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3D打印技术在口腔医学中的应用现状

2019-04-06 06:35 | 来源:未知 | 责任编辑:本站编辑

作者:胡梦蝶,喻正文,刘建国,贵州省高等学校口腔疾病研究特色重点实验室

 

3D打印技术(3D printing technology,3DP)是一种新型快速逆向成型制造技术。在医学领域,计算机断层扫描(computed tomography,CT)、核磁共振(magnetic resonance imaging,MRI)等无创技术获取三维立体图像数据,3D打印机根据软件读取的数据分层加工材料形成三维模型。

 

该技术成型快、精度高,适合定制具有复杂精细结构的物体。根据打印材料和成型特点不同,3D打印技术分为:①光固化成型(stereolithography appearance,SLA),利用紫外(UV)光束分层照射光聚合物发生聚合交联固化形成三维模型;②熔融沉积成型(fused deposition modeling,FDM),将热塑性材料加热至140~250°C高温熔融状态,喷头逐层挤压材料成型;③选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)加热材料至其熔点附近,激光按设定轨迹直接烧结材料固化;④喷墨印刷(inkjetprinting)又称三维印刷,打印机头盛装液体粘合剂通过压电、电磁等方法产生微小液滴与粉末基质层层结合,其可直接打印核酸、蛋白质、细胞等生物活性物体;⑤低温沉积建模(low-temperature deposition modeling,LDM),其原理和FDM相似,但不同之处在于其需要低温冷却操作平台,也称作冷冻形式方法。

 

1.3D打印技术在口腔医学领域应用现状

 

3D打印在口腔医学其主要应用和研究方向包括:三维立体图像软件结合原型模型用于解剖学教学指导、术前计划和演练、预后分析判断等;个性化治疗器械、辅具及植入物,包括个性化正畸托槽和附件、修复体、托盘、种植体和手术导板等;生物活性材料结合活体细胞、生长因子,打印具有生物活性功能的组织、器官等。

 

1.1 3D仿真解剖教学模式

 

人体口腔颌面部结构复杂、运动精细,熟悉其解剖结构,是理解病理学和和熟练掌握临床操作的前提。传统教育模式有二维图片、文字、尸体标本和仿真模具等。文字图片抽象枯燥,尸体来源稀缺,学生难以深入理解理论知识、构建解剖思维。数字三维成像结合虚拟现实仿真系统可从不同层面、角度学习解剖结构,学生在软件上进行虚拟解剖练习时产生视、听、触觉实时反馈,提高学习的真实感,加强学习兴趣和效率。赵雪竹等利用三维重建图像模拟手术入路,并在3D原型模型上进行练习,学生认为在模型上进行术前计划和演练有助于确认最佳手术路线。对头面部进行精准的神经阻滞麻醉需熟练掌握走形在头面部骨骼、肌肉以及腔隙里的血管和神经。Canellas等还原头面部神经血管以及唾液腺等重要结构。学生学习模型及视频后表示有助于确认组织中神经的定位,快速正确掌握麻醉技术。

 

数字化三维图像结合3D打印模型,可帮助学生建立立体解剖思维,增强动手操作能力。但由于材料缺陷和打印机精度不够,仍无法还原复杂的根管内部形态用于教学和练习,还有待于进一步研究。

 

1.2 3D个性化治疗

 

1.2.1个性化口腔颌面外科治疗

 

20世纪以来,外科手术钢板广泛用于因肿瘤、外伤、先天缺陷导致的颌面部组织缺损重建。颅颌面部解剖结构复杂,众多重要组织和血管穿梭其中,兼顾生理活动和美观需要。传统量化生产手术钢板需术中人工弯曲来匹配个体解剖结构,反复弯曲可能引起材料应力集中,人体长期运动下易产生疲劳,导致各种并发症,如钢板断裂、腐蚀、螺钉松动和周围骨吸收等。三维数字软件重建病变部位,虚拟手术过程,做到三维立体全程实时手术导航,最大化减小风险,提高手术准确性。

 

Yang等为10名因头颈部肿瘤导致颌骨不同部位骨缺损的患者制备3D个性化金属修复体,经过计算机导航立体直观设计截骨线,在安全范围内最小化切除肿瘤,术后随访患者咀嚼、吞咽等生理功能和颜面部美观恢复均获得较好效果。薛娇等运用对变形、膨隆、破损的下颌骨通过镜像及修补技术进行三维重建,利用原形模型进行术前规划、术中指导,实际术中结果与模拟手术一致,高效精准接合移植腓骨与下颌骨断端,降低术后并发症发生几率,极大提升了显微外科重建游离组织水平。Herford等为由于传统技术限制、缺损严重而导致眼眶骨折重建后再次错位,引起感染的病人二次手术时,使用3D手术导板结合计算机导航协同导板进行复位,降低因首次手术失败造成解剖标志点及血管神经移位造成的困难,术后无面部无明显感染瘫痪、骨坏死或骨移位等不良反应。3D打印技术结合计算机实时导航,做到手术全程可观、可调、可控,实现了个性化高效精准重建修复,将会对口腔颌面外科发展带来飞跃性的进步。

