作者：吴易涵，顾永春，江苏省苏州市第九人民医院口腔科；刘超，江苏省苏州市第九人民医院中心实验室；汤颖，江苏省苏州市第九人民医院病理科
3D打印技术（three-dimensional printing）以其快速成型、高精度构造及深度定制等特点，被广泛应用于口腔医学领域。3D打印牙齿模型具有较高的准确性，在牙体牙髓病治疗中被用于复制患者牙齿模型，以及复杂根管的术前模拟治疗。
在引导牙髓治疗（guided endodontics）中，3D打印技术结合锥形束CT可用于开髓与根管定位导板及根尖手术导板的制作，使牙髓治疗更加安全、微创。3D打印牙齿模型可以替代离体牙，便于获得标准化、一致化且数量充足的样本，用于体外临床研究。该技术亦可应用于牙髓病学教学及临床前培训。本文就3D打印技术在牙体牙髓学中的应用进展作一综述。
1.3D打印技术概述
3D打印技术也称为增材制造或快速成型技术，出现在上世纪80年代末至90年代初。是利用建好的3D数字模型，以逐层打印的方式将材料结合起来构造物体的技术。打印时，计算机软件将3D数字模型输出为若干层截面图的叠加，传输给3D打印机逐层打印，不断重复，层层累积，最终加工成空间实物。
3D打印具有以下优势：①设计空间不受限，可加工任意复杂的物体。②零技能制造；入门门槛低，在工业生产方面更加廉价，可以对产品进行个性化设计、快速设计、验证和迭代。③可将多种材料进行组合打印，从而产生性能不同的“新材料”。用于3D打印的数字化模型可通过软件设计建立，也可通过光学扫描、机械学扫描及放射学扫描（CT、核磁共振）取得原始数据，再导入计算机辅助设计（CAD）软件（如：Mimics、Geomagic、Imageware等软件）或其他三维设计软件（如：3ds Max）来建立。
根据3D打印物件的不同用途，可选择不同的打印方式与材料。目前在口腔医学领域，3D打印方式主要有熔融沉积成形（fused deposition modeling，FDM）、立体光固化成形（stereo lithography appearance，SLA）、DLP数字光处理技术（digital light processing）、喷墨技术（PolyJet）、选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）、分层实体制造（laminated object manufacturing，LOM）、直接携带细胞的生物3D打印等；而打印材料主要为金属、高分子复合材料、陶瓷材料、生物组织工程材料等。
2.3D打印技术在牙体牙髓学中的应用
1）3D打印牙齿模型的准确度
3D打印的准确度（accuracy）是其医学应用的基础，它包括真实度（trueness）与精密度（precision）两个方面，前者以偏离真实值来衡量，后者以偏离均值来衡量。牙齿外部形态与内部结构的三维数据可来自显微CT（Micro-CT）、锥形束CT（CBCT）或口内外光学扫描。Kulczyk等比较了基于上述技术获得的3D牙齿模型。
结果表明，基于Micro-CT扫描数据的3D牙齿模型（扫描时体素大小为12μm）准确性最好，其次为基于光学扫描数据的模型；基于高精度CBCT的3D牙齿模型（体素大小为133μm）准确性低于前两者，但好于基于常规精度CBCT的模型（体素大小为350μm）；模型精度越高，计算机处理过程就越慢，而Micro-CT的精度已大大超过3D打印机固有的打印精度，而对于训练窝洞预备这类对牙体解剖细节要求不高的任务，基于CBCT的3D打印模型已能满足需要。
关于口内扫描仪，目前国际知名品牌主要有Sirona、3Shape、align、iTero等，而国内品牌主要有美亚光电、频泰、朗呈、菲森等。不同品牌的口内扫描仪器在质量、稳定性上存在差异，在扫描光源（激光或可见光）及扫描成像原理（主动三角测量技术、共聚焦激光扫描成像技术、主动波阵面采样技术）上也不尽相同，这些因素以及操作者的经验均会影响模型的准确度。此外，3D打印技术及打印材料均可影响3D打印的准确度。
