三维打印在口腔修复领域中的应用

2017-10-18 11:10  来源:中华口腔医学杂志
作者:孙玉春 李榕 周永胜 王勇 阅读量:2750

    三维打印(three-dimensional printing,3DP)也称增材制造(additive manufacturing),其通过逐层累加材料将三维数据实体化。从机械学角度来看,三维打印设备是原理相对简单的机器人装置,最早在20世纪80年代开始用于制造模型和铸造蜡型,当时被称为快速原型或快速成形(rapid prototyping,RP)。口腔修复体形态复杂、个性化特征强且常需多种材料一体化成形,方能满足功能与美学的需求,这与三维打印原理的契合度较高,目前三维打印在口腔修复学的发展中扮演越来越重要的角色。

    一、已应用于口腔修复领域的三维打印工艺

    根据材料成形原理,可将目前已应用于口腔修复领域的各种三维打印工艺分为3大类,即光固化成形、烧结成形和熔凝成形。

    1.光固化成形:

    适用于各种光固化树脂基的非金属材料,成形精度较高,制件表面质量优良,但强度较低,多用于制作模型、导板和蜡型。常见打印工艺:①立体平版印刷(stereolithgraphy,SLA),通过逐点扫描光固化液态材料打印制件,应用历史最悠久,但逐点固化效率较低,且单次打印只能应用同种材料,逐渐被其他改良光固化成形工艺替代。②数字光处理(digital light processor,DLP),用整幅的投影光图案替代逐点扫描,单层材料同时固化,效率大幅度提高,是目前光固化成形的主流工艺类型;借助连续液态界面成形(continuous liquid interface production,CLIP)技术,可成百倍提升DLP打印效率,打印分辨率<0.1 mm,但实际打印效果尚待全面评价,且单次打印仅能使用同种材料。③感光聚合物喷射(photopolymer jetting,PPJ),采用逐点喷射的方式供给液态光固化材料并同步光固化,通过多个喷头供料可实现多种材料一体化打印;若借助材料混合喷头,还可实现多种材料的梯度比例混合打印,可用于弹性与刚性梯度混合体、真彩色制件等,但逐点打印效率较低。

    各种光固化成形的树脂基制件密度、机械强度较低,难以与压铸成形的人工牙和基托媲美,主要用于打印口内三维扫描实体模型、各类手术导板等,并逐渐扩展到制作诊断性临时冠桥和用于失蜡铸造的树脂熔模。近年,光固化成形工艺也开始用于陶瓷制品素坯的三维打印,通过烧结等后处理工艺,可使树脂基陶瓷制件致密化,强度大幅度提高,但仍存在较大的体积收缩。

    2.烧结成形:

    采用高能量激光或电子束作能源,将材料粉末直接烧结至熔点后相互连接,适用于树脂、金属和陶瓷制件的直接成形。烧结成形加工速度快、强度大、材料适用面广且利用率高,但设备购置与应用成本较高,且单次打印也仅能使用同种材料。常见工艺分为:①选区激光烧结(selective laser sintering,SLS),适用于非金属材料,目前主要用于打印尼龙、聚醚醚酮等高性能树脂基材料和氧化锆、氧化铝等陶瓷材料;②选区激光熔化(selective laser melting,SLM),适用于金属材料,目前主要用于打印不锈钢、纯钛、钛合金以及钴铬合金粉末等;③电子束熔化(electron beam melting,EBM),加工原理与SLM类似,主要差异在于EBM采用高能电子束而非激光束熔融金属粉末,功率更高,但制件表面粗糙度较大,加工精度仅为0.3~ 0.4 mm,因此不适合加工冠桥等修复体;但可生成具有高度孔隙率的结构,所加工的种植体更接近骨的弹性模量。

    烧结成形原理上类似于逐点微铸造或注塑,与传统整体铸造或注塑技术相比,可较易加工至100%的致密度。尽管烧结成形打印过程简单,但后处理却较复杂。同时,精细的金属粉末、高度均一性的纳米材料颗粒的应用与清洁,均威胁操作者的健康和安全。此外,此技术应用成本较高,相比之下铸造技术具有更大的成本优势。但大型激光烧结成形设备可在24 h内打印完成400~500个全冠,批量加工效率是铸造技术无法比拟的。

