3D打印技术在口腔种植导板制作中的应用

汤雨龙，惠瑞宗，曹志强，柳云恩，张晓东，侯明晓

种植义齿因固位支持效果理想、美观舒适、对邻牙无伤害等优点，逐渐成为牙列缺损和缺失患者口腔修复的首选方法［1-2］。然而，传统的牙种植手术种植体植入的角度和位置常需在手术中翻开黏骨膜瓣后，根据局部骨组织情况来确定，受手术视野、骨内重要神经血管解剖结构、颌骨生理或病理性吸收等条件限制，种植体植入位置和术前预期位置会发生偏差，且种植体一旦植入，其位置很难进行微调校正，因此带来诸多手术和修复并发症［3-4］。近年来，以修复为导向的牙种植理念的提出，要求种植体的方向、位置、深度应具有一定准确度从而符合最佳修复要求，并获得种植体长期稳定性，加之为消除患者恐惧、减少出血、减轻术后肿胀和减少牙槽骨吸收，近年来出现了微创不翻瓣牙种植技术［5-6］，都对术者准确掌控种植体植入三维位置提出了更苛刻的要求。种植手术导板是种植术前应用计算机设计和制作的辅助工具，用于术中引导种植窝预备，是种植体位置、方向、角度等信息的载体，是术前设计与实际操作相联系的桥梁［7］。传统的种植手术导板多采用在石膏模型上的热压膜技术，虽能兼顾上部修复效果，但却无法精准控制种植体位置，很大程度上依赖医生的临床经验［8］，偏差也较大。基于口腔锥形束 CT(cone beam CT，CBCT)［9-10］的3D 打印种植手术导板，则可将包括精准种植体三维位置、最终修复体轮廓、重要颌骨内解剖结构等信息转移到术中［11］，从而减少手术并发症，以期获得理想的种植修复效果。本文着重介绍3D打印技术的原理及在口腔种植导板制作中的应用。

1 概述

3D打印技术是以计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM)技术、激光技术、计算机数控技术以及新材料技术为基础发展起来的一种基于计算机三维数字成像技术和多层次连续打印技术制造实体模型的方法［12］。根据制造方法不同可分为光固化成型(stereo lithography appearance，SLA)、选择性激光烧结(selective laser sintering，SLS)、熔融沉积成型(fused deposition modeling，FDM)、分层实体制造(laminated object manufacturing，LOM)和喷墨打印技术。其工作原理是:首先进行三维数据的采集，包括软件设计、机械扫描、光学扫描和放射学扫描4种方式;在20世纪80年代首先应用于工程领域，利用重建的三维数字模型分割成层状逐层堆积成实体模型［13］。其次是将获得的三角网格数据(STL格式)导入三维重建软件进行处理;最后在计算机程序的控制下采用逐层叠加的方式打印出3D实物模型。目前3D打印技术已在生物医学领域得到广泛应用，如术中导航、医学模型制造、器官打印等，其突出特点是不受传统制造工艺的外形限制，可依据计算机设计图纸进行个性化产品快速制作。通过CBCT的放射学参数及术前软件设计信息，快速制作出能够协助精确定位种植体植入位置与方向的种植手术导板［14］就是其技术实体化的最好体现。自1987年Edge等［15］率先设计和制作了第1个种植外科导板后，3D打印种植导板得到快速发展［16-19］。

2 在口腔种植导板制作中的应用

2.1 3D打印种植手术导板的制作过程 因CBCT常不能一次性获取精确的牙齿及软组织表面形态数据，2008年Steenberghe等［20］首先提出二次CT扫描程序:第1次扫描时患者需佩戴含有散在显影点的放射导板，扫描时确保其在正确位置上完全就位;第2次将放射导板单独固定在CBCT机上进行扫描，使前后两次导板的位置和方向一致，再利用显影点影像重合技术将两者重合，图像导入三维图像设计软件中，这样就能在电脑中实现患者骨组织和软组织的三维重建;然后，在设计软件中描绘出重要的神经血管解剖结构，进行模拟种植设计，确定手术方案和种植体类型及植入位置、方向、深度，并确定种植导板开孔的位置及高度;最后，打印制作出最终的种植手术导板，通过树脂层层固化堆叠，形成一个带有圆柱孔洞的树脂导板，再将金属钛套环轻击固定于孔洞内，即完成导板制作。这种手术导板制作方法被学者们广泛认可，取得了良好的临床效果，已有大量的关于此类导板应用的研究报道［21-28］。

2.2 3D打印种植手术导板类型 3D打印种植外科导板按支持形式可分3种类型:①牙支持式导板:手术导板直接固定于缺牙区邻牙上，用于单个或少量牙齿缺失患者，可进行微创不翻瓣种植手术，适合于初学者和小间隙种植;②黏膜支持式导板:在充分了解骨量和黏膜情况的前提下，将导板直接固定于缺牙区牙槽嵴顶黏膜上，适用于连续多牙缺失的患者，通过导板的引导经黏膜钻孔，用以确定种植体的精确位置，环切牙龈后逐级备洞，最终植入种植体，可减少手术时间和术后反应，适用无牙牙合患者或不翻瓣种植手术;③骨支持式导板:导板组织面直接固定于缺牙区颌骨骨面上，适用于缺牙多、有骨缺损或不确定的病例，需要常规翻瓣，应采用此类手术导板可减少误差，并及时进行骨增量手术，且常需侧方皮质骨钉进行辅助固位。此外，为增加手术导板稳定性，除精密要求外，还需跨度长，且金属管长度及黏膜厚度应预知，以确定扩孔钻钻骨深度。

