MUDr. Andrej Thurzo, PhD, MPH, MHA
3D tlač v zubnom lekárstve už dlhšie nie je žiadnou novinkou. Napriek tomu, že je tu už relatívne dlho, do univerzitného curricula sa prebíja len veľmi pomaly. Bez ohľadu na to, 3D tlač priniesla rôzne nové klinické možnosti. 3D tlač však ešte stále fundamentálne neinovovala niektoré z najrozšírenejších pracovných postupov v zubnom lekárstve. Dnes stojíme na prahu tejto zmeny. Biokompatibilita a nové vlastnosti materiálov, predovšetkým kompozitných živíc pri DLP tlači, otvorila vesmír možností rôznych klinických aplikácií, ktoré boli doteraz blokované materiálovo-biologickými či ekonomickými aspektami. Pre mnohých bol CAD/CAM v zubnom lekárstve technologickým posunom posledných dekád. Je pravdepodobné, že limitácie súčasných CAD/CAM technológií v nasledujúcej dekáde prevážia nad výhodami opisovaných postupov aditívnej výroby „additive manufacturing“ a dôjde k technologickému posunu. Tento článok je písaný za účelom priblíženia klinických využití bio-kompatibilnej 3D tlače študentom medícny.
Bio-kompatibilná 3D tlač verzus biotlač
Pod pojmom bio-kompatibilná 3D tlač sa obvykle rozumie 3D tlač anorganickými materiálmi, ktoré sú obvykle certifikované a výsledný produkt nenavodzuje nežiadúce reakcie s ľudskými tkanivami. Niekedy si ho študenti pojmovo mýlia s “biotlačou” (bioprintingom), čo je tlač živým materiálom – bunkami. Pri biokompatibilnej tlači sa v súčasnosti rozlišujú rôzne stupne biokompatibility materiálu a obvykle sú špecifikácie materiálu označené priamo na jeho obale. V súčasnosti ide najčastejšie o foto-polymerizačné živice do DLP a SLA tlačiarní. Materiály v zubnom lekárstve prichádzajú do priameho kontaktu s tvrdými a mäkkými tkanivami ústnej dutiny. Obvykle čím vyšší stupeň biokompatibility vyžadujeme, tým je vyššia cena takejto živice. Vyšší stupeň biokompatibility dnes ešte prináša častejšie obmedzenia na vlastnosti ako tvrdosť či presnosť tlače takéhoto materiálu. Aj preto dnes v tomto kontexte rozlišujeme 3 hlavné skupiny biokompatibilných materiálov podľa plánovanej časovej expozície tohto materiálu v ústach.
• Krátkodobé – do 8hodín (napríklad sterilizovateľné operačné dlahy/surgical splints, chirurgické vodiace šablóny/ surgical guides či polohovače lingválnych zámkov/jigs a iné…).
• Strednodobé – cca 3-12 mesiacov, na obmedzené obdobie, nezriedka fixované (napríklad 3D tlačený hyrax, ortodontické power-arms a power-caps, rôzne MADs, BIO3DIRs, dlhodobá provizórna protetika).
• Dlhodobé – na dlhodobé provizóriá resp. trvalé implantácie (napríklad tlač titánových implantátov, či dlhodobá protetika).
Pri hodnotení kvality stoviek rôznych typov biokompatibilných materiálov ich nehodnotíme iba z pohľadu rizík potencionálneho uvoľňovania/rozpúšťania sa do prostredia, ale aj z aspektu, či a ako tento materiál plní svoj účel pre ktorý sme ho do úst dizajnovali. Rovnako je potrebné počítať s tým, že materiál sa v ústach odlomí či poškodí a pacient ho prehltne. Kým biotlač prevezme kormidlo, čakajú nás minimálne tri dekády dominancie biokompatibilnej tlače, teda tlače syntetickými materiálmi, ktoré sa začlenia do ľudského organizmu bez navodenia nežiadúcej reakcie.
Základné požiadavky na biokompatibilitu materiálov v zubnom lekárstve sú:
1. Nesmú podliehať významnej biodegradácii v ústach
2. Nesmú navodzovať alergické reakcie
3. Nesmú byť karcinogénne
4. Nesmú obsahovať žiadne toxické rozpustné látky
5. Nesmú vykazovať nestabilitu pri čistení bežnými prostriedkami(alkoholy, zubné pasty, atď…)
Biokompatibilné živice v protetike
Biokompatibilné živice v protetike majú v súčasnosti za cieľ hlavne náhradu tvrdých tkanív zubov v podobe dlhodobých provizórií. Relevantnými ich robí mimoriadna cenová dostupnosť, ktorá v nadchádzajúcej dekáde bude výrazne ovplyvňovať voľbu pacientov. V takomto vybranom príklade musí táto svetlom tuhnúca živica ponúknuť spektrum vlastností, ktoré umožnia jej nasadenie ako dočasného provizória, teda okrem mechanickej odolnosti proti poškrabaniu, pružnosti a tvrdosti aj farebnú stabilitu. Toto obvykle tieto biokompatibilné živice dosahujú doplnením keramických plničov. Kompozity v zubnom lekárstve nie sú žiadnou novinkou. Tieto materiály pred získaním finálnej certifikácie prechádzajú nákladným certifikačným procesom. Je množstvo vlastností, ktoré nám prídu automatické, avšak pre 3D tlač týmito živicami alebo bežný život pacienta musia byť vyhodnotené.
