[分析] 3Dプリントチタンおよびチタン合金の顎欠損の修復への応用

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-6-30 10:39 に最後に編集されました。

顎骨は頭蓋顔面骨の重要な構成要素であり、顔の外観の完全性を維持し、咀嚼機能を果たし、嚥下、言語、呼吸などの機能と密接に関係しています。下顎義歯は体内に埋め込まれた後、周囲の筋肉に引っ張られるだけでなく、咀嚼時の圧力も受けます。そのため、義歯は患者の個性的な外観を復元し、体内での安定性と機能性を確保するために十分な機械的強度を備えている必要があります。また、下顎の再生を実現するために、骨形成能と骨成長因子を持つ細胞を充填するための組織工学の足場として機能できることも理想的です。
チタンおよびチタン合金は、優れた機械的特性、低質量、耐腐食性、良好な骨結合能力を備えており、口腔および顎顔面外科の分野で広く使用されています。チタンおよびチタン合金は、顎顔面骨欠損の修復のためのチタンプレート、チタンメッシュ、保持ネジ、人工補綴物などの製造に使用できます。顎の解剖学的構造と外部輪郭が複雑なため、従来の技術では、形態、生体力学などの特性が欠損部と完全に一致し、義歯の修復を完了できるチタン合金の修復物を正確に準備することができず、手術後に合併症が発生することが多く、修復が失敗します。

3D プリント技術には、複雑な構造設計を完成させ、特に外観だけでなく内部構造も複雑な頭蓋顎顔面骨欠損補綴物の場合、複雑な構造を比較的正確かつ迅速に製造できる可能性と独自の利点があります。したがって、デジタル医療画像技術とコンピュータ支援設計ソフトウェアの支援により、チタンとチタン合金の 3D プリントは、下顎欠損の個別設計、製造、修復の目的を達成することが期待されます。この記事では、近年の下顎欠損修復分野における 3D プリントチタンおよびチタン合金に関する関連研究をレビューします。
1. 3Dプリントチタンおよびチタン合金の利点
1.1 金属のパーソナライズされたデザインと製造
3D 印刷技術には、選択的レーザー焼結 (SLS)、選択的レーザー溶融 (SLM)、選択的電子ビーム溶融 (EBM) が含まれます。電子ビームまたはレーザーをエネルギー源として使用します。部品の 3 次元ソリッドモデルは、コンピューターによって層ごとに処理され、2 次元データに変換されます。次に、3D 印刷装置を介して金属粉末が層ごとに溶融および堆積され、高精度、高効率、低消費の利点を備えたソリッド製造が完成します。

CT などの画像データとコンピュータ支援設計ソフトウェアに基づいて、患者の顎の構造と形状に一致する修復物を設計できます。多孔質/メッシュ構造などの複雑な構造も設計できます。金属 3D プリント技術を使用してこれらの複雑な修復物を作成することで、顎の個別の修復を実現できます。これまでの研究では、SLM を設計して使用し、中空の純チタン製下顎顆を製造しました。この顆は軽量なだけでなく、顆の解剖学的形状を患者の顎関節に合わせて完全に作り直します。

Chenらは、SLMを設計して使用し、2種類の上顎切歯インプラントを製造しました。1つは歯根形状のインプラントで、もう1つは歯根形状のねじ付きインプラントです。結果から、3Dプリントにより、高密度、高強度、高精度の歯根形状のインプラントを設計および製造できることが確認されました。歯根形状のねじ付きインプラントは、応力分散が優れ、微小運動が少なく、初期安定性が優れています。多孔質メッシュや三次元メッシュなどの複雑で繊細な構造により、チタンやチタン合金の修復物の質量を軽減できるだけでなく、細胞や血管の成長や栄養素の供給のためのスペースを確保できます。

