3D打印技术在口腔修复体直接制作中的应用

2018-11-19 16:11  来源:临床口腔医学杂志
作者:李妍熹 姚洋 阅读量:26318

    3D打印(three-dimensional printing),又名增材制造(additive manufacturing)、快速成型(rapid prototyping)、分层制造(layered manufacturing)或实体自由成型(solid freeform fabrication)。其应用的首要条件是三维模型的获取,可通过口内3D扫描、模型扫描或直接建模而来;对于取模不便者,口内直接扫描获取三维模型具有优势。三维模型获取及进一步优化后,需设置模型摆放位置、方向,增加支撑结构,并设置打印速度、切片分层高度等信息。开始打印后,3D打印机根据切片信息逐层堆积材料制造原型。整个过程的参数设置均会对最终的打印精度产生一定影响。

    3D打印属于CAD/CAM过程中的CAM部分,较减材制作或传统铸造等方法,其节约劳动力,经济效应高;定制化,可以制造任意形状;没有中间模型转换过程,减少误差来源,也节约模型材料;能一次加工多个部件,节省时间;只用到目标物件所需材料,不浪费多余材料。3D打印在口腔修复中的应用范围广,可直接打印修复体,也可打印制作流程的一部分物件如工作模型,蜡型等。本文主要针对修复体的直接打印进行综述。

    1.原理

    3D打印发展历史悠久,从1986年Charles Hull首次提出3D打印的概念至今,不同原理的3D打印接踵而至,鉴于在牙科领域的实践,笔者将其分为三大类。

    1.1基于光固化成型工艺

    即光敏固化的液体聚合物在特定范围内紫外线的照射下逐层固化成型。该工艺由液态原材料固化而来,且光源直径小,位置准,因而成型后精确度高,能还原细小的表面特征。除此之外,该工艺的特点还有:可以制造透明物件;设备价格高昂;原材料昂贵、局限于光固化材料;需要后期进一步紫外光照射固化。

    在口腔修复体中的直接应用主要为暂时修复体的制作。光固化成型工艺可进一步分为①光固化成型(stereo lithography apparatus,SL/SLA):成型时,紫外光的照射单位为点,移动形成线,线形成面以完成层状固化。②数字光处理(digital light processing,DLP):成型时,光源经密集排列成面的微反射镜反射到材料上,直接引起整层材料聚合固化。每一个微反射镜的方向都可自由移动以控制反射光的路线和方向,从而使得整层的材料可以同时接受光照,较SLA更快。除此之外,还可以通过在非光固化材料(如陶瓷)中添加光固化粘接剂以达到光照成型的目的。其打印完成后需要去除粘接剂,这将增加物体的孔隙率,降低机械性能。另外,对于氧化锆陶瓷来说,若出现光固化介质固化不完全则需要额外的热聚合过程,这将导致氧化锆的低温退化效应更加明显。

    1.2基于激光成型工艺

    其本质是特定范围的激光烧结或融化粉末状的材料颗粒,逐层固化,层与层之间互相粘结成型,需要惰性气体屏蔽。该工艺相对其他工艺能达到较高的致密度;较昂贵;存在遇热变形的倾向;加工精度低,需要进一步修整抛光,后续加工复杂。金属支架、金属基底冠、种植体等主要由该工艺制作。

    激光成型工艺可进一步分为:

    ①选择性激光烧结(selected laser sintering,SLS):加热后,目标材料直接形成颗粒间粘接或由额外添加的低熔点粘接剂(如高分子聚合物、低熔点金属)实现高熔点目标材料的粘接,力学性能较差。未固化的粉末可以起支柱作用因而无需额外添加支柱。适用于陶瓷,金属,高分子聚合物,蜡。

    ②选择性激光熔化(selected laser melting,SLM):加热后,粉末完全熔化,分层成型。因其要求达到粉末的完全熔融,故需要较高的激光密度,同时不需要间接粘接剂,致密度可近100%。应用时需要足够的支撑结构利于成型及传热,支撑结构的不足够将导致倒凹结构的崩塌或产生热集中导致的卷曲变形。整个过程温度变化大,速度快,产生应力大,应用于陶瓷时,易造成裂隙。主要适用于金属。在制造斜度/曲度大的部分时容易产生较大误差。

