Quy trình làm việc kỹ thuật số cho thiết kế 3D và sản xuất bồi đắp (in 3D) của khí cụ hỗ trợ miniscrew mới cho dịch chuyển răng chỉnh nha

Tóm tắt

Sự ra đời của quy trình làm việc kỹ thuật số và sự kết hợp của chúng với các thiết bị hỗ trợ miniscrew đã mở ra những góc nhìn mới và đầy nhiệt huyết trong chỉnh nha hiện đại. Tuy nhiên, trong tất cả các quy trình làm việc kỹ thuật số hiện đang được sử dụng để di chuyển răng chỉnh nha, các miniscrew trước tiên được đưa vào xương hàm trên, thường thông qua một hướng dẫn phẫu thuật, sau đó thiết bị được chế tạo và cố định trên các miniscrew bằng các cơ chế cố định khác nhau. Bằng cách đó, một số vấn đề thích ứng có thể gặp phải trong khi cố định thiết bị trên các miniscrew và do đó thời gian trên ghế có thể rất đáng kể. Trong nghiên cứu hiện tại, chúng tôi giới thiệu một quy trình làm việc kỹ thuật số để thiết kế và chế tạo một thiết bị mới, được tùy chỉnh theo hình thái riêng của xương hàm trên bằng cách sử dụng CBCT của bệnh nhân, để di chuyển răng chỉnh nha theo chiều dọc và chiều ngang (DIVA, neo phân kỳ). Không giống như các quy trình hiện có, thiết bị được cố định trước tiên trong miệng, đóng vai trò là hướng dẫn phẫu thuật cho việc lắp miniscrew sau đó. Theo cách này, các vấn đề thích ứng được tránh và thời gian trên ghế được giảm xuống.

Giới thiệu

Trong hai mươi năm qua, ngành chỉnh nha đã trải qua những thay đổi mang tính cách mạng chủ yếu do hai yếu tố: việc sử dụng các thiết bị neo chặn tạm thời (TADs) và gần đây hơn là sự phát triển của quy trình làm việc kỹ thuật số [1].

Miniscrews đang được sử dụng rộng rãi trong thực hành chỉnh nha hàng ngày và đã trở thành nền tảng để giảm thiểu mất neo [2]. Trong khi nhiều thiết bị hỗ trợ miniscrew đã được đề xuất cho các chuyển động chỉnh nha trong ba mặt phẳng không gian, tất cả chúng đều có cùng trình tự ứng dụng: đầu tiên các miniscrew được đưa vào, sau đó thiết bị được cố định trên đầu của các miniscrew bằng vít cố định hoặc các cơ chế khác [3–5]. Quy trình làm việc như vậy có thể có một số nhược điểm liên quan đến khó khăn trong việc lắp thiết bị vào các miniscrew đã được đưa vào, sự cần thiết của một hướng dẫn phẫu thuật để miniscrew chính xác hơn và tăng thời gian ngồi trên ghế của bác sĩ lâm sàng.

Mặt khác, đổi mới công nghệ đã tác động đến chỉnh nha với quy trình làm việc kỹ thuật số để lập kế hoạch và chế tạo các thiết bị hỗ trợ miniscrew. Một quy trình lập kế hoạch kỹ thuật số bao gồm việc sử dụng tệp quét trong miệng và chụp cắt lớp vi tính chùm tia hình nón (CBCT) xương hàm trên để xác định vị minivis và thiết kế cấu trúc dụng cụ [6]. Sản xuất bồi đắp (AM) được sử dụng sau đó để chế tạo dụng cụ [7]. Quy trình làm việc kỹ thuật số như vậy mang lại một số lợi thế. Đầu tiên, nó loại bỏ những điểm không chính xác do lấy dấu tương tự hoặc chế tạo thủ công dụng cụ [8]. Thứ hai, nó nâng cao độ chính xác của quy trình lập kế hoạch bằng cách cho phép đánh giá tốt hơn các vị trí lắp minivis dựa trên CBCT của bệnh nhân. Theo cách này, có thể chọn vị trí lắp thiết bị neo tạm thời (TAD) phù hợp hơn về độ dày xương và có thể tránh mọi tổn thương có thể xảy ra đối với các cấu trúc lân cận trong quá trình lắp minivis [6]. Thứ ba, công nghệ AM cho phép tùy chỉnh hoàn toàn dụng cụ cho từng trường hợp [9].