Lee等将50个离体磨牙进行光学扫描，建模后再用2种3D打印技术复制模型，然后再次进行光学扫描并建模，发现FDM法打印的牙齿略小于牙齿原型，PolyJet法打印的牙齿略大于牙齿原型，差异均有统计学意义，但用Geomegic Control软件对3D打印前后数模之间行最佳拟合对齐（best-fit alignment）分析表明，偏差均值分别为47μm与38μm；对于正畸临床诊断与治疗是可以接受的。
Kim等用4种不同的3D打印技术复制同一副全口牙模，通过计算3D打印牙模测量值与真实值之间的均方根误差（root mean square，RMS）评估3D打印牙模的准确性，结果表明PolyJet法的准确度最好，其次为DLP法；这两种方法的准确度显著高于FFF法（fused filament fabrication）及SLA法。
Reymus等用SLA技术打印牙齿模型用于牙学院三、四年级本科生的根管治疗培训，发现偏离真实值的误差范围在50.9～104.3μm，精度范围在43.5～68.2μm，偏差幅度不影响模型在教学中的使用。3D打印牙齿模型准确度及尺寸一致性好，复制成本低，制造快，并且有不同打印方案供选择（如精度优先与成本优先），可满足临床、科研与教学上不同的需求。
2） 复杂根管的术前模拟治疗
2015年Byun等报道了1例3D打印辅助根管治疗的案例。患牙为上颌中切牙，牙根高度弯曲、扭转，并已根管侧穿，根管结构复杂；Byun等通过CBCT获得患牙3D数据后，使用透明光固化树脂材料打印患牙模型，并在牙齿模型上反复模拟预备开髓洞型及根管入路的不同方案（以红色墨水示踪根管），确定最佳治疗方案后在定制的导板（非3D打印）辅助下顺利完成根管疏通及根管预备，并用MTA修补了原来的根管侧穿点，最终患牙根管治疗获得成功。
Kato等报道了1例下颌第二恒磨牙与磨牙旁额外牙（paramolar）融合牙牙髓治疗的案例。作者利用CBCT图像数据及3D打印技术复制了患牙；通过向髓腔插入根管器械，证实两个融合的牙齿根管彼此是相通的。医师利用该模型进行模拟治疗并制定了部分活髓切断的治疗方案，模型演示使医患沟通更高效，患者依从度更好，牙髓治疗最终也取得了满意的效果。综上，结合CBCT提供的牙齿的三维解剖信息和3D打印牙齿模型，临床医师可更直观地了解牙齿内、外部结构，通过术前反复模拟训练，可以术中减少实操时间，为治疗成功奠定基础。
3） 各种导板的3D打印
（1）前牙树脂美学修复舌面导板：为了对上颌中切牙冠折（未露髓）及切角龋坏（Ⅲ类洞）进行美学树脂修复，Xia等利用口内扫描的方法建立缺损上前牙及牙列的数字化模型，将模型导入CAD软件后以无缺损的对侧同名牙为参照牙，医师在数分钟内就能设计出修复缺损前牙的舌面导板；此外，医师在软件界面即可方便地调整患牙的舌面形态和咬合接触点，并向患者展示虚拟的树脂修复效果；患者对美学效果满意后，可迅速完成导板的3D打印，然后在导板的辅助下对前牙缺损进行美学树脂修复，可帮助缺乏经验的年轻医师取得令人满意的美学修复效果。
（2）钙化根管、复杂根管的根管定位导板：对钙化根管、根管系统高度变异的牙齿及内部结构复杂的牙齿根管治疗时，3D打印根管定位导板可以更精准地引导牙钻或根管器械到达根管，提高根管预备的安全性，保护剩余牙本质，减少各种并发症。2016年，Krastl等及van der Meer等在对上颌前牙钙化根管进行根管治疗时，提出了引导牙髓治疗（guided endodontics）的概念。之后，Mena-Alvarez等与Ali等对上颌侧切牙牙内陷的复杂根管系统进行了引导牙髓治疗。该技术的关键是开髓及根管定位导板的CAD设计与3D打印。
