The usage of combination of tricalcium phosphate and polylactic acid as materials for 3D printing of alloplastic blocks

Cover Page

Abstract


This study describes the manufacturing method of alloplastic blocks for treatment of bone defects through tissue replacement with combination of tricalcium phosphate and polylactic acid. The method is unique because for its implementation we used 3d-printing and materials that we had not combined before. Such approach to manufacturing of synthetic blocks allows us to decide several tasks: planning of surgical operation’s strategy by means of modelling in specialized software of certain operating region and to print block with suitable shape and size which would accurately fit the edges of bone defects and fill it. Thus, we can achieve all objectives in the shortest possible time, while saving time and resources. Using this methods, we created experimental model of lower jaw and alloplastic block that can be used with a real patient and be widely applied not only in surgical dentistry and maxillofacial surgery, but also in any other branch of medicine.Combination of tricalcium phosphate and polylactic acid has several advantages because first component acts as a frame and due to its chemical structure makes block’s shape more stable. The second component acts as a filler by means of irregular shape of granules and creates spongiform structure for further blood vessels growth. In addition, materials have properties such as: bioinertness, biocompatibility, biodegradable and don’t have negative impact on the organism. Using this method, we can get the fragment that meets all requirements, and surgical operation becomes economically profitable both for patient and for hospital.


Full Text

Введение

Стремительное развитие технологий открыло нам одно из самых впечатляющих направлений — 3D-печать. Широкое использование потенциала трехмерной печати позволяет экономить время и средства, а это очень важно, особенно в медицине. Сегодня трехмерные технологии являются неотъемлемой частью в жизни современного общества, а их совершенствование позволяет использовать 3D-принтеры в самых различных областях науки и техники. В настоящее время уникальные методы современной печати активно применяются в таких областях медицины, как травматология, трансплантология и пластическая хирургия. Но именно в стоматологии использование трехмерных технологий получило широкое применение. Использование 3D-печати в хирургической стоматологии имеет большое значение, особенно на этапе планирования операции и изготовления хирургических шаблонов [1]. А печать аллопластических блоков с помощью 3D-принтера имеет ряд преимуществ, так как позволяет не только спланировать ход операции, но и создать блок любой формы и размера с учетом всех анатомических особенностей участка, на котором будет проводиться операция у конкретного пациента. Но на различных этапах могут возникнуть определенные трудности. Одной из проблем при изготовлении аллопластических блоков на 3D-принтерах в медицине, в том числе и в стоматологии, является сложность подбора материалов, потому что не каждое вещество сочетает в себе свойства, подходящие как для печати, так и для внедрения в организм пациента. Также костнопластический материал должен обладать рядом свойств: биосовместимостью, остеоиндукцией, остеокондукцией, остеогенностью и остеопротекцией [4]. Однако, несмотря на широкий ассортимент современных материалов, ни один из них не отвечает в полной мере всем требованиям.

Целью нашего исследования являлся поиск материалов для печати аллопластических блоков на 3D-принтере, изучение свойств трикальцийфосфата и полимолочной кислоты, а также создание и печать экспериментальной модели нижней челюсти и блока для увеличения ширины атрофированного альвеолярного отростка из смеси данных материалов.

Известно, что атрофия альвеолярного гребня происходит по многим причинам. В 91 % случаев причиной тому служит потеря зубов [6]. Только в течение первого года после потери зуба происходит уменьшение около 25 % костного объема, а в последующие 3 года объем альвеолярной кости снижается на 40–60 % [5]. Далее процесс продолжается, и убыль костной ткани составляет примерно пол процента от ее объема в год. Выраженная резорбция костной ткани челюстей препятствует установке дентальных имплантатов, тем самым создавая серьезные трудности при дальнейшей реабилитации и лечении таких пациентов [2].

Для того чтобы восстановить необходимый объем костной ткани, используют блоки из различных материалов. Материалы для восстановления костной ткани делятся на несколько групп: аутогенные (донором является сам пациент), аллогенные (донором является другой человек), ксеногенные (донором является животное), аллопластические (синтетические, в том числе полученные из природных материалов) [4].

Известно, что одним из наиболее освоенных синтетических материалов в хирургической стоматологии и реконструктивной хирургии является полилактид (полимолочная кислота), который с 1970 г. разрешен FDA США (United States Food and Drug Administration) для использования в медицине.

Полимолочная кислота (PLA) является синтетическим биоразлагаемым полимером, основным продуктом биодеструкции которой выступает молочная кислота. Вследствие отсутствия в полимолочной кислоте пептидных цепей и биодеструктируемой природы ее действие и присутствие в организме не вызывают иммунологических реакций, следовательно, данный материал является биосовместимым с живым организмом. Полилактид получают ферментативным брожением сахаров или химическим синтезом и далее подвергают химической полимеризации. В связи с отсутствием термопластичности и растворимости в водных средах его используют в основном с гликолидом, сополимеры которого получают ионной полимеризацией и сополимеризацией [4].

В настоящее время для восстановления костных дефектов хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии наиболее распространенными материалами являются искусственные и натуральные кальций фосфаты, такие как трикальцийфосфат (Са3(PO4)2) и гидроксиапатит [3].

Трикальцийфосфат также является биосовместимым материалом за счет того, что его молекулы входят в состав костной ткани, а продукты биодеградации включаются в ионный обмен, что позволяет организму со временем замещать собственной костной тканью данный материал.