Trong nghiên cứu hiện tại, chúng tôi giới thiệu một thiết bị hỗ trợ miniscrew cho chuyển động chỉnh nha răng có tên là DIVA (Divergent Anchors), với quy trình làm việc kỹ thuật số để lập kế hoạch và nung chảy bằng laser chọn lọc (SLM) để chế tạo. Thiết bị này được gắn cố định đầu tiên trong khoang miệng của bệnh nhân, đóng vai trò là hướng dẫn phẫu thuật để cắm miniscrews sau đó và có thể cung cấp neo cho nhiều chuyển động răng khác nhau ở mặt phẳng đứng dọc và mặt phẳng đứng.

Vật liệu và phương pháp

Thiết bị được đề xuất được làm từ một số bộ phận được sản xuất theo phương pháp bồi đắp: một cấu trúc chính được neo vào xương khẩu cái bằng 3 mini vít được lắp vào các ống lót tương đối, hai thanh kéo dài theo hướng xa về phía răng hàm và hai ống răng hàm được gắn vào các band răng hàm (Hình 1). Các ống răng hàm có thể trượt dọc theo các thanh, để cho phép răng hàm chuyển động về phía gần. Các móc có trên các ống răng hàm và trên phần trước của các thanh để gắn chun chuỗi tạo ra lực cho chuyển động di gần của răng hàm.

Để tận dụng tối đa thiết bị này, một quy trình làm việc sáng tạo đã được phát triển, được tóm tắt và so sánh với phương pháp tiếp cận thông thường trong Hình 2. Ban đầu, trong quy trình làm việc được đề xuất, một mô hình hình học tích hợp thu được bằng cách căn chỉnh một mô hình ảo của cung răng và hình ảnh Chụp cắt lớp vi tính chùm tia hình nón (CBCT) của xương hàm trên. Sau đó, thiết bị được thiết kế trong môi trường thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD), được sản xuất bằng phương pháp sản xuất bồi đắp (AM), hàn bằng laser vào các khâu răng hàm đúc sẵn, khử trùng và cuối cùng được định vị trong khoang miệng. So với phương pháp tiếp cận thông thường, trong quy trình làm việc được đề xuất, khí cụ có các ống lót nơi các mini vít được đưa vào sau khi cố định khí cụ vào khoang miệng, để đơn giản hóa quy trình lâm sàng đặt khí cụ.

Dấu cung răng của bệnh nhân được lấy bằng vật liệu alginate, mẫu thạch cao được đổ và sau đó được quét bằng máy quét Aton (88Dent, Pero, Ý) để thu được mô hình ảo. Ngoài ra, mô hình kỹ thuật số 3D của cung răng có thể được tạo trực tiếp bằng cách sử dụng máy quét trong miệng [10]. Sau đó, chụp cắt lớp vi tính chùm nón (CBCT) xương hàm trên của bệnh nhân với Trường nhìn (FOV) là 5 × 8 cm2 được thực hiện bằng máy Carestream CS 8100 3D (Carestream Dental LLC., Atlanta, GA, Hoa Kỳ). Phần mềm Real Guide (3Diemme, Figino Serenza, Ý) được sử dụng để căn chỉnh mô hình ảo của cung răng với hình ảnh CBCT thông qua thuật toán tự động phù hợp nhất để tạo ra mô hình tích hợp (Hình 3) mà sau đó thiết kế thiết bị DIVA một cách ảo.

Thiết bị được thiết kế trong môi trường CAD (Rhinoceros 6.0, của Robert McNeel & Associates, Seattle, WA, Hoa Kỳ). Một mô hình ảo của ống lót có hình trụ bên trong, đại diện cho ống lót và vít nhỏ của thiết bị Diva, đã được tạo ra (Hình 4A, B). Ống lót, đóng vai trò dẫn hướng cho mini vít, có chiều cao 4,5 mm, đường kính bên trong là 1,9 mm, trong khi đường kính bên ngoài là 4,9 mm ở vùng gần đầu mini vít và 2,8 mm về phía đầu đối diện để tránh gây cản trở niêm mạc vòm miệng (Hình 4C).