其制作流程为：①通过CBCT获得牙齿内部解剖数据，通过光学扫描获得数字化牙列（牙齿）模型；②将2组数据导入三维重建软件及CAD软件进行匹配拟合，通过观察根管及根管口的形态、方位、根管弯曲度等解剖信息模拟并设计开髓洞型、开髓方向、钻针深度及粗细，并确定到达根管的最佳通路（注意保护牙体组织）；③根据上述开髓通路，在CAD软件上设计导板，确定导板中引导孔与金属导管的直径、位置、方向，确保导板与牙列精密匹配；④将设计好的导板转为STL文件，输入3D打印机制作3D打印导板；⑤治疗时将3D打印开髓及根管定位导板组装、固定于患者牙列，完成根管治疗。
Connert等在治疗下颌切牙时又进一步提出了显微引导牙髓治疗（microguided endodontics）的概念。在3D打印导板的基础上，用直径更小的钻针（直径为0.8 mm）来替代常规钻针（直径为1～1.5 mm）处理下颌切牙钙化根管。Torres等对上颌侧切牙钙化根管进行显微引导牙髓治疗，通过较小的开髓洞型，引导开髓针到达牙根中部钙化根管，取得满意的根管治疗效果。
国内高羽轩等报道了通过3D打印的数字化导板引导小直径微创车针，成功疏通了2例伴有慢性根尖周炎的根管钙化前牙；在钻针偏转测量方面，开髓前后钻针在基底部的平均距离偏差为0.08～0.81mm，在根尖部的平均距离偏差为0.05～1.13 mm，平均角度偏差为1.27°～3.21°，提示偏差得到很好的控制。
根管定位导板的使用还能显著缩短临床操作时间，Kiefner等报道，仅仅依赖根管显微镜定位一个老年人钙化根管所需时间约为15 min～1 h；而根据Conner等的离体研究，在手术显微镜的基础上以3D打印导板为辅助，操作时间可以缩短为9～208 s。因此，在3D打印开髓及根管定位导板的辅助下，钙化根管及复杂根管的治疗变得更加精准、微创、安全和高效。
（3）3D打印导板与根尖手术：目前，关于应用3D打印导板引导根尖手术的文献报道主要以个例报道为主。李佳阳等报道的病例数较多，共完成了10例3D打印导板引导下根尖手术（试验组），并以10例常规手术为对照，发现试验组的平均偏差为0.82±0.16 mm，明显小于对照组1.89±0.61 mm，提示使用3D打印导板提高了手术精度。3D打印导板使得根尖手术更微创，创伤更小，去骨量更少，去骨后可迅速到达根尖，缩短了手术时间；其制作流程与根管定位导板十分相似。
Ahn等对1例患者的下颌第一磨牙近中根进行根尖手术，该患者右侧下颌第一磨牙根管再治疗后2年再次出现咬合痛，X线根尖片显示近中根根尖阴影，CB
具体操作步骤为：2%
Giacomino等首先提出了靶向根尖微创手术（targeted endodontic microsurgery）概念，利用3D打印根尖手术导板及骨环钻，可以一次性切取根尖病变区的软组织、骨及根尖（位于切割后的环钻内），并将病变组织送活检，成功完成了3个复杂的根尖手术病例。其步骤为先用CBCT确认患牙根尖病变的位置，获得附近复杂的解剖结构，再用CAD软件设计引导环钻去骨的根尖手术导板。
导板通过与牙列局部精确匹配来固位；在颊侧或舌侧设计的引导管长度至少达7 mm，以容纳环钻，控制去骨的位置、方向、深度、直径，并避开周围重要的解剖结构。第1例腭侧手术入路到达上颌第二磨牙腭根，手术无需翻瓣，环钻切割下来的黏膜骨组织环片在根切术完成后可原位复位，从而有利于骨创愈合，环钻去骨时避开了腭大动脉。第2例颊侧手术入路到达上颌第一磨牙融合的远舌根与腭根，在3D打印导板辅助下环钻精确深入11 mm切除了融合根的病变根尖，而不伤及正常牙根或上颌窦。而第3例下颌第二前磨牙根尖靠近颏孔，3D打印导板的使用保护了颏神经，手术微创、安全，无并发症及意外发生。
为了比较靶向根尖微创手术与显微根尖手术的区别，Hawkins等将患者牙列的CBCT数据导入Mimics软件，三维重建牙列后选取12个牙根（上、下颌各6个）设计了虚拟的根尖周病损模型。将牙列模型3D打印后分成2组，在根管显微镜下进行体外模拟根尖手术。
靶向根尖微创手术组设计并3D打印根尖手术导板，在导板精确引导下行根尖切除术；显微根尖手术组仅仅依靠CBCT图像定位根尖，再按照常规步骤完成操作。结果表明，使用3D打印导板能显著缩短手术操作时间，减少骨组织的过度切割，根尖切除的部位及切面角度也更为合适。
