研究 | 歯内療法における 3D プリント技術の応用

著者: 夏文君、張玲、唐子生、上海交通大学医学部上海第九人民病院歯内科

最も初期の 3D 印刷技術は、1980 年代半ばに米国で登場しました。この技術は、コンピューター制御の位置決めと層ごとの材料の積み重ねを使用して、3 次元の複雑なエンティティを構築します。これは、積層製造 (AM) の一種です。最新のスキャン技術とコンピューター支援ソフトウェアを使用して仮想の 3 次元モデルを再構築し、3D プリンターで材料を層ごとに積み重ねて全体的な形成を実現します。

現在、3Dプリント技術は口腔科学のさまざまな分野で広く使用されており、歯内療法への応用も徐々に深まっており、その材料と印刷方法は特定の用途と密接に関連しています。 3D 印刷技術は、コーンビーム CT、マイクロ CT、コンピュータ支援設計および製造、デジタルソフトウェアなどの技術と組み合わせることで、歯内疾患の診断、治療、研究のための新しい概念とモデルを提供しました。この記事では、歯内治療の分野に焦点を当て、3D プリント技術の応用の進歩についてレビューします。

1. 3Dプリント技術のプロセスと方法

1.1 データ収集
最初のステップは、さまざまなスキャンシステムによるデータ取得です。口腔科学の分野では、コーンビーム CT、マイクロ CT、光学表面スキャンが最も広く使用されています。

1.2 データ処理データ取得後、3D再構築ソフトウェアにインポートされます。 STL 形式は、データを保存するためによく使用される形式です。

1.3 3Dプリント 3D プリントには 3D プリンターを使用します。現在使用されており、歯内療法の応用に直接関連する最も一般的な成形方法には、熱溶解積層法、マルチジェット法、ステレオリソグラフィー、選択的レーザー焼結法、および層状固体製造法などがあります。 3D プリント方法は、材料、精度、速度などの違いにより、使用方法が異なります。

2. 3Dプリント材料
現在、口腔科学の分野で 3D プリントに使用されている材料は主に次のとおりです。① 金属材料: チタンやチタン合金材料などの貴金属が最も研究されており、主に口腔科学におけるインプラント修復に使用されています。
②ポリマー複合材料：最も一般的に使用され、その多くは優れた耐摩耗性と衝撃吸収能力を備えています。
③ セラミック材料：天然歯組織に似た色調で生体適合性にも優れ、現在は主に口腔修復治療に使用されています。
④ 生物組織工学材料：細胞生物学と生体材料の理論に基づき、コンピュータ支援設計を用いて生物学分野におけるラピッドプロトタイピングを実現します。

3. 歯内治療における3Dプリントの応用に関する研究
近年、3D プリント技術は、3D 歯モデル、歯内治療法と器具の評価、根管治療用の個別ガイドの作成、石灰化閉塞の治療のための根管ナビゲーションなど、さまざまな面で歯内療法の臨床診断と治療、科学的研究の実践を支援するために使用されています。上記のアプリケーション探索は、3D プリント技術の再現性とパーソナライゼーションの利点を活用しており、そのほとんどは実際の臨床問題の解決を目的としています。

3.1 3Dプリント歯モデル 臨床治療、科学研究、歯内療法の教育のニーズにより、3Dプリント歯モデルが開発されました。高精度なデータ取得方法と3Dプリント技術により、3Dプリント歯モデルで天然歯の外観と歯髄腔構造を正確にシミュレートすることが可能になりました。 Khalil らは、SLA、PolyJet、FDM の 3 つの印刷方法を使用して、3D 印刷された歯のモデルの精度を天然の歯と比較し、3 つの方法すべてが非常に正確な歯のレプリカを提供すると考えました。 Lee らは、測定により、FDM で作成された歯の模型は天然の歯よりもわずかに小さいのに対し、PolyJet で作成された歯の模型は天然の歯よりもわずかに大きいことを発見しました。著者らは、これらの方法で作成された 3D プリント歯モデルの精度は生体外歯の精度とは統計的に異なるが、誤差は小さく、3D プリント歯モデルは臨床応用に十分な精度があると考えられると結論付けました。 3D プリントされた歯の模型は、高い一貫性、利便性、再現性などの利点があり、徐々に生体外歯に取って代わり、近年では根管治療の器具や方法の研究と探究のための重要なツールとなっています。

Gokらは、準備されたC字型の根管を生体外で歯から選び、CBCTと3Dプリント技術を使用して80個の高精度レプリカを製造し、それらをランダムにグループに分け、異なる充填方法を使用しました。彼らは、根尖領域では、冷たい側圧充填法が熱いガッタパーチャ充填よりも良い結果をもたらすと結論付けました。 Eken らは、ProTaperUniversal、WaveOne、Mtwo を含む 7 つの根管ファイルシステムを使用して、3D プリントされた樹脂歯モデルの楕円形の根管を準備しました。その後、CT スキャンを使用して有限要素解析モデルを確立し、各モデルグループの応力分布を分析しました。

