聚醚醚酮/聚醚酮酮材料及數字化技術在兒童口腔醫學應用的初步臨床報告

冀堃 朱頂貴 陸偉 楊春成 吳國鋒

聚芳醚酮(PAEK)是一類亞苯基環通過氧橋(醚鍵)和羰基(酮)連接而成的一類結晶型聚合物，按分子鏈中醚鍵、酮基與苯環連接次序和比例的不同，可形成許多不同的聚合物。PAEK家族材料在發現其具有良好的生物相容性后，已越來越多地被用作骨科、創傷和脊柱植入的生物材料。目前PAEK家族的材料在口腔臨床的應用主要包括聚醚醚酮(PEEK)和聚醚酮酮( PEKK)等[1-2]。PEEK/PEKK材料具有良好的抗蠕變性、耐磨性能以及耐化學性能，PEKK的機械性能及生物相容性等較PEEK材料更加優異。兒童口腔醫學作為我國口腔醫學中一門正在不斷發展、充實和提高的學科，又稱為“兒童口腔綜合科”，是以處于生長發育過程中的兒童為對象，需要綜合運用多學科新技術和新材料，使兒童口腔醫學不斷進步。作者自2019 年以來開展了一系列旨在驗證PEEK和PEKK材料結合數字化技術在兒童口腔領域的臨床試驗，研究全程受南京大學醫學院附屬口腔醫院(南京市口腔醫院)倫理委員會監督和指導(編號：2019NL-012)，研究內容涵及PEKK和PEEK材料用于乳牙和年輕恒牙的冠和嵌體修復、乳牙早失間隙保持器的數字化制作、錯頜畸形的早期矯治等臨床應用效果、存在問題和未來展望，本文將結合最新文獻對此作初步臨床總結報告。

1 PEEK/PEKK材料在兒童口腔的臨床應用觀察

1.1 牙體缺損的PEEK/PEKK固定修復

PEEK的彈性模量和硬度低于傳統的金屬合金，但其具有與金屬合金相近的抗磨損性能[3]，同時具有與天然牙體組織相近的力學性能[4]。目前市場上代表性PEEK牙科材料產品為德國Bredent公司的BioHPP，它是在PEEK基質中添加20%陶瓷填料以增強材料硬度和模量，Zoidis等[5]以此作基底材料，上覆光固化樹脂，制作髓腔固位冠修復體，結果更好地緩沖了咬合力，保護了剩余牙體組織，這表明PEEK材料適用于牙體狀況不佳時的修復體制作。BioHPP也已成功被用于恒牙牙體缺損的髓腔固位冠修復[5]、粘接固定橋過渡性修復[6-7],但其遠期效果仍需隨訪觀察。Abdullah等[8]曾使用Invibio公司的PEEK材料制作了CAD/CAM臨時冠，結果發現PEEK材料CAD/CAM臨時冠良好的邊緣密合性和較高的斷裂強度。也有研究表明3D打印PEEK和銑削PEEK制作的I類洞型嵌體顯示出比最大的生理咀嚼力更高的斷裂載荷，但是3D打印PEEK的Weibull模量低于銑削PEEK，但均好于樹脂直接充填[9]。PEKK 的化學結構保證了其在PAEK家族中具有最佳的力學性能，PEKK 抗壓強度比PEEK提高了80%。作者曾報道了PEKK用于制作全冠或三單位固定義齒修復體時，修復體邊緣與基牙肩臺緊密貼合，固位力理想，觀察1 年未見有修復體脫落等失敗病例[1]。第四次全國口腔健康流行病學調查報告顯示，過去的10 年間，我國5 歲年齡組乳牙和12歲組的恒牙齲患病水平明顯上升，5 歲組乳牙患齲率66.0%上升到71.9%，而12 歲組恒牙患齲率28.9%上升到38.5%[10]。乳牙固定修復需求大，PAEK基材用于乳牙固定修復不僅美觀，而且強度高于樹脂，是一種理想的替代材料。