4）基于3D打印牙齿，比较不同根管治疗方法（步骤）的效果
从临床采集离体牙难以批量获取，由于重复性差，离体牙分组难以保持均衡；而3D打印牙齿模型准确性好，批量制造成本低。Yahata等利用CBCT扫描上颌中切牙离体牙，用光固化树脂（VisiJet Crystal，3D Systems，美国）制作透明的3D打印牙齿复制模型。在模型上证明，将传统的舌侧开髓洞型进一步向唇侧及切缘移动，可进一步改善开髓洞型进入根尖部的直线通路，根管预备时能更好地维持根尖孔的原有结构。
Orel等基于CBCT及SLA 3D打印技术，设计并复制了60个标准化根管模型（标准化根管的参数为：工作长度18 mm，根尖孔直径0.2 mm，根管全长锥度为0.02，根尖1/3部为18°～20°的中度弯曲）；然后分组比较了3种镍钛旋转系统[往复旋转的Reciproc Blue（VDW GmbH，德国）、WaveOne Gold（Dentsply Sirona，瑞士）及连续旋转的ProTaper Gold]的根管预备效果。结果表明3者均有少量的根管偏移及轻度的根管拉直。
Xu等基于1颗离体上颌第一恒磨牙[近颊根第二根管（MB2）弯曲度为15°～25°]及其Micro-CT数据，复制了60个MB2的3D打印根管模型，比较了4种单支锉系统（Waveone Gold、Reciproc Blue、XP-endo Shaper及M3-L）的根管预备效果。结果表明在预备弯曲的MB2时，M3-L用时比其他锉更长，Waveone Gold和XP-endo Shaper切削树脂量及根管表面积变化最少，而Reciproc Blue在维持根管原来走向方面比其他器械差。
Karatekin等采集了范兵分类为C1型和C2型的C形根下颌第二磨牙，利用CBCT扫描（75μm）及DLP 3D打印技术制作3D打印牙齿模型，证明连续波热牙胶充填技术比冷侧压法在充填两种C型根管时效果更好。
而Gok等用相似方法，证明常规冷侧压充填法及注射根管封闭剂+冷侧压充填法（cold injectable filling method）在充填C形根管（范兵分类C1型）时比热牙胶尖充填法具有更好的根尖充填效果。国内王易维等运用125μm体素的CBCT及计算机辅助技术，使用Visijet M3 Crystal树脂材料打印了卵圆形根管牙齿模型，证明小视野CBCT结合计算机辅助技术可对卵圆形根管预备的根管清洁度与根管偏移情况实现有效的定量评价。
上述研究表明，3D打印牙齿模型可替代离体牙，使根管模型的形态标准化一致，便于分组比较不同根管治疗方法的效果。然而，由于3D打印牙齿的材料多为树脂，与牙本质相比，其硬度、抗切削强度、耐磨损性均较低，用生物陶瓷等与牙体硬组织接近的材料打印牙齿模型将是未来研究的方向。
5）3D打印牙齿与牙体牙髓病学教学与培训
过去，离体牙及树脂块人工根管常被用于牙体牙髓病学的教学与临床前培训。随着牙齿保存率的提高，完整的离体牙越来越难以获得，此外涉及伦理学及交叉感染等问题，其解剖形态也难以达到标准化、一致化。树脂块人工根管的形态易于标准化，且已商品化，但与真实牙齿的根管形态与结构差别很大。
而3D打印技术可克服上述缺陷，批量复制与真实根管形态高度一致的牙齿模型，为教学、培训提供充足的“标本”，以满足不同的教学需要。Choi等基于CBCT获得离体前磨牙及磨牙的解剖数据，三维重建后设计出开髓导板，用于训练学生开髓。结果表明与对照组相比，学生使用开髓导板能显著缩短开髓的操作时间，并减少过度预备的发生；但缺点是导板材质是树脂而不是金属，由于其强度较小且不耐磨，开髓时钻头在窝洞边缘修整洞型过程中很容易对导板造成磨损与破坏。为了培训学生开髓洞型设计，Pouhaër等以离体下颌第一恒磨牙为原型，通过CBCT扫描建立3D数字化牙齿模型并分组打印。