 

1.2.2个性化正畸治疗

 

正畸治疗中数字化取模可记录诊断信息、制定治疗计划、通过远程传输信息避免石膏模型易磨损、难搬运、耗费物理储存空间和制作时间的缺点,扫描过程降低患者不适感,增加接受度。Wesemann等亦发现扫描石膏模型重建的3D模型,转化的数据信息可精准测量出石膏模型测量困难的位点。传统正畸治疗多位于唇侧,美观性差,舌侧矫治器较传统唇侧矫治器增加美观性但易引起舌部不适、影响发音和进食。林泽等发现舌侧托槽经过个性化设计,更加贴合病人牙面,符合病人个人特征,用个性化舌侧托槽操作更简便,吻合度更高、发生脱落和不适等并发症几率更低。

 

3D个性化隐形矫治器外形美观透明不影响患者正常交流,更易保持口腔卫生和牙周组织健康,更能明显降低患者不适感,通过数字化设计模拟治疗过程,减少患者就诊次数,正畸的热点和趋势。但目前3D打印技术难以达到矫治器表面对精度、强度和透明度的要求,最终成型仍需利用传统压膜技术,无法实现全数字化治疗。

 

1.2.3个性化修复治疗

 

20世纪80年代,瑞士苏黎世大学Mormann首次将计算机辅助设计和制造(computer aided design and manufacture,CAD/CAM)和口内扫描结合运用于口腔修复,数字化椅旁口腔修复逐渐成为常规。光学扫描将获取的光学信号转换为电子信号,将实体物体转换为虚拟数字信息;数字化比色通过计算机设置比色和配色参数,根据数据分析牙的色调、明度、彩度,排除人为主观、相机色差等干扰因素;根据数字信息进行三维重建,可对修复体进行可视化立体设计。

 

花菲等在进行全冠预备前后分别进行数字化扫描,精准评估预备量、肩台形态及边缘形态和位置,最小化预备量,保护软组织健康,使修复体在强度和协调美观之间得到平衡。冠边缘不密合会导致继发龋、修复体松动、牙周炎等并发症。Alharbi等亦发现数字化设计肩台平均预留间隙更好,全冠可获得最佳的内适性,更加符合病人的个人特征。乔建勋等利用3D打印直接制作可摘局部义齿支架避免传统失蜡铸造的繁琐过程可明显降低误差,减少调改次数。数字化全口义齿运用专用软件确定颌位关系、平面、中线等,虚拟排牙、设计基托,将三维数据传输到3D打印机获得全口义齿。

 

魏菱等运用3D软件模拟边缘整塑,过程灵活精确,个别托盘精准,符合个人特征,避免患者反复就诊,减少临床操作时间。Joo等为患者制作了固定和活动义齿相结合的氧化锆树脂暂时全口义齿,患者对该修复体的舒适度和美观度十分满意。数字化技术与3D打印技术在制作固定修复以及可摘局部义齿方面技术成熟,有较多报道,但数字化全口义齿方面的技术及临床应用报道相对较少,其制作仍不能实现全程数字化。

 

无牙颌患者由于长期失牙,口内软硬组织形态、颌位关系发生改变,尚不能完全复制人体精细的咀嚼活动,直接制作成型。但数字化全口义齿可降低人为误差,减少椅旁操作时间和病人就诊次数,以数据储存数据,可即刻重新制做。因而,数字化全口义齿将是数字化3D技术在口腔修复领域的研究热点和方向。

 

1.2.4个性化牙种植

 

种植牙因美观性高、舒适感和咀嚼效率高强、不伤及邻近组织等特点逐渐成为失牙修复的主流技术。传统牙种植术更大程度依靠术者临床经验,二维影像资料对于植入角度、深度、位置以及骨量的预估不可预判,更大可能造成种植偏差,影响周围重要组织结构。种植导板的出现成为将术前设计转化为术中操作指导的桥梁,而3D打印技术与CAD/CAM数字化种植导板设计较传统热压膜技术导板相比,不仅保证牙冠与周围组织协调美观,三维立体可视化设计导板,模拟种植软件模拟种植过程,精确控制种植体植入,真正做到“以修复为导向的种植”,最大程度实现种植牙的强度与美观协调。

 

数字化种植导板在前牙美学种植、多牙缺失、游离端缺失等复杂病例可以起到很好的精准导向效果,提高了种植体植入位置的准确性,与周围组织美观协调,最大程度恢复咬合功能、咀嚼效率。个性化根形种植体根据牙根形态进行设计,在拔除患牙的同期进行种植,尽可能保留骨组织、维持软组织形态。Mangano等设计个性化钛合金(Ti6Al4V,TC4)根形种植体,无需制备种植窝,在拔除牙根后运用敲击等方法即可完成种植,简化治疗流程。

 

