【分析】口腔・顎顔面治療における3Dプリント技術の応用の進歩

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-5-23 12:42 に最後に編集されました。

3D プリンティングは、設計された仮想オブジェクトを、特定の機能を備えたプロトタイプや製造部品に直接、正確に、自動的に、迅速に印刷できます。 3D プリント技術は、部品を形成するために除去方法を使用する従来のプロセスで発生する材料の無駄の問題を回避し、コストを節約します。さらに、デジタル印刷および製造プロセスにより、製品の精度が向上します。研究によると、3D プリントされた製品の精度は、元のオブジェクトの約 ±200μm 以内に制御できることがわかりました。口腔臨床業務において3Dプリントの上記の利点を最大限に活用することで、真にパーソナライズされた口腔製作サービスを実現できます。

口腔医療における3Dプリント技術の現状
原理的には、3D プリント技術はあらゆる形状の物体を生産できます。臨床医学の分野では、CT、MRI、レーザースキャンなどを用いて組織や臓器の画像データを取得し、コンピュータグラフィックスソフトウェアで処理した後、デジタルモデリングソフトウェアを使用してデジタル3次元モデルを設計・再構築し、3Dプリンターで組織や臓器のモデルを製造しています。この技術は、臨床診断の支援、複雑な手術計画の決定、個別の義肢の作成、医療教育の提供などに使用できます。口腔および顎顔面治療における3Dプリント技術の応用は、複雑で時間がかかり、労働集約的で材料集約的である従来の製造プロセスの欠点を打ち破り、口腔および顎顔面疾患の患者に朗報をもたらしました。私の国では、口腔および顎顔面疾患の治療における 3D プリント技術の応用はまだ開発の初期段階にあります。

1. 口腔外科および顎顔面外科への応用
3D プリントは口腔および顎顔面外科手術の設計と実施を支援し、3D プリントされた製品は顎顔面の欠損に適用できます。手術前に頭蓋顔面領域の CT スキャンを使用して画像データを取得し、連続したレイヤー画像を CT データベースに再構成します。骨組織と軟組織を明確に区別できる範囲値を選択し、STL形式に変換してから、ラピッドプロトタイピングシステムで3次元モデルを再構築します。このモデルは、3Dプリントされた完成した手術ガイド、手術固定装置、または術後の顎顔面欠損修復と組み合わせて使用することで、術前の手術計画を最適化し、より正確な手術を実行し、手術時間と手術リスクを削減し、医師と患者間のコミュニケーションを促進し、患者が手術の目的と限界をよりよく理解できるようにします。この技術が細胞レベルでのバイオプリンティングを実現し、臓器組織を再生できれば、悪性腫瘍による顎顔面欠損の患者にとって大きな意義があります。

Ciocca らは、3D プリント技術を使用して下顎欠損の修復に成功しました。彼らは主に 3D プリント技術を使用して下顎欠損モデルを印刷し、手術計画のより直感的な設計を容易にし、下顎切除部位と腓骨皮弁の位置を導き、最終的に下顎欠損を修復することに成功しました。 Qu Zhenyuらは、下顎骨異形成症の32例を選択し、3Dプリントを使用して両側下顎枝矢状分割骨接合術を支援しました。手術前に、コンピュータースキャン技術を使用して3次元データモデルを取得し、3Dプリント技術を使用して下顎枝内側の水平骨切開用の骨切りガイドを作成しました。一部の手術は、骨切りガイドの使用の有無にかかわらず、若い主治医によって完了しました。各医師が手術を完了するのにかかった時間を記録し、手術後にCBCTをレビューして有効性を評価しました。ガイドプレートを使用しないグループの担当医師の手術時間は、ガイドプレートを使用するグループよりも大幅に長かったことがわかりました。これは、3Dプリント技術の使用により手術の効率が向上し、手術時間が短縮されることを示しています。