Материалы и методы

В программе, предназначенной для работы с КТ-снимками (ScanIP, Simpleware), нами была обработана компьютерная томограмма пациентки А. (рис. 1, а, б) и выделена нижняя челюсть, на которой отчетливо видна атрофия альвеолярного отростка в области жевательной группы зубов справа. Затем, в программе-моделировщике (PowerSHAPE, Delcam) построена трехмерная модель блока нужной формы и размера для увеличения ширины альвеолярного отростка, затем изображение переведено в формат STL для печати. Далее, из полимолочной кислоты и трикальцийфосфата была изготовлена «катушка» для 3D-принтера, материал помещен в экструдер и в расплавленном состоянии в виде нити использован для печати необходимого фрагмента.

 

Рис. 1. Компьютерная томограмма пациентки А.

 

Результаты: получена 3D-модель нижней челюсти с аллопластическим блоком из смеси полимолочной кислоты (PLA) и трикальцийфосфата (рис. 2, а, б).

 

Рис. 2. 3D-модель нижней челюсти с аллопластическим блоком

 

Выводы: смесь из полимолочной кислоты и трикальцийфосфата обладает всеми необходимыми свойствами, которые требуются от аллопластических блоков, и благодаря такому сочетанию имеет ряд преимуществ. Полимолочная кислота играет роль каркаса аллопластического блока, так как хорошо сохраняет форму, а трикальцийфосфат служит наполнителем и за счет неправильной формы гранул позволяет образовать пористую структуру блока, которая создает благоприятные условия для прорастания сосудов.

Материалы являются биоинертными и биосовместимыми, следовательно, не оказывают негативного действия на окружающие ткани и на организм в целом. Полимолочная кислота и трикальцийфосфат биоразлагаемы, поэтому в течение 6 месяцев способны разложиться и постепенно заместиться собственной костной тканью организма.

Заявляемая комбинация материалов является доступной и экономически выгодной, так как полимолочную кислоту и трикальцийфосфат легко приобрести, а изготовление из них аллопластических блоков намного дешевле закупки готовых западных аналогов. Данный способ создания аллопластических блоков является удобным и быстрым в применении, так как для их печати необходимо от 30 минут до нескольких часов и врач может самостоятельно спроектировать нужный фрагмент необходимой формы и размера, имея начальные навыки работы с компьютером.

Использование заявляемого сочетания материалов дает возможность не только получить фрагмент необходимой формы и размера, но и сделать операцию экономически выгодной как для пациента, так и для самого лечебного учреждения.

About the authors

Olga O Filatova

St Petersburg State Pediatric Medical University, Ministry of Healthcare of the Russian Federation

Author for correspondence.
Email: md.filatovaolga@gmail.com

Russian Federation, Saint Petersburg, Russia

Department of Dentistry

Andrey G Klimov

St Petersburg State Pediatric Medical University, Ministry of Healthcare of the Russian Federation

Email: pstom4@zdrav.spb.ru

Russian Federation, Saint Petersburg, Russia

MD, PhD, Associate Professor, Head. Department of Dentistry

Boris V Seleznev

Dental Clinic No 4

Email: selbor31@rambler.ru

Russian Federation, Saint Petersburg, Russia

Head of Surgical Department

References

  1. Багатурия Г.О. Перспективы использования 3D-печати при планировании хирургических операций // Медицина: теория и практика. – 2016. – № 4. – C. 47–59. [Bagaturiya GO. Perspektivy ispol’zovaniya 3D-pechati pri planirovanii khirurgicheskikh operatsiy. Meditsina: teoriya i praktika. 2016;(4):47-59. (In Russ.)]
  2. Базикян Э.А., Смбатян Б.С. Восстановление альвеолярного гребня верхней челюсти в дистальных отделах для установки дентальных имплантатов // Клиническая стоматология. – 2008. – № 2. – C. 4–11. [Bazikyan EA, Smbatyan BS. Vosstanovlenie al’veolyarnogo grebnya verkhney chelyusti v distal’nykh otdelakh dlya ustanovki dental’nykh implantatov. Clinical dentistry. 2008;(2):4-11. (In Russ.)]
  3. Баринов С.М., Комлев В.С. Опыт создания материалов на основе фосфатов кальция для замещения и восстановления костных тканей // Физика. – 2013. – Т. 56. – № 12. – C. 8–13. [Barinov SM, Komlev VS. Opyt sozdaniya materialov na osnove fosfatov kal’tsiya dlya zameshcheniya i vosstanovleniya kostnykh tkaney. Fizika. 2013;56(12):8-13. (In Russ.)]
  4. Волова Т.Г., Шишацкая Е.И. Разрушаемые биополимеры: получение, свойства, применение. – М.: Красноярский писатель, 2011. [Volova TG, Shishatskaya EI. Razrushaemye biopolimery: poluchenie, svoystva, primenenie. Moscow: Krasnoyarskiy pisatel’; 2011. (In Russ.)]
  5. Ashman A, Rosenlicht J. Ridge Preservation: Addressing a major problem in dentistry. Dent Today. 1993;12:80-84.
  6. Fugazzotto PA. Treatment options following single-rooted tooth removal: A literature review and proposed hierarchy of treatment selection. 2005;76:821-831.

Supplementary files

There are no supplementary files to display.

Statistics

Views

Abstract - 1166

PDF (Russian) - 252

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions


Copyright (c) 2017 Filatova O.O., Klimov A.G., Seleznev B.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies