研究 | 3D打印技術(shù)在牙體牙髓病學(xué)中的應(yīng)用

作者：夏文君，張靈，唐子圣，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院牙體牙髓科


最早的3D打印技術(shù)于上世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)在美國，該技術(shù)通過計(jì)算機(jī)控制定位，材料逐層堆積的方式實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜實(shí)體的構(gòu)建，屬于增材制造（additive manufacturing，AM）的一種。其運(yùn)用現(xiàn)代掃描技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助軟件來重構(gòu)虛擬的三維模型，后在3D打印機(jī)上將材料逐層疊加，實(shí)現(xiàn)整體成型。

目前，3D打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于口腔的各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，在牙體牙髓病中的應(yīng)用也在逐步深入，其材料和打印方式與具體用途密切相關(guān)。3D打印技術(shù)結(jié)合錐形束CT、顯微CT、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制作、數(shù)字化軟件等技術(shù)都為牙體牙髓病診療和研究提供了新的理念和模式。本文將聚焦于牙體牙髓病學(xué)領(lǐng)域，對(duì)3D打印技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展作一綜述。

  1. 3D打印技術(shù)的流程及方法   

1.1數(shù)據(jù)采集
第一步通過各種掃描系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。錐形束CT、顯微CT和光學(xué)表面掃描在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

1.2數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)獲取后將被導(dǎo)入三維重建軟件。STL格式為通常使用的保存數(shù)據(jù)的格式。

1.3 3D打印
運(yùn)用3D打印機(jī)進(jìn)行3D打印。目前最常見且與牙體牙髓病中的應(yīng)用直接相關(guān)的成型方法包括熔融沉積成型，多重噴射，立體光固化成型，選擇性激光燒結(jié)，分層實(shí)體制造。不同3D打印方式由于材料、精度、速度等差異，也造成其在使用上的不同。

   2. 3D打印的材料    
目前3D打印在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中所應(yīng)用的材料主要有：①金屬材料：研究較多的主要是貴金屬，如鈦和鈦合金材料在口腔醫(yī)學(xué)中主要用于種植體修復(fù)等；
②高分子復(fù)合材料：最常用，大多具有較好的耐磨性和抗沖擊吸收能力；
③陶瓷材料：其色澤近似于天然牙體組織，且生物相容性好，目前主要應(yīng)用在口腔修復(fù)治療中；
④生物組織工程材料：以細(xì)胞生物學(xué)和生物材料學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)生物領(lǐng)域的快速成型。

  3. 3D打印在牙體牙髓病學(xué)中的應(yīng)用研究   
近年來，3D打印技術(shù)在多個(gè)方面進(jìn)行輔助牙體牙髓病學(xué)臨床診療和科研實(shí)踐，如3D牙模型、評(píng)價(jià)牙髓病治療的方法和器械、制作根管治療個(gè)性化導(dǎo)板、為治療鈣化阻塞根管導(dǎo)航等。以上這些應(yīng)用探索利用了3D打印技術(shù)可重復(fù)和個(gè)性化的優(yōu)勢(shì)，大部分以解決臨床實(shí)際問題為主。

3.1 3D打印牙模型
牙體牙髓病臨床治療、科研和教學(xué)的需求引導(dǎo)了3D打印牙模型的發(fā)展，高精度的數(shù)據(jù)獲取方式和3D打印技術(shù)為3D打印牙模型精確仿真天然牙的外形及髓腔結(jié)構(gòu)提供了可能。Khalil等為比較3D打印牙模型與天然牙的精確度，使用了SLA、PolyJet、FDM三種打印方式，認(rèn)為這三種方法都提供了高精確度的牙復(fù)制品。Lee等通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)FDM制作的牙模型稍小于天然牙，而PolyJet制作的牙模型則稍大于天然牙。這些作者總結(jié)了這些方法所制造3D打印牙模型的精確度與離體牙的誤差存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但誤差較小，對(duì)于臨床應(yīng)用而言，3D打印牙模型可認(rèn)為是足夠準(zhǔn)確的。3D打印牙模型以其高度一致、便利、可重復(fù)等優(yōu)勢(shì)，逐步替代離體牙，成為近年來對(duì)根管治療器械和方法研究探索的重要工具。

Gok等用選取經(jīng)預(yù)備后的C型根管離體牙，用CBCT、3D打印技術(shù)制造80個(gè)高精度的復(fù)制品，隨機(jī)分組并分別用不同的充填方法，得出在根尖區(qū)冷側(cè)壓充填方法比熱牙膠充填有更好的效果。Eken等用ProTaperUniversal、WaveOne、Mtwo等7種根管銼系統(tǒng)對(duì)3D打印的樹脂牙模型的橢圓形根管進(jìn)行預(yù)備，后用CT掃描并建立有限元分析模型，分析各組模型應(yīng)力分布情況。