2. 口腔修復への応用
3D プリント技術は修復分野で最も広く使用されています。ポスト、コア、クラウン、ブリッジの製造に印刷技術を使用：Sunらは、準備された歯とポストチャネルの内面をスキャンし、3次元データを取得しました。彼らはコンピューターソフトウェアを使用して、同名の反対側の歯と隣接する歯の外観に基づいて修復計画を設計し、審美的および機能的な要件を参照しました。次に、3Dプリンターを使用して、金属材料またはオールセラミック材料を使用してクラウン、ブリッジ、またはポストとコアを作成しました。このアプローチにより、最終的な修復を得るために経験だけに頼るという欠点を改善できます。リバースエンジニアリングと3Dスタッキング成形技術を使用したポストとコアの製造に関する研究では、従来の方法で製造されたポストとコアと3Dプリントされたポストとコアのマージンの差は、それぞれ47.99±9.26μmと45.95±8.09μmであることが示されました。両者の間には有意差はありませんでした（P>0.05）。

従来法で作製したポストとコアおよび3Dプリントしたポストとコアの組織表面とダイの間の隙間は、根管口でそれぞれ104.31±14.14μmと79.33±9.69μmで、両者の間には有意差があった（P<0.01）。根管中央では、それぞれ83.91±12.86μmと80.68±10.74μmで、両者の間には有意差がなかった（P>0.05）。根管底では、それぞれ108.51±13.61μmと82.05±11.46μmで、両者の間には有意差があった（P<0.01）。そのため、3D プリント技術によるパーソナライズされたポストとコアの製造は、従来の臨床鋳造ポストとコアよりも優れており、適応性も良好です。陳光霞氏らは伝統的な方法で型を取り、模型を作成した。コンピュータースキャンシステムでデータを収集した後、コンピューター支援設計と3Dプリント技術を使用して、個人に合わせた取り外し可能な部分入れ歯ブラケットを印刷した。

精密な測定と分析により、印刷された製品の寸法精度は±0.172mmに達することがわかりました。表面粗さは±4.11～12.02μmに達します。この方法により、プロセスが簡素化され、生産時間が短縮され、生産材料が節約され、生産精度が向上します。したがって、取り外し可能な部分義歯フレームワークを作成するために 3D プリント技術を使用することは、臨床実践において避けられないトレンドです。王暁波氏らは、純チタン粉末、LRF-855レーザーラピッドプロトタイピングシステム、UG-NX2三次元設計ソフトウェアを使用して、純チタンフルクラウンを設計・製造しました。歯の欠陥データを使用し、一般的なフルクラウン修復の要件に従って、LRF-855 レーザーラピッドプロトタイピングシステムと UG-NX2 3D 設計ソフトウェアを使用して、純チタンフルクラウンの 3D プリントを完了しました。

ステレオリソグラフィーは層ごとに積層する積層造形技術であるため、完成品の最終的な幾何学的性能は各層のクラッドの幅と高さによって影響を受け、印刷精度にも影響します。したがって、印刷中に機械パラメータを適切に設定する必要があります。印刷工程で使用されるCO2レーザー発生器の電力問題により、印刷中の単一トラックの幅は1.3mm、単一層の高さは約0.28mmです。これらのパラメータは修復生産の要件を満たすことができません。実験で最終的に得られた純チタンクラウンの高さと幅は、実際の設計で必要な値よりも大きくなっています。この実験は、3Dプリントプロセスにはまだ多くの欠点があり、主に印刷機器と印刷設計に問題があることを示しています。そのため、3Dプリント技術を臨床現場に適用するには、克服すべき困難がまだ多く残っています。

Tong Daiらは、上顎骨欠損患者12名を対象に、欠損部位の3次元データを収集した。コンピュータ支援設計ソフトウェアで処理した後、修復計画を作成し、3Dプリント技術を使用して欠損部位の樹脂モデルを取得し、取得した樹脂モデルを使用してパーソナライズされたブロッカーを作成した。その後、取り外し可能な部分入れ歯とパーソナライズされたブロッカーを磁気アタッチメントで接続した。これら12例を分析した結果、ブロッカーと取り外し可能な部分義歯が段階的に患者の口内に挿入されたため、座り心地、保持力、安定性などの点で両方の臨床効果が良好であり、3Dプリント技術を使用して上顎欠損のモデルを作成することは実行可能な方法であることが示されました。さらに、このプロセスは、従来の製造プロセスと新しい3Dプリント技術を組み合わせたもので、義歯の作成プロセスを簡素化し、金属材料を節約しながら、同等またはそれ以上の性能を達成しています。これまで、サブトラクティブ製造プロセス中に大量の廃棄チップが生成され、再利用が困難でしたが、3Dプリントにより利用率を60〜95％に高め、高性能で低入力の成形修復を完了できます。スキャナーを使用して超硬質石膏模型をスキャンして3次元データを取得し、CADソフトウェアを使用して総義歯のベースを設計します。凹面の充填、メッシュブラケット、ベースの延長範囲、組織終端線、組織終端点、サポートロッドなどが含まれます。3次元データを義歯修復プリンターに送信して印刷し、全口上顎ベースワックスアップの製造を完了します。

3. インプラント修復への応用
3Dプリント技術は、歯のない部分の3次元データを取得し、骨サポート、粘膜サポート、歯のサポートの3つのレベルでインプラント手術の術中ガイドを実現し、インプラントの配置をより正確にします。 Hakanらが実施した臨床試験では、粘膜支持ガイド技術の応用は医師の手術の利便性をもたらし、患者の手術の痛みを軽減できるものの、手術中の視野に影響することが証明されました。そこでHakanらは最終的に、CADソフトウェアとAytasarimシステムソフトウェアを通じて、粘膜支持ガイドを介して埋め込まれたインプラントの歯冠での偏差は設計の理想位置から平均1.12mm、頂点での偏差は設計の理想位置から平均1.21mm、垂直方向の偏差は設計の理想位置から平均1.42mmであると結論付けました。インプラントと理想位置の重なりにより、平均約4.71度の偏差が生じる可能性があります。これらの偏差は最終的にインプラント手術の失敗につながる可能性があります。最終的に、彼らは粘膜支持ガイド技術にはさらなる理論的および技術的サポートが必要であると結論付けました。

さらに、3Dプリント技術は、完成したインプラントに加えて、パーソナライズされたインプラントの製造にも使用できます。CT、MRIスキャン、レーザーデジタルスキャンを通じて、3Dプリント技術を使用して、患者のパーソナライズされた顎の解剖学的構造に適した、手頃な価格でより正確なさまざまなインプラントを加工できます。この技術が成熟して適用されれば、手術の難易度を大幅に軽減し、手術時間を短縮できます。

4. 矯正治療への応用<br /> 現在、研究のホットな話題は、3Dプリントを使用して目に見えない矯正器具を作ることです。3Dプリントは、より高精度の透明なプラスチック製の矯正器具を得ることができ、従来の治療プロセスにおける矯正用ワイヤーの交換という面倒な手順を省くだけでなく、コンピュータ支援による矯正器具の設計と製造のプロセスも実現し、矯正治療をより便利で効率的にします。コーンビームCT（CBCT）スキャナーと歯科模型スキャナーで歯のデータを取得し、CADソフトウェアでパーソナライズされた舌側ブラケットを設計し、SLMテクノロジーを使用して、患者の歯の舌側に正確に一致する舌側ブラケットを印刷します。次に、変換トレイを介してブラケットを事前に設計された位置に直接接着します。このテクノロジーにより、接着剤の厚さ補正に依存する従来の舌側ブラケットの欠点を解消できます。