1.1.1 年輕恒牙牙體缺損的PEEK嵌體暫時修復 患者女性，13 周歲，右下頜第一磨牙大面積齲壞。治療方案考慮患者未滿18 周歲，計劃通過PEEK嵌體修復46牙牙體缺損。經患者家屬知情同意，對46牙進行去凈齲壞牙體組織，在保證活髓的情況下進行嵌體牙體預備(圖 1A)，通過數字化口內掃描儀獲取了患者牙列三維信息，然后通過義齒設計軟件獲得數字化嵌體數據，最后采用數字化銑削PEEK盤獲得PEEK嵌體(圖 1B)，嵌體表面處理后，調拌3M ESPE RelyXTMUltimate ClickerTM樹脂水門汀置于嵌體粘接面，戴入基牙(圖 1C)。咬合紙檢查咬合，保證患者無咬合干擾(圖 1D)。 1 個月和6 個月復查時，嵌體無脫落，邊緣無缺損不密合等情況。短期臨床觀察證實PEEK材料的粘接性能可以滿足臨床需要[11]。年輕恒磨牙由于其自身的特點，在修復方法的選擇上與成熟恒牙有所差異，需要考慮對兒童頜骨、牙周組織及鄰牙生長發育的影響，因此對于年輕恒磨牙應慎用全冠類修復體。而高嵌體邊緣為齦上設計，對牙周組織影響小，不破壞非缺損側鄰面及接觸點，較樹脂充填和全冠修復更容易還原牙體軸面及咬合面的原有形態，是年輕恒磨牙大面積缺損后比較理想的選擇。目前臨床2 例PEEK嵌體修復，最長觀察1年，均未出現嵌體脫落，邊緣缺損不密合等情況。

1.1.2 乳牙牙體缺損的PEKK冠修復 對于乳牙大面積缺損的修復，金屬預成冠是臨床上應用最廣泛的一種方式，它作為一項傳統技術已經應用多年，臨床效果肯定，操作簡便而且價格便宜。但這種修復方式也存在例如邊緣密合性不佳，容易造成菌斑堆積影響牙齦健康以及美觀性較差[12]等問題。越來越多的患兒和家長不愿接受金屬修復體。于是近幾年，全瓷預成冠的應用越來越多。從美觀上講，全瓷預成冠較金屬預成冠有了很大的改善，但同樣存在邊緣密合性不佳、備牙量較大的問題[13]，而且全瓷的硬度遠大于乳牙的牙體組織[14]。乳牙與多種材料的磨損實驗發現，對乳牙磨損量最大的是白榴石組，其次為二硅酸鋰組、氧化鋯組和不銹鋼組，白榴石和鋰組的磨損量明顯大于不銹鋼組，不銹鋼和氧化鋯組之間沒有顯著差異。已知修復材料的硬度越高會造成牙釉質的磨損，有研究發現牙釉質磨損與修復材料表面粗糙度、微觀結構、斷裂韌性和環境因素的關系比與硬度本身的關系更大。低磨損率與高彎曲強度和斷裂韌性之間存在關聯[15]。Vipi Block Monocolor, PMMA, Mazic Duro，Vita Enamic和Pekkton5 種材料中，PEKK材料對乳牙牙釉質的磨損最低[16]。

A：46牙嵌體預備后； B：PEEK嵌體； C：PEEK嵌體口內粘接面觀； D：PEEK嵌體口內粘接頰面觀

患者, 男，6 歲，右上第一乳磨牙牙髓治療后需要冠修復?；颊吒改覆唤邮芙饘兕A成冠，經患者家屬知情同意，計劃通過PEKK冠修復54牙牙體缺損。采用的PEKK材料(Pekkton?ivory, Cendres+Métaux公司, 瑞士)已獲美國FDA和歐洲CE認證，并在歐美市場作為牙科材料銷售。54牙基牙預備后，使用口腔內掃描儀(Trios，3 Shape，丹麥)獲得數字化模型(圖 2A，2B)，3 Shape Dental Manager Client 設計軟件進行設計(圖 2D, 2E)，通過Wieland si切削設備進行切削，完成數字化PEKK冠的制作(圖 2C)。完成口內試戴粘接(圖 2F)。 1 個月后復診，PEKK冠修復體無色素附著，牙齦無紅腫，冠邊緣密合(圖 3A, 3B)。目前臨床上觀察了5 例PEKK乳牙冠修復，均使用良好，最長觀察1 年。