しかし、下顎の形状は不規則な曲面であり、3次元メッシュ構造の設計、特に複雑なメッシュ構造のトポロジー最適化設計は容易ではありません。下顎の 3 次元メッシュ組織工学スキャフォールドのモデリングに関する初期の研究では、3D 印刷技術と有限要素トポロジー最適化を組み合わせることで、理想的な下顎メッシュスキャフォールド構造を実現できることが示されました。

1.2 3Dプリントされたチタンおよびチタン合金の機械的特性<br /> 骨組織修復材料としてのチタンおよびチタン合金の機械的特性は、体内に移植された後の安定性、安全性、骨形成能力と密接に関係しています。 3D プリント技術のプロセスは、鋳造、鍛造、粉末冶金などの従来の金属製造方法とは異なります。異なる製造プロセスはチタンとチタン合金の組織構造に影響を与え、それによってそれらの機械的特性にも影響を与えます。研究によると、鍛造チタン合金の微細構造は主に粗い板状または針状のα相と若干のβ相が混在し、鋳造チタン合金はα鋳造チタン相、SLMチタン合金はα'マルテンサイト混合α相、EBMチタン合金は均一な針状α相と粒界に少量のβ相が含まれることが報告されています。 SLS で製造されたチタン金属のヤング率は約 104GPa で、鍛造チタン金属のヤング率に近い値です。 SLM で製造された Ti-6Al-4V の極限引張強度と降伏応力は、鍛造で製造されたものと同等であり、EBM で製造されたものよりも優れています。

EBM の延性は鍛造、SLM、鋳造よりも優れていますが、SLM の延性は劣っています。 EBM の硬度は SLM および鍛造チタン合金の硬度よりも高く、SLM と鍛造チタン合金の硬度は同程度です。下顎組織の修復として、疲労強度はチタン合金修復の重要な特性です。 Joshi らは、垂直配向 EBM チタン合金の疲労強度は水平配向チタン合金よりも高いことを報告しました。 EBM で製造されたチタン合金は、熱間静水圧プレス処理後、疲労強度が大幅に向上し、鍛造チタン合金と同様の疲労強度特性を備えています。

一般的に、3D プリント技術によって製造されたチタンおよびチタン合金の機械的特性は、鍛造チタン合金の機械的特性と類似しており、骨組織の機械的特性よりもさらに高くなります。多孔質構造やメッシュ構造の設計により、チタンやチタン合金の機械的特性が低下する可能性があります。多孔質構造や三次元メッシュ構造のパラメータを調整することで、チタン合金の機械的強度を正確に制御し、骨組織との適合性を高めることができます。しかし、粉末冶金、発泡、繊維焼結などの多孔質金属法では、このような設計を正確に製造することはできませんが、金属 3D 印刷技術では、設計に従って完全に相互接続された細孔を持つ複雑な多孔質構造または 3 次元ネットワーク構造を正確に製造できます。

3D プリントで製造された多孔質チタン合金の剛性と圧縮強度は、多孔度が増加するにつれて低下します。 EBM で製造された気孔率 61.5% の Ti6Al4V インプラントは、圧縮強度 172MPa、弾性係数 3.1GPa を備えており、人間の骨組織に近い値です。 3Dプリントされた3次元メッシュチタン合金ステントの機械的特性をテストすることにより、3次元メッシュ構造ユニットの最適化された設計後のメッシュチタン合金ステントの生体力学的特性が下顎修復のニーズを満たすことができることが確認されました。しかし、気孔構造はチタン合金の疲労強度にも影響を及ぼします。SLM 法で製造された多孔質チタン合金の疲労限界は、固体チタン合金の疲労限界よりも低いことが報告されている研究もあります。異なる多孔度を持つチタン合金は、疲労強度が異なります。ただし、低応力下では、多孔性チタン合金の疲労強度は同様です。

したがって、チタンおよびチタン合金の修復物の機械的要件に従って機械的分析を行い、より合理的な応力分布を持つ修復物を設計し、3Dプリント技術を使用して機械的特性を骨組織に合わせて調整し、修復物が体内で安定して機能することを保証する必要があります。現在、この分野での研究はほとんどありません。

