應(yīng)用3D打印熔融沉積技術(shù)制作個(gè)性化種植修復(fù)體的精確度研究

王寧 李杰 王曉龍 劉剛,3 劉斌

1.蘭州大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院；2.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所；3.蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730000

3D打印技術(shù)是根據(jù)物體的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，導(dǎo)入設(shè)備并控制打印材料在工作臺(tái)上進(jìn)行精確的3D堆積，制作出與原物體相似的模型的一種先進(jìn)的技術(shù)[1-2]。近年來(lái)，3D打印技術(shù)在口腔種植學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多。在種植修復(fù)體制備方面采用的3D打印技術(shù)主要包括選擇性激光熔融（selective laser melting，SLM）技術(shù)和電子束熔融（electron beam melting，EBM）技術(shù)。SLM和EBM技術(shù)都是基于激光或其他光源燒結(jié)的成形技術(shù)，設(shè)備造價(jià)和制作模型成本比較高昂，制備材料多為金屬粉末，限制了該技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。

熔融沉積（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）技術(shù)是基于熔化原料并擠壓成型的3D打印技術(shù)，成型速度快且相對(duì)準(zhǔn)確，無(wú)需昂貴的激光燒結(jié)設(shè)備，價(jià)格相對(duì)低廉。由于該技術(shù)可擠壓生物降解性的支架材料，包括聚乳酸、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等[3]，使得FDM技術(shù)在制備復(fù)合型生物醫(yī)用高分子支架材料上的應(yīng)用越來(lái)越多。但是目前在種植修復(fù)體制作方面，F(xiàn)DM技術(shù)的應(yīng)用還相對(duì)較少。

本實(shí)驗(yàn)采用FDM技術(shù)制作個(gè)性化種植修復(fù)體，同時(shí)建立了基于CBCT數(shù)據(jù)的體內(nèi)牙、體外牙與個(gè)性化種植修復(fù)體的三維數(shù)據(jù)模型，以評(píng)估個(gè)性化種植修復(fù)體與天然牙的誤差，為FDM技術(shù)應(yīng)用于制備個(gè)性化種植修復(fù)體提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 樣本選擇

選取6顆因正畸減數(shù)需要而拔除的樣本牙，要求為單根牙，冠根完整，無(wú)齲壞、充填體和修復(fù)體等。拔牙前于蘭州大學(xué)口腔醫(yī)院放射科進(jìn)行錐形束CT（cone beam computed tomography，CBCT）檢查。CBCT儀器為德國(guó)KaVo公司產(chǎn)品，掃描參數(shù)為0.25 mm、14.7 s。

1.2 個(gè)性化種植修復(fù)體的制作

將拔牙前采集的CBCT數(shù)據(jù)的DICOM文件導(dǎo)入Mimics 15.0（Materialise公司，比利時(shí)）中，經(jīng)過(guò)Mimics閾值分割和區(qū)域增長(zhǎng)后提取體內(nèi)牙數(shù)據(jù)模型；隨后將三維數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入MakerBot Replicator 2X型3D打印機(jī)（MakerBot公司，美國(guó)）中，制作個(gè)性化種植修復(fù)體。修復(fù)體制作材料為聚乳酸，打印厚度為0.15 mm。

1.3 個(gè)性化種植修復(fù)體模型和體外牙的三維建模

將FDM技術(shù)下制作的個(gè)性化種植修復(fù)體和體外牙分別置于頜骨模型牙槽窩內(nèi)，在同等參數(shù)（0.25 mm，14.7 s）下再次行CBCT掃描。依據(jù)CBCT掃描數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型。

1.4 軟件分析

將各體內(nèi)牙、體外牙、個(gè)性化種植修復(fù)體數(shù)據(jù)模型的STL文件導(dǎo)入Geomagic studio三維檢測(cè)軟件（Raindrop Geomagic公司，美國(guó)）中，進(jìn)行最佳擬合，并配對(duì)模型進(jìn)行三維偏差的比較分析。

2 結(jié)果

2.1 外形觀察

依據(jù)CBCT模型制作的個(gè)性化種植修復(fù)體與體外牙外形特征基本一致，無(wú)明顯制作缺陷（圖1）。將個(gè)性化種植修復(fù)體和體外牙分別放置在頜骨模型牙槽窩內(nèi)（圖2），經(jīng)CBCT掃描后建立的體內(nèi)牙、體外牙和個(gè)性化種植修復(fù)體的三維模型見(jiàn)圖3。個(gè)性化種植修復(fù)體與體外牙三維模型的最佳擬合對(duì)齊和三維偏差彩色分析圖見(jiàn)圖4，由圖4可見(jiàn)，兩種模型的偏差分布比較均勻。

