3D打印技術(shù)在牙周病學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

王瑞奇 楊玉 楊竹君 綜述 王忠山 審校

牙周組織是由牙齒周圍的牙周膜、牙槽骨、牙骨質(zhì)和牙齦四部分組成,其主要功能是支持、固定以及為牙齒提供營養(yǎng)。其中牙周膜是一種致密的纖維組織,其一端埋入牙骨質(zhì),另一端連接牙槽骨,將牙齒懸吊固定在牙槽窩內(nèi)。因此牙槽骨、牙周膜和牙骨質(zhì)是一個密不可分的整體,又被稱為牙周復(fù)合體(periodontal complex)[1]。牙周病(periodontal disease)是指發(fā)生在牙周組織的慢性炎癥,在人群中發(fā)病率高達(dá)90%。其發(fā)生與菌斑微生物、牙結(jié)石等局部因素以及內(nèi)分泌、吸煙等全身因素有密切關(guān)系。若未及時治療,往往會導(dǎo)致牙周附著喪失、深牙周袋的形成、牙槽骨吸收等,最終導(dǎo)致牙齒的松動脫落。此外,由于外傷、腫瘤切除等原因,也會造成牙周組織的缺損。維護(hù)牙周健康,對于牙齒的長期留存非常重要。近幾十年來,3D打印技術(shù)(3D Printing)因方便、快捷、易于成型等優(yōu)點,已被大量應(yīng)用于牙周領(lǐng)域[2],本文主要就3D打印技術(shù)在牙周領(lǐng)域的研究和應(yīng)用進(jìn)行總結(jié),主要包括牙周溝通和教學(xué)、牙周缺損臨床治療以及牙周再生3 個方面。

1 牙周臨床治療

近年來,隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步,3D打印技術(shù)在牙周病治療以及前牙區(qū)牙齦美容手術(shù)中得到廣泛應(yīng)用。在國外的一項研究報道中,使用3D打印技術(shù)為一位重度牙周炎患者設(shè)計了牙周缺損的光敏樹脂支架,然后抽取患者的自體靜脈血制備富血小板纖維蛋白(platelet-rich fibrin,PRF),與Bio-Oss骨粉混合后加載到支架上并進(jìn)行塑形,最后在支架上覆蓋PRF膜以及Bio-Gide膠原膜。術(shù)后15 個月,臨床和影像學(xué)檢查結(jié)果顯示:患牙的牙周袋深度減小,并有少量牙槽骨再生[3]。

以細(xì)胞為基礎(chǔ)的3D生物打印技術(shù)在臨床上也有應(yīng)用。在國外一項研究中,將人骨髓來源的間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMMSCs)和3D打印的個性化聚己內(nèi)酯(polycaprolactone,PCL)支架復(fù)合后修復(fù)唇腭裂患者的牙槽突裂。術(shù)后6個月,新生骨體積達(dá)到了原缺損總體積的45%,新生骨密度達(dá)到周圍天然骨密度的75%,該臨床研究也為修復(fù)嚴(yán)重的牙周骨缺損提供了一種潛在的治療方案[4]。

3D打印的個性化鈦網(wǎng)也被應(yīng)用于臨床。我國學(xué)者在2018年發(fā)現(xiàn):3D打印的個性化鈦網(wǎng)支架聯(lián)合引導(dǎo)骨再生技術(shù)(guided bone regeneration,GBR)對于牙周病中牙槽骨缺損的修復(fù)具有良好的臨床效果,但需要探索更好的設(shè)計方案來解決或延緩鈦網(wǎng)暴露的問題[5]。

2015 年,意大利研究人員利用3D打印的生物可吸收的聚己內(nèi)酯(PCL)支架和生長因子治療牙周缺損,支架覆蓋12 個月后,較治療前增加了約3 mm的牙周附著以及部分牙根面的新生骨覆蓋;但術(shù)后第13 個月時,移植部位出現(xiàn)較大的感染裂口,最終不得不將整個支架取出,導(dǎo)致治療失敗[6]。因此,如何保證生物材料的無菌植入以及避免生物材料的后期感染,需要在以后的牙周治療中進(jìn)一步優(yōu)化。

