【深度解析】3D打印在牙科种植中的应用

齿科是非生物3D打印中最有前景的领域之一，3D打印技术在齿科修复领域中的应用主要包括可摘义齿、矫正器和种植牙，齿科是目前最有希望可以规模化应用的3D打印技术的医疗领域，根据Smartech市场研究报告中的预测，预计到2020年，3D打印在牙科行业的市场规模将超过23亿美元。

一、引言
3D打印技术又叫“增材制造技术”，起源于快速成型技术[1]。在20世纪80年代，伴随着增材制造（AM）即逐层构建物体的思想的出现，世界上第一台3D打印系统被研发出来。1986年美国Charles Hull开发出立体光固化3D打印设备，并成立了3D Systems公司。目前有许多不同的3D打印技术和工艺，最早出现的立体光固化（Stereo Lithography Apparatus， SLA），后来Stratasys公司的创始人克朗普发明了熔融沉积建模（Fused Deposition Modelling， FDM）技术，之后美国德州大学奥斯丁分校德克博士发明了选择性激光烧结（Selective Laser Sintering， SLS），在此基础上发展出了选择性激光融化（Selective Laser Melting， SLM）等。3D打印技术在医药和牙科方面开辟了新道路。

数字化医疗3D打印是使用各种3D打印技术，从医学图像数据导出的人体解剖结构的计算机模型，打印制造出精确的人体物理模型。3D打印在牙科应用中包括教育、可视化、术前规划、程序演练、仿真、定制医疗植入物设计和组织工程等多方面。本文主要通过牙科导板分析和手术模拟说明3D打印在口腔修复中的应用。

二、口腔种植
20世纪60年代，瑞典Branemark教授创立的骨结合理论奠定了现在口腔种植学的生物学基础，并于1965年完成了世界上第一例钛种植体的口腔种植手术。20世纪80年代，口腔种植学的发展使其成为口腔医学领域内最为瞩目的新兴学科。种植义齿修复与传统修复方法相比，种植修复具有不损伤邻牙、兼顾美观和功能、长期效果可靠等诸多优点。但在口腔种植手术中，如何确保种植体植入至理想位置，降低手术风险和并发症的发生，对临床医生是一个挑战。

临床医生在进行种植手术前需要考虑以下几个因素：①种植体周围有足够的牙槽骨；②种植手术不能破坏重要的解剖结构；③种植体的位置、方向、角度及深度应满足修复和美学要求。

对于有些骨量不足的患者，手术中需要最大限度地利用余留的骨，同时确保种植体植入的位置、方向、角度等准确性，避免损伤重要的解剖结构，这些对临床医生，尤其是经验不足的医生无疑是巨大的挑战。

了解决上述存在问题，1987年，Edge应用了可摘局部义齿设计，根据模型上的标记，用自凝塑料制作了第一个种植导板（图1）。从此，导板在种植领域中开始得到应用。

图1 Edge 种植导板

（a）压膜式导板颌面外观

（b）利用压膜式导板设计种植体植入位置及方向

三、数字化3D打印口腔种植导板
传统的口腔种植技术术前仅拍摄X光片，无法显示种植区域的三维结构。这样二维平面图像表达的信息有限，医生获得的术前信息不够完整，常造成术中不确定因素增多、手术时间延长、疗效可预见性差等问题，种植修复的精确度无法保证，应用受到一定的限制。

随着计算机断层扫描技术（CT）[5]的出现，医生可以借助CT影像，在术前对患者的信息了解得更多、更全面，较传统的二维平面数据更细致，与周围组织结构的关系也更精准，不但可以显示三维的图像，还可以进行精准测量。它可以显示骨的实际解剖结构和形态，使临床医生可以术前对重要解剖结构进行分析、对骨量及骨的三维结构进行评估(图2)。但是，在种植手术的实际操作中，仍然依赖医生的经验，然而经验再丰富的医生也无法仅依靠CT影像将术前设计的种植体位置、方向、角度等准确无误地转移到患者口内，使得实际植入位置与预想位置发生偏差不可避免，严重的甚至会造成重要解剖结构的损伤。

图2　　三维CT影像显示各个解剖结构

20世纪90年代以来，CT精度不断提高，计算机辅助种植设计软件以及3D打印设备的开发不断完善，数字化口腔技术日臻成熟，使得术前种植方案精准地转移到患者口内成为可能。在口腔种植中，越来越多的临床医生利用三维数字化方法进行术前规划，通过CT的扫描图像对骨量及骨的结构进行评估，利用计算机辅助设计软件进行术前的虚拟设计，确定种植体植入的位置、方向和型号，再利用3D打印技术制作出种植导板，将设计程序中的虚拟种植方案精确转移至患者口内。数字化3D打印导板的诞生使医生的种植的准确率和成功率得到极大的提高，帮助医生进行精准种植，以获得最理想、最精确的种植体三维位置和方向，手术风险大大降低，在临床上受到广泛欢迎。

