3D打印铝合金种植手术导板准确度的体外评价.pdf

Chin J Dent Mater Dev 2023年第32卷第3期158口腔材料器械杂志基金项目：国家自然科学基金(编号：81771105)通信作者：黄慧，Email:huanghui_ 基础与临床研究 3D 打印铝合金种植手术导板准确度的体外评价余润平袁芸张洪铭黄慧（上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔修复科，上海交通大学口腔医学院，国家口腔医学中心，国家口腔疾病临床医学研究中心，上海市口腔医学重点实验室，上海市口腔医学研究所，上海200011）【摘要】目的在体外树脂模型上设计并模拟种植体植入实验，分析比较一种新型铝合金材质种植导板与传统树脂导板的准确度差异。方法选取一名肯氏 III 类牙列缺损患者并制取硅橡胶印模，灌制超硬石膏模型后使用口内扫描仪扫描，设计并打印 20 个树脂模型。将患者的锥束计算机断层扫描（CBCT）数据导入软件（3Shape Implant Studio 2019）并规划该患者的种植方案，设计种植导板。使用 3D 打印机分别制作树脂与铝合金材质手术导板各一个。通过全程引导手术将种植体植入模型中，植入后拍摄术后 CBCT。在软件中测量术后 CBCT 图像与原治疗计划图像，在近远中面和唇腭面分析种植体相对于原设计在三维线性以及角度上的准确度差异。结果种植体在金属导板引导下的线性偏差分别为近中（0.510.63）mm，远中（0.490.58）mm，唇向（1.141.40）mm，腭向（1.151.42）mm；垂直向（2.090.84）mm。近远中角度和唇腭侧角度的角度偏差分别为（1.410.81）和（1.781.03）。种植体在垂直向的偏差与近远中角度、唇腭侧角度偏差与树脂导板引导下的种植体偏差有统计学差异（P0.05），金属材质导板表现出更好的准确度，而两种材质导板在近远中向和唇腭向上的偏差无统计学差异。结论通过 3D 打印技术制作的铝合金材质导板的线性和角度偏差均在临床可接受范围内，且相较于传统树脂导板，铝合金材质导板由于其高强度、形态小巧的特性，具有更良好的手术视野和散热能力，能够有效提高种植手术的准确度和成功率。【关键词】3D 打印种植导板准确度DOI：10.11752/j.kqcl.2023.03.02 Accuracy of 3D-printed aluminum alloy implant surgical guides:An in-vitro studyYu RunpingYuan YunZhang HongmingHuang Hui（Department of Prosthodontics,Shanghai Ninth Peoples Hospital,Shanghai Jiao Tong University School of Medicine;College of Stomatology,Shanghai Jiao Tong University;National Center for Stomatology;National Clinical Research Center for Oral Diseases;Shanghai Key Laboratory of Stomatology;Shanghai Institute of Stomatology，Shanghai 200011）【Abstract】ObjectiveThis study aimed to analyze and compare the accuracy of a 3D-printed aluminum alloy implant surgical guide and the traditional resin template by designing and simulating implantation experiments on an in-vitro resin model.MethodsA patient with Kennedy III dentition defect was selected,and a silicone rubber impression was prepared.A plaster model was molded,and a digital model was obtained with a scanner to print 20 resin models.The patients cone beam computed tomography(CBCT)data were imported Chin J Dent Mater Dev 2023年第32卷第3期159口腔材料器械杂志into the software(3Shape Implant Studio 2019)to design the treatment plan and implant surgical guide.One surgical guide made of resin and one of aluminum were produced using a 3D printer.The implants were placed in the models utilizing a guided procedure.The post-operative CBCT images were acquired and analyzed against the original images in the software to evaluate the difference in the accuracy of the 3D linearity