    3.熔凝成形:

    将蜡、低熔点树脂等材料加热至融化状态后挤出或喷出,通过冷却凝固定形。打印工艺包括熔融沉积成形(fusion deposition modeling,FDM)和多点喷射成形。

    (1) FDM:

    设备与材料成本均较低,材料收缩补偿后的打印精度可达50 μm。常规打印材料为生物降解性聚乳酸,适用于打印精度要求相对较低、形态不复杂的口腔医用制品,例如全口义齿注塑蜡型、个别托盘等。价格较高的高精度FDM打印设备也可打印固定修复模型、种植导板和铸造或注塑蜡型,但效率明显下降。FDM设备可微型化,且使用丝状材料、操作简单,因此,更适用于口腔诊疗环境。此外,FDM可通过增加材料挤出头的数量支持多种材料一体化成形,但可显著减少打印喷头的运动行程。

    (2)多点喷射成形:

    通过喷头阵列,多点喷射融化的蜡滴成形制件。主要用于打印可铸造熔模,但直径达10微米级的喷头非常容易堵塞减少打印喷头的运动形成。

    二、三维打印在口腔修复领域中的应用与评价

    1.模型:

    尽管目前已可通过口内三维获取的数字模型实现单一材质修复体(例如氧化锆全瓷冠桥)的数字化设计与制作,理论上无需实体模型,但此类修复体终末精细化调磨等手工步骤(例如邻接触面、面的手工调磨等),以及需手工制作的修复体(例如铸造冠桥)等,仍需要借助实体模型方可完成,而且口腔从业人员已习惯于在模型上观察、调改修复体的制作效果,短期内难以改变。三维打印将口内三维扫描获取的数字印模打印成可精确组装的修复工作模型、代型以及简单架,口腔医师可做术前美学分析和牙体预备量预估,口腔修复技师可在模型上完成烤瓷以及义齿的最终调改等操作,目前模型三维打印已得到较广泛的应用,但应用成本远高于传统石膏模型。

    关于三维打印模型的精度,Hazeveld等通过测量牙冠高度与牙冠宽度,比较石膏模型与多种三维打印模型的精度,发现牙冠宽度的最大误差为-0.08 mm,尚在临床可接受的范围内。Kasparova等比较了石膏模型与三维打印模型的截面宽度,两者差异均值最大可达0.17 mm,配对样本t检验显示两类模型差异均无统计学意义。显然,在控制成本的前提下,三维打印模型的精度尚待提高。理论上,各种三维打印工艺均可打印模型,但光固化成形工艺最常用。

    2.导板:

    光固化和融凝成形原理的三维打印工艺,均可制作种植导板,光固化成形打印的半透明种植导板最常用。Shen等三维打印种植导板并辅助种植体植入,发现种植体实际位置与术前计划位置的种植体颈部偏差为(1.18±0.72)mm,根尖偏差为(1.43±0.74)mm,角度偏差为4.21°±1.91°。Sarment等研究了SLA种植导板的精确性发现,应用种植导板后种植体的实际植入位置与设计位置的偏差为0.9 mm。种植导板的误差来源主要包括CT数据重建与多源数据配准、三维打印以及临床操作三部分,因此,导板三维打印精度的不断提高,有利于提高种植导板在余留天然牙、口腔黏膜及骨面上的就位精度和种植窝预备时的引导精度。

    3.蜡型:

    光固化和融凝成形工艺最常用,均可打印可铸造的含蜡树脂或者纯树脂蜡型。有学者用光固化工艺打印可摘局部义齿支架的铸造熔模,包埋铸造后义齿支架在模型上适合性良好,Bibb等则将这一流程制作的支架在患者口内成功完成了试戴,结果显示可满足临床修复要求。

    Batson等用光固化成形打印了烤瓷基底冠蜡型,对比了最终完成的烤瓷冠与切削加工的二硅酸锂增强玻璃陶瓷冠和氧化锆全瓷冠的边缘适合性,发现各组差异无统计学意义。Fathi等对切削和三维打印的蜡型进行铸造,量化评价基底冠的适合性,并与传统手工蜡型对比,结果显示数字化加工的蜡型可达到与传统手工蜡型一致或更好的边缘及内部适合性。