口腔种植手术数字化3D打印导向模板，又称3D打印种植外科导板，简称“导板”，是将术前虚拟设计的种植体方案精确转移至患者口内的个性化手术辅助工具（图3）。它可以帮助临床医生在手术中精确地控制种植体植入的位置、方向、角度甚至深度，辅助医生的种植体植入，使最终的种植修复与术前的理想设计方案实现统一。

图3数字化3D打印种植导板

3D打印种植外科导板按支撑的形式可分3种类型（图4）：

①牙支撑式导板: 这种导板可以直接固定在缺牙区邻牙上，主要对于单个或少量牙齿缺失的患者较为适用，只需进行微创不翻瓣种植手术即可完成种植。②黏膜支撑式导板:需要事先了解骨量和黏膜情况,直接将导板固定于缺牙区牙槽嵴顶黏膜上，对连续多牙缺失的患者较为适用。
③骨支撑式导板：将导板直接固定于缺牙区颌骨骨面上,对缺牙多、有骨缺损或不确定的患者，还需要进行常规翻瓣手术。
　　
这些导板在制作过程中多采用立体光固化SLA的打印方式，打印精度较高，采用医用的光敏树脂材料，较为安全，成型的导板经过消毒处理，可以直接放置在患者口中。此外，用FDM打印也可制作，此方案对于单颗牙齿缺失在设计和制作流程上比较简单，加工时间短，正得到广泛的推广使用。

手术中，医生将导板固定在牙齿上，然后沿着导板上的引导孔进行钻孔，以确定种植体的精确位置、方向，最终植入种植体，有了导板的帮助，医生可减少手术时间和术后反应，不须翻瓣种植手术。

（a）

（b）

图4 （a）粘膜支撑式导板  （b）牙支撑式导板

如果按导板的定位方式又可分为：半程导航导板、全程导航导板。半程导航导板在术中仅引导定位钻定位，定位完成后即取下导板。图5为半程导板和定位钻。全程导航导板与导板配套使用的压板引导多级扩孔钻，直至引导医生完成最后一钻。图6为全程导板和配套钻。

图5半程导板及定位钻

图6全程导航板及全程导航盒

四、3D打印口腔种植导板的优势
口腔种植技术近年来发展迅速，适应症越来越广，但随之而来的种植并发症日益增多附加手术种类也越来越多。

颌骨中植入种植体，临床种植医生一旦对种植体的植入方向、深度把握不准，很可能会损伤重要的解剖结构，出现严重的术中术后并发症[13]。因此，精确地控制种植体植入方向和位置，避开重要的剖结构尤其重要。

临床实践证明，种植手术成功的关键不仅在于术前做出正确合理的治疗方案，还应该为该方案确切地实施提供保障和手段，即将设计好的手术方案精确地转移到临床手术中来，保证种植体植入的位点、方向及角度等与术前方案一致，使种植方案在患者口内得以准确实现。目前主要有2种方法来实现手术方案的转移，一种是实时导航，另一种是静态数字化种植外科导板。

在实时导航外科中，成像系统根据手术进程实时反馈颌骨实际情况，医生可随时根据导航信息调整植入位置、方向及角度，以达最佳的植入定位。理论上，实时导航更符合种植手术要求，但是研究表明导航系统易产生追踪误差、垂直向偏差导致显示的与实际的不一致，且操作手术时间延长，无法实现术前设计和以修复体设计为导向的最佳植入位置，技术尚不成熟，并非目前国际上主流技术。而数字化种植导板技术可以在术前根据患者口腔三维立体的颌骨信息，设计种植体的植入位点、角度、方向和长度，避开重要的解剖结构和病变区域，或充分利用患者特有的结构优势，将手术风险降到最小，并实现将预先设计的修复体信息融入种植体设计中，真正实现以修复为导向的种植体设计及实施。精确地数字化导板的设计，不仅可以减少患者的手术创伤和风险，同时减少了手术耗时，实现了术前修复设计计划，提高治疗效率和质量，增强了医生对手术的把控，使复杂手术简单化。

常用的传统压膜式手术导板，由于只是在诊断模型的黏膜水平上制作的，由于没有骨组织信息，无法确定重要解剖结构的位置及形态走向，得不到植入区的颌骨及邻牙等三维信息，种植体最终的植入位置还是主要依赖于医生的技术和经验。

