3D打印在牙周病学临床及教学中的应用研究进展

张平 综述 曹洁 胡文杰 审校

1 3D打印技术的概念及牙周领域常用的3D打印技术

3D 打印技术是一种利用数字模型文件,将材料逐层堆积快速生成目标产物的增材制造技术。它具有可以同时处理多个或批量生产个性化产物的特点[1]。

目前3D打印技术在牙周领域的应用基础研究方面主要集中在3D打印支架和屏障膜在牙周组织再生术中的应用[2];本文侧重于介绍3D打印技术在牙周领域的临床应用,它以3D打印手术导板为主,同时部分3D打印模型用于牙周教学领域。

3D打印技术因打印原理、分类、材料及临床目标不同而种类繁多,下面列举在牙周临床和教学领域常用的打印技术[3-5],如表1。

表1 牙周临床和教学领域常用的3D打印技术

2 3D打印技术在牙周临床中的应用

3D打印技术在牙周临床的应用以各种牙周手术导板为主,同时也应用于牙周组织再生支架及松牙固定术导板。

2.1 牙冠延长术导板

在牙冠延长术中使用3D打印的个性化手术导板不仅有利于效果预测,方便医患及医技沟通,而且可以提高手术精度和美学效果。3D打印的牙冠延长术导板根据导板是否能对术后牙槽骨的位置进行定位,分为单定位导板和双定位导板,双定位导板又可分为一体式和分体式。

前牙美学区的牙冠延长术要兼顾功能和美学,通常需要完善的术前设计和精细的手术操作。传统无导板牙冠延长术,对软硬组织的去除依赖于医生的经验和主观审美,术后预期美学效果不确定[6]。传统的压膜式导板和诊断饰面式导板,需要手工制作,生成的导板边缘较厚、精度有限,美学效果难以预测,而且仅能定位牙龈的位置[7]。数字化牙冠延长术导板,通过将口扫、面扫数据及CBCT数据相拟合获得患者的三维重建模型,结合计算机软件设计可以将术后效果更直观地展示给患者,与患者沟通至满意后再打印诊断模型,制作导板完成手术,实现数字化设计向最终手术效果的转移[8]。3D打印牙冠延长术导板可以指示并严格限定手术范围,精度可达0.1 mm[9]。李峥等[10]及Creagh等[11]应用3D打印的单定位导板指导实施牙冠延长术,又分别联合修复和正畸治疗,均获得了预期的美学效果,体现了多学科联合治疗的优势。Alazim等[12]制作牙冠延长术导板用于前牙被动萌出不足引起的露龈笑手术指引,术后追踪1 年治疗效果稳定。王雪纯等[13]及梁雪鸽等[14]设计的双定位牙冠延长术导板可以实现对牙龈及牙槽骨的精准定位修整,从而降低了手术风险,提高了粉白美学效果和患者的满意度。刘佳怡等[15]的随机对照临床研究表明3D打印导板指导牙冠延长术联合3D打印临时冠修复较传统手术和修复技术更加微创和精密。当然3D打印导板的设计和制作相对复杂,需要熟练的专业人员选择合适的打印技术在安全可控的环境中操作,并且打印速度越高,打印精度越低,因此术前准备会花费更长的时间和精力;另外3D打印的经济成本较高,患者不易接受,尚需寻找更经济实用的打印材料,通过改善打印工艺,优化诊疗流程,将全程数字化诊疗更广泛地应用于临床。 目前尚无一体式双定位导板和分体式双定位导板对手术效果评价的对比研究,值得进一步探索。

2.2 牙周辅助加速成骨正畸手术导板

牙周辅助加速成骨正畸(periodontally accelerated osteogenic orthodontics,PAOO)在动物实验和临床试验中均被证明能有效缩短治疗周期,降低牙周组织损伤等并发症的风险[16]。常规翻瓣的PAOO术式往往存在创伤大、术后反应重、并发症多等问题[17]。近年来超声骨刀结合3D打印手术导板实施的不翻瓣骨皮质切开,可以避免对重要解剖结构的损伤,对患者的牙周状态、疼痛感知、支抗控制方面无不良影响,适应证为牙龈退缩或薄龈型的患者[18],以及单纯的骨皮质切开术而无需同期骨增量的术式。Cassetta等[19-20]的临床研究肯定了这项技术的有效性和相对安全性,但同时也指出导板引导槽的阻塞会影响散热,从而引起热灼伤,术中应特别注意保持后牙区的冲洗和间隙,以降低风险。本研究中值得指出的是112 个手术部位有28个部位在术后即刻发生了黏膜和牙槽骨的热灼伤,但在2个月后复查未见黏膜病变及疤痕,为避免对重要解剖结构造成损伤,导板设计应考虑1.5 mm的安全距离。Hou等[21]改良设计了一种新型导板,其特点为使用半透明及刚性强的树脂材料以增加术中的可见度和导板强度,多孔设计以增加手术过程中的冲洗冷却,采用了咬合面-根向就位道的板状设计,来避免托槽对就位及固位的影响。因此,合理的术前设计和导板制作可提高手术精度,减少术后的并发症,目前尚有许多细节有待进一步研究,如怎样设计导板引导槽的位置以及与超声骨刀之间的合理间隙,以实现既有利于散热又减少切割误差,另外3D打印手术导板引导的PAOO手术的组织安全性和稳定性也需长期追踪。