2 牙周再生

牙周病伴隨牙周軟、硬組織喪失,3D生物打印技術(shù)主要是通過向缺損牙周組織提供個性化設(shè)計的支架材料以及生長因子、種子細(xì)胞或生物活性蛋白等,在一定時間內(nèi)修復(fù)牙周組織以及牙周骨缺損。牙周組織再生的一個重要原則是防止快速生長的口腔上皮、真皮纖維結(jié)締組織向骨缺損區(qū)生長,同時為緩慢生長的骨組織提供穩(wěn)定的再生空間。根據(jù)缺損區(qū)域的再生需求,可以靈活選擇不同的3D打印技術(shù)應(yīng)用于組織再生。干細(xì)胞、基因治療、生物打印和分層仿生技術(shù)等領(lǐng)域的前沿研究,推動了牙周組織再生的進(jìn)一步發(fā)展,并可進(jìn)一步應(yīng)用于口腔頜面部缺損的治療[2,7]。

2.1 牙槽骨再生

由牙周炎癥、創(chuàng)傷和外科手術(shù)等導(dǎo)致的牙槽骨喪失給功能性的牙槽骨重建帶來了很大的困難。近十年來,隨著3D打印技術(shù)在各學(xué)科領(lǐng)域研究應(yīng)用的迅速發(fā)展,將3D打印技術(shù)和再生醫(yī)學(xué)的組織工程技術(shù)相結(jié)合便產(chǎn)生了生物打印技術(shù)(bioprinting)。納米羥基磷灰石(nanometre hydroxyapatite,nHA)和脫蛋白牛骨基質(zhì)(deproteinised bovine bone matrix,DBBM)是目前牙槽骨再生的常用材料,尤其是DBBM因其疏松多孔的結(jié)構(gòu)而被廣泛應(yīng)用。國內(nèi)有學(xué)者將nHA和DBBM分散到膠原蛋白(collagen,CoL)中制備“生物墨水”,隨后比較了兩種支架材料的物理、化學(xué)和生物性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)nHA/CoL和DBB/CoL 均可用于3D打印支架的制作,兩種支架對于骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMMSCs)都有成骨誘導(dǎo)作用,均可作為臨床應(yīng)用的良好支架材料[8]。Mangano等[9]使用羊上頜竇缺損模型評估3D打印的雙相磷酸鈣(biphasic calcium phosphate,BCP)支架植入45 d和90 d的生長情況,結(jié)果表明: 在竇腔內(nèi)該支架與周圍骨組織完全融合,新生骨小梁數(shù)量隨時間延長明顯增加,但最終新生骨數(shù)量和成熟度仍與自體骨存在差異。Tamimi等[10]在兔顱骨缺損模型中分別放置3D打印的三斜磷鈣石(monetite)移植物和自體骨移植物, 8 周后進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)兩種支架材料在接觸或接近天然骨的部位均有新骨形成,尤其在血液供應(yīng)較豐富的移植物外側(cè)新生骨量較多,二者骨高度的增加沒有顯著差異,這些結(jié)果表明3D打印的三斜磷鈣石支架可作為自體骨移植物的替代品。

由于牙槽骨的生物特性,拔牙會導(dǎo)致牙槽嵴寬度和高度降低。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計,拔牙后3 個月牙槽骨的平均寬度和高度分別降低了3.87 mm和1.67 mm。目前,3D打印技術(shù)可用于制作個性化的拔牙窩缺損支架,在拔牙后植入拔牙創(chuàng),用于保存牙槽窩并維持其尺寸,即位點保存技術(shù)(site preservation)[11]。Park等[12]研究證實3D打印的PCL支架可用于犬牙槽窩位點保存。Goh等同樣報道了3D打印的PCL支架在牙槽骨保存中的應(yīng)用,支架植入6 個月后骨愈合正常,牙槽嵴保存效果明顯優(yōu)于無支架組[13]。Pennapa等[14]報道3D打印的羥基磷灰石移植材料也可用于拔牙窩位點保存。

