數(shù)字化個(gè)性化骨增量在口腔種植中的研究進(jìn)展

作者：孫曉迪,，張健,，天津市口腔醫(yī)院

種植區(qū)骨量不足是影響種植修復(fù)效果的關(guān)鍵因素,。據(jù)統(tǒng)計(jì),，>50%的種植患者需要在種植體植入前和種植體植入過程中進(jìn)行骨增量手術(shù),。目前臨床中常用的骨增量方法有多種,，包括引導(dǎo)骨再生（GBR）、骨劈開,、上頜竇提升、牽張成骨,、塊狀骨移植等。然而,，傳統(tǒng)的骨增量手術(shù)主要依靠術(shù)者經(jīng)驗(yàn)完成,，操作復(fù)雜,，不易控制,，難以保證較高的精度,。

近年來,，數(shù)字化技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開辟了新的應(yīng)用，在口腔種植領(lǐng)域中已廣泛應(yīng)用于患者信息采集,、術(shù)前規(guī)劃,、術(shù)中導(dǎo)板（導(dǎo)航）引導(dǎo)種植體植入、數(shù)字化修復(fù)設(shè)計(jì)及制作等過程,。然而,，種植過程中的數(shù)字化骨增量的應(yīng)用相對(duì)薄弱,，精準(zhǔn)的數(shù)字化,、個(gè)性化骨重建已成為臨床治療的新目標(biāo)。數(shù)字化,、個(gè)性化骨增量即利用錐形束計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CBCT）重建骨缺損的三維影像,，將其導(dǎo)入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件進(jìn)行術(shù)前骨增量移植物的虛擬重建,，最后將設(shè)計(jì)好的虛擬移植物利用3D打印技術(shù)或CAD/CAM切削技術(shù)制作完成并用于臨床,。本文就數(shù)字化在個(gè)性化骨重建方面的研究進(jìn)展做一綜述。

1.數(shù)字化,、個(gè)性化骨增量的必要性和優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的骨增量手術(shù)需要術(shù)者具有較高的臨床技能和豐富的經(jīng)驗(yàn),，操作復(fù)雜,，不易控制,，難以保證較高的精度,。GBR是骨增量中最常用的術(shù)式,，但是常常因?yàn)槠琳夏さ膭傂院涂臻g維持力不足導(dǎo)致骨移植物的塌陷,，影響骨增量的效果。自體骨移植是骨增量的金標(biāo)準(zhǔn),，然而手術(shù)需要開辟第二術(shù)區(qū),、需要手動(dòng)修整骨塊,、需要顆粒狀移植物填充間隙,，導(dǎo)致手術(shù)耗時(shí)長(zhǎng),，患者較強(qiáng)的不適高感，且高度依賴臨床醫(yī)生的技能和經(jīng)驗(yàn),，并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn),。

據(jù)統(tǒng)計(jì)30%的并發(fā)癥（包括供骨區(qū)的疼痛、感染,、血腫等）的發(fā)生與自體骨移植有關(guān),。CBCT、數(shù)字化制造等技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)字化工作流程逐步成為口腔種植臨床的常規(guī),。術(shù)前做好個(gè)性化骨移植物的準(zhǔn)備,，可以減少手術(shù)時(shí)間、提高骨增量的精準(zhǔn)性,，這一優(yōu)勢(shì)具有很強(qiáng)的吸引力,，并有潛力成為種植臨床實(shí)踐的一部分。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展,，將現(xiàn)代圖像采集技術(shù)與三維重建軟件相結(jié)合,，利用CAD/CAM和3D打印技術(shù)進(jìn)行牙槽骨的個(gè)性化重建和骨移植物的加工制作，可以為患者和臨床醫(yī)生帶來以下優(yōu)勢(shì),；1）詳細(xì)的術(shù)前規(guī)劃及預(yù)期結(jié)果的虛擬評(píng)估,；2）具有最佳匹配性、精確性及穩(wěn)定性的個(gè)性化骨移植物,；3）縮短手術(shù)時(shí)間,，降低并發(fā)癥；4）減少患者不適感,，提高患者整體體驗(yàn),；5）臨床醫(yī)生可根據(jù)患者具體情況，個(gè)性化選擇骨移植物材料,。