Sú známe prípady, keď excelentné biokompatibilné materiály zlyhali pre neodstrániteľný zápach či UV nestabilitu. Dokonca niektoré certifikované materiáli museli byť stiahnuté pre farebnú destabilizáciu po expozícii RTG žiareniu (pri CT snímke hlavy). Napriek technologickému posunu, dnes ešte mnohé materiály vyžadujú tzv. “postprocessing“, teda po vytlačení vyžadujú ešte zaobchádzanie, ktoré ich dokončí do podoby finálneho produktu. Dnes tie najčastejšie sú kúpeľ v sonickej vaničke niekedy s izopropylalkoholom (častejšie bezalkoholom) a následne zahriatie na teploty okolo 50-60°C a expozícia UV svetlu (cca 40-50W). Špecifiká „post-processingových“ postupov sú špecifické pre každý materiál. Obvykle sú opisované živice v nepolymerizovanom stave mimoriadne agresívne a toxické a práca s nimi vyžaduje ochranné pomôcky. Expandujúci trh biokompatibilných živíc bude v nasledujúcich rokoch súperiť nielen cenami, ale aj vlastnosťami. V prípade dlhodobých provizórií majú vhodné živice obvykle dynamickú viskozitu pri 25°C medzi 1,0-1,8 paskal sekúnd. Shorova tvrdosť by nemala byť pod 90, čím vyššia – tým lepšie. Pevnosť v ťahu minimálne 50 N/mm2 a zmršťovanie pod 0,5%.
Okrem dostupnej ceny biokompatibilnej živice musí byť materiál časovo, mechanicky a farebne stabilný, bez zápachu, odolný voči rozpúšťaniu slinami či potravou vrátane silných alkoholov, odolný voči tlakom, úderom a poškrabaniu. K tomu musí mať vlastnosti, ktoré umožnia jeho spracovanie 3D tlačou, teda špecifický interval viskozity a iné vlastnosti, ktoré umožnia jeho tlač s presnosťou minimálne 100 mikrónov. V neposlednom rade musí spĺňať štandardy biokompatibility definované normou ISO 10993.
Certifikácia ISO 10993
Sada ISO 10993 obsahuje súbor noriem na hodnotenie biologickej kompatibility zdravotníckych pomôcok na riadenie biologického rizika. Týmto dokumentom predchádzala trojstranná dohoda a sú súčasťou medzinárodnej harmonizácie hodnotenia bezpečného používania zdravotníckych pomôcok. Materiály bez tejto certifikácie sú výrazne lacnejšie, nakoľko ich nemožno použiť komerčne.
Zodpovednosť zubného lekára
Už v súčasnosti je k dispozícii množstvo cenovo dostupných, avšak necertifikovaných živíc. Ich použitie mimo výskumu, teda klinicky na komerčné aplikácie nie je povolené. Mimo zodpovednosti za pacienta, nesie zodpovednosť aj za zdravie zdravotníckeho personálu. Napriek najprísnejším európskym reguláciám sa môžu vzácne vyskytnúť alergické reakcie, najčastejšie v klinickej podobe opuchu, resp. zápalu. Netreba zabúdať, že alergické reakcie zo zubných materiálov sa môžu prejaviť nielen v ústnej dutine, ale pokojne extraorálne na vzdialených miestach.
