3D-TULOSTUKSELLA KOHTI KESTÄVIÄ HAMMASPAIKKOJA Yhteyshenkilö: Prof. Kirsi Sipilä, Hammaslääketieteen yksikkö, Itä-Suomen yliopisto, Pl 1627, Itä- Suomen yliopisto, 70211 Kuopio kirsi.sipila@uef.fi, p. 050-4423654 HANKKEEN JULKINEN KUVAUS 1. Tutkimuksen tavoitteet Toteuttaa in vitro -tutkimus, jossa arvioidaan 3D-tulostuksen mahdollisuuksia hampaiston täytteiden valmistuksessa. Tutkimuksessa arvioidaan 3D-tulostuksen tarkkuutta ja etuja verrattuna tietokoneavusteisella suunnittelulla ja valmistuksella (CAD/CAM-tekniikka) jyrsittyihin hampaiston täytteisiin. Tutkitaan lisäksi hampaiston digitaalisten jäljennösten soveltuvuutta 3D-tulostuksen apuvälineeksi. Ensimmäisessä osatutkimuksessa tutkitaan 3D-tulostustarkkuutta hampaiston täytteiden valmistuksessa. Tässä vaiheessa pyritään selvittämään ja osoittamaan 3D-tulostuksen soveltuvuus ja rajoitteet paikkamateriaalien valmistuksessa laboratoriotason kokein (proof-ofconcept, POC). Jatkossa on tarkasteltava tarkemmin myös mm. materiaalien kehitystarpeita ja hyväksyttämisnäkökohtia. 2. Johdanto Hammaslääketieteessä hampaiston täytemateriaaleja tarvitaan yleisimpiin toimenpiteisiin kuten hampaiden paikkaukseen ja purennan kuntoutukseen. Suosituin täytemateriaali tällä hetkellä on yhdistelmämuovi. Yhdistelmämuovit ovat korvanneet metalliseostäytteet kuten amalgaamipaikat helpon käsiteltävyyden ja esteettisten ominaisuuksiensa vuoksi. Muovitäytteiden huonoja puolia ovat heikko kestävyys, erityisesti poskihampaiden kovassa purentapaineessa, purennallinen epätarkkuus sekä ongelmat sauma-alueiden tiiviydessä, mikä voi johtaa esim. kipuoireiluun ja sekundaarikarieksen syntymiseen. Keskimääräinen kestävyys yhdistelmämuovipaikoille on vain 5-7 vuotta. Keraamisia paikkamateriaaleja käytetään kovemmassa purentapaineessa ja monimutkaisempien rakenteiden kuten kruunujen valmistamiseen. Keraamisten materiaalien heikkoutena ovat korkeat valmistuskustannukset ja valmistusprosessin monimutkaisuus. Kestäville ja kustannustehokkaille täytemateriaaleille on valtava kysyntä. Teollisuusmaissa väestön keski-iän noustessa ja hampaattomuuden vähentyessä hampaallisten henkilöiden määrä lisääntyy jatkuvasti. Hampaiston täytemateriaalien tulee vastata tätä kehitystä. Tulevaisuuden hammastäytteiden tulee täyttää esteettiset vaatimukset, kestää purennallisesti toimivina pitkään ja olla hintalaatusuhteeltaan potilaille houkutteleva vaihtoehto. Yksi vaihtoehto kustannustehokkaiden, keraamisten hampaistotäytteiden valmistukseen on tietokoneavusteinen suunnittelu ja valmistus eli CAD/CAM-tekniikka. Jäljentämällä hampaisto digitaalisesti hampaan keraaminen täyte voidaan jyrsiä ja valmistaa hammaslääkärin vastaanotolla ilman hammasteknikkoa. Jyrsintätekniikasta johtuen täytteiden materiaalihävikki on suuri, mikä puolestaan kasvattaa valmistuskustannuksia ja johtaa valmistuksen epäekologisuuteen. 