3D打印技术在根形种植体制作中的研究进展

2017-12-8 09:12 来源:中国口腔颌面外科杂志
作者:徐逢源 赖红昌阅读量:2402

    近年来,种植修复已成为牙列缺损的主要修复手段之一。3D打印技术也已愈发广泛地应用于口腔种植领域。3D打印技术结合计算机辅助设计并制作根形种植体能兼顾患者舒适度、生物学性能,有望得到快速发展。本文对计算辅助设计结合3D打印技术制作根形种植体的定义、制作方法、特点、临床应用现况及前景作一综述。

    1.根形种植体的发展历史

    传统观点认为,种植体和种植窝形态是否吻合,对种植体的初期稳定性有较大影响。根形种植体(root-analogue implants,RAI)因其仿自然牙根形态设计,具有较好的抗旋转性,被认为可以更好地模拟自然牙的传力特性和牙根的应力分布特性。根形种植体于20世纪60年代首先被使用于拔牙窝。该聚甲基丙烯酸酯根形种植体被纤维包裹,未能实现骨结合。随后的研究以钛取代聚合物,达到了88%的骨结合率,且动物学实验证明仿牙根形的钛种植体实现骨结合。然而,根形种植体可能因后期无法预估的骨吸收产生较大的美学风险。

    已有大量文献表明,拔牙后即刻种植并不能阻止牙槽窝内外的骨改建,无法避免垂直向和水平向的骨吸收,且骨吸收在颊侧尤甚。牙龈边缘退缩风险极高。近年来的研究表明,即刻植入非潜入式,颊侧颈部减径0.1~0.3mm的根形氧化锆种植体,可获得极好的功能及美学效果,未见明显骨吸收和软组织退缩。其机制可能是种植体在靠近薄层皮质骨区减径,可以较大程度地避免折断或压力引起的骨吸收。颊侧间隙的存在促进凝结物(coagulum)的形成和结构化,并可能使形成的新骨更致密,骨小梁间间隙更小,从而提高骨-种植体结合率。

    此外,随着数字化技术与3D打印材料的日益进步,设计和制造出个性化根形种植体已经成为可能。临床研究中,尤其是需要骨组织增量和定位种植体位置时,多使用锥形束CT(cone-beam CT,CBCT)作为3D评估硬组织的工具。光学扫描(optical scanning)多用于3D评估软组织轮廓。光学扫描结合术前CBCT可用于确定种植体三维位置及与邻近解剖结构的空间关系。

    2.3D打印技术的分类

    3D打印技术(3D-printing,3DP)是一种由三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。3D打印技术的类型主要包括:①光固化快速成型(steriolithography,SLA,SL);②光敏聚合物喷射技术(photo polymer jetting,PPJ);③熔融沉积造型术(fused deposition modelling,FDM);④粉末黏结剂打印(powder binder printers,PBP);⑤数字光处理(digital light processing,DLP);⑥选择性金属熔融(selective laser melting,SLM);⑦电子束熔融(electron beam melting,EBM)等。以下仅介绍应用于制作根形钛合金种植体现较多选用的SLM和EBM技术,两者均属于粉床熔融技术。实际操作中,直接打印制作的金属材料不仅有特定的安全和健康要求,更需要在实际应用前进行大量处理。打印后处理包括喷丸加工、热处理和部件抛光等。

    2.1选择性金属熔融

    选择性金属熔融(selective laser melting,SLM;又称为selectiv elaser sintering,SLS或direct metal laser sintering,DMLS)是一种适用于金属和金属合金,如钛、钛合金、钴铬合金、不锈钢的3D打印技术。SLM使用纤维激光束作为能量源,制作间内充填惰性气体。激光束根据系统内安装的模组最大功率可达到1kW。电流表控制激光束聚焦,F-theta透镜控制光束的移动。工作台可预热达200℃。每层粉末厚度达20~100μm。每层沿轮廓由外向内熔融。SLM现已在颧骨和手指的植入体中开展应用。使用SLM技术制作部件时,需要牢固支撑物连接目标部件与平台,以防止变形。

    SLM的优点是高强度,可控制孔隙性,合金可循环利用,细节处理佳;缺点是设施要求复杂,设备运行与维护费用昂贵,细小粉尘甚至纳米级颗粒浓缩物有害于健康,成品表面粗糙,需要复杂的后处理,后期需热处理减小内部应力,复杂的支架移除步骤。对于3D打印技术制作植入物,要求控制材料的结构如多孔性、孔隙大小、形状、容量和互联性。SLM技术可用于制作分级控制孔隙性的种植体,因为SLM技术可以实现控制每层的孔隙。具体操作方式有改变3D模型的加工参数,如激光功率、最大功率、激光点直径、层厚度、扫描区域、扫描速度及选用不同原始尺寸的钛颗粒材料。

    2.2电子束熔融

    电子束熔融(electron beam melting,EBM)是一种革命性的金属3D打印技术。该技术应用电子束熔解金属粉末,工作间为真空。这种无氧的环境极大地有利于Ti6Al4V的制作,可以控制间隙元素的量达最小化。此外,为了减少剩余应力及防治变形翘曲,制作部件时的工作温度达到700℃,实现每层预热。电子束的电子枪与扫描电镜或电子束焊接机器的电子枪类似,能以工作功率60kW产生能量密度100kW/cm2的聚焦电子束。电磁透镜控制聚焦,偏转线圈控制移动。电子束高速扫描并预加热粉末层,随后根据CAD相关文件熔融特定区域的粉末。每层粉末厚度达100μm。每层沿轮廓由外向内熔融。EBM制作的移植物也已获得FDA认证。