歯列矯正治療の過程では、模型の製作、準備、保存が診断と治療において重要な役割を果たします。しかし、歯列矯正治療の過程では、患者の口の中に器具が入っているため、従来の模型製作技術で得た石膏模型の精度では要求を満たすことが困難です。3Dプリントに基づくデジタルモデルは、この問題をうまく解決できます。3Dプリント技術でプリントしたソリッドモデルの精度は、非常に高いレベルに達することができます。Joshuaらは、クラスII不正咬合の患者10人の3Dプリントモデルを作成し、その精度を通常の石膏模型と比較しました。彼らは、3Dプリントモデルは、その操作性、価格、精度により、歯列矯正治療において従来の石膏模型に取って代わることができることを発見しました。従来のモデルと精度の差は0.5mm未満です。さらに、3Dプリント技術はOSHAS（閉塞性睡眠時無呼吸低呼吸症候群）患者の治療と組み合わせられています。3次元の頭部モデル設計は、骨延長術における骨切りの位置と骨延長装置の配置をシミュレートし、重要な解剖学的構造への損傷を回避できます。3Dプリントされた個別テンプレートガイダンスの使用と組み合わせると、下顎骨骨延長術の骨切りと骨延長装置の配置の精度が向上し、手術時間が短縮され、手術の難易度とリスクが軽減されます。

5. 歯髄疾患および歯周病の治療への応用
歯内療法や歯周病の治療における3Dプリント技術の価値は、現段階では直接反映されていません。根管系の形態は3次元画像を通じて再構築することができ、再構築されたモデルは3Dプリント技術を使用して具体化され、根管治療をシミュレートし、臨床操作をガイドし、歯内療法の指導に応用することができます。また、3Dプリント技術を活用すれば、歯周組織の再生を誘導できる材料を印刷することができ、歯周組織の再生を実現できる。しかし、現段階では3Dプリント技術と歯周組織再生技術が十分に成熟していないため、この技術はまだ研究段階にある。
口腔および顎顔面治療の製造プロセスにおける 3D プリントの応用には、主に印刷装置、デジタルモデリング設計ソフトウェア、印刷材料という 3 つの重要なリンクが関係します。現在、印刷設備と設計ソフトウェア技術は基本的に実現可能です。印刷材料の準備は難しく、中国で印刷に使用される材料のほとんどは輸入に依存しています。したがって、材料の革新は、3D印刷の難易度を軽減し、3D印刷を実現するための重要な技術です。 3D プリンティングの材料問題の課題を克服できれば、3D プリンティングの成功のスピードを加速することができます。材料の改革は、3D プリントに大きな進歩と躍進をもたらします。たとえば、3D プリントで形成されたリン酸三カルシウムバイオエンジニアリングスキャフォールドの印刷粉末にシリコンと酸化亜鉛を添加すると、機械的強度が向上し、スキャフォールドの骨組織再生を促進する能力が向上します。

生物細胞を3Dプリント材料に統合し、人間の歯髄細胞混合物を使用して3次元バイオプリントする技術は、歯の再生における3次元バイオプリント技術の応用の基礎を築くと同時に、人間の組織や臓器の直接プリントに向けたさらなる研究の方向性を提供することができます。 3D プリント技術は、口腔および顎顔面疾患の治療に革命的な変化をもたらし、口腔および顎顔面疾患の従来の治療法以外の新たな選択肢となります。この技術の口腔および顎顔面治療への応用はまだ稀であり、3D機器は高価であるため、一般の病院や外来診療所に日常的に装備することは困難ですが、幅広い注目と徹底的な研究により、3Dプリントは口腔科学の将来の発展においてより重要な役割を果たし、口腔デジタル製造技術の主流になると考えられています。

編集者: Antarctic Bear 著者: Zhang Leiqing、Dong Yan、浙江大学医学部第二付属病院口腔リハビリテーション科、Dong Xingtao、浙江理工大学特殊設備製造および先進加工技術研究所

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