2. 顎修復分野における3Dプリントチタンおよびチタン合金に関する実験的研究<br /> ある研究では、3次元有限要素解析を使用して、SLM で印刷されたパーソナライズされた純チタン顆状プロテーゼの応力分布を分析し、3D 印刷と有限要素解析によって、顎関節の修復と再建の設計と製造に対して、より信頼性の高い技術的保証を提供できると考えられました。 Schouman らは、EBM を使用して、異なる剛性 (高剛性と低剛性の差は 10 倍) を持つ 2 つの多孔質チタン金属スキャフォールドを作成し、羊の下顎の 18 mm の部分欠損を修復しました。結果から、低剛性の多孔質スキャフォールドでの新生骨の成長量は、高剛性のスキャフォールドでの成長量よりも多かったことがわかりました。彼らは、3D プリントされた多孔質チタンスキャフォールドの剛性を調整することで、骨組織の成長を改善できると考えました。
しかし、低剛性多孔質チタン合金ステントの固定ネジは実験中に緩んでしまったため、ステントの機械的特性が下顎骨組織とまだ適合していないことが示唆された。研究により、EBM製のチタン合金は骨髄間葉系幹細胞の増殖と骨形成分化に影響を与えず、細胞適合性も良好であることが確認されています。EBM製の3次元メッシュチタン合金スキャフォールドをビーグル犬の下顎欠損の修復に使用したところ、体内で副作用を起こさず、下顎欠損の連続性を修復することに成功しました。この研究は、EBM で作製した 3 次元メッシュチタン合金スキャフォールドが優れた生体適合性を持つことを示唆しており、3 次元メッシュスキャフォールドが下顎欠損の修復における骨組織工学スキャフォールドとして使用されることが期待されます。

3. 顎修復分野における3Dプリントチタンおよびチタン合金の臨床研究
3Dプリントされたチタンやチタン合金の修復物は、最終的には人体に使用されることになりますが、手術中の操作性、骨欠損部との適合性、移植後の修復効果、人体への悪影響の有無、長期間安定して体内に留まることができるか、正常に機能できるかなどが懸念されます。ある研究では、患者の術前CTと修復に対する患者の意思に基づいて、CADソフトウェアと3Dプリンター機器を使用して厚さ0.6mmのチタンメッシュを作成し、そこに自家骨粒子とバイオオスを充填して、上顎の萎縮した歯槽骨を修復したと報告されています。

チタンメッシュは、他の保持方法を使用せずに、それ自体のみで保持されます。術後8ヶ月で、歯槽骨の垂直高さと水平幅はそれぞれ2.57mmと3.41mm増加しました。チタンメッシュを除去した後、インプラントを埋入し、咬合機能は良好に回復しました。 Shanらは、ミラー技術と3Dプリント装置を使用して厚さ1mmのチタンメッシュを作製し、これを自家腓骨と組み合わせて、腫瘍切除によって生じた上顎骨III型およびV型欠損2例と下顎骨欠損2例を修復した。すべての患者は術後に合併症なく順調に治癒し、顔の輪郭も良好に回復した。

完成したチタンメッシュの形状は患者の顎の形状と完全に一致できないため、手術中に事前曲げが必要になることがよくあります。しかし、チタンメッシュの事前曲げは困難です。また、何度も調整されたチタンメッシュは疲労しやすく、破損につながり、最終的には修復の失敗につながります。 3Dプリントされたパーソナライズされたチタンメッシュは、患者の欠損部位と一致し、手術中の操作が容易で、手術後の外観修復効果も良好であり、下顎修復における幅広い応用の見通しがあります。