Príklady aplikácií biokompatibilnej 3D tlače v zubnom lekárstve
- Chirurgia a parodontológia
- Peroperačné modelovanie rekonštrukčnej titánovej mriežky
- Trvalé titanové implantáty kondylov a ortognátne titánové splinty
- Guide pre fenestráciu retinovaného zubu
- Operačné dlahy pre ortognátne operácie
- Autotransplantácie (biokompatibilný klon zuba z CBCT použitý na formovanie lôžka)
- Bodiacou šablónou navigované zavádzanie implantátov
- Konzervačné zubné lekárstvo
- Provizória protetiky (protézy, korunky, mostíky, mock-ups, )
- Individualizované odtlačkové lyžice
- Regeneračné a bieliacie dlahy
- Endodoncia – vodiacou šablónou navigovaná resekcia koreňového hrotu
- Vytvorenie negatívu – transparentnej formy pre kompozitnú dostavbu zlomeného zuba
- Čeľustná ortopédia – ortodoncia
- PC – PowerCap – silová čiapka
- PA – PowerArm – silové ramienko
- BIO3DIR – Biocompatible 3D Individualized Retainer
- MAD CAT – Madibular Advencement Device – Clear Aligner Therapy
- Jig – pozicionér lingválnych zámkov
Príklady využitia 3D tlače v maxilofaciálnej chirurgii
Maxilo-faciálna chirurgia v súčasnosti využíva 3D tlač najmä na zhotovovanie individualizovaných implantátov vrátane 3D tlače skafoldov (lešení) pre biologické kolonizácie, ako aj 3D tlač operačných šablón a presných anatomických modelov. Príkladom jednoduchej klinickej aplikácie 3D tlače je napríklad 3D tlač sterilizovateľného modelu frakturovanej časti lebky pre per-operačné modelovanie rekonštrukčnej titánovej sieťky. 3D tlačený bol aj samotný fragment – komplementárny doplnok, vlomeného úlomku čelovej kosti. Zaujímavosťou tohto prípadu bol spôsob domodelovania ideálneho klenutia čela. Išlo o asymetrickú pacientku, preto bol dopočet robený špeciálnou metódou maximálnej symetrie z nepoškodených regiónov čela. (obrázky 1-9). 3D tlač bola realizovaná biokompatibilnou sterilizovateľnou živicou s presnosťou 50 mikrónov na 3D tlačiarni Form2 od spoločnosti Formlabs.
Popis obrázkov:
- vytvorenie zrkadlovej kópie časti lebky, inverznej horizontálne k zelenému originálu
- čo najpresnejšie manuálne zapolohovanie oboch modelov
- počítačové spresnenie polohovania modelov cez aproximáciu podľa definovanej plochy
- finálna kontrola vzájomnej aproximácie originálneho a zrkadlového fragmentu
- finálne porovnanie diferencií – vpáčený fragment v zelenom origináli je viditeľný
- diferenciálny fragment, ktorým možno doplniť lebku a použiť na modelovanie mriežky
- vizualizácia diferenciálneho fragmentu
- 3d vytlačená lebka zo sterilizovateľnej biokompatibilnej živice
- samotný proces 3D tlače živicou Dental SG s presnosťou 50 mikrónov na 3D tlačiarni Form2
Príklady využitia 3D tlače v čeľustnej ortopédii – ortodoncii
Čeľustná ortopédia – ortodoncia bola 3D tlačou mimoriadne pretvorená. Z predošlej kapitoly je zrejmé, že interdisciplinárna príprava ortognátnych chirurgických prípadov sa presunula do virtuálneho prostredia a realizuje sa pomocou 3D tlačených operačných šablón generovaných priamo z tohto prostredia. Úplne základné kroky takejto prípravy sú:
1. virtualizácia pacienta – skenovanie, analýzy a simulácie
2. 3D tlač operačných šablón
3. 3D tlač modelov, skelet/tvár
Uveďme si príklad ortognátnej prípravy. Pokiaľ sa nejedná o prístup „surgery first“, ktorý má viacero obmedzení, tak predoperačná ortodontická fáza pripraví tvary oblúkov na samotnú operáciu. Je bežné, že po ortognátnom zákroku a zahojení nasleduje finálna ortodontická úprava s cieľom maximalizovať mikroestetiku a stabilitu výsledku.
Postup základných krokov pre prípravu operačnej dlahy je nasledovný:
A) Príprava podkladov napr. pre bimax (pacient už nemá zavadzajúce atachmenty)
1. čerstvý predoperačný CBCT,
2. IO sken v podobe STL – osobitne horný a osobitne dolný,
3. Predoperačné fotografie EO + IO (ideálne tvárový sken),
4. 3D kefalometrická analýza predoperačného CBCT + plán zmeny parametrov(SNA, SNB, atď..) pre posun segmentov.
B) Namapovať IO skeny v INVIVO na povrchy zubov (najprv manuálny posun potom Mesh registration, potom exportovať ako STL – výstupom bude to to isté STL, ale v inej polohe.
C) V INVIVO MD STUDIO odsegmentovať segmenty (napr. maxila, mandibula a uložiť ako STL) v tomto kroku je vhodné odrezať artefakty okolo zubov aj s nimi samotnými –mame už presnejšie z IO skenu, CBCT najmä pri rôznych interferenciách ako zubné výplne obsahuje množstvo artefaktov a nie je tak presné ako IO sken.
D) V programe meshmixer otvoriť STL KOST+STL IO SKEN a spojiť (už sú v správnej polohe). E) Následne si do pracovného INV súboru naimportovať v meshmixeri spojený segment (kosť + zuby) a tými posunúť do novej polohy podľa kefalo parametrov. Z tejto novej polohy ich nanovo exportovať ale označiť ich ako pooperačné.