3Dtulostustekniikkaa käytetään hammaslääketieteessä jo purentakiskojen ja leikkausohjureiden valmistamiseen. Täytemateriaalia lisäävässä additiivisessa tekniikassa materiaalihävikkiä ei juurikaan ole. Materiaalin lujittamisessa voidaan hyödyntää myös erilaisia komposiittiratkaisuja. Ratkaisu on ainutlaatuinen, sillä 3D-tulostuksen mahdollisuutta hampaiston täytteiden valmistamiseen ei ole ennen tutkittu. Varsinkin viime vuosina voimakkaasti kehittynyt tekniikka on
mahdollistanut jopa varsin edulliset ja toimivat 3D-tulostimet (2000-10000 ) ja myös tulostettavien materiaalien kehityksen osalta on tapahtunut merkittäviä edistysaskelia. 3. Materiaalit ja metodit Ensimmäisessä osatutkimuksessa tutkitaan 3D-tulostustarkkuutta hampaiston täytteiden valmistuksessa. Poistettuihin hampaisiin (n=6kpl) tehdään eri muotoisia kaviteettipreparointeja, ja näihin valmistetaan täytteet käyttäen sekä jyrsintä- että 3D tulostustekniikkaa. 3D-täytteiden tulostustarkkuutta verrataan CAD/CAM-tekniikalla jyrsittyihin hampaiston täytteisiin. Täytteet valmistetaan digitaalista jäljennösdataa käyttäen. Mallien valmistuksessa testataan eräitä nykyisin saatavilla olevia polymeerivaihtoehtoja. Tarkkuusmittaukset suoritetaan mikro-ct- kuvantamisen avulla. 4. Odotetut tulokset ja eettiset kysymykset Odotamme, että 3D-tulostuksella saavutettu hampaiston täytteiden tarkkuus on vähintään samalla tasolla CAD/CAM-tekniikalla jyrsittyihin täytteisiin verrattuna. Tähän in vitro - tutkimukseen ei tarvita eettisiä lupia. 5. Ratkaisu Tulevaisuudessa 3D-tulostustekniikka voi mahdollistaa laadukkaiden ja kestävien hammastäytteiden valmistuksen kustannustehokkaasti. Odotamme, että eri materiaalikerrosten yhdistäminen samassa hammastäytteessä on markkinoita mullistava ratkaisu kestävien ja elastisten hammastäytteiden valmistukseen. Kestäville ja laadukkaille hampaiden paikkamateriaaleille on valtava kysyntä. 6. Markkinapotentiaali Teknisten ominaisuuksien lisäksi hampaiston täytteiden kustannustehokkuutta on parannettava pidentämällä niiden kestävyyttä verrattuna muovipaikkoihin. Paikkamateriaalien huonojen kestävyysominaisuuksien vuoksi paikkaushoidot muodostavatkin puolet hammashoidon kustannuksista Suomessa. Vuonna 2015 Kelan tilastojen mukaan Suomessa tehtiin 1 649 213 hampaiden paikkaustoimenpidettä. Paikkaushoitojen kokonaiskustannukset olivat 175 948 537. 3D-tekniikka soveltuisi etenkin laajojen hammastäytteiden valmistukseen, joissa erityisesti on havaittu ongelmia kestävyyden suhteen ja ne ovat työläitä valmistaa kerroksittain kovettamalla. Uusilla kustannustehokkailla menetelmillä voidaan estää myös vanhojen täytteiden uusintatarvetta, mikä nykypäivänä aiheuttaa valtavasti lisäkustannuksia terveydenhuoltojärjestelmälle. 7. Aikataulu Tutkimuksen ensimmäinen osatutkimus täytteiden valmistustarkkuudesta on tarkoitus suorittaa 1.6.2016 14.11.2016.