對于現(xiàn)有支架材料的改性,也是目前3D打印技術(shù)在牙槽骨再生領(lǐng)域的研究熱點。比如,PCL/PLGA復(fù)合支架材料是目前牙周骨再生的熱點研究材料。然而,脂肪族聚酯降解后會釋放出大量酸性副產(chǎn)物,這可能導(dǎo)致組織炎癥壞死和支架的緩慢暴露。最新研究發(fā)Mg/PLGA支架可被應(yīng)用于牙槽骨位點保存,其中鎂可以抵消PLGA降解產(chǎn)物的酸性作用,從而降低組織炎癥的發(fā)生風(fēng)險,最終達(dá)到更好的骨再生效果[15]。Li等[16使用了一種凍干的富血小板血漿(platelet-rich plasma,PRP)涂層來改善PCL支架的生物特性。將該涂層涂于3D打印的PCL支架上,然后置于-80 ℃下30 min進(jìn)行冷凍干燥,與PRP-PCL支架或單純PCL支架相比,凍干PRP-PCL支架具有更好的成骨效果。有研究者使用3D生物打印技術(shù)制備個性化的多孔β-TCP/膠原支架修復(fù)大鼠牙槽骨缺損,將大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMMSCs)和復(fù)合支架體外共同培養(yǎng)后結(jié)果顯示:3D打印的β-TCP/膠原支架外形與缺損部位匹配良好,具有可控的多孔隙結(jié)構(gòu),促進(jìn)了大鼠BMMSCs的成骨活性。此研究為牙槽骨缺損的修復(fù)提供了新的解決思路和探索方向[17]。

此外,對于加載生長因子的3D打印支架材料的研究也是牙槽骨再生的熱點研究領(lǐng)域。最近研究發(fā)現(xiàn),生長因子和支架的協(xié)同作用能夠更好的促進(jìn)牙周組織再生。國外一項研究利用骨形成蛋白-2(bone morphogenetic protein 2,BMP-2)、骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞以及3D打印的生物玻璃(3D printed bioglass,3D-BG)支架來修復(fù)恒河猴牙槽骨上10 mm×10 mm×5 mm大小的缺損,研究結(jié)果表明,加載BMP-2的復(fù)合支架可以更好地促進(jìn)骨愈合[14]。雙嘧達(dá)莫(Dipyridamole)是一種具有成骨潛能的腺苷受體間接激動劑。研究發(fā)現(xiàn)分別加載雙嘧達(dá)莫和人重組BMP-2的生物陶瓷支架對于治療牙槽嵴裂缺損的作用相同。該研究將雙嘧達(dá)莫加載至3D打印的β-TCP支架上,移植入兔顱骨缺損模型,在24 周時DIPY-3DPBC支架明顯促進(jìn)了兔顱骨缺損的成骨再生,此研究證明DIPY-3DPBC支架策略是一種安全、有效的骨組織工程策略,可以在不影響兒童顱骨生長的情況下用于骨缺損再生[18]。

