論文：口腔インプラント学における 3D プリントの応用に関する研究の進展

著者: 陳鴻剛、山亜美、第四軍医大学基礎医学部第5旅団第17小隊、高静、第四軍医大学口腔病院補綴科

1. 3Dプリント技術の原理と分類

3D プリント技術は、付加製造技術とも呼ばれ、ラピッドプロトタイピング技術の一種です。 3Dプリント技術は、従来の「減算型製造技術」とは異なり、デジタルスキャン、精密機械、材料科学などの複数の分野に基づいて開発された付加型技術です。デジタルモデルを再構築し、3Dプリンターで「層ごとに」加工して最終的に全体を形成します。

1.1 3Dプリント技術の原理

3Dプリンティングの核心は、コンピュータ、制御、機械を統合し、コンピュータを介してモデルを再構築し、制御命令を送信し、プリンタを介して対象物を印刷することで、モデルの物質化を実現することです。 3D プリントする前に、さまざまな材料に応じてさまざまな印刷方法を選択します。印刷する場合、プリンターはまずコンピューターを介して物理モデルを取得し、次に特別なソフトウェアを介してモデルをデータファイルに変換し、そのデータファイルを 3D プリンターに送信します。プリンターは、指示に従ってプリントヘッドを駆動し、所定の軌道に沿って印刷して固化層を形成します。最初の層が印刷された後、プリントヘッドは 2 番目の層の開始位置に戻り、上記の動作を繰り返して、対象の層を前後に積み重ねます。

1.2 3Dプリント技術の分類

主な3Dプリンティング技術としては、(1)積層造形法（LOM）、(2)熱溶解積層法（FDM）、(3)選択的レーザー焼結法（SLS）、(4)ステレオリソグラフィー（SLA）、(5)インクジェット印刷、(6)選択的レーザー溶融法（SLM）などがあります。 1980年代に開発されて以来、科学技術と材料科学の発展に伴い、3Dプリンティングは製造、設計、医療、建築、航空宇宙、バイオエンジニアリングの分野で広く使用されてきました。

2. 口腔インプラントにおける3Dプリント技術の応用

2.1 インプラント部位における骨増強の適用

インプラント界面の骨の質と骨の量は、インプラントシステムの初期の安定性に影響します。データによると、インプラント患者の約 50% 以上は、インプラント前およびインプラント中に骨増強手術を必要とします。従来の骨増強手術は複雑で成功率が低く、手術者には豊富な臨床経験と手術経験が必要です。同時に、患者はインプラント周囲の骨量と骨質の基準を満たすまでに複数回の骨増強手術を受ける必要があり、時間と労力がかかります。しかし、3Dプリントの応用によりこの状況は変わりました。骨増強における 3D プリントの応用には、主に骨再建モデルの印刷、パーソナライズされた足場の印刷、骨移植片の印刷などが含まれます。

Yuan Shuai らは、手術後に 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を使用して骨増強治療を受けた 43 人の患者を観察しました。術後の治癒が不良だった 1 人の患者を除き、他の患者では術後に明らかな骨の再構築が見られ、明らかな骨吸収は見られず、骨増強効果が顕著でした。白麗雲氏は動物実験を通じて、3Dプリントされたパーソナライズチタンメッシュの機械的特性は基準を満たしており、形態が良好で、簡便で、便利で、高精度という利点があると結論付けました。実験では、骨増強効果が信頼でき、術後の露出率が低く、臨床的に実現可能であることが示されました。

Bartnikowski らは、吸収性医療材料を使用して、欠損部の骨形態に適合する足場を印刷し、欠損部での骨再生を促進しました。この方法はシンプルで、再現性が高く、精度も高いです。 Parkらは、3Dプリント技術を使用して、動物モデルの骨欠損部に適合した3次元ポリカプロラクトン（PCL）スキャフォールドを印刷し、β-リン酸三カルシウム粉末と組み合わせて骨欠損部に移植しました。 PCL スキャフォールドは骨欠損部位の物理的空間をうまく維持し、炎症や感染反応を起こさずに手術後の健康な骨の再生を促進しました。