    ③直接金属激光烧结(direct metal laser melting,DMLS):是SLS的一种,SLS主要用于非金属,DMLS主要用于金属。虽从说法上是烧结,但实际上多数时候,金属粉末已经完全熔化,类似于SLM。其与SLM的不同在于DMLS技术使用材料都为不同金属组成的混合物,各成分在烧结(熔化)过程中相互补偿,有利于保证制作精度,不需要昂贵复杂的后处理工艺。而SLM技术使用材料主要为单一组分的粉末。

    ④电子束熔化(electron beam melting,EBM):与SLM相似,故笔者将其归于激光成型类别。其用高能电子束替代激光束熔融金属粉末,功率更高,局部热应力更小因而需要更少支柱结构导热;昂贵;可达到很高的致密度,但制件表面粗糙度大,因而适用于加工种植体。

    1.3基于直接沉积工艺

    直接沉积(direct deposition)技术又叫喷墨(jetting)技术,其本质是喷头依据分层信息,依照各层形态,形成路线,途中喷出材料,直接冷却(FDM、MJ)或者在粘接剂的作用下与前一层材料粘接(BJ)或接受光照(PPJ)而固化成型。可加工蜡,线状高聚物,树脂,陶瓷等。直接沉积工艺可进一步分为①熔融沉积制造(fused deposition modeling,FDM):其特点为可同时制造多个部件;若有第2个喷头,支撑材料可采用与目标物件不同的材料,通过第2个喷头喷出;表面精准度低,有阶梯样堆叠的结构。②材料喷墨(material jetting,MJ),又叫DOD(drop on demand),thermojet,inkjetprinting:其只能加工蜡或蜡样物质;支撑材料往往是不同于目标材料的其他材料;可以达到良好的精确度和表面精度。③BJ(binder jetting),又叫3D打印(3D printing):其可应用于几乎任何可以被加工成粉末的材料;简单、经济;未固化的粉末可提供支柱作用,无需额外支柱结构;机械性能差。④光敏聚合物喷墨成型(photopolymer jetting,PPJ),又叫polyjetting:该技术也可归属于光固化成型工艺,其可以制造出平整精细的表面精度;可制造多种材料多色的物件及具有功能梯度的物件(如不同部位硬度不同)。另外,除了单纯利用3D打印制作以外,尚有混合3D打印与传统加工流程的方式。如混合SLM系统与研磨系统以达到良好的加工精度。

    2.应用

    3D打印在直接制作口腔修复体中的应用较为广泛,目前主要有光固化树脂制作暂时修复体、金属制作金属支架或金属基底冠和种植体、陶瓷制作冠修复体。

    2.1光固化树脂

    3D打印树脂材料大都是生物不相容的,不能通过ISO10993-1医疗器械生物学评估,且在细胞毒性,长期稳定性和功能性上都尚且不清楚,因而局限于暂时修复体的应用。Gan等测试了PPJ制作的活动义齿树脂暂时支架,显示出良好的准确性,并发现口内直接扫描不如口外扫描石膏模型精确。Lee等3D打印制造的树脂暂冠在基牙密合性上优于切削制作,尤其是在曲度较大的部分优势更加明显,可能与曲度大切削不便有关。Mai等利用PPJ原理制作的树脂暂冠适合性高于切削制作,尤其在咬合面,这与如前所述PPJ成型精度高有关。由此可见,光固化成型应用于口腔暂时修复体的制作,操作方便,精度高。

    2.2金属

    金属材料目前临床的应用主要集中在金属基底冠和可摘局部义齿的金属支架,多由义齿加工制作生产企业制造,且多采用进口设备。另外,种植体的制作也越来越多。其中,钴铬合金(生物相容性好和价格低)及钛合金或纯钛是应用的热点。

    2.2.1金属底冠

    SLS/SLM技术制作的钴铬合金底冠是最常见的应用,后续常规陶瓷烧结形成完整的金瓷修复体。对于3D打印金属底冠的评价,从金瓷结合、底冠强度、底冠与基牙的密合性进行。金瓷结合:相关体外研究表明,SLS/SLM制造的钴铬合金底冠金瓷结合强度与传统制造无统计学差异,均符合ISO9693标准;也有研究表明激光成型制造的底冠结合强度更大,这可能是因为:①激光成型的底冠结构更精细,带来结合面各处结合的一致性,②分层加工过程中每层金属间的微小缝隙和金属的球化现象造成金瓷界面表面积增大;另外有研究表明:激光烧结的金属与陶瓷分离模式更接近内聚破坏(cohesive failure)而不是粘接破坏(adhesive failure),也显示出金瓷结合的更佳。但也有研究显示破坏模式没有统计学差异。