利用3D打印数字化导板的种植技术与传统种植技术相比，具有以下优势：

①可以将术前制定的方案准确地转移到临床手术上，能够完全保证种植体植入位置、方向及角度的准确性，大大降低了种植手术的风险，避免重要的解剖结构的损伤。
②可以充分利用余留骨量，减少甚至避免了附加手术，最大限度减少了手术创伤。
③对于骨量充足的患者，可不用翻瓣，只需进行微创即可完成种植手术，减轻了患者痛苦。
④数字化3D打印的种植导板使得术前种植设计方案得以精准转移，术前可根据方案制备临时修复义齿，使术后即刻修复成为可能。
⑤实现以修复为导向的种植方案设计，提高了修复后美学及功能效果的可预见性；也使医技沟通更为直观、顺畅。
⑥手术前可以利用三维信息，向患者直观展示手术方案和术后效果，便于医患沟通，减少纠纷的发生。

五、数字化3D打印种植导板的发展趋势
自20世纪80年代，Edge制作了第一个种植导板。从此，导板在种植领域中的应用越来越普遍。传统的种植外科导板是基于平面X光影像的信息，在石膏模型上设定植入点，采自凝塑料或经真空压膜机热压成型。此类传统简易导板制作简单、费用低廉，在一定程度上指导了手术中种植体的植入位置和方向。但是，此类导板是在石膏模型上定位种植体植入位点与方向，很难将颌骨解剖的三维影像信息精确地转移到导板的设计及手术过程中，精度和准确度欠佳，手术仍主要依靠临床医生的经验进行，不可预知性和风险性较大。

随着数字化信息技术的不断发展，数字化设备日益普及，“数字医学”作为信息技术与医学科技的交叉领域，其理论研究、临床应用实践与技术发展已成为一门迅速发展的新学科。在口腔种植领域，从种植方案的设计到种植手术的实施再到修复体的加工设计都离不开数字医学。

字化种植技术，首先需要临床获取患者的数字化信息。传统的影像学方法为胶片式平面图像，例如，牙片、曲面断层片、咬合翼片、根尖片等。这些平面影像不能够提供数字化三维空间信息，如术区牙槽骨形态、上颌窦底的空间形态、邻牙牙根走向等。随着计算机断层扫描技术CT在口腔颌面外科领域获得应用，并开始使用该技术评估种植术区的骨质、骨量，制订种植手术计划。但由于当时应用的螺旋CT设备昂贵、占地面积大、X线剂量大等缺点，严重限制了CT技术在口腔种植领域的应用。1998年，Mozzo等最早将锥形束CB(cone beam CT ,CBCT)应用于口腔领域（图7），促进了CT技术在口腔领域的应用，成为口腔医学中重要影像检查手段之一。与传统螺旋CT相比，CBCT设备小、价格相对低，扫描时间短，辐射剂量小，放射剂量低于一次拍摄全口牙片，分辨率高，定位准确，显示牙体组织、颌骨组织清晰。目前，CBCT已经成为口腔种植术前检查的常规手段。

图7锥形束CT扫描机

3D打印技术是一种增材制造技术，它集成了机械工程、CAD/CAM[21]、数控技术、激光技术及材料技术等领域的成果，是20世纪制造技术领域的一次重大突破。3D打印技术用于医学领域最早始于20世纪90年代初，借助于CT及磁共振等三维检测技术的发展而迅速发展。即通过计算机软件对CT或磁共振逐层扫描建立起的三维信息进行转换，得到数控加工命令，进而逐层加工制作三维模型。近10年间，随着口腔专用三维影像技术CBCT及快速成型技术的不断进步，数字化种植技术得以产生和发展，其中以数字化种植外科导板技术的发展尤为迅速。在计算机辅助设计软件的协助下，将计算机断层扫描获得的三维数据信息，结合以修复为导向的设计理念，通过快速成型技术，制成临床操作中所需的数字化种植外科导板。数字化种植外科导板的主要目的是提高诊断、手术和修复的精度，减少创伤和手术时间，将术前设计精确地转移至患者口内。

随着3D打印技术的发展，数字化医疗3D打印在口腔种植领域的应用越来越普遍，使得复杂病例的口腔种植手术时间大大缩短，风险大大降低，手术效果和远期修复效果显著提高。但应该承认，种植导板只是一种口腔种植手术的辅助工具，最终是依靠临床医生合理的设计和丰富的经验才能在患者的手术中成功完成，尽管这种技术可以扩展，但也不能盲目地把导板作用夸大和扩大化。我们相信，在国内科研工作者和口腔临床医生的共同努力下，我们的国产化外科导板技术会发展的越来越好。

作者：陈继民  张成宇
北京工业大学北京市数字化医疗3D打印工程技术研究中心