2.3 3D打印种植手术导板的优点 3D打印手术导板在制作前通过专用软件对CBCT的DICOM原始数据导入，可在术前对种植区解剖结构进行分析。术者通过CT信息的三维重建可充分了解患者种植区域的骨量和重要的组织位置［29］，测出嵴顶距离上颌窦和下牙槽神经管等重要解剖结构的数据，再根据具体情况设计手术方案，决定翻瓣类型和是否同期行骨增量手术，比较几种术式的优劣，以期达到最佳修复效果;然后进行模拟手术，放置所需合适种类和尺寸的种植体，观察其植入位置和方向，上部修复空间及其与对颌牙和邻牙的关系。通过这样详尽个性化的术前规划，便于良好的医患沟通，可将术者思路可视化地向患者及其家属展示，获得最大的理解和配合［30］，同时也简化了手术步骤，缩短了手术时间，在一定程度上减少了术中的技术依赖及手术风险，提高种植的成功率［31-32］。此外，通过CBCT数据分析可直观地了解术区骨密度情况，骨密度过低时种植体初期稳定性略小，骨密度过高时对于种植备洞有一定影响。同时，设计软件还可通过调节上部修复结构，确定上下咬合关系以及牙合力分布状况［33］，以期获得最佳的修复功能与美学效果。根据以上参数设计并打印制作出的种植导板，主要适用于种植体需避开重要神经血管者、多颗种植体要求种植角度一致者、骨量不足又不接受植骨者及需种植即刻修复者，增加了种植义齿的适应证范围［23］。

2.4 3D打印种植导板的缺点 3D打印种植导板的设计、加工和制作需采用设计软件和特殊机器，过程烦琐，每个环节的偏差均可影响种植导板就位及稳定性，而各种误差相互影响和叠加，会在种植体根部逐步放大，最终直接影响种植体实际植入的精确度［34-37］。其中模型的三维重建、CT数据与二次扫描的数据配准更是直接影响到种植导板的快速加工和技术应用［38］。Verhamme 等［39］将其用于无牙牙合患者发现，该方法引导种植体植入后的实际位置与术前计划的种植体位置基本一致，但颊舌向的偏差相对明显，可能是由于口腔内黏膜等软组织具有可让性的原因，从而导致实际种植导板在戴入时出现颊舌向的微动移位，造成实际与虚拟植入位置存在差异。Pettersson等［36］研究结果显示，种植体肩台平均误差为0．80 mm，根部平均误差为1．09 mm，角度平均误差为 2．26°。Schneider等［22］研究发现，种植体颈部平均误差为 1．07 mm，根部平均误差为1．63 mm。因此，无论何种原因导致的就位及稳定性欠佳，最先受到影响的就是种植体整体角度的偏离。当种植导板前段就位欠佳时，种植体植入后近远中向的误差会明显增大;导板在颊舌向就位欠佳时，种植体植入后颊舌向的误差会较明显;深度的控制以扩孔钻的标记点为参考，种植导板就位欠佳时会导致种植体植入深度不足。值得一提的是Komiyama等［40］研究结果显示准确度最好的是深度。

此外，种植手术导板会阻碍种植钻头水冷降温效果，Yong等［21］研究应用种植外科导板术后早期并发症发现，种植失败多发生在种植体长度超过10 mm的病例，可能是因为戴入导板不利于种植窝预备时热量的散发，使过深部位冷却不足，导致颌骨过热坏死而造成种植失败。另外，受张口度的限制，后牙种植导板会妨碍钻头的操作，加之种植总体费用的增加、患者对CT的放射剂量的顾虑等诸多因素使得3D打印种植导板目前还不能做到常规应用。

3 展望

3D打印种植导板提高了种植体植入的精确度，简化了手术方案，既减小了手术风险、缩短了手术时间，又保证了修复体的咬合功能和美学效果，尤其是对于复杂且植入要求较高的患者来说更有使用价值，但同时也应看到其精确度确有不足，故至少应保证2 mm安全区以避免伤及重要解剖结构。随着近年来口内扫描的应用和数据精确度的提高，种植专用软件的不断更新以及高精度的快速成型设备的研发，种植手术导板的设计制作精确度不断提高。目前，3D打印种植导板的设计与制作技术主要由国外专业公司垄断并已商品化，而国内多处于开发和研究阶段，绝大多数的种植手术还仅凭术者经验或仅依靠传统简易种植导板引导手术，因此需积极自主研发3D种植导板打印技术，并进一步提高导板的精确性，推动国内牙种植技术的发展和普及，让更多的患者受益。

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