圖1 體外牙（左）及FDM技術(shù)打印的個(gè)性化種植修復(fù)體（右）Fig 1 In vitro tooth (left) and personalized dental implant by FDM(right)

圖2 體外牙（左）和個(gè)性化種植修復(fù)體（右）放置在頜骨標(biāo)本中Fig 2 In vitro teeth (left) and personalized dental implants (right)were placed into the jaw bone specimens

2.2 計(jì)算機(jī)分析結(jié)果

結(jié)合CBCT和FDM技術(shù)制作的個(gè)性化種植修復(fù)體與體內(nèi)牙的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行對(duì)比，二者間最高區(qū)域與最低區(qū)域的偏差平均值分別為0.59 mm和-0.56 mm，整體模型間的高低區(qū)域偏差的平均值為0.19 mm和-0.16 mm（表1）。體內(nèi)牙與體外牙數(shù)據(jù)模型進(jìn)行對(duì)比，二者之間的最高區(qū)域與最低區(qū)域偏差平均值為0.47 mm和-0.33 mm，整體模型間的高低區(qū)域偏差的平均值為0.14 mm和-0.07 mm（表2）。

圖3 體內(nèi)牙（左）、體外牙（中）和個(gè)性化種植修復(fù)體（右）的數(shù)據(jù)模型Fig 3 Data models of in vivo tooth (left), in vitro tooth (middle),and personalized dental implant (right)

圖4 數(shù)據(jù)模型的最佳擬合（左）和擬合后的三維偏差分析圖（右）Fig 4 Best matching of data models (left) and three dimension deviation analysis diagram after best matching (right)

表1 個(gè)性化種植修復(fù)體與體內(nèi)牙數(shù)據(jù)模型間的偏差Tab 1 The deviation between the data models of personalized dental implants and in vivo teeth mm

表2 體內(nèi)牙與體外牙數(shù)據(jù)模型間的偏差Tab 2 The deviation between the data models of in vivo teeth and in vitro teeth mm

2.3 數(shù)據(jù)模型差異分析

通過(guò)提取CBCT掃描的體內(nèi)牙數(shù)據(jù)模型、體外牙模型與個(gè)性化種植牙的模型，6例樣本比對(duì)結(jié)果通過(guò)軟件Origin 9.0（MicroCal，美國(guó)）曲線圖分析后顯示總體趨勢(shì)趨于平穩(wěn)（圖5）。最大平均偏差進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.563）；最小平均偏差進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，也無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.051）。

圖5 6例樣本不同數(shù)據(jù)模型間偏差的Origin曲線圖Fig 5 Origin curves of the deviation between different data models of six cases

3 討論

20世紀(jì)60年代，Hodosh等[4]首次提出制作個(gè)性化根形種植體以期實(shí)現(xiàn)種植體與拔牙窩的吻合。2012—2014年，Moin等[5]結(jié)合Figliuzzi等[6]的研究，成功地將SLM技術(shù)打印的鈦合金根形種植體用于臨床并獲得了成功。2014年，胡洪成等[7]應(yīng)用EBM技術(shù)制備了高度精密的種植體。SLM和EBM技術(shù)均為高精度3D打印技術(shù)，每層厚度可達(dá)到（0.015～0.020）mm。現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，通過(guò)SLM及EBM技術(shù)制備的個(gè)性化根形種植體的制作誤差為（0.18±0.04）mm[6]和（0.08～0.35）mm[7]。該技術(shù)采用的材料為金屬類材料，材料本身不能誘導(dǎo)周圍組織向其生長(zhǎng)，因此需要CBCT高清晰的成像以及打印設(shè)備的無(wú)誤差操作，才能保證修復(fù)體與拔牙窩的高度密合，實(shí)現(xiàn)修復(fù)體與周圍組織的骨結(jié)合。