2.數(shù)字化,、個(gè)性化骨移植物可選的材料

2.1可降解的聚合物
用于臨床的可降解聚合物分為天然聚合物和人工合成聚合物。天然聚合物主要包括膠原蛋白（及其水解產(chǎn)物明膠）,、殼聚糖,、海藻酸鹽。合成聚合物主要包括聚己內(nèi)酯（PCL）,、聚乳酸（PLA）,、聚羥基乙酸（PGA）及其共聚物聚乳酸-羥基乙酸（PLGA）,。天然聚合物因具有良好的生物相容性、良好的親水性,、可增強(qiáng)周圍環(huán)境內(nèi)細(xì)胞的相互作用及細(xì)胞識(shí)別性能,，成為臨床中廣泛使用的生物材料。

盡管這些天然聚合物具有良好的生物學(xué)特性,，但是它們?nèi)狈ι�物活��,、機(jī)械強(qiáng)度低、降解速度快使其在骨組織工程中的應(yīng)用受到限制,。為了克服以上不足,，根據(jù)使用區(qū)域承重的不同，它們通常與生物活性材料（如生物陶瓷）或者其他機(jī)械強(qiáng)度高的材料聯(lián)合應(yīng)用,。PCL具有良好的生物相容性,、機(jī)械穩(wěn)定性、降解速度慢,，是目前臨床中應(yīng)用最廣泛的合成聚合物,。然而，PCL本質(zhì)上是疏水性的,，這導(dǎo)致它具有較差的細(xì)胞親和力,。因此，PCL通常與生物陶瓷結(jié)合使用,，生物陶瓷增強(qiáng)了構(gòu)建物的生物活性,。

2.2生物陶瓷
生物陶瓷是具有良好的生物相容性和降解性的無機(jī)生物材料，其中包括磷酸鈣生物陶瓷和生物活性玻璃,。磷酸鈣生物陶瓷主要包括羥基磷灰石（HA）,、磷酸三鈣（TCP）和雙相磷酸鈣（BCP，即70%β-TCP和30%HA）,，它們具有良好的可塑性,、生物相容性、生物活性,、親水性及與天然無機(jī)骨相似的骨傳導(dǎo)性甚至潛在的骨誘導(dǎo)性,，作為骨填充材料在牙科領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)得到了很好的證明�,？谇慌R床中應(yīng)用的特殊類型的生物活性玻璃稱為45S5生物玻璃，具有與骨小梁和皮質(zhì)骨相似的抗壓強(qiáng)度,，其暴露于體液時(shí)表面形成一層可與骨形成良好結(jié)合的磷酸鈣,，并且在細(xì)胞遷移和增殖方面也顯示出良好的性能。

2.3天然骨
無論是在宏觀還是微觀層面上,，最具活力和生物活性的支架材料都是含有天然骨骼成分尤其是人類骨骼成分的天然無機(jī)骨基質(zhì),�,？焖俪尚图夹g(shù)在這類支架的構(gòu)建中產(chǎn)生了飛躍。


2.4金屬
金屬生物材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于牙科和骨科領(lǐng)域,。在這類生物材料中,，鈦和鈦合金因其高度的生物相容性、適當(dāng)?shù)臋C(jī)械支撐和彈性成為骨重建中應(yīng)用最多的金屬材料,。然而,，鈦和鈦合金的生物不可降解性導(dǎo)致在骨增量中需要二次手術(shù)取出，降低了患者滿意度,，增加了醫(yī)療成本,。

3.數(shù)字化、個(gè)性化骨增量現(xiàn)狀
數(shù)字化加工制造的技術(shù)分為兩種類型：減法制造和加法制造,。應(yīng)用于數(shù)字化骨移植物制造的技術(shù)主要是CAD/CAM和3D打印,。CAD/CAM是一種減法技術(shù)，即從初始?jí)K狀物減去材料得到所需形狀的產(chǎn)品,。3D打印是一種加法技術(shù),，即將原材料以一層一層地疊加的方式構(gòu)建出所需形狀的產(chǎn)品。目前,，在骨移植物制造領(lǐng)域二者的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀如下：3.1CAD/CAM在個(gè)性化骨增量中的應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)骨移植物形狀和表面形貌的定制,，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不能定制,，浪費(fèi)材料較多,，其優(yōu)勢(shì)在于材料應(yīng)用上較為廣泛,，包括同種異體骨,、異種骨和異質(zhì)骨,。