2.2 牙周膜再生

牙周膜干細(xì)胞(PDLSCs)在牙周膜再生領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。有學(xué)者系統(tǒng)地研究了不同濃度的甲基丙烯?；髂z(gelatin methacrylic acid,GelMA)的打印性能,通過評估不同打印參數(shù),如光引發(fā)劑濃度、紫外線照射時間、壓力大小等對水凝膠包裹的PDLSCs存活率的影響,從而確定最合適的打印參數(shù)。優(yōu)化后的3D生物打印系統(tǒng)不僅可以提高打印分辨率,保持支架的尺寸穩(wěn)定性,還能最大程度保持細(xì)胞的活力,有助于牙周組織再生治療[19]。另外國內(nèi)有研究發(fā)現(xiàn)壓力可控的3D打印系統(tǒng)可以極大降低材料打印過程中產(chǎn)生的剪切力,并使打印溫度維持在一個較低的水平,而不致于使包裹的細(xì)胞死亡。這種在細(xì)胞層面的3D打印技術(shù)可以更好地促進(jìn)牙周再生[20]。最近一項研究發(fā)現(xiàn),通過調(diào)整鎂-鈣-硅酸鹽水泥(Mg-CS)中Mg的含量,對于牙周膜干細(xì)胞(periodontal ligament cells,PDLSCs)生物學(xué)影響也發(fā)生改變,研究發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料可以刺激PDLSCs向牙周膜以及血管方向分化,是可用于牙周再生的良好生物陶瓷[21]。

近年來,隨著定向冷凍鑄造、增材制造以及軟光刻等技術(shù)的進(jìn)步,精確控制牙周膜(periodontal ligament,PDL)纖維的方向有望實現(xiàn)。研究證明利用定向冷凍澆鑄法可以形成斜向牙周膜纖維,該類纖維在牙周膜占比約70%,但形成其他方向的牙周膜纖維仍然需要進(jìn)一步探索。該方法可以引導(dǎo)生成具有天然牙周膜纖維束特點的牙周膜樣結(jié)構(gòu)[22]。

細(xì)胞膜片技術(shù)(cell sheet engineering)是指將目的細(xì)胞在一定條件下進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng),誘使其形成多層細(xì)胞,同時使種子細(xì)胞在短時間內(nèi)形成大量細(xì)胞外基質(zhì),最后無需酶消化便可以得到一張由細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成的完整膜片。該技術(shù)與3D打印支架的結(jié)合也被用于牙周組織再生。Vaquette等[23]使用熔融沉積制造(fused deposition modeling, FDM)技術(shù)打印出PCL支架,并與牙周膜干細(xì)胞膜片復(fù)合,發(fā)現(xiàn)加載細(xì)胞膜片的支架比單純支架更容易附著在牙本質(zhì)表面。Farag等[24]將牙周膜干細(xì)胞膜片脫細(xì)胞,進(jìn)一步降低該類細(xì)胞材料的免疫原性,然后將脫細(xì)胞的PDLSC膜片與3D打印的PCL支架復(fù)合用于牙周再生,發(fā)現(xiàn)該復(fù)合結(jié)構(gòu)上調(diào)了牙周膜干細(xì)胞礦化標(biāo)志物的表達(dá)。Bakirci等[25]根據(jù)細(xì)胞膜片理論,開發(fā)了一種用于“無支架3D打印”的生物墨水,將皮膚成纖維細(xì)胞體外培養(yǎng)成富含細(xì)胞外基質(zhì)的細(xì)胞膜片,膜片成熟后離心制成生物墨水用于3D生物打印。雖然這項研究并未涉及到牙周再生領(lǐng)域,但該方法使得開發(fā)新型的牙周膜干細(xì)胞生物墨水成為可能。

2.3 牙骨質(zhì)再生

牙骨質(zhì)形成也是牙周組織再生重要步驟,牙周膜干細(xì)胞和相關(guān)的生長因子對于牙骨質(zhì)再生具有重要作用。研究證明加載牙周膜干細(xì)胞和生長因子的3D打印支架可以在人牙根表面形成完整的牙骨質(zhì)樣結(jié)構(gòu);一些促進(jìn)牙骨質(zhì)生成的生物制劑,如血小板衍生生長因子-BB(platelet derived growth factor-bb,PDGF-BB)復(fù)合PLGA支架對成牙骨質(zhì)細(xì)胞的活化和牙骨質(zhì)形成發(fā)揮重要作用[26]。Mao等[27]研究表明,納米生物陶瓷材料可以促進(jìn)人牙周膜干細(xì)胞分化成類牙骨質(zhì)細(xì)胞,形成類似于牙骨質(zhì)-牙周膜的分層結(jié)構(gòu)。Wang等[1]研究證實牙周膜干細(xì)胞膜片復(fù)合PRF在HA/β-TCP支架表面形成了牙骨質(zhì)樣結(jié)構(gòu)。目前牙骨質(zhì)的再生仍然依賴于移植干細(xì)胞的增殖、分化或自體細(xì)胞激活、歸巢等,在空間上如何精確控制牙骨質(zhì)在牙根表面沉積厚度,值得進(jìn)一步探討。