3.2 根管治療ポジショニングガイド 歯髄切除術および根尖手術用の 3D プリントガイドも有望です。 Zehnder らは、CBCT と口腔内スキャンを組み合わせ、3D プリントを使用してガイドを作成し、根管を準備する最良の方法を正確に見つけることができました。この方法により、根尖 1/3 の位置を特定することが可能になり、この技術的方法の実現可能性と精度が ex vivo 歯で検証されました。 Connertらはこの方法を用いて根尖性歯周炎を伴う石灰化した下顎切歯を治療し、最小侵襲性の歯髄腔アクセス準備と根管位置決めを達成し、デジタルナビゲーション最小侵襲性歯内治療技術の臨床応用を完了した。 Meerらも同様の症例を報告している。歯内位置決めガイドの設計と製作は時間がかかるように思えるかもしれませんが、治療に必要な時間はごくわずかで、穿孔などの医原性損傷の可能性が減るため、追加コストは相殺されます。

3.3 複雑な症例の治療計画の設計、in vitroシミュレーション操作、パーソナライズされたデバイスの設計と製造
CBCT 検査は歯内治療医にとって信頼できる参考資料となります。今では、3Dプリントモデル上で手術前の手術トレーニングや手術計画の設計が可能になりました。 Nosrat らは、上顎側切歯陥入症例の治療において CBCT を使用して複雑な内部解剖学的構造を 3 次元的に再構築し、治療操作と補助治療の術前シミュレーション用に 3D プリント歯モデルを作成しました。 3 次元画像再構成と 3D プリント技術は、根管形態の研究だけでなく、根尖周囲骨および歯槽骨構造の再構成と研究にも使用できます。臨床治療では、根尖手術領域のin vitroモデルが手術計画の設計に役立ち、3Dプリント技術を通じて治療を容易にする個別化された器具を入手することができます。 Patel らは、根尖手術の前に CBCT、CAD、3D 印刷技術を使用して手術部位の in vitro モデルを取得し、カスタマイズされた手術用開創器を製造したと報告しました。これにより、手術の正確な位置決めと明確な視野が得られ、手術部位周辺の軟部組織と硬部組織への損傷が最小限に抑えられ、その後の治癒に好ましい条件が提供され、手術部位の美しさが確保されました。

3.4 歯の解剖学と歯内療法の手術指導 現在、歯内療法の教育用の生体外歯が深刻に不足しており、歯科大学における通常の教育業務に大きな影響を与えています。 3D プリントされた歯のモデルは、その再現性により、虫歯充填、根管治療、その他の手術スキルのトレーニングなど、歯内手術のトレーニングに幅広く使用できます。これにより、生体外歯の供給源が限られていることや、複製が不可能であるという現在の問題が解決されます。トレーナーは同じ歯のモデルで繰り返し治療を練習できるため、運用レベルの向上につながります。

4. 3Dプリント技術の現状の欠点
3D プリント技術は、歯内療法の治療、研究、教育において比類のない利点を実証してきましたが、開発プロセスで直面する多くの問題はまだ研究され、解決される必要があります。

4.1 素材の制限 医療分野では、他の業界よりも原材料に対する要求が高くなります。しかし、口腔科学の分野での応用に適した 3D プリント原材料は現在非常に限られています。そのため、医療用3Dプリント材料の研究を強化する必要があります。

4.2 完成品の精度 3D 印刷技術と材料の適用の制限により、現在の 3D 印刷製品では実際のオブジェクトを完全にシミュレートするにはまだ不十分です。この問題は、技術の発展と材料技術の進歩によってさらに解決されるでしょう。

4.3 高い技術コスト
現在、3Dプリンターは依然として高価なハイエンドの科学研究製品であり、パーソナライズされたデザインの3次元モデルの製造にも比較的高いコストがかかります。一方、スキャンしたデータを変換して 3D プリンターで操作することも非常に複雑な作業であり、専門のエンジニアの支援が必要であり、間違いなく技術コストが大幅に増加します。

5. 展望
近年広く使用されている新興技術として、3D プリント技術は、歯内療法においてより効率的で正確かつ経済的な診断、治療、科学的研究の方法を提供してきました。生物組織工学における 3D プリントの使用は、将来の開発における大きなトレンドとなるはずです。小型で操作しやすい3Dプリンターの開発も、歯科分野での将来的な応用に向けた開発目標です。コンピュータースキャン、画像処理技術、3Dプリント原材料および機器の進歩により、歯内治療分野における3Dプリント技術の応用はさらに拡大すると予想されます。

著者: 夏文君、張玲、唐子生、上海交通大学医学部上海第九人民病院歯内科

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