聚醚醚酮/聚醚酮酮材料及数字化技术在儿童口腔医学应用的初步临床报告

冀堃 朱顶贵 陆伟 杨春成 吴国锋

聚芳醚酮(PAEK)是一类亚苯基环通过氧桥(醚键)和羰基(酮)连接而成的一类结晶型聚合物，按分子链中醚键、酮基与苯环连接次序和比例的不同，可形成许多不同的聚合物。PAEK家族材料在发现其具有良好的生物相容性后，已越来越多地被用作骨科、创伤和脊柱植入的生物材料。目前PAEK家族的材料在口腔临床的应用主要包括聚醚醚酮(PEEK)和聚醚酮酮( PEKK)等[1-2]。PEEK/PEKK材料具有良好的抗蠕变性、耐磨性能以及耐化学性能，PEKK的机械性能及生物相容性等较PEEK材料更加优异。儿童口腔医学作为我国口腔医学中一门正在不断发展、充实和提高的学科，又称为“儿童口腔综合科”，是以处于生长发育过程中的儿童为对象，需要综合运用多学科新技术和新材料，使儿童口腔医学不断进步。作者自2019 年以来开展了一系列旨在验证PEEK和PEKK材料结合数字化技术在儿童口腔领域的临床试验，研究全程受南京大学医学院附属口腔医院(南京市口腔医院)伦理委员会监督和指导(编号：2019NL-012)，研究内容涵及PEKK和PEEK材料用于乳牙和年轻恒牙的冠和嵌体修复、乳牙早失间隙保持器的数字化制作、错颌畸形的早期矫治等临床应用效果、存在问题和未来展望，本文将结合最新文献对此作初步临床总结报告。

1 PEEK/PEKK材料在儿童口腔的临床应用观察

1.1 牙体缺损的PEEK/PEKK固定修复

PEEK的弹性模量和硬度低于传统的金属合金，但其具有与金属合金相近的抗磨损性能[3]，同时具有与天然牙体组织相近的力学性能[4]。目前市场上代表性PEEK牙科材料产品为德国Bredent公司的BioHPP，它是在PEEK基质中添加20%陶瓷填料以增强材料硬度和模量，Zoidis等[5]以此作基底材料，上覆光固化树脂，制作髓腔固位冠修复体，结果更好地缓冲了咬合力，保护了剩余牙体组织，这表明PEEK材料适用于牙体状况不佳时的修复体制作。BioHPP也已成功被用于恒牙牙体缺损的髓腔固位冠修复[5]、粘接固定桥过渡性修复[6-7],但其远期效果仍需随访观察。Abdullah等[8]曾使用Invibio公司的PEEK材料制作了CAD/CAM临时冠，结果发现PEEK材料CAD/CAM临时冠良好的边缘密合性和较高的断裂强度。也有研究表明3D打印PEEK和铣削PEEK制作的I类洞型嵌体显示出比最大的生理咀嚼力更高的断裂载荷，但是3D打印PEEK的Weibull模量低于铣削PEEK，但均好于树脂直接充填[9]。PEKK 的化学结构保证了其在PAEK家族中具有最佳的力学性能，PEKK 抗压强度比PEEK提高了80%。作者曾报道了PEKK用于制作全冠或三单位固定义齿修复体时，修复体边缘与基牙肩台紧密贴合，固位力理想，观察1 年未见有修复体脱落等失败病例[1]。第四次全国口腔健康流行病学调查报告显示，过去的10 年间，我国5 岁年龄组乳牙和12岁组的恒牙龋患病水平明显上升，5 岁组乳牙患龋率66.0%上升到71.9%，而12 岁组恒牙患龋率28.9%上升到38.5%[10]。乳牙固定修复需求大，PAEK基材用于乳牙固定修复不仅美观，而且强度高于树脂，是一种理想的替代材料。

1.1.1 年轻恒牙牙体缺损的PEEK嵌体暂时修复 患者女性，13 周岁，右下颌第一磨牙大面积龋坏。治疗方案考虑患者未满18 周岁，计划通过PEEK嵌体修复46牙牙体缺损。经患者家属知情同意，对46牙进行去净龋坏牙体组织，在保证活髓的情况下进行嵌体牙体预备(图 1A)，通过数字化口内扫描仪获取了患者牙列三维信息，然后通过义齿设计软件获得数字化嵌体数据，最后采用数字化铣削PEEK盘获得PEEK嵌体(图 1B)，嵌体表面处理后，调拌3M ESPE RelyXTMUltimate ClickerTM树脂水门汀置于嵌体粘接面，戴入基牙(图 1C)。咬合纸检查咬合，保证患者无咬合干扰(图 1D)。 1 个月和6 个月复查时，嵌体无脱落，边缘无缺损不密合等情况。短期临床观察证实PEEK材料的粘接性能可以满足临床需要[11]。年轻恒磨牙由于其自身的特点，在修复方法的选择上与成熟恒牙有所差异，需要考虑对儿童颌骨、牙周组织及邻牙生长发育的影响，因此对于年轻恒磨牙应慎用全冠类修复体。而高嵌体边缘为龈上设计，对牙周组织影响小，不破坏非缺损侧邻面及接触点，较树脂充填和全冠修复更容易还原牙体轴面及咬合面的原有形态，是年轻恒磨牙大面积缺损后比较理想的选择。目前临床2 例PEEK嵌体修复，最长观察1年，均未出现嵌体脱落，边缘缺损不密合等情况。