Manzano らは 3D プリントを使用して 13 人の患者の骨欠損部位のモデルを複製し、手術を設計しました。モデルに基づいて適切なインプラント材料とインプラント経路を選択し、誘導骨再生と手術のプロセスを加速し、患者間のコミュニケーションと理解を促進しました。 Hwangらは、ポリカプロラクトン（PCL）、ポリ乳酸グリコール酸（PLGA）、β-リン酸三カルシウム（β-TCP）を4：4：2の比率で混合し、3Dプリント技術を使用してPCL / PLGA / β-TCP顆粒骨移植片を調製し、非コラーゲンと混合して複合骨移植片を形成しました。動物実験を実施し、従来の二相性リン酸カルシウム（BCP）と比較しました。結果は、2つの骨形成特性は基本的に同じであるが、3Dプリントされた顆粒骨移植片は骨欠損をよりよく維持し、バリア膜をサポートできることを示しましたが、対応する臨床試験のサポートはありません。したがって、一定の範囲内で、PCL/PLGA/β-TCP 複合骨移植ブロックは、臨床使用のための合成骨移植代替品となる可能性があります。

現在、研究のほとんどは主に骨増強におけるさまざまな生体活性スキャフォールドの役割に焦点を当てていますが、3Dプリントされた骨移植片代替物に関する研究は少なく、そのほとんどはin vitro研究であり、3Dプリントされた骨移植片が臨床代替物になる可能性があり、さらなる臨床研究と応用が必要であることを示しているだけです。

2.2 プリントインプラントの応用

インプラントはインプラント修復の基礎であり、インプラントが長期間歯槽骨内に安定して存在できるかどうかがインプラント手術の成功の鍵の一つとなります。ブラーネマルク教授が骨結合理論を提唱して以来、科学者たちはより良い骨結合率を得るためにインプラントにさまざまな処理を採用し、いずれも良好な結果を達成してきました。 3D プリント技術の登場によりインプラントの開発が加速し、インプラントの製造は安全、正確、シンプル、そしてパーソナライズ化されました。

Wang Hua らは、MTT 比色実験を使用して、3D プリントで製造されたチタン合金インプラントの細胞毒性はレベル 0 であり、口腔インプラント材料の臨床応用要件を満たしていると結論付けました。 Chengらは3Dプリント技術を使用してインプラントに特殊な3次元構造を与え、表面粗さを改善しただけでなく、ヒト骨髄間葉系幹細胞の骨形成分化を促進しました。この研究は、3次元構造が生体内でのインプラントの骨への統合を強化できること、また3Dプリントでは機械製造よりも材料と時間が少なくて済み、3次元構造の制御が向上することを示しています。

Bollman らは、相互接続された 3D 管状構造を持つインプラントを設計しました。SDF-1α を追加した後、この構造は幹細胞に対する SDF-1α のリクルート効果をより長期間維持し、骨の統合を強化することができました。従来のインプラントの即時埋入における2つの大きな問題、すなわち抜歯窩と一致しないため良好な初期安定性が得られないこと、およびインプラント失敗後の深刻な骨吸収を解決するために、多孔質の骨梁チタンインプラントとパーソナライズされた歯根インプラントが徐々に開発されてきました。 3D プリントでは、骨の表面形態に近いインプラントなど、より複雑なインプラント構造を印刷できます。

チャンらは、3Dプリントを使用して、骨欠損構造に適応できる多孔質構造と優れた表面特性を備えたインプラントを製造しました。このインプラントは、市販のインプラントと比較して、実験でより多くの新しい骨形成を示しました。実験により、このタイプのインプラントは、従来のインプラントの失敗後の骨再生と大きな骨欠損の修復に優れた見込みがあることが示されています。

Figliuzzi らは、上顎前歯の抜歯直後にカスタマイズされた歯根形状のインプラントを移植した患者を追跡調査し、顕著な骨吸収や軟組織の衰えがなく、インプラントの機能的かつ審美的な融合が良好であると結論付けました。また、従来のネジ型インプラントと比較して、パーソナライズされた歯根型インプラントは歯槽骨への応力分散が優れています。臨床現場における患者の状態はそれぞれ異なります。歯を失った後、重度の歯槽骨喪失や歯槽骨萎縮を患う患者もおり、臨床インプラントのニーズを満たすことができません。