    Yuan等用光固化成形工艺打印含蜡树脂,Chen等用融凝成形原理打印纯蜡,分别打印预留人工牙定位孔的的全口义齿注塑或装胶用基托蜡型,插入人工牙后口内试戴效果良好,但人工牙与基托的空间关系需要手工微调。

    需要注意的是,由于三维打印的有机高分子材料成分与传统工艺使用的蜡不同,因此应用三维打印时需要考虑材料的铸造性能。

    4.金属修复体:

    口腔医学领域常用的金属材料包括钴铬合金、钛合金(Ti-6Al-4V)与纯钛,贵金属合金亦有少量报道。固定修复体相关研究主要集中于内部与边缘适合性评价,Quante等采用激光烧结工艺打印钴铬合金和金合金基底冠,评价其边缘和内部间隙,边缘间隙均在74~ 99 μm之间,内部间隙均在250~350 μm之间,两组差异无统计学意义,可满足临床需要。Ucar等比较了激光烧结和传统铸造制作的钴铬合金基底冠的内部适合性,两组内部间隙数值差异无统计学意义。Örtorp等评估了激光烧结的三单位钴铬固定桥的组织面适合性,结果优于传统的失蜡铸造技术。Kim等采用三维方法评价了SLS加工的钴铬合金基底冠的内部适合性,间隙值[(47.3±8.6)μm]显著优于失蜡铸造组[(64.1±14.2)μm]。Nesse等通过SLM制作钴铬合金三单位固定桥基底,其适合性劣于失蜡铸造组,未满足临床要求。Kim等亦发现激光烧结的钴铬合金基底冠边缘间隙值大于失蜡铸造组,但能满足临床需求。Kaleli和Saraç发现,两种钴铬金属粉末激光加工系统完成的基底冠的边缘适合性均优于失蜡铸造组。

    在可摘局部义齿支架三维打印方面,Williams采用SLM为1例患者制作了钴铬合金可摘局部义齿支架,取得了较好的临床效果。理论上,SLM加工的金属部件内部结构均匀致密,但存在两种误差来源:①逐点加工原理易在加工较大尺寸制件时产生较大的应力集中与形变,非连续性随机烧结工艺与后续热处理有助于减少此类误差;②金属烧结成形过程中,激光光斑直径常为50~100 μm,对刃状边缘等薄壁结构的成形存在局限,需要通过局部增厚设计及手工打磨补偿。

    烧结成形制作修复体的适合性,不同研究结论不同,可能与加工设备的技术细节、加工精度、材料成分及修复体设计参数不同相关,但该工艺制作的修复体在微观结构及理化性能等方面存在独特的优势。Al等发现SLM加工的钴铬合金试样均匀致密,无明显内部空隙,而失蜡铸造组可见大量孔隙,提示SLM加工钴铬合金可能有更好的机械强度。Takaichi等证实,SLM加工的钴铬合金尽管存在各向异性,但其屈服强度、极限拉伸强度均优于失蜡铸造组。Tuna等发现,激光烧结加工的钴铬合金较失蜡铸造有更优良的耐腐蚀性能。在金-瓷结合界面强度方面,Iseri等发现激光烧结加工的钛合金与饰瓷粘接的剪切强度大于铸造和切削加工的纯钛。

    SLS或SLM加工设备常体积庞大、价格昂贵,仍主要见于大型义齿加工中心,其原材料价格显著高于传统铸造工艺。而对于金合金类贵金属材料,其应用价值仍有待进一步讨论。

    5.个性化种植体:

    近年,有学者三维打印个性化种植体,以实现种植体与拔牙窝三维形状的吻合,减少对软硬组织的破坏。Figliuzzi等用CT获取拔除前上颌右侧第二前磨牙残根数据,激光烧结个性化钛合金(Ti-6Al-4V)种植体,拔除患牙后即刻种植并即刻修复,1年随访结果显示,个性化种植体及美观效果良好。Traini等激光烧结钛合金试件,并分别测量表面多孔层和内部致密层的弹性模量,前者更接近骨皮质,后者更接近机械加工的钛金属,提示此方法加工钛合金种植体能减小应力屏蔽效应,有利于种植体长期稳定。Mangano等将激光烧结的一段式窄直径种植体用于临床患者的后牙种植修复治疗,37枚种植体随访2年后存留率为100.0%,成功率为94.6%。