    EBM的优点是无需后期热处理,速度较快,可用于制作致密的部件,可控制多孔性,加工过程中只需简易支撑体或无需支撑结构。缺点是昂贵,粉尘污染,分辨率较低,实际操作中很难彻底清洁机器。Thomsen等比较了EBM制作的Ti6Al4V种植体和传统锻造种植体短期内(6周)体内的组织反应,并未发现显著差别。

    3.应用现状

    3.1成功率

    通过3D打印技术制作的RAI短期存活率较高,骨愈合早期能形成良好骨结合。一项对201例DLMF种植体支持的冠修复体的1年随访检查结果,总存活率为99.5%,冠修复成功率为97.5%,牙槽骨水平稳定,种植体平台到骨与种植体第一点接触平均距离为(0.4±0.2)mm。Shibli等在12侧无牙颌对象上颌后牙区传统种植体之间植入了DLMF临时种植体,与传统种植体共同支持愈合期的上颌全口过渡义齿。8周后对DLMF临时种植体与周围软组织进行分析,即刻负载和不负载的DLMF种植体周围都产生了成熟的编织骨,内侧衬有早期阶段的新骨;在上颌后牙区即刻负载的DLMF种植体BIC%均值更高。

    3.2精密度

    有研究表明,应用3D打印技术制作的个性化种植修复体精密度良好。个性化种植修复体与体内牙数据模型整体模型间的高低区域偏差的平均值的差异、体内牙与体外牙数据模型整体模型间的高低区域偏差的平均值的差异均无统计学意义。另一项研究也得出相似结果,但是原牙与个性化种植体在根尖孔区和釉-牙骨质界的颊舌面,表面积差异最为明显。

    3.3形态设计

    关于根形种植体的设计,有文献认为,皮质骨和松质骨处应采取不同过盈量设计。高亦林等运用有限元方法模拟不同过盈量下SLM个性化拟自然牙种植体-骨界面的应力分布,结果表明,当过盈量为50μm时,皮质骨所受到的应力大小与其屈服强度相当;当过盈量为70μm时,松质骨所受到的应力大小与其屈服强度相当。然而,更多的研究认为,唇颊侧减径的根形种植体有利于优化中长期修复效果。因为即使是完美符合牙槽窝外形的种植体,也可能会引起压力性骨吸收。Figliuzzi等为1例右侧上颌第二前磨牙因折断拔除的50岁健康女性采用DLMF技术制作Ti6Al4V种植体。种植体颈部靠近唇侧皮质骨的区域在Magics软件辅助下减小直径。1年的随访显示,功能和美学效果近乎完美,影像学检查未见种植体周围骨吸收或低密度影。

    4.展望

    4.1 3D打印技术结合数字化技术

    根据现有技术事先结合CBCT三维数据和CAD/CAM设计和制作单牙RAI,具有以下优点:无需复杂的种植程序;增加患者舒适度;仿根形设计可能增加美学效果;尤其是当目标牙已损坏,无法取得完整的3D模型表面扫描时,取得对侧同名牙的镜像表面模型也是可行方法之一。CAD为种植体的设计增加了许多新的可能性,如通过3D设计增加RAI的微固位结构和术前设计基台,甚至可依据基台的数据,通过CAD/CAM设计临时冠。对医学成像进行3D重建时,除了考虑患者个性化设计外,也应关注骨引导种植体的多孔性、种植体表面的拓扑形态、种植体应力遮挡的减少等。此外,种植导板也可应用于个性化种植体的手术过程。

    4.2 3D打印种植体材料的进步

    现有的SLM技术和EBM技术已经能达到精准控制材料孔隙的结构。目前对于种植体材料孔隙大小的共识是有利于矿化骨形成的孔隙尺寸在100~400μm之间。支架材料孔隙度设计应最大化地有利于营养物质、组织液的扩散并具有良好的机械力学特性,以促进快速骨增长。此外,由于骨的机械强度由外至内逐渐降低,表面高孔隙度和核心高密度的功能梯度(functionally graded material)种植体或能承受较大负荷,避免应力遮挡和压力引导的骨吸收,加速愈合时间,促进骨结合。近年也有研究旨在寻找Ti6Al4V的替代品,如抗腐蚀性能和生物相容性更优的Ti6Al7Nb、低模量或能减少骨吸收的Ti24Nb4Zr8Sn97、钽、氧化锆等。

    4.3 3D打印种植体的表面处理

    关于3D打印种植体是否需要表面处理仍有争议。有研究认为,EBM种植体骨-种植体结合率以及骨生长特性与等离子喷涂钛种植体差别不大,无需表面处理。但是在另一项动物模型研究中,SLM技术制作Ti种植体的表面喷砂加酸蚀组相比未处理组或仅喷砂组,骨传导性能更优。以上不同结果的差异,或许可以用表面粗糙度来解释。Ponader等发现,在Ra小于24.9mm时,EBM表面的粗糙度能促进人成骨细胞的增殖和分化;但当Ra超过56.9mm时,表面粗糙会抑制成骨细胞增殖。该研究或许能指导SLM和EBM种植体何时需要表面处理。目前仍需更多临床证据,以评价3D打印技术制作的种植体的长期(≥3年)生物并发症和机械并发症。希望将来的研究能更多着眼于种植体周围组织的探诊深度和影像学检查。此外,我国相关管理部门对于口腔科临床应用3D打印技术的指导意见尚未出台,需要等待建立合适的标准。

编辑: 陆美凤

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