関連研究によると、歯槽骨の高さは十分だが幅が不十分な患者の場合、骨増強手術に加えて、3Dプリントで製造された細径インプラントを使用して、患者のインプラント修復ニーズを満たすこともできます。ただし、このタイプのインプラントを使用する前に、インプラントの初期安定性が良好であることを確認し、過度の咬合負荷を避けてインプラントの故障を防ぐために、患者を総合的に評価する必要があります。

2.3 印刷された口腔インプラントガイドの応用

従来の口腔インプラント手術は医師の臨床経験に大きく依存しており、若い医師にとっては非常に困難です。インプラントの位置がずれやすく、患者はより大きなリスクを負わなければなりません。 3D プリントされたインプラントガイドは、これらの問題を効果的に解決できます。臨床現場で一般的に使用されるインプラントガイドは、主に歯支持ガイド、粘膜支持ガイド、混合支持ガイドの 3 つのカテゴリに分けられます。インプラントガイドの適用により、インプラントの位置の精度が向上し、手術時間が短縮され、手術のリスクが軽減されます。

従来の熱可塑性インプラントガイドと比較して、3D プリントされたインプラントガイドを使用すると、インプラントの位置をより正確にすることができます。シュナイダーらは、モデル実験を通じて、3Dプリントテンプレートで誘導された移植は従来の移植方法と比較して、より高い精度と精密度を提供すると思われると結論付けましたが、この研究は臨床試験によってさらに検証される必要があります。

Sun Yao らは、チェアサイドの歯支持ガイドで誘導されたインプラント埋入の症例を記録しました。ガイドの保持が良好なため、インプラントは良好な術後結果を達成し、インプラントの位置偏差もビッグデータの偏差範囲内でした。粘膜支持ガイドは粘膜の弾力性によりガイドのインプラント精度に悪影響を及ぼし、インプラント位置の偏差が増加しますが、それでも臨床的に許容できる精度レベル内です。

インプラントガイドの適用によりインプラント手術の精度は向上しましたが、術中の偏差は依然として存在し、異なるプリンターで印刷されたデジタルガイドの精度も異なるため、臨床医は一定の臨床経験を習得し、すべての要素を総合的に考慮する必要があります。さらに、いくつかの研究では、積層造形法で作られたインプラントガイドとフライス加工で作られたインプラントの精度に大きな違いはないが、積層造形法では必要な材料が少なく、製造時間が短縮され、より効率的であるという結論が出ています。

上記の用途に加えて、3D プリントにはインプラントの分野での他の用途もあります。修復アバットメントスクリューの緩みは、3D プリントされたドリリングガイドを作成することで解決できます。この方法により、ネジの進入チャネルを正確に配置することができ、既存のクラウンをより適切に保存することができます。デジタルガイドを使用すると、フラップを開けずに骨移植片の固定ネジを取り外し、インプラントの設置を行うこともできます。

Londono らは、3D プリント技術を使用して、移植された軟部組織を保護するインプラント支持スキャフォールドを製造し、移植された軟部組織とインプラント周囲の骨膜との密接な接触を確保し、軟部組織の治癒を促進し、良好な軟部組織閉鎖を実現しました。

3. まとめ

3D プリントの使用により、口腔インプラント学は大きな進歩を遂げており、口腔インプラントと 3D プリント技術の組み合わせはますます近づいています。しかし、3D プリントはインプラントのパーソナライゼーション、少量、精度のニーズを解決しますが、コストの高さ、個々の印刷プロセスの複雑さ、偏差などの問題がまだ残っています。現代の科学技術と材料科学の進歩により、3D プリント技術は口腔臨床インプラントにおいてより重要な役割を果たすようになります。

出典：Chen Honggang、Yan Yamei、Gao Jing。口腔インプラント学における3Dプリントの応用に関する研究の進歩[J]。Journal of Practical Stomatology、2021、37(03): 419-422。

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