APPLICABILITY OF 3D PRINTING IN FABRICATION ON DENTAL FILLINGS 1. Aims Purpose: To conduct an in vitro study to evaluate the evidence of possible benefits and accuracy of 3D printing technology used in fabrication of dental fillings. The aim is to compare 3D printing techniques to computer-aided design and computer-aided manufacturing techniques. A further aim is to evaluate the applicability of digital impression techniques in 3D printing. 2. Introduction In dentistry filling materials are needed in restorative treatments for repairing damages caused by dental caries as well as for occlusal rehabilitation. Nowadays composite restorations have replaced metal alloy materials as a primary filling material. They provide good aesthetics as compared to metal alloys and are easy to use. On the other hand, composite resins fracture and wear easier than amalgam restorations under high pressure, and due to these shortcomings of the material property, and partly due to the demanding techniques, the longevity of composite restorations is only 5-7 years. This causes problems especially in molar areas where occlusion forces are strong. For more complex restorations ceramic or metal-ceramic materials are often indicated. Metalceramic restorations are tough and fracture-resistant, on the other hand their aesthetics properties are poor and also allergic reactions have been reported. Based on these facts new restoration materials are needed especially in the field of restorative dentistry. In Finland and other developed countries, the proportion of elderly people is continuously increasing, and simultaneously the number of dentate is growing, thus creating a need for development for long lasting materials in dental restorations and fixed prosthodontics. The cost-benefit aspect should also be considered, from both individual and social perspective. For example, in Finland dental fillings are responsible for a half of the cost of dental care. The future challenges for development of dental restoration material are to provide good aesthetics, durability and good cost-benefit ratio. One solution for manufacturing low cost ceramic restoration is CAD/CAM-technology. The abbreviation CAD/CAM denotes computer-aided design and computer-aided manufacturing. With this technique it s possible to manufacture fixed prosthodontics restorations in dentists office without technician. Additive technique, also called 3D printing technology is used to fabricate more complex restorations. In contrast to subtractive CAD/CAM technique 3D printing method is more economical choice for fabrication of dental restorations. Unused material can be processed again and this factor lowers the manufacturing costs. In the literature there exist no earlier studies regarding 3D layer printing possibilities in the field of fixed prosthodontics. 3. Material and methods First phase: to conduct an in vitro experiment to compare 3D printing accuracy to CAD/CAMsystem milling accuracy. In this experiment inlay and onlay fillings will be manufactured on extracted teeth. Fillings will be manufactured based on digital impressions. Accuracy of the final restorations will be measured with micro-ct scans.
4. Results and ethical questions Expected results are that 3D printing accuracy is at least at the same level as CAD/CAM milling accuracy. This in vitro study doesn t need ethical permissions. 5. Solution In the future 3D printing technique can provide novel new possibilities in dental filling fabrication. We expect that with 3D layer printing technique it is possible to manufacture durable and elastic dental fillings with good cost-benefit. There s a growing need for this kind of material in the field of prosthetic dentistry. These kind of fillings should be long lasting compared to composite resins. 3D printing process is also fast and hopefully can be used at the dentists office in the future. 6. Market potential According to a recent market forecast potential for long lasting dental fillings is huge. According to the Finnish Social Insurance Institution (KELA), health insurance compensation was paid for 1 649 213 dental fillings in Finland in 2015. Total costs for these operations was 175 948 537. 7. Execution of the project (stage 1) This project (stage 1) will be carried out during the period of 1.6.2016 14.11.2016. During this period, phase 1 laboratory experiment will be carried out.
References 1. Käkilehto T, Salo S, Larmas M. Data mining of clinical oral health documents for analysis of the longevity of different restorative materials in Finland. Int J Med Inform 2009;78:e68-72 2. Laurila M, Hjerppe J, Vallittu P. Keraamit hammashoidon materiaaleina. Finnish Dent J. 2016;2:20-7 3. Uutiset. Finnish Dent J. 2009;6:19 4. Haikola B. Ikääntyvillä on hampaattomuutta ja paljon tulehduksia hampaistossa. Finnish Dent J. 2015;2:15 5. Lakoma A. Karies kannattaa pysäyttää. Finnish Dent J. 2010;14:18 6. Dahl BE, Ronøld HJ. Digital impressions. Finnish dent J. 2014;4:32 8. 7. Bolding S. Advanced digital implant dentistry. 2012. http://tinyurl.com/c7yb-nop 8. Beuer F, Schweiger J, Edelhoff D. Digital dentistry: an overview of recent developments for CAD/CAM generated restorations. Br Dent J 2008; 505 11. 9. Alharbi N, Osman R, Wismeijer D. Effects of build direction on the mechanical properties of 3Dprinted complete coverage interim dental restorations. J Prosthet Dent 2016;Epub 10. Flugge TV, Nelson K, Schmelzeisen R, et al. Three-dimensional plotting and printing of an implant drilling guide: simplifying guided implant surgery. J Oral Maxillofac Surg 2013;71:1340-6 11. Zarauz C, Valverde A, Martinez-Rus F, et al. Clinical evaluation comparing the fit of all- ceramic crowns obtained from silicone and digital intraoral impressions. Clin Oral Investig 2015;Epub. 12. Kela. Tilastoja sairaanhoitokorvauksista. 2016. http://www.kela.fi/tilastot-aiheittain_tilastosairaanhoitokorvauksista