2.4 神經(jīng)和血管再生

3D打印技術(shù)可用于制備新型仿生支架和復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)模型,其在周圍神經(jīng)缺損的修復(fù)和再生方面具有廣闊的應(yīng)用前景,近年來3D多孔神經(jīng)導(dǎo)管(nerve guide conduit, NGC)支架在周圍神經(jīng)再生領(lǐng)域中成為一個研究焦點。有研究利用3D生物打印技術(shù)制備GelMA人工神經(jīng)導(dǎo)管,導(dǎo)管內(nèi)壁填充EHS(engelbreth-holm-swarm)水凝膠,結(jié)果證實該復(fù)合導(dǎo)管能促進(jìn)周圍神經(jīng)纖維的修復(fù)[28]。同樣,以聚吡咯(polypyrrole,PPy)和PCL為材料3D成型的多孔的神經(jīng)導(dǎo)管也具有促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞和周圍神經(jīng)纖維生長與成熟的作用[29]。除此以外,3D打印技術(shù)也被應(yīng)用于面神經(jīng)缺損的修復(fù)與再生[30]。

最近的研究發(fā)現(xiàn)利用3D打印技術(shù)可以精確加工血管模型,其可作為治療血管病變的藥物篩選工具,或用于血管再生修復(fù)。有研究者將人主動脈平滑肌細(xì)胞(aortic smooth muscle cells,ASMCs)接種在纖維蛋白水凝膠上,水凝膠在平滑肌細(xì)胞固有的收縮特性的幫助下,形成一個個包裹平滑肌細(xì)胞的組織環(huán),這些環(huán)狀物堆疊形成類似于天然動脈的血管結(jié)構(gòu)[31]。因此,3D打印技術(shù)在血管再生領(lǐng)域也有巨大的應(yīng)用潛力。

2.5 牙周復(fù)合體再生

牙周復(fù)合體作為牙齒的支持結(jié)構(gòu),包含有3 種不同的組織,牙骨質(zhì)、牙周膜和牙槽骨。如何實現(xiàn)3 種類型組織的同時再生,包括定向牙周膜纖維的重新形成,以及如何使其牢固地附著在新的牙骨質(zhì)和牙槽骨上,是目前牙周再生面臨的主要挑戰(zhàn)。研究發(fā)現(xiàn)多相支架可以更好地模擬牙周復(fù)合體的形成。Lee等[32]利用3D打印技術(shù)創(chuàng)建了一個PCL-HA多相支架,他們發(fā)現(xiàn)將牙髓干細(xì)胞(dental pulp stem cells, DPSCs)植入支架后,細(xì)胞群能夠自動分化為牙骨質(zhì)、PDL和牙槽骨。Saito等[33]設(shè)計出具有不同孔徑大小的PCL支架,加載牙周膜干細(xì)胞后,用于牙周復(fù)合體的再生,發(fā)現(xiàn)采用3D打印設(shè)計的不同孔徑的支架具有誘導(dǎo)不同類型組織再生的特點。

研究表明透明質(zhì)酸水凝膠支架可以為成骨細(xì)胞提供良好的生存環(huán)境,同時刺激成骨細(xì)胞的礦化基因表達(dá)[34]。纖維蛋白水凝膠可以促進(jìn)成牙骨質(zhì)細(xì)胞或成骨細(xì)胞的分化,改性后的纖維蛋白水凝膠,可以在不同礦化組織之間形成纖維附著,具有牙周復(fù)合體再生的潛在功能。由于牙周復(fù)合體的特殊結(jié)構(gòu)層次,對牙周纖維方向有著嚴(yán)格的要求,因此,將3D打印技術(shù)應(yīng)用于牙周復(fù)合體再生需要進(jìn)一步的深入探索[35]。