2.3 牙槽骨缺损模型与牙周组织再生支架

牙周病造成的牙周组织缺损通常形态复杂,目前临床常用的引导性组织再生术(guided tissue regeneration,GTR)联合植骨术中植骨材料和屏障膜的固位和稳定、感染的控制都是手术成功的影响因素[22], 3D打印骨缺损模型指导手术以及3D打印个性化屏障膜的应用可以弥补传统治疗的缺点,以3D打印个性支架为载体,结合干细胞或生物活性因子为牙周组织再生提供了新思路。

Palkovics等[23]的临床试验证明了通过数据采集形成的3D虚拟牙槽骨缺损形态的信息与术中测量值之间无显著性差异,因此重建的3D虚拟模型能较好地描述实际骨缺损的形态,利用3D打印的虚拟模型可用于术前模拟植骨术及屏障膜的修剪等操作。Lei等[24]针对牙槽骨吸收至根尖1/3区的上颌侧切牙,术前打印骨缺损模型,术中先在标准无菌模型上将富血小板血浆(platelet-rich fibrin,PRF)与骨粉混合塑形成与骨组织缺损形态相匹配的黏骨,然后将其植入术区,并在模型的指导下修剪屏障膜,这样既可以保证植入物的稳定,又缩短了口内操作时间,降低了术区感染的风险。术后1 年影像学检查可见明显的骨充填影像,这为复杂牙周组织缺损的治疗带来新希望。另外年轻医生术前应用此模型进行模拟训练,有助于提高手术操作水平;术者根据模型可明确骨缺损的范围和形态,从而指导设计更加微创的切口,有利于促进组织愈合,增加治疗效果的可预期性。

目前3D打印支架用于牙周组织再生的研究多处于动物实验阶段,临床应用较少。2015年Rasperini等[25]首次在GTR术中应用了聚己内酯(polycaprolactone,PCL)打印的支架,13 个月后因软组织开裂支架暴露被取出,经分析打印技术精度不足以及支架材料降解率低可能是引起失败的主要原因。2016 年Baba等[26]的临床试验中将间充质干细胞(MSCs)、PRP与3D打印支架相结合用于10 例PD≥4 mm,且具有垂直性骨下袋患牙的牙周组织再生,术后1 年,临床附着CAL增加2.68 mm,探诊深度PD减少2.48 mm,垂直向骨高度LBG增加了4.4 mm,3 年后3 个指标均逐渐改善,获得了相对稳定的疗效。这种干细胞结合支架的疗法为牙周组织再生带来新希望,但此研究样本量小,需要进行多中心的随机对照试验来确认此治疗的有效性和安全性,针对更严重的牙周缺损,也需要进一步研究以开发更合适的支架材料。

Goh等[27]将3D打印的PCL支架用于牙槽嵴保存术,6 个月后评估比自然愈合组能更好地维持牙槽嵴高度。但试验组在种植体植入后,因支架材料部分残留影响了种植体的骨整合。研究证实PCL-磷酸三钙(PCL-TCP)相比PCL具一定的骨引导性和更好的降解率[28],因此融合多种生物材料来产生协同效应,改善支架的性能是提高其临床应用效果的必要条件。

2.4 松牙固定术导板、夹板

中重度牙周炎患者常伴有连续多颗牙的松动与移位,有效的松牙固定可以起到分散力,促进牙周组织修复的作用。常规的松牙固定方式如树脂粘接、纤维带、金属结扎丝联合树脂夹板等存在临床操作时间长、不易清洁及塑形不美观的缺点,而3D打印技术可在体外精准复制牙齿的形态,在导板的辅助下获得更好的治疗效果。朱春晖等[29]在3D打印导板辅助下树脂粘接固定松动牙比传统手工操作可以更快速、精准地引导树脂成形,缩短临床操作时间,增加舒适性和美观度,但其远期效果尚需进一步观察。数据采集时要注意牙石的伪影、松动牙齿、软组织对CBCT和口扫精度的影响,以及口内软组织形态、高度和牙的相对位置对导板固位的干扰。Zhang等[30]采用3D打印的钛合金牙周夹板,用于重度牙周炎患者下前牙的松牙固定,使预后极差的患牙得以保留并恢复其功能,6 个月后复查牙槽骨有明显的再生。此夹板对牙弓曲线和牙齿舌侧轮廓有良好的适应性,相比树脂夹板具有更高的强度和更好的抛光性,不会出现老化变形的现象,但其美观性不及树脂夹板。综上所述这些方法为重度牙周炎患者的松牙固定提供新的临床策略。