F) V meshmixeri potom vytvoriť prvú a pripadne aj druhu operačnú dlahu na základe ich vzájomnej kombinácie polôh
Jeden z trikov pri bodovaní IO skenu je bodovať ho tak, že bodujeme ľavým tlačidlom len na “bezpečné” povrchy zubov, ktoré sú bez artefaktov resp. attachmentov (viď obrázok). Funkcia „Mesh registration“ ich aproximuje. Bodovanie ukončujem pravým tlačidlom. Nakoniec je potrebné exportovať – uložiť sken ako STL.
Obrázok: Fúzia IO skenu a CBCT segmentovaného modelu mandibuly. Vieme, že sme fúziu vykonali správne, ak zubne kontúry splynú a z modelu vidíme medzi zubami akurát ďasno – papily pripadne prestreľujúce artefakty z vyplní…
Samotné ortognátne plánovanie sa realizuje vo virtuálnom prostredí, ktoré simuluje artikuláciu, posuny či zmeny proporcií mäkkých tkanív. Generovanie operačných dláh je plynulý proces s možnosťou plnej individualizácie. Vytvorenie presného fyzického modelu pred samotnou operáciou je jednoduché, ale nie je však už tak obvyklé ako v minulosti. 3D tlač operačných dláh sa obvykle nerealizuje z dlhodobo kompatibilných živíc. Podmienkou je ich sterilizovateľnosť a postačuje relatívne krátkodobá biokompatibilita.
Obrázok – Ortognátne plánovanie s 3D tlačou:
- 3D kefalometrická analýza s vizualizáciou profilu dýchacích ciest
- Segmentované a posunuté modely v softvéri
- Vizualizácia 3D modelov posúvaných segmentov vrátane operačnej dlahy
- Ergonomické modelovanie operačnej dlahy s vytvorením úchytov
- 3D tlač operačnej dlahy a jej rezervného klonu (pri monomaxilárnej operácii)
- 3D tlač sánky pred a po plánovanom zákroku
3D tlač v ortodoncii sa neobmedzuje na operačné prípady, ale zahŕňa aj široké spektrum individualizácií. Napríklad individualizované power-arms a power-caps, čo sú prvky, ktoré korešpondujú s anatómiou zuba pacienta a spresňujú prenosy biomechanických vektorov na vybrané zuby. Efektívnejší posun zuba v ortodontickom liečebnom pláne môže predstavovať nemalé zredukovanie potrebnej dĺžky liečby. U väčšiny prípadov individualizovaných prvkov zhmotňovaných 3D tlačou sa jedná o vytvorenie individualizovanej bázy takéhoto prvku, ktorá je obvykle prilepená k povrchu zubu. Keďže takýto materiál ostáva v ústach je potrebná jeho maximálna a dlhodobá biokompatibilita ako aj odolnosť. Séria obrázkov vyššie objasňuje spôsob vytvorenia takéhoto prvku.
Obrázok – Tvorba individualizovaných Power-arms a Power-caps:
- 3D model zubov s „attachmentmi“ a „button cut-outmi“ pre nalepenie powerarmu
- Virtuálny model pri polohovani powerarmu
- Vizualizácia finalnej polohy powerarmu a jej vnútornej dutiny pre vyššiu pevnosť
- Generovanie individualizovanej bázy
- finálna podoba individualizovanej bázy power-armu
- . Sušenie a dovytvrdzovanie 3D tlačených power-arms s presnosťou 50 mikrónov
- Viacero powerarms zle biomechanicky náročné posuny
Uvádzané 3D tlačené biokompatibilní biomechanické doplňky individualizovanej ortodontocekej liečby jako power-arms a power-caps vymyslel a do klinickej praxe zaviedol v roku 2014 Dr. Thurzo.
Záver
3D tlač biokompatibilnými materiálmi už nie je len ďalší technický „buzzword“. Dramatické zvýšenie dostupnosti 3D tlačiarní a materiálov dnes otvorilo nové možnosti, ktoré najmä pre mladých absolventov môžu byť katapultom do klinického sveta poskytovateľa excelentnej zdravotnej starostlivosti v zubnom lekárstve. Možno očakávať, že prichádzajúca finančná kríza zvýši dopyt po finančne dostupných riešeniach aj za cenu kompromisov zo strany pacienta. Bude preto veľmi užitočné rozšíriť svoje zručnosti v technologických oblastiach, ktoré dokážu pacientovi priniesť cenovo dostupné riešenia. 3D tlač biokompatibilnými materiálmi na našej klinike Sangre azul, spolu s implementáciou umelej inteligencie do hlavného workflow-u od bezprecedentne zmenila efektivitu nášho fungovania a očakávame, že v dohľadnej dobe naše spôsoby fungovania začnú kopírovať aj ostatné praxe.