Hình trụ tượng trưng cho miniscrew dài 13 mm và có đường kính 1,8 mm. Vì có hai chiều dài chung cho miniscrew vòm miệng (tức là 11 mm và 13 mm), để dễ dàng phân biệt chúng trong quá trình lập kế hoạch ảo, một vai có ở 11 mm, cách đầu đỉnh nhất 2 mm. Vai còn lại biểu thị đầu miniscrew (Hình 4A,C). Mô hình ảo của ống lót và miniscrew sau đó được nhập vào phần mềm Real Guide. Ba miniscrew với ống lót tương ứng được định vị ảo trong mô hình tích hợp của xương hàm trên và cung răng của bệnh nhân. Các vị trí cắm miniscrew được lựa chọn tỉ mỉ để tránh các cấu trúc giải phẫu quan trọng như dây thần kinh hoặc bó động mạch và để tối đa hóa độ dày xương ở mức của các thiết bị neo tạm thời (TADs). Hơn nữa, sự tiếp xúc hai vỏ của miniscrew được cố định bằng cách xuyên qua lớp xương vỏ của vòm khoang miệng và sàn mũi, để tăng cường thêm độ ổn định chính của TAD [11], như thể hiện trong Hình 5 và 6. Độ dày xương ở mức của các vị trí đặt miniscrew được đo bằng thước đo phần mềm (Hình 6). Các phép đo này cho phép chọn chiều dài thích hợp cho miniscrew, đó là 13 mm cho miniscrew phía trước bên phải và bên trái, và 11 mm cho miniscrew phía sau. Cuối cùng, ba vít nhỏ được định vị theo cách không song song, tốt nhất là có các đầu đỉnh phân kỳ, để tăng cường độ ổn định theo chiều dọc của thiết bị trong quá trình sử dụng lâm sàng (Hình 1 và 5).

Sau khi đặt ba mini vít ảo và ống lót vào vị trí trên xương hàm trên của bệnh nhân trên CBCT, phần mềm Dental Wings (Dental Wings, Montreal, QC, Canada) đã được sử dụng để thiết kế các bộ phận khác của thiết bị, bao gồm: các thanh kết nối nối các ba ống lót mini vít, tựa hình chữ T trên mặt lưỡi của răng cửa, tựa mặt nhai của răng tiền hàm, hai thanh dọc, ống răng hàm được kết nối với các khâu răng hàm trên đầu tiên và các móc (Hình 1). Hướng của hai thanh mà ống răng hàm trượt được thiết kế để hướng dẫn chuyển động theo mặt phẳng đứng của răng hàm, như đã báo cáo trong các ấn phẩm trước đây [12,13]. Các thanh có đường kính 1,1 mm, trong khi ống răng hàm có đường kính bên trong là 1,2 mm.

Sau khi thiết kế ảo của thiết bị được hoàn tất, quá trình chế tạo được thực hiện với công nghệ nung chảy bằng laser chọn lọc của máy Mysint 100 (Sisma, Piovene Rocchette, Ý) sử dụng hợp kim Mediloy S-Co Cobalt-Crom (Bego, Bremen, Đức). Các thông số xử lý chính được tóm tắt trong Bảng 1, trong khi thành phần hóa học của hợp kim Coban-Crom được chỉ ra trong Bảng 2. Sau sản xuất bồi đắp, xử lý nhiệt được thực hiện ở 800 C trong 15 phút.

Thiết bị được đánh bóng thủ công bằng mũi khoan vonfram và đầu đánh bóng với kích thước hạt mài mòn giảm dần. Các ống răng hàm của thiết bị sau đó được hàn bằng laser đến các khâu răng hàm đúc sẵn thông thường. Thiết bị hoàn thiện đã được khử trùng bằng dung dịch etanol và propanol (Zeta 7, Zhermack, Badia Polesine, Ý).