    三维打印制作种植体的独特优势在于:适用于需要复杂形态、个性化种植体的特殊病例,直接制造仿生表面,例如类天然骨形态,以及定制植入物的内部结构,控制其力学性能与人骨骼接近,降低功能运动中应力屏障可能导致的远期植入失败。但相关结构设计与打印工艺尚待进一步优化。而劣势也很明显,即全粗糙表面易引起菌斑附着,且加工精度不足,必须辅以精密二次减材加工种植体与基台的衔接结构,方能实现高精度匹配。

    6.氧化锆修复体:

    氧化锆等复合陶瓷材料因其良好的机械强度、生物相容性及美观性能,目前广泛用于制作固定修复体。三维打印氧化锆可减少材料的浪费及环境污染,并有望通过特殊内部结构的打印实现硬度等力学性能的仿生,但相关研究尚处于起步阶段。氧化锆三维打印的早期研究以激光烧结为主,但均存在制件致密度及成形效率低,表面粗糙以及易产生裂纹等问题。光固化成形的陶瓷素坯表面质量较好、结构精度可控性强,迅速成为研究热点。Mitteramskogler等利用光固化工艺和高黏度树脂基氧化锆浆料,打印的氧化锆素坯固相含量为45%,分层厚度最小为25 μm,烧结后致密度可达98%。Lian等开发了水基二氧化锆陶瓷浆料,将陶瓷固相含量为40%的浆料黏度降低到0.127 Pa·s,并用自行研发设备与工艺获得了致密度为98.58%的烧结制件。但制件收缩变形量较大(20%~30%),且微观结构易出现断裂纹等缺陷。

    目前,氧化锆三维打印过程中内部应力大、烧结后易产生裂纹以及体积收缩较大等问题,均可影响其力学性能和临床适合性,加工工艺尚需进一步研究。

    三、问题与展望

    在各行业需求的牵引下,三维打印工艺与材料技术正在快速发展,种类繁多,需进行必要的比较、评估和参数优化才能应用于口腔修复临床。目前在口腔医学领域中应用三维打印技术存在设备昂贵、数据处理软件系统专业性高、专用打印工艺尚未完全成熟等问题。各种工艺、设备加工时对材料的性状有不同的要求,限制了材料的应用,而且加工中材料力学性能的改变也是一个不可避免的问题。

    目前,整个口腔医疗行业已接受了数字化制造技术,很多义齿加工中心已用数字化技术替代了大部分的传统手工操作,仅将修复体的最终调改步骤留给了手工。早期的加工模式以集中工业化加工为主,现在许多义齿加工中心已有自己的模型扫描仪和数控加工单元。在牙科诊疗环境中,口内三维扫描和锥形束CT越来越普及。这些均意味着口腔医务工作者正逐渐习惯于数字化操作。三维打印提供了CAD数据的另外一种输出方式,将复杂形态的对象直接实体化,尤其在制作对象的结构是唯一的、需要定制的、形态复杂且三维数据较易获取之时。

    目前,数字化修复技术已从技工室走向临床,不但可辅助口腔技师更快捷、低成本地制作质量稳定的修复体,还可辅助临床医师更精准地完成种植体植入、牙体预备等临床操作,甚至还可通过控制结构实现修复材料的个性化定制,这均得益于三维打印工艺可直接成形复杂宏观表面与微观内部结构的特性。2015至2016年,Wegst等和Tertuliano和Greer在Nature Materials上连续报道了天然牙和骨的多级、跨尺度微观结构的独特力学性能仿生研究,并明确指出结构设计与三维打印是有效的仿生制造手段。未来,可用三维打印制作许多创新的口腔修复体以及创造更多的修复体制作方法,例如一体化三维打印的金属烤瓷冠桥和全口义齿、仿生天然牙釉质耐磨性的氧化锆全瓷冠桥等。但打印精度、跨尺度仿生结构设计以及多种材料一体化打印强度等瓶颈问题需要突破。同时,三维打印用于医学领域的相关标准还未出台,亟需相关行业和国家标准约束,以便进一步提高三维打印工艺的应用效果。

编辑: 陆美凤

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