种植成功的关键在于种植体与骨之间初期稳定性。林春平等就钛根性种植体表面不同形态设计对周围牙槽骨应力分布的影响做出探讨,发现螺纹设计可以优化种植体周围应力分布,减少应力集中,促进早期新生骨与种植体发生整合。Qian等通过3D打印制备复合材料制造的钛/羟基磷灰石(Ti/hydroxyapatite,HA)种植体更加贴合人体天然骨形态,可有效促进成骨细胞长入。

 

3D数字化种植导板制作精细,但口腔软组织可使导板产生微小误差;在术中,具有一定形态和厚度的导板可能会影响散热、遮挡操作空间,因此如何选择材料和设计种植导板,仍需思考;而个性化种植体需不断改进其表面几何形态和复合材料成分设计,使其更加符合人体天然骨结构。

 

1.3 3D生物打印

 

3D生物打印可对具有生物活性的材料进行直接打印。计算机设计调控活性细胞在生物墨水里准确定位,通过与生长因子、机体相互作用,细胞成分逐渐代替降解的生物材料,实现组织功能化重建。同时,通过设计在支架上定性添加生物活性试剂、药物等成分,3D生物打印还可用于临床前药物检测、生物试剂筛选和毒理学分析等研究。牙周病所致牙周组织丧失是一个不可逆的过程,使其再生一直是组织工程的研究热点。Green等将角质形成细胞(keratinocyte)和成纤维细胞(fibroblast cell)作为墨水成分,打印出牙周组织形成初始阶段必须的马拉瑟上皮剩余(Malassez epithelial rest)结构。

 

牙周膜干细胞(periodontal ligament stem cell,PDLSc)在适当条件下可形成牙周组织,Ma等发现在甲基丙烯酸(gelatin methacrylate,GelMA)和聚(乙二醇)二甲基丙烯酸酯(poly(ethyleneglycol)ethylene dimethacrylate)合成支架中PDLSc具有较好生物活性好,生长较快。Kim等发现多孔支架上基质细胞衍生因子-1(stromal cell-derived factor-1,SDF-1)和骨形成蛋白-7(bone morphogenetic protein-7,BMP-7)可使种子细胞产生归巢作用,在支架与牙槽骨界面出现血管样、牙样、牙周组织。骨再生是目前再生医学中最重要也是最具挑战性的组织工程方法之一。

 

组织工程骨的构建基于具有成骨潜能的种子细胞和生物活性个性化多孔支架,与诱导成骨的生长因子相互作用,最终实现骨再生。支架三维立体结构具有适宜的孔隙率和孔隙形态、良好血液和细胞相容性、优异骨传导性和骨诱导性以及与生物硬组织匹配的弹性模量和硬度。

 

3D打印在支架个性化、精确性、机械强度、孔隙调节、空间结构复杂性方面具有独特优势,通过表面改性更赋予支架与人体天然骨细胞外基质成分相似的成分,更加符合人体仿生学。Xu等制备聚己内酯/羟基磷灰石(polycaprolactone/hydroxyapatite,PCL/HA)人工骨,模仿天然山羊骨,具有良好生物相容性、生物降解能力,接近自然骨力学性能。

 

Zhang等将羟基磷灰石/聚乳酸-羟基乙酸(HA/polylactic acid hydroxyaceticacid,PLGA)共聚物纳米复合支架接种自体骨髓间充质干细胞(bonemarrowmesenchymalstemcells,BMSCs)和骨形成蛋白-2(BMP-2)修复临界骨缺损,复合材料较无细胞支架和单一材料支架相比,力学性能更加稳定,有利于BMP-2的表达、促进BMSCs向成骨细胞分化成骨,并加速支架的吸收,利于大段骨缺损的新骨形成和骨组织修复。

 

Bao等用小鼠胚胎成骨细胞前体细胞(MC3T3-E1)接种于加载了BMP-2、血管内皮生长因子-165(vascular endothelial growth factor,VEGF-165)的水凝胶,包裹PCL/HA支架,模拟体液环境,调控生长因子释放,对骨缺损做到“解剖结构功能”三维一体修复,大大提高修复效果。3D生物打印在颌面部骨缺损修复、种植区骨增量、牙周病所致牙槽骨吸收的修复再生等领域的体外研究已取得了较大进展,在临床上可对中小尺寸骨缺损进行较为有效的修复。但口腔颌面部较大尺寸的骨缺损形态复杂不规则,需要丰富的血运供输,临床实际运用仍需进行深入的研究。

 

2.展望

 

3D打印技术高效率的个性化精准治疗为口腔医学领域带来便利。但3D打印技术存在费用高昂、技术专员缺乏、难以推广到基层场所等问题。3D打印由于材料和打印设备的限制,尚不能完成极具个性化的精细产品,例如根管内部形态、个性化全口义齿、隐形矫治器等。同时,3D打印致力于以自身细胞为原料,实现高度仿真且具有全部生理功能的组织器官的打印,目前尚未发现一种完全符合组织器官复杂结构及功能多样性的材料,不能完成具有复杂生理功能的组织器官的直接打印。因此,生物材料学、分子生物学、计算机科学以及3D打印设备等多学科的发展以及交叉应用,将是3D打印技术在口腔医学乃至整个医学领域的发展趋势与热点。

 


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