早在1994年,，Eufinger等利用CAD/CAM技術(shù)研磨了帶齒的干骨塊,，制作了用于onlay植骨的塊狀骨模型,。該研究是CAD/CAM技術(shù)用于個(gè)性化骨重建的初始,，其目的是體外評(píng)估需要移植骨塊的大小及形態(tài),。2013年，Schlee等研磨同種異體的脛骨頭用于患者下頜后牙區(qū)的個(gè)性化骨增量,，6個(gè)月后成功植入種植體,。天然骨中除了同種異體骨以外，異種骨（如牛源）在CAD/CAM個(gè)性化骨增量中也取得了良好的臨床效果,。

在異質(zhì)骨方面,，F(xiàn)igliuzzi和Mangano用CAD/CAM技術(shù)研磨珊瑚來源的多孔羥基磷灰石塊，分別用于下頜后牙區(qū)和上頜竇的個(gè)性化骨增量,，明顯縮短了手術(shù)時(shí)間,。Mangano也研磨了雙相磷酸鈣塊用于下頜前牙區(qū)個(gè)性化骨增量，術(shù)中用富含生長(zhǎng)因子的血小板（PRGF）促進(jìn)骨形成,。一年后,，該病例進(jìn)行組織學(xué)檢查顯示成熟的骨改建,、新形成的骨小梁和殘存的雙相磷酸鈣顆粒。同樣,，CAD/CAM研磨雙相磷酸鈣塊制作個(gè)性化水平和/或垂直骨移植物用于15個(gè)病例,，8個(gè)月后評(píng)估顯示垂直和水平骨增加分別是2.1±0.9mm和3.0±1.0mm。

目前,，CAD/CAM技術(shù)制造的個(gè)性化骨移植物已經(jīng)用于臨床病例,，并取得了成功的結(jié)果。CAD/CAM技術(shù)生產(chǎn)的同種異體塊移植物已在美國(guó)上市,，但是目前估計(jì)需要6周的交付時(shí)間,，且與其他商用的非個(gè)性化骨移植物相比，成本要高得多,。同時(shí),，移植物的長(zhǎng)期穩(wěn)定性也需進(jìn)一步的觀察。


3.2 3D打印在個(gè)性化骨增量中的應(yīng)用
在個(gè)性化骨移植物制作方面,，3D打印技術(shù)的應(yīng)用主要有3種方式：1）輔助制作個(gè)性化骨移植物,；2）制作骨移植物的個(gè)性化屏障膜；3）直接制作個(gè)性化骨移植物,。3D打印技術(shù)與CAD/CAM技術(shù)相比,，其優(yōu)勢(shì)在于可定制移植物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可調(diào)整材料比例及結(jié)構(gòu)優(yōu)化移植物的物理及生物性能,，且浪費(fèi)材料最小,。

3.2.1 3D打印骨缺損模型
在傳統(tǒng)的塊狀骨移植過程中，修整骨塊的外形使其適應(yīng)受骨區(qū)輪廓需要花費(fèi)大量的時(shí)間,。若術(shù)前預(yù)制好骨塊外形,，術(shù)中臨床醫(yī)生只需將無菌骨塊固定于受骨區(qū)域即可。Jacotti和Venet利用3D打印技術(shù)制作了骨缺損部位模型,，術(shù)前手動(dòng)研磨同種異質(zhì)骨塊,，使其外形匹配模型缺損區(qū)輪廓。該技術(shù)減少了手術(shù)時(shí)間,，獲得了良好的臨床效果,。