第一个模型放大4倍打印，只有牙齿外形不含根管；第二个模型放大6倍打印，用于设计、定位开髓洞型；第三个模型放大9倍打印，且近远中向纵剖牙齿分开打印，可以分开展示髓腔形态。最后将放大9倍的模型用透明树脂3D打印以展示开髓洞型的设计效果，可以观察根管口暴露情况以及根管直线通路情况，还能将模型拆开展示根管形态。这种放大的模型取得了良好的教学效果。
Soares等通过接触式扫描仪扫描牙齿外形建立了一个上颌前磨牙的数字化模型，通过软件虚拟预备了I类洞与II类洞，再通过3D打印技术分别打印了窝洞内修复体、牙釉质、牙本质、牙周膜、牙槽骨，这些部件可拆卸与组装，可以形象地向学生展示窝洞的三维结构及不同牙体硬组织组成，对学生和教师的问卷调查显示教学效果得到明显提升。
Höhne等基于Micro-CT扫描数据建立磨牙的3D打印牙齿模型，用于牙学院学生根管桩道预备的教学；通过在3D打印牙齿模型上训练，桩道预备时牙根侧穿的风险降低了36%。Cresswell-Boyes等利用Micro-CT取得磨牙牙釉质、牙本质的高精度解剖数据，修正模型后用聚乳酸（polylactic acid，PLA）和热塑弹性体（flexible thermoplastic elastomer，TPE）（前者比后者更为坚硬）这两种不同的材料分别打印牙釉质和牙本质。这种多材料3D打印可以体现牙釉质、牙本质不同的物理特征，使得牙齿模型更贴近真牙，可更好地应用于教学及临床前培训。
当前，越来越多的牙学院在教学中倾向于使用3D打印牙齿模型来取代常规模型，学生和年轻医生可更直观地看到根管的解剖结构，有更多的机会练习复杂根管的治疗，从而提升牙体牙髓病学的学习效果。
3.目前存在的问题及未来展望
需要指出的是，尽管当前3D打印技术与口腔医学之间的结合日益紧密，但仍存在以下问题亟待解决。现有的3D打印材料在种类及性能上尚不能满足牙体牙髓病学不断发展的需求；尤其是3D打印牙齿树脂模型在硬度等机械性能上与牙体硬组织存在明显差别，故3D牙齿模型尚不能完全取代离体牙标本。
其次，SLA及PolyJet作为最成熟的3D打印技术，其常用的光固化打印树脂尚未通过ISO10993-1医疗器械生物学评估，在细胞毒性、长期稳定性、功能性上缺乏认证，甚至有报道具有生殖毒性，因而目前只能局限于导板、临时修复体的应用。
此外，由于牙齿表面有大量的圆弧面，受台阶效应影响（打印的层与层之间存在台阶），会在3D打印精度上形成偏差，而当前国产3D打印机在打印精度上与进口产品还存在一定的差距。最后，3D打印的精度不仅取决于打印机及材料，还与数字化模型的获得、后续软件处理密切相关。口腔医师对数据及软件的操作会受到专业知识的限制，因此3D打印操作往往离不开专业人士的参与，这限制了该技术在临床上的普及；开发界面更友好、便于口腔医师独立操控的牙科专用3D打印系统具有美好的应用前景。
目前在国际牙科市场，围绕3D打印技术各牙科材料及设备的知名厂商展开了激烈的竞争。最新报道Desktop Metal旗下的Desktop Health推出了获得FDA批准的可永久使用的高强度牙科陶瓷树脂Flexcera Smile Ultra+。
生物陶瓷3D打印材料（包括：羟基磷灰石、磷酸三钙、氧化锆等）的应用有望改善模型的各项机械性能，使3D打印牙齿模型在材质上更接近真实牙齿，具有更小的细胞毒性；如何进一步降低成本，减小脆性，通过材料的复合优化其性能将是未来研究的方向。
综上所述，随着近年来3D打印技术的突飞猛进，其在牙髓病学的应用日益广泛，使牙体牙髓治疗的精准性、微创性、安全性得到显著提升。尤其是随着3D打印精度及材料性能的进一步提高，成本的降低，3D打印技术将对未来牙髓病学的临床、科研、教学等各个方面产生影响。
来源：吴易涵,刘超,汤颖,等.3D打印技术在牙体牙髓病学中的应用进展[J].现代口腔医学杂志,2024,38(02):140-145.
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