1.2 乳牙早失的PEKK間隙保持器的應用

乳牙過早喪失將影響繼承恒牙萌出后的正常位置而造成恒牙排列不齊，尤其是乳磨牙早失，可以導致恒牙牙弓長度的減少，覆加深，增加牙列擁擠和牙齒錯位、萌出困難及牙弓的不對稱。文獻報道PEEK材料制作間隙保持器可用于臨床[17]，PEKK材料具有比PEEK更加優異的機械性能，因此，作者開展了PEKK數字化間隙保持器的臨床應用，結果顯示其具有良好的尺寸穩定性和生物相容性，臨床完全可以采用PEKK制作間隙保持器[2]。

1.2.1 一體化義齒型間隙保持器 義齒型間隙保持器可以最大程度恢復患兒的牙列完整。該修復體應具備以下功能: 能夠保持間隙的近遠中距離、垂直距離; 維持面部外形，恢復咀嚼、發音功能，能夠維持咬合運動和咬合關系。義齒型間隙保持器兼具義齒的功能，要符合可摘義齒的咬合接觸特點和兒童生長發育的規律。對于下頜雙側多顆乳牙缺失的患者，經過數字化印模和設計(圖 4A, 4E)，通過PEKK盤銑削獲得一體化義齒型間隙保持器(圖 4B, 4F)，在患者口內臨床實際戴用(圖 4C, 4D, 4G, 4H)，義齒就位與穩定性良好，一體化PEKK可摘局部義齒與患兒余留牙和口腔黏膜貼合緊密，其卡環固位力與基托適合性均滿足臨床要求。李欣欣等[18]曾報道一體化切削的PEEK可摘局部義齒不同形態組件適合性的定量評價，支托的平均間隙分別為(84.3±23.6) μm，基托平均間隙為(32.5±27.8) μm，大連接體的平均間隙(49.9±9.96) μm。作者在上述研究的基礎上，PEKK材料制作的可摘局部義齒[1]，臨床應用效果良好，PEKK數字化銑削加工方式制作成本較高，但隨著3D打印技術的應用未來其制作成本有望極大降低。隨診復查患者戴用1月，保持器未出現損壞，但因患兒戴用保持器依從性差，后改為舌弓式間隙保持。

圖 2 乳牙牙體缺損PEKK冠修復

A：PEKK冠口內照頰面觀； B：PEKK冠口內照面觀

1.2.2 帶環絲圈式間隙保持器 1 例54、64牙因嚴重齲壞早失需要制作間隙保持器，女孩，5 歲，經知情同意患者家屬選擇右側54牙傳統金屬帶環絲圈間隙保持器，64牙數字化PEKK間隙保持器。PEKK帶環絲圈式保持器制作和粘接方法可見作者前期報道[2]。使用口腔內掃描儀(Trios，3 Shape，丹麥)獲得數字化模型，數字化設計64帶環絲圈式PEKK間隙保持器(圖 5A)，帶環設計厚度約1 mm，寬度2～3 mm，PEKK數字化間隙保持器在患者口內就位順利(圖 5B)，1 個月復診PEKK保持器與基牙密合，未見色素附著(圖 5C)，6 個月復診可見PEKK保持器未出現斷裂松脫等現象，僅見少量色素附著(圖 5D)。菌斑染色，發現PEKK材料不容易菌斑附著(圖 5E)，讓患兒刷牙后可見在金屬帶環絲圈保持器的粘接劑部位仍有菌斑附著(圖 5F)。目前臨床觀察了5 例PEKK帶環絲圈式患者，最長觀察1 年，均未出現保持器損壞、脫落，明顯異物感等情況[2]。