本研究采用FDM技術(shù)制作個(gè)性化種植修復(fù)體，肉眼觀察種植修復(fù)體大小與體外牙相似。對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析，結(jié)果表明：個(gè)性化種植修復(fù)體與體內(nèi)牙數(shù)據(jù)模型高低區(qū)域偏差的均值分別為0.19 mm和-0.16 mm，其中高的偏差為正值，低的偏差為負(fù)值，即制作的個(gè)性化模型較體內(nèi)牙高出部分的平均值為0.19 mm，低的部分均值為0.16 mm，說(shuō)明通過(guò)FDM技術(shù)制作的修復(fù)體與真實(shí)牙誤差較小。FDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：1）制作材料可以是聚乳酸類的復(fù)合型材料，比如羥磷灰石/聚乳酸，其良好的生物相容性和誘導(dǎo)性可誘導(dǎo)牙槽窩周圍成骨細(xì)胞向修復(fù)體定向黏附[8]，促進(jìn)骨組織生長(zhǎng)，提高修復(fù)體強(qiáng)度[9]，增強(qiáng)個(gè)性化種植修復(fù)體的固位力、摩擦力以及后期的穩(wěn)定性；2）可根據(jù)患者余留牙的顏色選擇復(fù)合材料的顏色，符合美學(xué)的原則；3）FDM技術(shù)加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，一次成型且制作數(shù)量多，價(jià)格相對(duì)低廉。研究表明，F(xiàn)DM技術(shù)制作的復(fù)合材料植入物用作修復(fù)低平牙槽嵴時(shí)植入的嵌入體[10]和拔牙后維持牙槽嵴高度的支架[11]，均具有良好的生物相容性和引導(dǎo)骨再生的能力。

本研究同時(shí)將拔牙前的體內(nèi)牙數(shù)據(jù)模型與體外牙置入頜骨后的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示不同模型之間存在一定的誤差，高低區(qū)域平均偏差范圍為-0.07 mm～0.14 mm。誤差原因可能來(lái)自于周圍軟組織的影響，提取模型時(shí)閾值的主觀判斷，患者拍攝CBCT過(guò)程中的晃動(dòng)、噪聲、電磁干擾以及CBCT設(shè)備的不同體素[12]等。兩組數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Origin曲線圖分析，結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，除樣本數(shù)量較小以及個(gè)別因素引起的偏差外，此類對(duì)比研究適用于后期植入體與體內(nèi)牙數(shù)據(jù)模型的誤差比較。

綜上所述，通過(guò)FDM技術(shù)制備的個(gè)性化即刻種植修復(fù)體能夠較好地模擬體外牙的形態(tài)，與周圍牙槽窩達(dá)到基本吻合。

[1]Leong KF, Cheah CM, Chua CK. Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for engineering replacement tissues and organs[J]. Biomaterials, 2003, 24(13):2363-2378.

[2]Yeong WY, Chua CK, Leong KF, et al. Rapid prototyping in tissue engineering: challenges and potential[J]. Trends Biotechnol, 2004, 22(12):643-652.

[3]賀超良, 湯朝暉, 田華雨, 等. 3D打印技術(shù)制備生物醫(yī)用高分子材料的研究進(jìn)展[J]. 高分子學(xué)報(bào), 2013(6):722-732.

[4]Hodosh M, Povar M, Shklar G. The dental polymer implant concept[J]. J Prosthet Dent, 1969, 22(3):371-380.

[5]Moin DA, Hassan B, Parsa A, et al. Accuracy of preemptively constructed, cone beam CT-, and CAD/CAM technology-based, individual root analogue implant technique:anin vitropilot investigation[J]. Clin Oral Implants Res,2014, 25(5):598-602.

[6]Figliuzzi M, Mangano F, Mangano C. A novel root analogue dental implant using CT scan and CAD/CAM: selective laser melting technology[J]. Int J Oral MaxillofacSurg, 2012,41(7):858-862.

[7]胡洪成, 盧松鶴, 毋育偉, 等. 電子束熔融技術(shù)制作的個(gè)性化根形種植體的制作精度評(píng)價(jià)[J]. 口腔醫(yī)學(xué)研究, 2014,30(6):558-562.

[8]Nainar SMM, Begum S, Ansari MNM, et al. Effect of compatibilizers onin vitrobiocompatibility of PLA-HA bioscaffold[J]. Bioinspired Biomimetic Nanobiomaterials, 2014,3(4):208-216.

[9]Jaszkiewicz A, Bledzki AK, Franciszczak P. Improving the mechanical performance of PLA composites with natural,man-made cellulose and glass fibers—a comparison to PP counterparts[J]. Polimery, 2013, 58(6):435-442.

[10]Goh BT, Chanchareonsook N, Tideman H, et al. The use of a polycaprolactone-tricalcium phosphate scaffold for bone regeneration of tooth socket facial wall defects and simultaneous immediate dental implant placement in Macacafascicularis[J]. J Biomed Mater Res A, 2014, 102(5):1379-1388.

[11]Goh BT, Teh LY, Tan DB, et al. Novel 3D polycaprolactone scaffold for ridge preservation—a pilot randomised controlled clinical trial[J]. Clin Oral Implants Res, 2015,26(3):271-277.

[12]Al-Rawi B, Hassan B, Vandenberge B, et al. Accuracy assessment of three-dimensional surface reconstructions of teeth from cone beam computed tomography scans[J]. J Oral Rehabil, 2010, 37(5):352-358.