and angularity of the implants in the proximal-distal and labiodistal planes in terms of the original design.ResultsThe implant displacement of group metal surgical guides were(0.510.63)mm mesially(M),(0.490.58)mm distally(D),(1.141.40)mm labially(L),and(1.151.42)mm palatally(P);(2.090.84)mm vertically(V).The angulation displacement of the mesiodistal angle and the labiopalatal angle was(1.410.81)(AMD)and(1.781.03)(ALP).There were statistical differences between the vertical deviation and the mesiodistal,labiopalatal angulation of the implant(P0.05),and the metal surgical guide showed a higher degree of accuracy.However,there was no significant difference between the two kinds of surgical guides in the mesial and distal directions and the labial and palatal directions.ConclusionsThe linearity and angulation displacement of the 3D-printed aluminum alloy surgical guide is considced to be within the acceptable range clinical application.Compared with the traditional resin surgical guides,the aluminum alloy template has better surgical vision and heat dissipation ability due to its high strength and structure,which can effectively improve the accuracy and success rate of implant surgery.【Key words】3D printImplant surgical guideAccuracy近 20 年来，随着 CBCT 精度的提高，相关种植软件的开发以及 3D 打印技术的日趋成熟，利用数字化种植导板、导航技术进行术前规划并在术中精准植入种植体，可实现以修复为导向，并获得最佳的种植修复的治疗效果。其中静态导板技术具有操作便捷、便于临床推广、精准性高的特点，可有效协助医师在手术过程中避开重要的神经和血管，提高种植手术的安全性并已广泛应用于临床实践。在种植引导手术中，个性化的 3D 打印静态种植导板应用最为广泛，目前市场上多使用立体光刻技术(SLA)，采用光聚合树脂增材制造方法1。由于树脂强度较低，在术中偶有发生折裂的现象，对治疗的整体成功率影响较大2。因而，树脂手术导板需要有足够的厚度以防止在手术期间发生折裂，这使得树脂导板通常具有较大的体积，在后牙区域，以及开口受限的病例中会妨碍医生的操作，同时也会影响冷却水的注入，不利于窝洞预备过程中的冷却。尽管树脂导板相较于金属导板更好就位，但是相应的缺乏稳定性3,4。而相较于树脂导板，铝合金制的金属导板有着良好的散热、高强度、轻薄等优势，但临床应用较少，文献中也缺少采用金属打印制作静态导板精度的相关研究。本研究的主要目的是比较 3D 打印金属材质种植导板与树脂导板的准确度差异，为临床新型导板的应用提供一定的实验数据支持。1材料和方法1.1研究对象从 2021 年 8 月至 2021 年 9 月期间于上海交通大学附属第九人民医院口腔修复科就诊的牙列缺损患者 CBCT 数据库中选择 1 名患者，纳入标准为：患者既往体健，无种植手术禁忌证，种植区骨量及骨密度正常，CBCT 影像清晰，缺牙类型为肯氏类缺损。本研究通过了上海交通大学医学院附属第九人民医院伦理委员会的伦理审批（伦理号：SH9H-2020-T291-3）。1.2实验材料实验所使用的种植导板设计软件为 Implant Studio 2019(3Shape)。通过 KaVo 3D eXam(KaVo Dental,Biberach,Germany)获 得 CBCT 数 据，设定扫描参数（深度 165 mm，高度 140 mm，体素大小 0.3 mm，扫描时间 8.9 s，曝光时间 2.4 s，90 kVP，10 mA 和 1598 mGy/cm2），运用高分辨Chin J Dent Mater Dev 2023年第32卷第3期160口腔材料器械杂志激光扫描机（3D Shape D700，美国）扫描模型数据；采用 Stratasys 3D 打印机（Formlabs 公司，美国）和金属 3D 打印机（德国 CONCEPT LASER）分别打印种植树脂导板和金属导板各一个；使用Dentium 种植系统进行体外模型种植体植入术。