Sau đó, thiết bị được cố định chắc chắn trong khoang miệng (Hình 7A) và cuối cùng, các mini vít được đưa qua ống lót của khí cụ vào xương hàm trên bằng cách sử dụng chính khí cụ như một hướng dẫn phẫu thuật. Các tựa mặt nhai răng tiền hàm được cắt ngay sau cắm miniscrew, vì mục đích duy nhất của chúng là hỗ trợ định vị chính xác khí cụ và miniscrews. Sau đó, chun chuỗi được gắn từ móc trên ống răng hàm đến móc ở phần trước của thanh để tạo ra lực cho chuyển động về phía gần của răng hàm trên (Hình 7B).

Thảo luận

Chỉnh nha kỹ thuật số ngày càng được các bác sĩ lâm sàng chấp nhận trong thực hành hàng ngày của họ. Nó bắt đầu với quy trình quét trong miệng để lấy mẫu ảo thay vì mẫu thạch cao [14] và hiện nay đang mở rộng sang các quy trình khác như thiết kế ảo các khí cụ chỉnh nha tiếp theo là công nghệ in 3D [15]. Lúc đầu, quy trình làm việc kỹ thuật số được sử dụng cho các khí cụ chỉnh nha đơn giản như cung khẩu cái, cung lưỡi hoặc hàm nong Hyrax [16]. Trong những năm gần đây, nó đang được áp dụng cho các thiết bị phức tạp hơn như các thiết bị cố định miniscrew, điều này đã mở ra một viễn cảnh mới và đầy hứa hẹn trong chỉnh nha hiện đại.

Các khí cụ hỗ trợ miniscrew vòm miệng có thể được chia thành hai nhóm chính dựa trên chuyển động mục tiêu của chúng: các khí cụ cho sự mở rộng theo chiều ngang của xương hàm trên [17,18] và các khí cụ cho các chuyển động răng theo chiều trước – sau và theo chiều đứng (chuyển động di gần, di xa, lún, trồi). Đối với nhóm sau, nhiều loại khí cụ đã được đề xuất [19–21] nhưng chỉ gần đây, quy trình làm việc kỹ thuật số mới được kết hợp [3–5,22–24]. Trong tất cả các quy trình làm việc kỹ thuật số hiện đang được sử dụng, các miniscrew được đưa vào trước, thường với sự trợ giúp của một hướng dẫn phẫu thuật và thiết bị được cố định sau đó bằng một cơ chế cố định [3–5].

Phương pháp cho thiết bị DIVA của nghiên cứu này khác với quy trình làm việc thông thường, ở chỗ khí cụ là thành phần đầu tiên được gắn xi măng trong miệng, và các miniscrew được đưa vào sau đó với khí cụ đóng vai trò là hướng dẫn phẫu thuật để đưa chúng vào. Quy trình làm việc này tránh nhu cầu sử dụng hướng dẫn phẫu thuật để đưa miniscrew vào và giảm thời gian trên ghế tại phòng khám bằng cách đơn giản hóa quy trình lâm sàng.

Cantarella và các đồng nghiệp trước đây đã báo cáo một quy trình tương tự cho Hàm nong mở rộng xương hàm trên (MSE), một loại cụ thể của hàm nong nhanh có minivis hỗ trợ [25]. Thay vào đó, mục đích của thiết bị DIVA được trình bày trong nghiên cứu này là tạo ra chuyển động theo chiều trước sau hoặc theo chiều đứng của răng. Ngoài ra, thiết bị được tùy chỉnh hoàn toàn và được sản xuất hoàn toàn bằng công nghệ sản xuất bồi đắp (AM), ngoại trừ các khâu răng hàm. Mặc dù việc sản xuất các khâu răng hàm bằng công nghệ AM có thể đơn giản hóa quy trình làm việc hơn nữa, nhưng các khâu răng đúc sẵn thông thường vẫn rất phổ biến trong thực hành lâm sàng chỉnh nha, vì chúng được làm bằng vật liệu dẻo hơn, mang lại khả năng giữ chặt tốt hơn và ít bị bong ra ngoài ý muốn hơn. Độ bám dính của các khâu răng được sản xuất bằng công nghệ AM là mục tiêu của các nghiên cứu trong tương lai.