3 3D打印技术在教学中的应用

实践操作是口腔医学教育中的重要教学内容,在前期实习培训中如何模拟口腔环境,并在模型上有效训练提高学生的操作技能,是口腔医学教育关注的重要问题。传统的口腔教学模型结构简单,仿真性不佳,模型练习与口内实操存在主观体验落差[31],难以提高学生的临床技能水平,增强临床实践自信心。目前3D打印教学模型在口腔医学各个领域都有所应用。如修复中学生使用3D打印的模型进行牙本质桩的制备,可以反复操作训练,从而快速掌握操作要点,缩短理论与实践的距离[32];在牙体牙髓中使用3D打印的龋齿模型,可以避免天然牙的伦理问题和交叉感染[33];然而3D打印模型在牙周教学领域应用相对较少。

3.1 牙周探诊检查模型

牙周探诊检查是医生评估患牙预后以及制定治疗方案的重要参考指标,牙齿解剖结构的多样性和口腔环境的复杂性增加了其操作难度。早期的教学和培训通常使用标准化模型或标准化病人,然而标准化模型无法模拟临床中复杂多样的解剖结构,口内训练也会给病人带来疼痛和出血等不适,目前使用3D打印的个性化仿真教学模型可以达到反复练习、精准反馈和有效评估的效果。Heym等[34]使用3D打印的模型进行探诊检查训练,当探诊用力过大或角度偏斜时模型会产生形变实现触觉反馈,并且该模型在不影响检查精度的前提下可反复使用34 次。另此研究在对根分叉病变探诊的训练中发现根分叉病变的程度通常被高估,这与Darby等[35]的研究结果相一致。后续研究中应用计算机对检查结果实时反馈获得了更好的训练效果,另外此培训方法也可用于培训和校准临床研究员的技能[36]。Mahrous等[37]对天然牙、3D打印模型、3D虚拟模型和AR技术进行解剖教学效果问卷调查对比,结果显示学生认为天然牙的解剖结构最鲜明,而3D打印模型最方便使用,AR技术趣味性更强。因此如能将3D打印技术和AR技术联合使用,将虚拟与现实相结合,在虚拟的口腔环境中实操,并实现人机交互反复精准训练将具有较大的发展空间。

在3D打印过程中,学生可以掌握从数据采集、设计到打印制作的全程技术,并通过自主设计打印具有不同的疾病形式和解剖特点的个性化教学模具,丰富临床经验,提高处理复杂病例的能力。目前牙周教学中的3D打印模型较少,研发可实施龈上洁治、龈下刮治及牙周手术操作训练的模型有一定的必要性。

3.2 松牙固定教学模型

在松牙固定中充分展示牙齿以及周边牙槽骨缺损的三维结构有助于学生更直观的了解病情,是提高松牙固定教学效果的有效手段,朱春晖等[38]进行了随机对照试验,对照组采用案例导向(case-based-learning,CBL)教学,试验组采用CBL联合3D打印模型,结果试验组同学表现更加活跃,制定治疗方案的一致性较高,并能积极回答治疗方案,这为3D打印教学模型在其它方面教学中的应用提供了参考。3D打印模型的精度受CBCT图像质量的影响,因此拍摄时需要患者制动,并选择较高分辨率的CBCT数据制作导板。

虽然目前受到价格较高等因素限制,3D打印尚未能真正在医学教育中做到推广,但相信3D打印应用于医学教育将成为未来的发展趋势。

4 总结与展望

3D打印牙周手术工具及教学模型相比传统的切削技术具有精准化、高效性和可预期性的特点,但导板的设计和制作过程中仍需控制各个环节的误差,如:数据源误差、数据间转换误差和导板打印误差等,从而提高导板精度[39]。

目前3D打印技术的普及应用受经济与时间成本的限制,通过改善材料和工艺有望改善现状。如:优化工艺参数,进一步提高打印速度与打印精度,缩短后处理时间。材料方面,热塑性聚合物的强度需进一步提高[40];牙周组织再生支架材料需融合多种生物材料来产生协同效应,从而改善目标产物的性能是未来的研究方向[41]。