1.3缺牙模型及导板制作使用硅橡胶制取患者牙列印模并灌制超硬石膏模型，将修整后的石膏模型用扫描仪（3shape Trios A/S口内扫描仪）扫描，获得超硬石膏的扫描数据，并以 STL 格式输出，使用牙科模型树脂（Formlabs）打印患者缺牙模型，打印分辨率为 0.1 mm，共计 20 个树脂模型用于模拟种植植入，其中树脂导板组（R 组）10 个，金属导板组（M 组）10 个。导入患者 CBCT 数据和数字化模型至电脑软件内，使用软件进行种植治疗规划设计。使用 Dentium superline（4.510 mm）种 植 体，种植体在定位和角度方面遵循临床种植体位置设计的原则，设计出种植树脂导板（图 1）。树脂导板以 STL 格式导出，用于后续 3D 打印机打印树脂导板。将 3Shape 软件设计的树脂导板 STL文件 导入 Geomagic 软 件 中（Geomagic studio 12.0，Geomagic，美国），参考可摘局部义齿的支架设计原则进行金属导板的改良设计（图 2）。将设计好的树脂导板 STL 文件导入到 3D 打印机配套软件程序（PreForm；Formlabs）中，采用导板树脂（Dental SG；Formlabs）打印，分辨率为 0.05 mm。将改良设计后的金属导板 STL 数据导入到金属 3D 打印机（德国 CONCEPT LASER）的配套软件中，使用铝合金粉末作为原料逐层叠加打印。具体实验工作流程见图 3。1.4模型上种植体植入使用 Dentium 导板手术工具盒，在两种材质导板的全程引导下（图 4），依顺序采用先锋钻、扩孔钻逐级备洞后植入种植体。每个树脂模型中植入 3 颗种植体，共计 60 颗种植体（Dentium superline 4.5 mm10 mm，Korea），其中金属导板组和树脂导板组各 30 颗种植体。1.5种植体植入准确度评价在种植术前和术后的 CBCT 上，先确定近远中方向矢状测量面，在 3Shape 软件中选择“种植体设计”步骤，自下颌向上逐渐滑动水平切面至能看到完整的种植体横截面为止，以此时的平面作为水平切面，在该切面上以种植位点两侧天然牙近缺隙侧的邻面边缘做截面，以该平面作为近远中矢状面，以种植体为中心，旋转 90后的平面作为唇腭向平面。计划种植体颈部与近中和远中最近相邻的天然牙根表面之间的距离分别记录为 M 和 D；种植体颈部与唇侧和腭侧与模型表面的距离分别记录为 L 和 P；种植体颈部与模型表面之间的垂直距离分别记录为 V。种植体与模型底座角度在近远中平面和唇腭平面分别记录为 AMD和 ALP（图 5），测量示意图如图 6 所示。记录计划和植入的种植体位置在每个维度和每个角度上的差异，比较两种导板引导下种植体植入的差异。图 1树脂导板设计图图 2金属导板设计图Chin J Dent Mater Dev 2023年第32卷第3期161口腔材料器械杂志图 3工作流程示意图注：a.建立缺牙 3D 模型；b.种植方案设计；c.术后 CBCT 比较；d.导板引导下模型植入种植体；e.种植导板打印。图 4导板在树脂模型上就位注：a.金属导板;b.树脂导板。图 5测量计划和实际的植入位置比较图 6近远中平面测量示意图Chin J Dent Mater Dev 2023年第32卷第3期162口腔材料器械杂志1.6统计学分析为了检验两种导板引导下植入准确度的差异，采用 SPSS26.0 软件进行数据处理，计量资料以 s 表示，采用非配对 t 检验，以 P0.05 为差异有统计学意义。2结果表 1、表 2 显示了两种导板引导下种植位置偏差的中位数、范围、最小值（Min）和最大值（Max）以及 P 值。种植体在金属导板引导下线性偏差分别为近中（0.510.63）mm，远中（0.490.58）mm，唇向（1.141.40）mm，腭向（1.151.42）mm；垂直向（2.090.84）mm。种植体在树脂导板引导下的线性偏差分别为近中（0.650.91）mm，远 中（0.570.81）mm，唇向（0.730.74）mm，腭向（1.141.15）mm；垂直向（3.041.11）mm。两组种植体在垂直向的偏离值差异有统计学意义（P0.05），而近远中向和唇腭向上差异无统计学意义（表 1）。种植体在金属导板引导下近远中角度以及唇腭侧角度偏差分别为近中矢状角（AMD）为1.410.81；唇腭角（ALP）为 1.781.03。种 植 体 在 树 脂 导 板 引 导 下 近 远 中 角 度 以 及唇腭侧角度偏差分别为近中矢状角（AMD）2.621.51；唇 腭 角（ALP）2.341.01。两组种植体在近远中角度、唇腭角上差异有统计学意义（P0.05）（表 2）。图 7、8 显示了两种导板的线性和角度偏差的箱式图。原计划植入位置与实际种植体的偏差在垂直向 V 和近远中角度 AMD、唇腭角度 ALP 方面差异存在统计学意义（t-test），（见表 1、表 2 中的 P 值）。3讨论目前基于 3D 打印技术的外科种植导板大部分由树脂制作，由于树脂材料所具有的特性，在末端游离的案例中会产生少量的形变弯曲影响精度5。树脂导板在术中偶有折裂现象的发生，虽然较为少见，但发生时会导致严重的并发症6。从这表 1两组种植体植入的线性偏差和统计学分析线性(mm)组别均值(mm)最小值(mm)最大值(mm)标准差范围t-test（P）MM 组0.51-0.621.650.632.270.49R 组0.65-0.612.830.913.43DM 组0.49-0.331.540.581.860.68R 组0.57-0.702.490.813.19LM 组1.14-0.993.371.404.360.16R 组0.73-0.552.150.742.70PM 组1.15-0.903.281.424.180.98R 组1.14-0.442.781.153.24VM 组2.09 0.904.070.843.170.0004*R 组3.04 1.104.691.113.59注：*表示差异有统计学意义。