    SLS/SLM制作的金属底冠与陶瓷之间的金瓷结合是否高于传统制造尚且没有十分确切的答案,但值得肯定的是,其金瓷结合能力不亚于传统制造底冠。底冠强度:相关体外研究表明,激光成型制造的钴铬合金/镍铬合金底冠强度高于传统铸造,这与快速冷却、结构致密无缺陷有关。但也有研究者指出,SLS制造底冠的层间缝隙和金属的球化现象会导致底冠断裂强度明显降低,但仍符合临床应用。Tulga等的研究表明退火会影响金瓷结合,且在不同制造原理有不同效应。金属底冠与基牙的密合性:金属底冠与基牙的密合性尤其是边缘密合性是衡量固定修复成功的重要指标,约10%的修复失败由边缘适合性不佳导致;除此,密合性不好也可能引发继发龋、牙周病、牙髓炎、牙髓坏死等。通常底冠与基牙的距离低于120μm被认为临床可接受。

    Kim等的体外实验发现SLS制造的钴铬合金底冠的基台密合性较减材制作低,但高于传统铸造,临床可接受。另外的研究也得出相似结论。而Ucar等的研究却发现SLS制造的钴铬合金密合性低于传统铸造。进一步的研究还发现,对于牙的不同面,咬合面的密合性较差,轴面和边缘密合性较好。Dikova等还报道3D打印的蜡型失蜡铸造的密合性高于直接SLM制造的钴铬合金底冠,这可能是由于前者有两次体积收缩而后者只有一次体积收缩。研究结论的不同与密合性测试方法、基台形状、原理的不同都有关系,因而可以认为,恰当的原理、计算机辅助设计、参数设定能够达到良好的基牙密合性。

    2.2.2可摘局部义齿金属支架

    可摘局部义齿制作的3D打印发展较固定修复慢,主要是因为结构的复杂多变和精巧及CAD软件的开发困难。目前临床的应用主要集中在用SLM制造的金属支架。Williams等2006年首次报道了SLM制造的钴铬合金支架临床案例,在准确性,合适度及功能上与传统加工方式媲美,但费用较高、时间较长,有望随着技术的进步而改进。叶页等采用SLM技术制作的钛合金基托形态、适合性、微观结构均可满足临床要求,且微观结构比传统加工方式更具优势;同时,还指出EBM技术成型的基托适合性、微观结构方面均有欠缺,无法临床应用。

    Wu等的体内实验中,SLM制造的钛合金支架显示出较好的临床效果。Bibb等的研究表明SLM制作的钴铬合金支架的合适性从临床的角度来说是可嘉的,且卡环在使用过程中也不会产生变形。另外的研究则显示出不同的结论:Ye等的体内实验中,SLM技术制造的钴铬合金金属支架适合性较传统制作较差,但符合临床应用要求。Nakata等采用结合研磨系统的SLS系统制作钴铬合金卡环,较传统铸造卡环,其表面更为光滑,固位作用无差异,且随时间推移固位作用下降更慢,但其对基牙的适合性较差,可能由于角度太大研磨不到位所致,但也在临床接受范围内。

    而Arnold等的研究发现3D打印RPD的基牙合适性低于传统失蜡铸造和切削制造,并且不在临床可接受范围内。这可能由于切削制造的表面精度更佳、3D打印支撑结构拆除会降低表面精确度、以及材料的本身尺寸稳定性的原因。对于局部可摘义齿,其卡环的精细制作还有待提高。

    2.2.3全口修复

    Kanazawa等利用SLM技术制造了全口义齿的钛合金支架,相比于传统制造显示出更高的硬度和致密度(与快速冷却和晶相组成相关)。Wu等利用激光快速成型制造出纯钛基托板,显示出良好的适合性。钛合金具有轻巧、舒适、生物相容性好、高强度的优点,尤其适用于对普通金属过敏的患者,但由于高熔点和气孔率,其在传统铸造上有较大的困难,3D打印工艺的出现有望解决这一问题。