圖 4 一體化義齒型PEKK間隙保持器

1.2.3 舌弓式間隙保持器 1 例下頜多顆乳牙早失，恒牙未萌，男性，9 歲。因患者活動式間隙保持器不能合作佩戴，計劃采用舌弓式間隙保持器，將舌弓固定在第一恒磨牙上，因患者下前牙排列整齊，前牙區設置支撐卡。數字化印模(圖 6A)，數字化設計(圖 6B，6D)，使用PEKK盤銑削獲得PEKK舌弓式間隙保持器(圖 6E)，并經過試戴，口內進行粘接(圖 6C, 6F)。目前患者戴用半年，未出現保持器脫落，斷裂，壓迫牙齦等不良情況。需要定期復診，根據患兒頜骨發育情況，及時更換保持器。

A：數字化PEKK間隙保持器印模和設計； B：PEKK帶環絲圈式間隙保持器初戴； C：PEKK帶環絲圈式間隙保持器戴用1 個月； D：PEKK帶環絲圈式間隙保持器戴用6 個月； E：6 個月復診菌斑染色； F：6 個月復診菌斑染色刷牙后

圖 5 PEKK帶環絲圈式間隙保持器

A：患者下頜數字化印模； B：舌弓式間隙保持器數字化模型； C：PEKK舌弓式間隙保持器初戴正面觀； D：舌弓式間隙保持器數字化設計；E：PEKK舌弓式間隙保持器；F：PEKK舌弓式間隙保持器初戴側面觀

圖 6 PEKK舌弓式間隙保持器的應用

1.3 3D打印PEEK矯治器的臨床應用

2 PEEK/PEKK在兒童口腔中應用存在問題

2.1 美觀問題

PEKK和PEEK材料是一種特種熱塑性材料，通過材料中加入二氧化鈦等氧化物，變成灰白或者鵝黃等類似牙齒顏色。乳磨牙冠修復和年輕恒牙的嵌體修復，PEEK/PEKK材料相比銀汞合金和金屬預成冠修復在美觀方面具有明顯優勢，義齒型間隙保持器涉及到前牙美學區，可以通過表面樹脂烤塑來解決美觀問題，作者前期臨床研究發現PEEK/PEKK修復體飾面樹脂粘接強度滿足臨床需求，未出現樹脂崩脫等不良情況[1，20]。但與天然牙釉質顏色仍不一致，這也是該材料的特點決定的，目前有望可以通過材料改性例如加入氧化物的形式改變PEEK的顏色，課題組已初步研制出多種不同牙齦色/牙齒顏色 PEEK材料，針對其機械性能和粘接性能進行檢測符合臨床要求。數字化的PEKK保持器與傳統保持器進行簡單的對比，無論是美觀程度、舒適度和重量都具有明顯的優勢，PEKK材料制作的保持器僅為金屬重量的1/4。雖然臨床觀察到PEEK材料長期戴用有色素沉著，但PEEK材料比PMMA和復合樹脂不容易著色，不同的食物對PEEK著色影響也不同，個人防護推薦軟毛牙刷清潔，臨床醫師可以用溫和的超聲蕩洗和溫和的噴砂處理去除著色[21]。臨床現有固定矯治器弓絲一般都是金屬，其美觀性差，未來需要尋找采用非金屬弓絲的方案作為選擇，同時也可不影響CT和核磁共振的檢查，Maekawa等[22]報道PEEK弓絲具有與Ni-Ti弓絲相似的彈性性能，非常美觀，比聚醚砜(PES)和聚偏氟乙烯(PVDF)表現出優異的抗彎強度和抗蠕變性能。在牙齒移動過程中，托槽和弓絲之間的摩擦是主要問題。PEEK弓絲與托槽之間的靜摩擦與Ni-Ti弓絲與托槽之間的靜摩擦基本相同。Shirakawa等[23]為了提高正畸治療的效率，滿足消費者的審美需求，研制了一種PEEK管輔助裝置，結果顯示聚醚醚酮不僅具有良好的美學性質，同時摩擦試驗結果也表明，該裝置可明顯減小摩擦力。

