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)用進行總結(jié),主要包括牙周溝通和教學、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,新生骨體積達到了原缺損總體積的45%,新生骨密度達到周圍天然骨密度的75%,該臨床研究也為修復(fù)嚴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一步發(fā)展,并可進一步應(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)生風險,最終達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骨愈合[14]。雙嘧達莫(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

牙周膜干細胞(PDLSCs)在牙周膜再生領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。有學者系統(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胞死亡。這種在細胞層面的3D打印技術(shù)可以更好地促進牙周再生[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,對于牙周膜干細胞(periodontal ligament cells,PDLSCs)生物學影響也發(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]。

細胞膜片技術(shù)(cell sheet engineering)是指將目的細胞在一定條件下進行連續(xù)培養(yǎng),誘使其形成多層細胞,同時使種子細胞在短時間內(nèi)形成大量細胞外基質(zhì),最后無需酶消化便可以得到一張由細胞和細胞外基質(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,并與牙周膜干細胞膜片復(fù)合,發(fā)現(xiàn)加載細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]將牙周膜干細胞膜片脫細胞,進一步降低該類細胞材料的免疫原性,然后將脫細胞的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)了牙周膜干細胞礦化標志物的表達。Bakirci等[25]根據(jù)細胞膜片理論,開發(fā)了一種用于“無支架3D打印”的生物墨水,將皮膚成纖維細胞體外培養(yǎng)成富含細胞外基質(zhì)的細胞膜片,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人牙周膜干細胞分化成類牙骨質(zhì)細胞,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胞的增殖、分化或自體細胞激活、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)管也具有促進神經(jīng)細胞和周圍神經(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,水凝膠在平滑肌細胞固有的收縮特性的幫助下,形成一個個包裹平滑肌細胞的組織環(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)將牙髓干細胞(dental pulp stem cells, DPSCs)植入支架后,細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胞提供良好的生存環(huán)境,同時刺激成骨細胞的礦化基因表達[34]。纖維蛋白水凝膠可以促進成牙骨質(zhì)細胞或成骨細胞的分化,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)合體再生需要進一步的深入探索[35]。

3 牙周病教學和醫(yī)患溝通

隨著3D打印技術(shù)的進步,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,學生往往通過理論授課的形式來學習牙周檢查和治療的規(guī)范化操作以及進行相關(guān)牙周評分的培訓(xùn)等,教學條件好的院?？稍诜抡骖^顱模型上進行牙周培訓(xùn)。由于學生缺乏臨床經(jīng)驗,在進行臨床牙周檢查時,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,可以為學生模擬牙周手術(shù)提供更加真實的操作體驗,加強學生對牙周疾病的正確認識和掌握準確的牙周臨床技能[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,并與傳統(tǒng)的平面教學和視頻教學對于牙周教學的實際效果和學生課堂評價進行對比,最終表明3D打印的數(shù)字化病例數(shù)據(jù)庫在教學中的應(yīng)用,加強了學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,國外也有學者采用3D打印技術(shù)來打印具有牙齦美學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)學生、進修生等在種植體型號選擇、種植體植入等方面進行更好的術(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、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)合支架進行牙周再生也不斷取得新的進展,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)域的進一步發(fā)展。