研究では、下顎欠損患者 4 名の修復を目的として、患者の CT、ミラー技術、CAD、EBM 印刷装置に基づいて、カスタマイズされた純チタン製ガイドプレート、再建用チタンプレート、および荷重支持プレートを備えたチタンメッシュを設計および製造しました。手術中に顎の除去をガイドするためにパーソナライズされたガイドが使用され、再建チタンプレートとチタンメッシュは血管付き腓骨または遊離自家骨を固定して欠損を修復するために使用されます。結果は、3Dプリントされたチタン修復物は手術中の操作性と適合性が向上し、手術時間を節約できることを示しています。ただし、3Dプリントチタン金属のコストは比較的高いです。

Suska らは、3D プリント技術を使用して作製したチタン合金製補綴物で下顎の部分欠損を修復した症例を報告しました。患者は腫瘍のため左下顎体部と下顎角部の切除手術を受けました。CADソフトウェアと3Dプリントにより、厚さ0.8mmのカスタマイズされたチタン合金製義歯を設計・製作しました。体積は約12cm3、重量は53グラムです。義歯がホスト骨端と結合する部分は、骨の成長を促進し、義歯の保持力を高めるために多孔質構造に設計されました。手術から6か月後、患者の容貌は順調に回復し、精神状態も良好でした。

4. まとめと展望<br /> 顎顔面骨組織の解剖学的形態と構造は複雑であるため、パーソナライズされたチタン合金修復物の設計と製造は非常に重要です。しかし、従来の製造プロセスでは、必要な精度を達成するのが難しいだけでなく、時間がかかり、材料も消費されます。 3D プリント技術は金型を必要とせず、精度が高く、製造プロセスにおける時間と材料を節約します。デジタル医療、コンピュータソフトウェア、3Dプリント技術の急速な発展により、顎顔面骨欠損補綴物の個別設計、製造、修復が実現すると期待されています。

これらの技術により、下顎欠損修復の術中手術および術後効果分析が大幅に容易になります。患者の通院回数が減り、口腔外科医と患者間のコミュニケーションが容易になり、顎の修復の結果が向上します。しかし、金属 3D 印刷技術はまだ完璧ではありません。3D 印刷プロセスにおける多くの要因が金属の性能に影響します。多孔質または 3 次元メッシュ構造の印刷精度と設計には多少の偏差があり、印刷が不完全な場合もあります。
研究により、3Dプリントされた多孔質チタン合金の微細構造には鋭角などの小さな欠陥があり、それが応力集中を引き起こしやすく、亀裂の形成につながり、チタン合金の疲労強度を低下させる可能性があることが判明しました。金属材料の組成、印刷パラメータ、後処理方法、構造設計は、3Dプリント金属修復物の性能に影響します。3Dプリント技術で作成されたチタンおよびチタン合金下顎修復物の生物学的および機械的特性に関する研究はまだほとんど行われていません。表面特性の改善と機械的特性の調整については、さらなる研究が必要です。現在、金属3Dプリント技術は国内外で成熟して応用され、パーソナライズされた下顎チタンインプラントを作製していますが、下顎インプラントに関する動物学的実験および臨床研究はまだほとんど行われていません。

2015 年 8 月、中国初の金属製 3D プリント寛骨臼カップが中国食品医薬品局 (CFDA) によって承認されました。 2016 年 5 月 6 日、中国初のパーソナライズされた金属 3D プリント脊椎インプラントが CFDA によって承認されました。しかし、パーソナライズされた金属 3D プリントの顎修復物はまだ承認されていません。したがって、金属 3D プリントされたパーソナライズされた顎インプラントは、臨床診療で使用する前に、さらに動物学的検証、臨床観察、および厳格な登録審査を受ける必要があります。 3Dプリント技術と関連機器の発展に伴い、3Dプリントチタンとチタン合金のコストは徐々に低下し、顎の修復分野における3Dプリントチタンとチタン合金の応用は非常に有望です。

編集者: Antarctic Bear 著者: Wang Hong、Hu Min、人民解放軍総合病院口腔顎顔面外科さらに読む:
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