表 2两组种植体植入的角度偏差和统计学分析角度（）组别均值最小值最大值标准差范围t-test（P）AMDM 组1.410.232.990.812.760.0003*R 组2.620.324.991.514.67ALPM 组1.770.163.581.033.420.035*R 组2.340.563.981.013.43注：*表示差异有统计学意义。Chin J Dent Mater Dev 2023年第32卷第3期163口腔材料器械杂志个角度来看，金属导板提供了更高的强度和更大的操作空间。尽管失蜡铸造、切削生产的金属导板成本接近，但体外研究证明，SLM 技术打印的成品比切削或传统铸造制造的部件具有更好的微观结构和机械性能7-8。金属导板的优势主要体现在以下几个方面：（1）金属支架相比树脂支架具有更高的强度：金属的高强度具有更好的抗形变能力，减少了导板变形而产生的线性偏移9。（2）金属材料能够高温高压消毒，提高了手术的安全性。（3）金属材料拥有良好的导热性能，在窝洞预备过程中切削牙槽骨会产生大量的热，树脂导板由于强度较低，设计时需要至少 2 mm 的厚度防止形变7，阻碍了冷却水的进入。树脂材料的导热性能也较差，而金属良好的导热性能有利于预备窝洞过程中的散热。（4）金属导板相比于树脂导板可以在减小体积的同时维持其支架的强度，有利于术者的手术视野以及冷却水的进入10。本实验探究了两种不同材质的静态导板引导下种植的准确度差异，并与术前设计方案作比较，分析种植体的距离偏差和角度偏差。传统树脂导板已经广泛应用于临床，许多研究对于传统树脂导板的准确度做出了评估，Cristache11等对 25 例牙列缺损病人的 65 枚种植体在 SLA 方式制作树脂导板辅助下种植的精度研究表明，种植体顶端偏差为(0.7980.52)mm，底端偏差为(1.170.63)mm，角度偏差为（2.340.85）。Van Assch12等人分析 10 个不同的导板系统发现，种植体颈部误差平均 0.99 mm（0-6.5 mm），底部误差平均 1.24 mm（0-6.9 mm），种植体角度偏差平均 3.81（0-24.9）。Zhang 13等人使用 CAD/CAM 导板对后牙区进行了20 例体外种植实验，其中后牙区种植体顶端偏差为(1.330.43)mm；底端偏差分别为(1.940.30)mm；角度偏差分别为（3.311.55）；深度偏差分别为(1.430.41)mm。本实验中通过 3D 打印技术制作的铝合金材质导板与软件设计的偏差值：近远中误差(0.510.63)mm，唇腭侧误差为(1.151.42)mm，角度偏差为(1.781.03)，垂直偏差(2.090.84)mm。准确度与上述树脂导板研究中的结论相近，证实铝合金导板的准确度可以满足临床需求，使用的铝合金导板在模型中进行的引导植入手术具有较高的准确性。实验中铝合金导板相较于传统树脂导板，两种导板在垂直向上的误差在统计学上存在差异，且均与设计值偏离超过 2 mm，主要原因可能是由于聚甲基丙烯酸甲酯模型预备时表面不能模拟口内软组织的厚度差异，无法评估植体是否到位，导致了垂直向深度的差异。也提示临床医生对于植入深度的把控需要更加小心。远中方向的线性偏移最小、准确度最高，在树脂导板组中约为 0.57 mm，在金属导板组中约为 0.49 mm，虽然两种种植导板在近远中及唇腭向的偏差没有显示统计学差异，但是金属导板引导下的偏差均值与标准差都小于树脂导板，提示了金属导板可能由于其较高的强度有更好的稳定性。金属导板引导植体在两个平面角度上的偏差均小于树脂导板引导下的植体偏差，且具有统计学差异，但两者的整体角度偏差图 7两组种植体植入位置与规划位置线性偏差的箱式图注：M，近中；D，远中；L，唇侧；P，腭侧；V，垂直向。图 8两组种植体植入位置与规划位置角度偏差的箱式图注：AMD，近远中向角度；ALP，唇腭向角度。Chin J Dent Mater Dev 2023年第32卷第3期164口腔材料器械杂志均在临床可接受的范围之内。这项体外研究仍有其局限性。首先，导板在缺牙模型上的就位可能与患者口腔中的情况不同，临床上，天然牙齿和软组织可能会导致导板就位时有轻微的移动。其次使用均质聚甲基丙烯酸甲酯模型预备窝洞的效果可能不同于预备非均质牙槽骨时的情况14。第三，本研究中使用的缺牙模型没有软组织，术者难以确认骨水平种植体顶部的最终位置。本实验作为对铝合金材质金属导板的初步探索，主要针对不同材质对准确度的影响进行了分析，然而影响导板精准度的因素不止于此，将来的研究可进一步分析不同牙列缺损类型以及不同种植系统在不同材质导板引导下的引导效果，以便为推广至临床提供实验依据。4结论本研究可以得出以下结论：（1）铝合金材质的导板具有高强度，体积小，易散热，可消毒的优势。（2）铝合金材质的导板具有良好的准确度，误差范围在现有树脂导板精确度的文献研究支持的临床许可范围之内，可以满足临床需求。（3）无论是树脂导板还是铝合金导板在垂直向深度上都难以做到准确引导，术者在引导手术中需要仔细判断植体植入深度是否到位。