究生教育的实验课上，可以增加制作数字化三维打印模型的课程，方便学生更好的学习数字化文件的处理，以及通过数字化的方式对模型进行测量、修整以及打印。通过三维打印技术，可以将牙齿模型的牙根同样打印出来。3D打印模型可以用来评估拔牙/不拔牙正畸治疗与牙槽突变化之间的关系[2]。埋伏牙的间隙分配，通过单独打印各个牙齿，进行排牙实验。

二、个性化托槽和间接粘结托盘

使用固定的托槽矫正的正畸治疗是一个非常耗时的过程。而使用间接粘结技术可以减少治疗时间和减少预约复诊的次数，这不仅对患者正常生活有利，而且从牙齿健康的角度来说，较短的治疗时间可以防止牙齿脱矿和牙根吸收[3]。使用3D打印技术生产的间接粘结托盘，能够把托槽与牙齿之间接触的位置进行准确定位。通过对牙齿托槽位置的数字化设计，能够通过使用3D打印的间接粘结的转移托盘，将托槽精确定位到各个牙齿表面[4]，最终可以缩短治疗过程的整体时间，同时获得理想的治疗效果。

目前已经有一些公司开发了商用的基于采用3D打印技术的固定矫正器正畸治疗数字化方案，比如唇侧个性化托槽的间接粘结系统Insignia以及3M公司舌侧个性化托槽比如Incognito系统。它们通过制造了定制的弓丝和定制的托槽来有序的移动牙齿到理想的位置。两套系统，均采用了个性化定制的托槽和弓丝，通过3D打印出定制弓丝的模型，然后铸成合金。托槽通过一个间接粘结托盘粘接在牙齿的唇侧或舌侧，以此将理想的托槽的位置转移到患者的口腔中，形成了一个特定的弯曲的弓形，然后，通过定制的序列弓丝分别入槽，达到弓丝序列治疗的目的。通过技术的进步，相信3D打印的托槽将能够更好地服务临床，满足医生和患者对于舒适便捷诊疗的需求，而且现在的3D打印机可以直接在牙科实验室和正畸医生的办公室，直接生产相对便宜的间接粘结托盘。

在临床教学过程中，可以适当增加学生对间接粘结技术的尝试，增加数字化托槽定位的训练，相比于传统的依靠医生经验定位的方法，该方法能够极大的降低带教老师对于学生托槽定位不准的担忧，尽可能地保证托槽设计的位置就是最后粘贴的位置，提高粘接的准确性。通过三维数字化牙齿模型，在计算机上准确的定位托槽位置，而且数字化设计时，能够保证牙根平行度，所以托槽位置更加准确，从而提高了矫正的效率，节省了正畸治疗后期重新调整托槽位置进行精细咬合调整的时间。

三、种植支抗导板

目前正畸治疗过程中需要植入临时种植体时，最常用的是参考X线（X-ray）片，对于治疗前拍摄过锥形束计算机体层扫描（Cone-beam computed tomography，CBCT）的患者，可能会参考其治疗前的CBCT，然后依靠医生的判断和经验决定种植体，位置和角度，根据旋转手柄时的医生的手感和患者的感受，推测种植体是否碰触到牙根，再决定是否改变种植体的植入角度。该方法存在很高的技术门槛，有赖于临床医生的长期实践。

而数字化3D打印的种植导板可以很大程度上解决这一问题，通过良好的术前设计，采集口内软组织扫描和CBCT硬组织数据，能够很好地保持种植体与周围牙根>1.5mm的安全距离，与牙长轴保持60-90°的角度。