    2.2.4种植体

    种植体表面的孔隙有利于刺激新骨形成。3D打印过程中,通过调整材料粉末的大小,层厚,媒介气体,激光的直径等参数,可以调整每层的孔隙率因而能对整个种植体的孔隙率进行控制,包括大小、分布,制造完成后无需进一步加工。Mangano等的研究表明,DMLS制作的种植体拥有致密的网状结构及高的孔隙率,有利于纤维网的形成、细胞的聚集、成骨细胞的分化;另外的体外实验研究也表明,3D打印制造的钛种植体的表面孔洞形态有利于种植体获得纤维蛋白,招募骨母细胞;Witek等的动物研究表明SLS制造的钛种植体能在早期提供更大的表面积以供血凝块附着,其一周种植体的脱落扭矩及种植体骨结合率大于常规制作酸蚀/喷砂处理的种植体;Qian等利用3D打印技术及后续的烧结制造出钛和羟磷灰石复合体及功能梯度的种植体,能促进成骨及加速愈合;Mangano等的5年回顾性临床研究表明,DMLS制造的钛种植体表面的孔隙结构有利于良好的骨整合;Tunchel等的3年回顾性研究表明制作的钛合金种植体有很高的临床成功率。如此看出,3D打印制作的种植体在骨结合及机械性能方面都具有很高的临床应用价值。

    2.3陶瓷

    高分子聚合物和金属的3D打印已经相对成熟,相反,陶瓷材料的3D打印一直是研究的难点,其应用尚处于起步期。陶瓷材料高熔点、高硬度、高脆性,不易加工,故目前3D打印多对陶瓷素胚成型而后需要进一步烧结。SLA,SLS,SLM,3DP,直接喷墨打印等可应用于陶瓷材料的制造。前四者的成品均有孔隙率高的问题,后者能达到较高的致密度。

    3D打印制造陶瓷存在诸多难点:陶瓷墨水流体性能的控制;打印过程中喷头堵塞问题的预防与解决;多聚粘接体或高的剪切场带来的残余应力将导致材料在不同方向上的收缩;台阶样粗糙的表面将降低制造的准确性,并由于该表面形状产生的应力集中将导致整体的强度的下降;孔隙率高,致密度不够。3D打印过程中陶瓷粉浆的组成、流体性质、挤出参数和喷嘴高度的适当调整对于形状和力学性能保证有至关重要的作用。

    粉浆的组成可包括光敏引发剂、聚合单体、稀释剂的选择(SLA原理)。合适的流体性质保证陶瓷粉浆的顺利挤出和即刻固化;而流体性质的调节可以通过调节陶瓷粒度、干物质含量,pH值(不同pH值下黏度不同,且剪切稀释作用的大小不同),有机无机物的比例。喷头高度过低会导致粉浆超密堆积而向侧方溢出,喷头高度过高会造成层与层之间出现微小缝隙,均会影响精确度及力学性能。

    陶瓷的后续烧结温度和时间亦是重要的参数,足够的温度和时间有利于形成光滑的表面及高的内部致密度;温度过高或时间过长则会导致陶瓷黏性降低,产生形变。烧结过程会造成一定的收缩,收缩率是均衡可重复的,有利于尺寸稳定性的保证;烧结过程可有望消除台阶样的粗糙表面。

    Dehurtevent等利用SLA技术制造氧化铝底冠,结构致密,机械性能良好。并且指出粉浆中较陶瓷高粒度,较高干物质比例更为合适。Ebert等利用直接喷墨技术打印出氧化锆陶瓷冠并后续烧结,微观结构致密,力学强度堪比冷等静压成型的氧化钇增韧氧化锆。其借助了特殊的超声清洁和剥离设备防止堵头;速干装置加速粉浆固化保证精确度。Osman等利用DLP技术制造了氧化锆种植体,打印过程借助光固化材料成型,打印完成后去除光固化材料再最终烧结成型,得到良好的打印精确度,力学性能堪比传统制造的氧化锆;但观察到细微的内部裂纹,可能与光固化介质中溶剂的蒸发、陶瓷比例的不足有关。Tian等利用SLS制作饰面瓷,调节恰当的参数得到了致密的结构。陶瓷的直接3D打印有望实现,但仍然需要完善研究以形成完善的应用流程。

    3.总结

    3D打印技术在口腔修复体的直接制作中具有相当大的价值,其克服了诸多传统铸造和切削制造带来的难题,但也存在较多应用的问题,3D打印层与层之间的连接如何达到层内部的连接效果、修复体如何达到适当的机械性能及精准度,以及如何达到更高的时间经济效应、开发私人可操作的小型设备,实现陶瓷打印的临床应用,都是接下来研究需要关注的问题。

编辑: 陆美凤

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