参考文献1 Pjetursson B E,Thoma D,Jung R,et al.A systematic review of the survival and complication rates of implant-supported fixed dental prostheses(FDPs)after a mean observation period of at least 5 yearsJ.Clin Oral Implants Res,2012,23 Suppl 6:22-38.2 Nedir R,Bischof M,Szmukler-Moncler S,et al.Prosthetic complications with dental implants:from an up-to-8-year experience in private practiceJ.Int J Oral Maxillofac Implants,2006,21(6):919-928.3 Mouhyi J,Salama M A,Mangano F G,et al.A novel guided surgery system with a sleeveless open frame structure:a retrospective clinical study on 38 partially edentulous patients with 1 year of follow-upJ.BMC Oral Health,2019,19(1):253.4 Lin W S,Yang C C,Polido W D,et al.CAD-CAM cobalt-chromium surgical template for static computer-aided implant surgery:A dental techniqueJ.J Prosthet Dent,2020,123(1):42-44.5 Turkyilmaz I.A Proposal of New Classification for Dental Implant ComplicationsJ.J Contemp Dent Pract,2018,19(8):1025-1033.6 Vercruyssen M,Laleman I,Jacobs R,et al.Computer-supported implant planning and guided surgery:a narrative reviewJ.Clin Oral Implants Res,2015,26 Suppl 11:69-76.7 Joda T,Derksen W,Wittneben J G,et al.Static computer-aided implant surgery(s-CAIS)analysing patient-reported outcome measures(PROMs),economics and surgical complications:A systematic reviewJ.Clin Oral Implants Res,2018,29 Suppl 16:359-373.8 Afrashtehfar K I,Brgger U,Igarashi K,et al.A modified technique for the intraoral assessment of static occlusal contactsJ.J Prosthet Dent,2018,119(6):909-911.9 Fu W,Liu S,Jiao J,et al.Wear Resistance and Biocompatibility of Co-Cr Dental Alloys Fabricated with CAST and SLM TechniquesJ.Materials(Basel),2022,15(9):3263.10 Zhou Y,Li N,Yan J,et al.Comparative analysis of the microstructures and mechanical properties of Co-Cr dental alloys fabricated by different methodsJ.J Prosthet Dent,2018,120(4):617-623.11 Cristache Corina Marilena and Gurbanescu Silviu.Accuracy Evaluation of a Stereolithographic Surgical Template for Dental Implant Insertion Using 3D Superimposition ProtocolJ.International journal of dentistry,2017,2017:4292081.12 Van Assche N et al.Accuracy of computer-aided implant placementJ.Clinical oral implants research,2012,23 Suppl 6:112-23.13 Zhang Y J,Shi J Y,Qian S J,et al.Accuracy of full-arch digital implant impressions taken using intraoral scanners and related variables:A systematic reviewJ.Int J Oral Implantol(Berl),2021,14(2):157-179.14 Wegmller L,Halbeisen F,Sharma N,et al.Consumer vs.High-End 3D Printers for Guided Implant Surgery-An In Vitro Accuracy Assessment Study of Different 3D Printing TechnologiesJ.J Clin Med,2021,10(21):4894.（收稿日期：2023-02-21修回日期：2023-06-08)