3.2根管治療定位導(dǎo)板
用于開髓和根尖周手術(shù)的3D打印導(dǎo)板也很有應(yīng)用前景。Zehnder等將CBCT與口內(nèi)掃描相結(jié)合，用3D打印制備出導(dǎo)板，從而能準(zhǔn)確地找到根管預(yù)備的最佳途徑，這種方法使定位根尖1/3成為可能，并在離體牙上驗(yàn)證了此技術(shù)方法的可行性及精確性。Connert等使用該方法對(duì)伴有根尖周炎的鈣化下頜切牙進(jìn)行治療，實(shí)現(xiàn)了微創(chuàng)髓腔入路制備和根管定位，完成了數(shù)字化導(dǎo)航微創(chuàng)牙髓治療技術(shù)的臨床應(yīng)用。Meer等亦報(bào)道了類似病例。設(shè)計(jì)制作根管治療定位導(dǎo)板看似耗時(shí)，但治療的椅旁時(shí)間卻很少，其額外成本也可以通過降低諸如穿孔等醫(yī)源性損傷的可能性來平衡。

3.3復(fù)雜病例治療方案設(shè)計(jì)、體外模擬操作及個(gè)性化器械設(shè)計(jì)制作
CBCT檢查可以為牙體牙髓病醫(yī)生提供可靠的參考�，F(xiàn)在可以通過在3D打印模型上進(jìn)行操作訓(xùn)練，術(shù)前設(shè)計(jì)手術(shù)方案等。Nosrat等在治療上頜側(cè)切牙牙內(nèi)陷病例時(shí)，也利用了CBCT三維重建復(fù)雜的內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)，并制作3D打印牙模型用于術(shù)前模擬治療操作，輔助治療。三維影像重建和3D打印技術(shù)不僅可應(yīng)用于根管形態(tài)學(xué)研究中，亦可應(yīng)用于根尖周及牙槽骨結(jié)構(gòu)的重建與研究。在臨床治療中，根尖手術(shù)術(shù)區(qū)體外模型有助于手術(shù)方案設(shè)計(jì)，并可通過3D打印技術(shù)獲得有助于開展治療的個(gè)性化器械。Patel等報(bào)道了在根尖手術(shù)前，利用CBCT、CAD、3D打印技術(shù)獲得了術(shù)區(qū)體外模型，并制造了個(gè)性化的手術(shù)拉鉤，為手術(shù)提供了準(zhǔn)確的定位和清晰的視野，使術(shù)區(qū)周圍軟硬組織的損傷最小化，并為后續(xù)的愈合提供了有利的條件從而保證了術(shù)區(qū)的美觀。

3.4牙體解剖及牙體牙髓病治療操作教學(xué)
目前用于牙體牙髓病教學(xué)的離體牙嚴(yán)重不足，對(duì)口腔醫(yī)學(xué)院校正常的教學(xué)工作產(chǎn)生了較大的影響。3D打印牙齒模型由于其可重復(fù)性，可廣泛應(yīng)用于牙體牙髓病學(xué)的操作培訓(xùn)，如窩洞充填術(shù)、根管治療術(shù)等操作技能培訓(xùn)等。解決了目前離體牙來源有限，不可復(fù)制等問題，培訓(xùn)者可反復(fù)練習(xí)同一顆牙齒模型的治療，有利于提高操作水平。

4. 3D打印技術(shù)目前的不足   
3D打印技術(shù)在牙體牙髓病學(xué)的治療、研究和教學(xué)方面均凸顯了無可比擬的優(yōu)勢(shì)，但發(fā)展過程中面臨的諸多問題還有待研究和解決。

4.1材料的限制
醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相比于其他行業(yè)對(duì)原材料有著更高的要求。而目前適合口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的3D打印原材料十分有限。因此，必須加強(qiáng)對(duì)醫(yī)用3D打印材料的研究。

4.2成品的精確性
由于受到3D打印技術(shù)水平以及材料應(yīng)用的限制，目前3D打印成品仍不足以完全模擬真實(shí)物體。這個(gè)問題將隨著技術(shù)水平的發(fā)展和材料工藝的進(jìn)步而得到進(jìn)一步解決。

4.3技術(shù)成本較高
3D打印機(jī)就目前來說仍屬于造價(jià)昂貴的高端科研試用品，而通過個(gè)性化生產(chǎn)設(shè)計(jì)的三維模型也需較高的費(fèi)用。另一方面，對(duì)掃描數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和操作運(yùn)行3D打印機(jī)也是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作，需要在專業(yè)的工程人員協(xié)助下完成，這樣無疑增加了很多的技術(shù)成本。

5. 展望   
3D打印技術(shù)作為近幾年廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)，為牙體牙髓病學(xué)提供了更高效、精確和經(jīng)濟(jì)的診療和科研手段。運(yùn)用生物組織工程的3D打印必然是未來發(fā)展的一個(gè)大趨勢(shì)。而開發(fā)體積較小，操作簡便的3D打印機(jī)也是日后應(yīng)用于口腔領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展目標(biāo)。隨著計(jì)算機(jī)掃描、圖像處理技術(shù)、3D打印原材料及設(shè)備的進(jìn)步，3D打印技術(shù)在牙體牙髓病學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用有望進(jìn)一步拓展。

作者：夏文君，張靈，唐子圣，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院牙體牙髓科