3 牙周病教學(xué)和醫(yī)患溝通

隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步,快速成型具有逼真形貌的牙周解剖模型成為了可能。以往的牙周教學(xué),學(xué)生往往通過理論授課的形式來學(xué)習(xí)牙周檢查和治療的規(guī)范化操作以及進(jìn)行相關(guān)牙周評分的培訓(xùn)等,教學(xué)條件好的院校可在仿真頭顱模型上進(jìn)行牙周培訓(xùn)。由于學(xué)生缺乏臨床經(jīng)驗,在進(jìn)行臨床牙周檢查時,常常導(dǎo)致患者不適,比如疼痛和出血等[36]。因此,打印出具有相應(yīng)牙周組織學(xué)特征并能夠模擬天然牙齦萎縮、牙槽骨喪失的典型牙周炎缺損模型成為一個更好的選擇。在3D打印過程中,可采用多種材料、多種顏色來打印具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的牙周缺損模型,可以為學(xué)生模擬牙周手術(shù)提供更加真實的操作體驗,加強學(xué)生對牙周疾病的正確認(rèn)識和掌握準(zhǔn)確的牙周臨床技能[37-38]。國內(nèi)也有研究者將3D打印的數(shù)字化牙周病例數(shù)據(jù)庫應(yīng)用于牙周教學(xué),并與傳統(tǒng)的平面教學(xué)和視頻教學(xué)對于牙周教學(xué)的實際效果和學(xué)生課堂評價進(jìn)行對比,最終表明3D打印的數(shù)字化病例數(shù)據(jù)庫在教學(xué)中的應(yīng)用,加強了學(xué)生對于牙周理論知識的理解, 實踐操作也更加熟練[39]。

有研究者成功使用3D打印技術(shù)制作出了與臨床牙周缺損的真實尺寸模型,方便了患者了解所患牙周病的病變階段,提高了患者對于牙周治療的依從性和配合性,從而使牙周醫(yī)生與病人的溝通交流變得更加容易。此外,國外也有學(xué)者采用3D打印技術(shù)來打印具有牙齦美學(xué)缺陷的牙齦缺損模型,此模型有利于牙周醫(yī)生的術(shù)前規(guī)劃和手術(shù)方案制定[2,40]。

3D打印技術(shù)在種植體周圍炎的維護(hù)方面也有應(yīng)用,打印的種植體模型便于患者掌握正確的種植體維護(hù)方法,從而延長種植體的使用壽命。此外,3D打印的種植體模型輔助患者更加直觀的了解種植體的植入程序,有助于減少病人的術(shù)前焦慮和恐懼。這些模型也有助于醫(yī)學(xué)生、進(jìn)修生等在種植體型號選擇、種植體植入等方面進(jìn)行更好的術(shù)前模擬[41]。

4 總結(jié)與展望

3D打印技術(shù)在牙周溝通和教學(xué)、牙周臨床治療以及牙周再生領(lǐng)域中具有更加廣闊的應(yīng)用前景,它能夠滿足醫(yī)療產(chǎn)品的個性化設(shè)計需求,便于小規(guī)模生產(chǎn),同時能夠克服現(xiàn)有的牙周組織再生方法的局限性,構(gòu)建出更接近天然牙周組織的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。目前,根據(jù)3D打印技術(shù)的理念所提出的教學(xué)模式已有所研究,在動物實驗水平運用3D打印復(fù)合支架進(jìn)行牙周再生也不斷取得新的進(jìn)展,但在臨床治療中仍應(yīng)用較少,未來3D打印技術(shù)將不斷聯(lián)合牙周治療的新理念新技術(shù),推動牙周領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。