Vì khí cụ này đóng vai trò là hướng dẫn phẫu thuật, nên việc định vị chính xác của nó trong khoang miệng là vô cùng quan trọng. Vì lý do này, các tựa mặt nhai trên răng tiền hàm được đưa vào thiết kế ban đầu của khí cụ và đóng vai trò là hướng dẫn để định vị khí cụ DIVA trong khoang miệng. Chúng được cắt ngay sau khi cắm miniscrews.

Một khía cạnh quan trọng khác của khí cụ DIVA là độ ổn định theo chiều dọc của nó. Trên thực tế, trong quá trình di chuyển răng, khí cụ có thể vô tình di chuyển về phía chóp niêm mạc vòm miệng và tạo ra sự va chạm mô. Để tránh hiện tượng này, trong giai đoạn thiết kế khí cụ, các ống lót ảo không được đặt song song, mà tốt nhất là có độ lệch về phía chóp nhẹ. Vì các ống lót là hướng dẫn để lắp miniscrew, các miniscrew cũng sẽ không song song sau khi lắp vào xương hàm trên. Sự thiếu song song này sẽ tạo ra các vết lõm giữa các miniscrew và cấu trúc chính của khí cụ, giúp tránh mọi chuyển động theo chiều dọc trong quá trình điều trị chỉnh nha. Kook et al. [24] trước đây đã giới thiệu tấm C-palatal đã sửa đổi (MCPP), là một thiết bị được tạo hình sẵn có thể được bác sĩ chỉnh nha điều chỉnh theo hình dạng riêng của vòm miệng bệnh nhân bằng kìm. Tấm này có 3 lỗ để có thể lắp miniscrews. Tuy nhiên, tấm này được tạo hình sẵn và không thể tùy chỉnh vị trí của miniscrews. Đối với thiết bị DIVA, vị trí của miniscrews được quyết định cho từng bệnh nhân, dựa trên CBCT, mang lại những lợi thế đã đề cập trước đó về mặt an toàn và độ ổn định chính TADs.

Khía cạnh cuối cùng cần xem xét là chế tạo khí cụ. Quy trình chế tạo thiết bị kim loại đã trải qua những thay đổi cơ bản chuyển từ phương pháp nung chảy kim loại thông thường sang công nghệ sản xuất bồi đắp nung chảy bột như Nung chảy chùm điện và Nung chảy laser chọn lọc (SLM) [26,27]. Chúng khác nhau ở nguồn nhiệt mà chúng sử dụng để nấu chảy hợp kim kim loại. Nhờ phương pháp sản xuất theo lớp, có thể chế tạo các bộ phận phức tạp về mặt hình học và tùy chỉnh mà quy trình sản xuất thông thường không thể thực hiện được [28]. Đối với thiết bị DIVA, SLM đã được áp dụng, khai thác nguồn laser làm nóng chảy hoàn toàn bột hợp kim, do đó thu được vật liệu có mật độ cao [29]. Bột hợp kim coban-crom, thường được sử dụng trong lĩnh vực nha khoa, đã được lựa chọn vì các đặc tính cơ học, độ bền và khả năng tương thích sinh học tuyệt vời của nó [30].

Mặc dù khí cụ cụ thể được trình bày trong nghiên cứu này có khả năng di gần răng hàm trên, nhưng một thay đổi nhỏ trong thiết kế của nó có thể được sử dụng để thực hiện các chuyển động răng khác như di xa, lún, trồi hoặc xoay.

Kết luận

Nghiên cứu hiện tại giới thiệu thiết bị DIVA hỗ trợ miniscrew để di chuyển răng chỉnh nha, tùy chỉnh theo hình thái xương hàm trên thông qua CBCT của bệnh nhân và quy trình kỹ thuật số hoàn chỉnh từ thiết kế ảo đến sản xuất bồi đắp với kỹ thuật nung chảy laser chọn lọc. Đây là quy trình kỹ thuật số đầu tiên trong đó khí cụ cố định miniscrew tùy chỉnh để di chuyển răng chỉnh nha theo chiều trước sau hoặc chiều đứng được gắn xi măng trước và đóng vai trò là hướng dẫn phẫu thuật để cắm miniscrew. Hơn nữa, khái niệm không song song, tốt nhất là miniscrew phân kỳ theo chóp được giới thiệu để thiết bị có độ ổn định theo chiều dọc tốt hơn trong quá trình sử dụng lâm sàng.