1.1.2 乳牙牙体缺损的PEKK冠修复 对于乳牙大面积缺损的修复，金属预成冠是临床上应用最广泛的一种方式，它作为一项传统技术已经应用多年，临床效果肯定，操作简便而且价格便宜。但这种修复方式也存在例如边缘密合性不佳，容易造成菌斑堆积影响牙龈健康以及美观性较差[12]等问题。越来越多的患儿和家长不愿接受金属修复体。于是近几年，全瓷预成冠的应用越来越多。从美观上讲，全瓷预成冠较金属预成冠有了很大的改善，但同样存在边缘密合性不佳、备牙量较大的问题[13]，而且全瓷的硬度远大于乳牙的牙体组织[14]。乳牙与多种材料的磨损实验发现，对乳牙磨损量最大的是白榴石组，其次为二硅酸锂组、氧化锆组和不锈钢组，白榴石和锂组的磨损量明显大于不锈钢组，不锈钢和氧化锆组之间没有显著差异。已知修复材料的硬度越高会造成牙釉质的磨损，有研究发现牙釉质磨损与修复材料表面粗糙度、微观结构、断裂韧性和环境因素的关系比与硬度本身的关系更大。低磨损率与高弯曲强度和断裂韧性之间存在关联[15]。Vipi Block Monocolor, PMMA, Mazic Duro，Vita Enamic和Pekkton5 种材料中，PEKK材料对乳牙牙釉质的磨损最低[16]。

A：46牙嵌体预备后； B：PEEK嵌体； C：PEEK嵌体口内粘接面观； D：PEEK嵌体口内粘接颊面观

患者, 男，6 岁，右上第一乳磨牙牙髓治疗后需要冠修复。患者父母不接受金属预成冠，经患者家属知情同意，计划通过PEKK冠修复54牙牙体缺损。采用的PEKK材料(Pekkton®ivory, Cendres+Métaux公司, 瑞士)已获美国FDA和欧洲CE认证，并在欧美市场作为牙科材料销售。54牙基牙预备后，使用口腔内扫描仪(Trios，3 Shape，丹麦)获得数字化模型(图 2A，2B)，3 Shape Dental Manager Client 设计软件进行设计(图 2D, 2E)，通过Wieland si切削设备进行切削，完成数字化PEKK冠的制作(图 2C)。完成口内试戴粘接(图 2F)。 1 个月后复诊，PEKK冠修复体无色素附着，牙龈无红肿，冠边缘密合(图 3A, 3B)。目前临床上观察了5 例PEKK乳牙冠修复，均使用良好，最长观察1 年。

1.2 乳牙早失的PEKK间隙保持器的应用

乳牙过早丧失将影响继承恒牙萌出后的正常位置而造成恒牙排列不齐，尤其是乳磨牙早失，可以导致恒牙牙弓长度的减少，覆加深，增加牙列拥挤和牙齿错位、萌出困难及牙弓的不对称。文献报道PEEK材料制作间隙保持器可用于临床[17]，PEKK材料具有比PEEK更加优异的机械性能，因此，作者开展了PEKK数字化间隙保持器的临床应用，结果显示其具有良好的尺寸稳定性和生物相容性，临床完全可以采用PEKK制作间隙保持器[2]。

1.2.1 一体化义齿型间隙保持器 义齿型间隙保持器可以最大程度恢复患儿的牙列完整。该修复体应具备以下功能: 能够保持间隙的近远中距离、垂直距离; 维持面部外形，恢复咀嚼、发音功能，能够维持咬合运动和咬合关系。义齿型间隙保持器兼具义齿的功能，要符合可摘义齿的咬合接触特点和儿童生长发育的规律。对于下颌双侧多颗乳牙缺失的患者，经过数字化印模和设计(图 4A, 4E)，通过PEKK盘铣削获得一体化义齿型间隙保持器(图 4B, 4F)，在患者口内临床实际戴用(图 4C, 4D, 4G, 4H)，义齿就位与稳定性良好，一体化PEKK可摘局部义齿与患儿余留牙和口腔黏膜贴合紧密，其卡环固位力与基托适合性均满足临床要求。李欣欣等[18]曾报道一体化切削的PEEK可摘局部义齿不同形态组件适合性的定量评价，支托的平均间隙分别为(84.3±23.6) μm，基托平均间隙为(32.5±27.8) μm，大连接体的平均间隙(49.9±9.96) μm。作者在上述研究的基础上，PEKK材料制作的可摘局部义齿[1]，临床应用效果良好，PEKK数字化铣削加工方式制作成本较高，但随着3D打印技术的应用未来其制作成本有望极大降低。随诊复查患者戴用1月，保持器未出现损坏，但因患儿戴用保持器依从性差，后改为舌弓式间隙保持。

图 2 乳牙牙体缺损PEKK冠修复

A：PEKK冠口内照颊面观； B：PEKK冠口内照面观

1.2.2 带环丝圈式间隙保持器 1 例54、64牙因严重龋坏早失需要制作间隙保持器，女孩，5 岁，经知情同意患者家属选择右侧54牙传统金属带环丝圈间隙保持器，64牙数字化PEKK间隙保持器。PEKK带环丝圈式保持器制作和粘接方法可见作者前期报道[2]。使用口腔内扫描仪(Trios，3 Shape，丹麦)获得数字化模型，数字化设计64带环丝圈式PEKK间隙保持器(图 5A)，带环设计厚度约1 mm，宽度2～3 mm，PEKK数字化间隙保持器在患者口内就位顺利(图 5B)，1 个月复诊PEKK保持器与基牙密合，未见色素附着(图 5C)，6 个月复诊可见PEKK保持器未出现断裂松脱等现象，仅见少量色素附着(图 5D)。菌斑染色，发现PEKK材料不容易菌斑附着(图 5E)，让患儿刷牙后可见在金属带环丝圈保持器的粘接剂部位仍有菌斑附着(图 5F)。目前临床观察了5 例PEKK带环丝圈式患者，最长观察1 年，均未出现保持器损坏、脱落，明显异物感等情况[2]。

图 4 一体化义齿型PEKK间隙保持器

1.2.3 舌弓式间隙保持器 1 例下颌多颗乳牙早失，恒牙未萌，男性，9 岁。因患者活动式间隙保持器不能合作佩戴，计划采用舌弓式间隙保持器，将舌弓固定在第一恒磨牙上，因患者下前牙排列整齐，前牙区设置支撑卡。数字化印模(图 6A)，数字化设计(图 6B，6D)，使用PEKK盘铣削获得PEKK舌弓式间隙保持器(图 6E)，并经过试戴，口内进行粘接(图 6C, 6F)。目前患者戴用半年，未出现保持器脱落，断裂，压迫牙龈等不良情况。需要定期复诊，根据患儿颌骨发育情况，及时更换保持器。

A：数字化PEKK间隙保持器印模和设计； B：PEKK带环丝圈式间隙保持器初戴； C：PEKK带环丝圈式间隙保持器戴用1 个月； D：PEKK带环丝圈式间隙保持器戴用6 个月； E：6 个月复诊菌斑染色； F：6 个月复诊菌斑染色刷牙后

图 5 PEKK带环丝圈式间隙保持器

A：患者下颌数字化印模； B：舌弓式间隙保持器数字化模型； C：PEKK舌弓式间隙保持器初戴正面观； D：舌弓式间隙保持器数字化设计；E：PEKK舌弓式间隙保持器；F：PEKK舌弓式间隙保持器初戴侧面观

图 6 PEKK舌弓式间隙保持器的应用

1.3 3D打印PEEK矫治器的临床应用

2 PEEK/PEKK在儿童口腔中应用存在问题

2.1 美观问题

PEKK和PEEK材料是一种特种热塑性材料，通过材料中加入二氧化钛等氧化物，变成灰白或者鹅黄等类似牙齿颜色。乳磨牙冠修复和年轻恒牙的嵌体修复，PEEK/PEKK材料相比银汞合金和金属预成冠修复在美观方面具有明显优势，义齿型间隙保持器涉及到前牙美学区，可以通过表面树脂烤塑来解决美观问题，作者前期临床研究发现PEEK/PEKK修复体饰面树脂粘接强度满足临床需求，未出现树脂崩脱等不良情况[1，20]。但与天然牙釉质颜色仍不一致，这也是该材料的特点决定的，目前有望可以通过材料改性例如加入氧化物的形式改变PEEK的颜色，课题组已初步研制出多种不同牙龈色/牙齿颜色 PEEK材料，针对其机械性能和粘接性能进行检测符合临床要求。数字化的PEKK保持器与传统保持器进行简单的对比，无论是美观程度、舒适度和重量都具有明显的优势，PEKK材料制作的保持器仅为金属重量的1/4。虽然临床观察到PEEK材料长期戴用有色素沉着，但PEEK材料比PMMA和复合树脂不容易着色，不同的食物对PEEK着色影响也不同，个人防护推荐软毛牙刷清洁，临床医师可以用温和的超声荡洗和温和的喷砂处理去除着色[21]。临床现有固定矫治器弓丝一般都是金属，其美观性差，未来需要寻找采用非金属弓丝的方案作为选择，同时也可不影响CT和核磁共振的检查，Maekawa等[22]报道PEEK弓丝具有与Ni-Ti弓丝相似的弹性性能，非常美观，比聚醚砜(PES)和聚偏氟乙烯(PVDF)表现出优异的抗弯强度和抗蠕变性能。在牙齿移动过程中，托槽和弓丝之间的摩擦是主要问题。PEEK弓丝与托槽之间的静摩擦与Ni-Ti弓丝与托槽之间的静摩擦基本相同。Shirakawa等[23]为了提高正畸治疗的效率，满足消费者的审美需求，研制了一种PEEK管辅助装置，结果显示聚醚醚酮不仅具有良好的美学性质，同时摩擦试验结果也表明，该装置可明显减小摩擦力。

2.2 强度问题

课题组前期的PEEK/PEKK口腔修复体临床应用观察，已验证了PEEK /PEKK的强度能够满足儿童口腔临床要求[1，2，20]。金智文等[24]报道PEEK 人工牙具有合适的硬度和良好的耐磨性，经300 000 次磨耗循环后，PEEK人工牙的磨耗量为(0.90±0.33) mm3，普通合成树脂牙的磨耗量为(2.42±0.99) mm3； 复合树脂牙的磨耗量为(4.23±1.33) mm3。 3 种树脂牙的维氏硬度(Hv，加荷力9.8 N，时间15 s)分别为：PEEK 人工牙是(291.6±25.8) MPa；普通合成树脂牙是(268.9±19.6) MPa；复合树脂牙是(352.4±19.0) MPa。 PEEK 材料的耐磨性优于复合树脂和PMMA[25]。牙釉质的马氏硬度(HM)(2 263.6±405.16) MPa和牙本质HM: (468.2±30.77) MPa显著高于PEEK，PEEK基体中二氧化钛含量的增加改善了HM参数但仍明显低于人类牙齿的HM参数[26]。PEEK的回弹模量平均值高于IPS e.max CAD[27]。PEKK的双轴弯曲强度(Biaxial flexural strength，BFS)为(227±18) MPa，维氏硬度(Hv)为(445±21) MPa，全冠的结构强度(Structural Strength，SS)为(2 037±49) N，SS高于IPS e.Max Press®(1 497±165) N, Lava Ultimate®(1 476±142) N 和Vita Enamic®(1 127±108) N，且PEKK在实验中没有断裂，上述研究提示PEKK是一种理想的全冠材料，但需要进一步的临床研究观察[28]。PEKK可能更有利于避免对颌天然牙的过度磨耗，同时PEKK材料也具有一定的弹性，这可能也有助于固定修复体更好的发挥功能。数字化PEKK冠的牙体预备量约1 mm，而氧化锆预成冠需要更多的牙体预备量[29]，从而降低了基牙的强度。一体化义齿型间隙保持器的设计可根据PEEK卡环体外三维有限元分析研究，目前建议PEEK卡环宽度设计为3.00 mm、底部厚度为2.25 mm，进入基牙倒凹深度0.50 mm时具有最佳的机械性能[30]。

2.3 粘接问题

3 PEEK/PEKK在儿童口腔应用的未来展望

本临床研究初步验证了PEEK/PEKK儿童口腔临床应用的可行性，虽然临床效果良好，但后续还应行大样本长期临床病例观察，需要解决系列临床问题，例如：PEEK/PEKK在儿童口腔的固定修复，其耐磨性和硬度对咬合发育的影响需要设计科学的随机对照临床试验来验证；乳前牙的冠修复需要研制符合牙科美学特性的多种PEEK改性材料；本研究报道了 PEKK材料用于带环丝圈，舌弓式以及义齿型间隙保持器，后期可尝试全冠丝圈、腭弓式及远中导板式间隙保持器的临床应用；3D打印PEEK材料能否应用于间隙保持器的制作，其抗疲劳性能是否满足长期临床需要；乳牙列和混合牙列的早期正畸治疗，可以通过患者的具体情况利用3D打印PEEK设计个性化定制化的矫治器；PEEK/PEKK弓丝正畸临床实际应用矫治效果如何。总体而言，作者认为PEEK/PEKK材料在儿童口腔临床应用具有良好应用前景，需要根据材料的特点选择合适的适应证，可望为儿童口腔临床提供一种新型材料和制作方法的选择。