2.2 強度問題

課題組前期的PEEK/PEKK口腔修復體臨床應用觀察，已驗證了PEEK /PEKK的強度能夠滿足兒童口腔臨床要求[1，2，20]。金智文等[24]報道PEEK 人工牙具有合適的硬度和良好的耐磨性，經300 000 次磨耗循環后，PEEK人工牙的磨耗量為(0.90±0.33) mm3，普通合成樹脂牙的磨耗量為(2.42±0.99) mm3； 復合樹脂牙的磨耗量為(4.23±1.33) mm3。 3 種樹脂牙的維氏硬度(Hv，加荷力9.8 N，時間15 s)分別為：PEEK 人工牙是(291.6±25.8) MPa；普通合成樹脂牙是(268.9±19.6) MPa；復合樹脂牙是(352.4±19.0) MPa。 PEEK 材料的耐磨性優于復合樹脂和PMMA[25]。牙釉質的馬氏硬度(HM)(2 263.6±405.16) MPa和牙本質HM: (468.2±30.77) MPa顯著高于PEEK，PEEK基體中二氧化鈦含量的增加改善了HM參數但仍明顯低于人類牙齒的HM參數[26]。PEEK的回彈模量平均值高于IPS e.max CAD[27]。PEKK的雙軸彎曲強度(Biaxial flexural strength，BFS)為(227±18) MPa，維氏硬度(Hv)為(445±21) MPa，全冠的結構強度(Structural Strength，SS)為(2 037±49) N，SS高于IPS e.Max Press?(1 497±165) N, Lava Ultimate?(1 476±142) N 和Vita Enamic?(1 127±108) N，且PEKK在實驗中沒有斷裂，上述研究提示PEKK是一種理想的全冠材料，但需要進一步的臨床研究觀察[28]。PEKK可能更有利于避免對頜天然牙的過度磨耗，同時PEKK材料也具有一定的彈性，這可能也有助于固定修復體更好的發揮功能。數字化PEKK冠的牙體預備量約1 mm，而氧化鋯預成冠需要更多的牙體預備量[29]，從而降低了基牙的強度。一體化義齒型間隙保持器的設計可根據PEEK卡環體外三維有限元分析研究，目前建議PEEK卡環寬度設計為3.00 mm、底部厚度為2.25 mm，進入基牙倒凹深度0.50 mm時具有最佳的機械性能[30]。

2.3 粘接問題

3 PEEK/PEKK在兒童口腔應用的未來展望

本臨床研究初步驗證了PEEK/PEKK兒童口腔臨床應用的可行性，雖然臨床效果良好，但后續還應行大樣本長期臨床病例觀察，需要解決系列臨床問題，例如：PEEK/PEKK在兒童口腔的固定修復，其耐磨性和硬度對咬合發育的影響需要設計科學的隨機對照臨床試驗來驗證；乳前牙的冠修復需要研制符合牙科美學特性的多種PEEK改性材料；本研究報道了 PEKK材料用于帶環絲圈，舌弓式以及義齒型間隙保持器，后期可嘗試全冠絲圈、腭弓式及遠中導板式間隙保持器的臨床應用；3D打印PEEK材料能否應用于間隙保持器的制作，其抗疲勞性能是否滿足長期臨床需要；乳牙列和混合牙列的早期正畸治療，可以通過患者的具體情況利用3D打印PEEK設計個性化定制化的矯治器；PEEK/PEKK弓絲正畸臨床實際應用矯治效果如何?？傮w而言，作者認為PEEK/PEKK材料在兒童口腔臨床應用具有良好應用前景，需要根據材料的特點選擇合適的適應證，可望為兒童口腔臨床提供一種新型材料和制作方法的選擇。