3.2.2 3D打印骨重建導(dǎo)板
在傳統(tǒng)的自體塊狀骨移植過程中（包括大面積的頜骨重建），取出的骨塊與缺損區(qū)難以達(dá)到預(yù)期的匹配,，需要手動(dòng)調(diào)整骨塊大小及形態(tài),，導(dǎo)致手術(shù)時(shí)間延長(zhǎng)，手術(shù)精準(zhǔn)性及治療效果不理想,。利用數(shù)字化的術(shù)前虛擬設(shè)計(jì)及3D打印技術(shù)可以根據(jù)缺損區(qū)的需要制作取骨/截骨導(dǎo)板,，從而精準(zhǔn)地獲取所需骨塊。Schepers等利用虛擬設(shè)計(jì)及3D打印技術(shù),，術(shù)前設(shè)計(jì)截骨導(dǎo)板用于腓骨供區(qū)骨塊的精準(zhǔn)獲取,，實(shí)現(xiàn)了頜骨缺損的骨重建。

3.2.3 3D打印個(gè)性化鈦網(wǎng)
鈦網(wǎng)具有良好的生物相容性和空間維持能力在種植領(lǐng)域的骨增量手術(shù)中得到青睞,，但是傳統(tǒng)的鈦網(wǎng)需要術(shù)中修整,、彎曲以適應(yīng)骨增量的輪廓，這延長(zhǎng)了手術(shù)時(shí)間,。同時(shí),，傳統(tǒng)鈦網(wǎng)無法完全貼合牙槽骨形態(tài)，易導(dǎo)致粘膜損傷,、鈦網(wǎng)暴露等并發(fā)癥,。Sumida等比較了個(gè)性化鈦網(wǎng)與傳統(tǒng)鈦網(wǎng)作為屏障膜用于骨增量手術(shù)的效果，結(jié)果顯示個(gè)性化鈦網(wǎng)明顯縮短了手術(shù)時(shí)間,、降低了鈦網(wǎng)暴露風(fēng)險(xiǎn),。

3.2.4 3D打印個(gè)性化骨移植物
目前，3D打印個(gè)性化骨移植物的研究?jī)H限于動(dòng)物研究,。Mangano等以雙相磷酸鈣為原料通過3D打印技術(shù)制作了羊的個(gè)性化上頜竇骨移植物,，植入后的第45天、90天時(shí)進(jìn)行分析,。結(jié)果表明,，骨移植物與竇腔完全融合，新骨隨著時(shí)間從移植物邊緣向中心增加,。另一項(xiàng)動(dòng)物研究比較了自體骨塊與3D打印無水磷酸氫鈣塊的垂直骨增量效果,，發(fā)現(xiàn)二者在骨高度增加方面無顯著性差異，但是3D打印骨塊殘余骨體積較多,。后續(xù)比較了3mm與4mm高度的3D打印骨塊,，結(jié)果顯示分別有40%和37%的骨形成，50%和55%的骨殘留,。Bae等將PCL,、TCP、BMP-2（骨形成蛋白2）等多種材料混合,，通過3D打印制作的骨移植物植入動(dòng)物骨缺損區(qū),，得到了良好的成骨效果。這些研究說明3D打印的個(gè)性化骨移植物有潛力替代自體骨塊移植,，但要轉(zhuǎn)化為臨床現(xiàn)實(shí)還有許多工作要做,。

4.展望
在種植外科中，成功的骨增量需要移植物與受骨區(qū)間無縫接觸,、良好的穩(wěn)定性及血管化,。個(gè)性化骨增量對(duì)患者和醫(yī)生有強(qiáng)烈的吸引力，它可以與受骨區(qū)達(dá)到完美擬合，獲得良好的吻合度和穩(wěn)定性,。但是,，較差的血管生成可能導(dǎo)致局部壞死和失敗，移植物越大,，血管生成越困難,。目前，個(gè)性化骨增量的研究處于初級(jí)階段,，促進(jìn)血管化問題將成為未來的挑戰(zhàn),。通過優(yōu)化生物材料的性能、植入生長(zhǎng)因子/干細(xì)胞/干細(xì)胞來源的外泌體等組織工程技術(shù)或許將為解決這一問題提供可能,。由于個(gè)性化骨增量顯著的潛在優(yōu)勢(shì)和良好的臨床前景,，可以預(yù)見，隨著研究的深入,，數(shù)字化,、個(gè)性化移植物將被廣泛用于臨床，將成為骨增量的未來,。

來源：孫曉迪,張健.數(shù)字化個(gè)性化骨增量在口腔種植中的研究進(jìn)展[J].口腔頜面修復(fù)學(xué)雜志,2020,21(03):189-192.