在临床教学中，应该适当普及种植导板，其设计方法直观，制作准确，操作简便，非常适合本科生及研究生学习种植支抗的临床实际操作时，在带教老师的指导下使用。

四、其他方面

成人中颞下颌关节（Temporomandibular joint，TMJ）功能障碍的发生率在25%至50%之间，患者更容易出现牙齿不齐，这些会导致牙齿过度磨损，并伴有咀嚼肌疼痛。由于这些牙列错位的患病率很高，因此需要进一步研究和改善咬合导板的制作[5]。对于TMJ功能障碍患者，设计咬合导板时候，为了避免单个牙齿的早接触造成的创伤，需要患者带上咬合分离的导板之后，花非常久的时间在椅旁进行调磨，而通过数字化设计的咬合板，可以非常精准地让大部分牙齿均匀的接触，有研究描述了在患有颞下颌关节功能障碍的患者制造咬合导板中使用3D打印的方法[6]。另外，对于夜磨牙的患者，同样可以根据精确的3D打印，调整咬合，避免因早接触点导致的咬合创伤。采用快速成型技术可以改善咀嚼肌的张力。此外，这种方法通过减少整个过程中的手动步骤数量，节省医患双方椅旁就诊和操作的时间，并提高了精度[6]。在正畸诊疗中还会遇到一些较严重的偏颌畸形的患者，需要在治疗过程中使用咬合导板，重新对咬合进行定位。

随着广泛的临床应用，3D打印成为口腔教育和培训的理想的工具，可以进行手术模拟，特定的外科手术的手术导板已近采用3D打印，并用于牙龈切除术和微笑设计[7]。这样的模板以其个性化和准确性而著称[8]。近年来，隐适美（Invisalign）率先使用连续牙齿位置的三维打印模型，在该模型上制造了透明的正畸矫正器。

在科研领域，对复杂的口腔组织样结构进行生物打印可以揭示正畸力所产生的生物学反应，这些模型可以一定程度上替代当前正在使用的动物实验[9，10]。

五、讨论

最近这些年来，人们已经认可了3D数据在正畸和颅面疾病中的重要性。石膏模型现已被数三维数据所取代[11]。这不仅解决了正畸医生经常遇到的模型存儲问题，而且为教育和研究开辟了新的视野。三维打印在教育和培训中正在不断发展，让口腔医学的学生来训练其固定矫治和活动矫治的正畸技术，帮助学生获得更好的技能[12]。

迄今为止，正畸学中的3D打印主要用于生产矫正牙齿的正畸矫正器的过程中，包括可摘的活动矫正器和固定矫正器。活动矫正器比如无托槽透明矫正器，患者可以随时摘除这些矫正器，并且在大多数情况下，它们只需要简单的清洗来维护[13]。比如一些简单的牙齿角度的矫正，通过快速的3D打印出活动矫正器，就能够简单方便的满足患者的需求[14]。固定的个性化托槽和弓丝，同样会采用3D打印的方法打印出模具，制造正畸矫正器[15]。快速3D打印技术的进步，迟早会取代传统的正畸材料生产方式。包括可3D打印的金属，虽然目前可供3D打印的金属种类不多，但是例如使用CoCr粉末合金，就可以通过在烧结过程中添加更多或更少的氧气来改变性能，以改变最终产品的硬度，现在可以直接使用生物相容性的材料来直接进行打印，例如手术中使用的固定钛板，无须打印制造模型，而直接3D打印个性化钛板，省却了中间3D打印制造铸模的步骤。

三维打印技术也存在着一些不足。选择合适的打印系统时，必须考虑材料的可用性、材料的医疗特性、所需的时间、打印对象的所需分辨率、以及打印速度和打印后处理的复杂性。需要进一步研究的问题是可用材料种类的局限性，特别是当其超越常规的聚合物时的生物相容性。

随着正畸矫治个性化的发展，3D打印技术也在不断进步，相信不久的将来，我们能够在诊室现场设计和打印各个正畸托槽和弓丝。在这种情况下，我们将能够自定义托槽的转矩，倾斜度，甚至是制成的材料，还能够进行弓丝的弯制。此外，这项技术可使我们通过3D模型，在安装弓丝之前，就预览弓丝和最近打印的矫正器产生的运动。医生将能够制造自己的矫正器，并在每次复诊时生产新的矫正器，帮助牙齿产生持续的移动。届时，掌握3D打印技术将是正畸医生的一项必备技能，为了迈向新的数字化正畸的大门，更早的开始纳入数字化正畸的概念到研究生甚至是本科教育，将是一项重要而且迫切的任务。总体而言，基于3D打印的技术具有巨大的潜力，可以改变研究，治疗方法和口腔教育，从而改善全民口腔保健。

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