健康小常識:一招幫你治好牙龈腫痛!

2019-05-20 17:04:14 來源:163健康
浏覽量:

    三維打印(three-dimensional printing,3DP)也稱增材制造(additive manufacturing),其通過逐層累加材料將三維數據實體化。從機械學角度來看,三維打印設備是原理相對簡單的機器人裝置,最早在20世紀80年代開始用于制造模型和鑄造蠟型,當時被稱爲快速原型或快速成形(rapid prototyping,RP)。口腔修複體形態複雜、個性化特征強且常需多種材料一體化成形,方能滿足功能與美學的需求,這與三維打印原理的契合度較高,目前三維打印在口腔修複學的發展中扮演越來越重要的角色。

    一、已應用于口腔修複領域的三維打印工藝

    根據材料成形原理,可將目前已應用于口腔修複領域的各種三維打印工藝分爲3大類,即光固化成形、燒結成形和熔凝成形。

    1.光固化成形:

    適用于各種光固化樹脂基的非金屬材料,成形精度較高,制件表面質量優良,但強度較低,多用于制作模型、導板和蠟型。常見打印工藝:①立體平版印刷(stereolithgraphy,SLA),通過逐點掃描光固化液態材料打印制件,應用曆史最悠久,但逐點固化效率較低,且單次打印只能應用同種材料,逐漸被其他改良光固化成形工藝替代。②數字光處理(digital light processor,DLP),用整幅的投影光圖案替代逐點掃描,單層材料同時固化,效率大幅度提高,是目前光固化成形的主流工藝類型;借助連續液態界面成形(continuous liquid interface production,CLIP)技術,可成百倍提升DLP打印效率,打印分辨率<0.1 mm,但實際打印效果尚待全面評價,且單次打印僅能使用同種材料。③感光聚合物噴射(photopolymer jetting,PPJ),采用逐點噴射的方式供給液態光固化材料並同步光固化,通過多個噴頭供料可實現多種材料一體化打印;若借助材料混合噴頭,還可實現多種材料的梯度比例混合打印,可用于彈性與剛性梯度混合體、真彩色制件等,但逐點打印效率較低。

    各種光固化成形的樹脂基制件密度、機械強度較低,難以與壓鑄成形的人工牙和基托媲美,主要用于打印口內三維掃描實體模型、各類手術導板等,並逐漸擴展到制作診斷性臨時冠橋和用于失蠟鑄造的樹脂熔模。近年,光固化成形工藝也開始用于陶瓷制品素坯的三維打印,通過燒結等後處理工藝,可使樹脂基陶瓷制件致密化,強度大幅度提高,但仍存在較大的體積收縮。

    2.燒結成形:

    采用高能量激光或電子束作能源,將材料粉末直接燒結至熔點後相互連接,適用于樹脂、金屬和陶瓷制件的直接成形。燒結成形加工速度快、強度大、材料適用面廣且利用率高,但設備購置與應用成本較高,且單次打印也僅能使用同種材料。常見工藝分爲:①選區激光燒結(selective laser sintering,SLS),適用于非金屬材料,目前主要用于打印尼龍、聚醚醚酮等高性能樹脂基材料和氧化锆、氧化鋁等陶瓷材料;②選區激光熔化(selective laser melting,SLM),適用于金屬材料,目前主要用于打印不鏽鋼、純钛、钛合金以及钴鉻合金粉末等;③電子束熔化(electron beam melting,EBM),加工原理與SLM類似,主要差異在于EBM采用高能電子束而非激光束熔融金屬粉末,功率更高,但制件表面粗糙度較大,加工精度僅爲0.3~ 0.4 mm,因此不適合加工冠橋等修複體;但可生成具有高度孔隙率的結構,所加工的種植體更接近骨的彈性模量。

    燒結成形原理上類似于逐點微鑄造或注塑,與傳統整體鑄造或注塑技術相比,可較易加工至100%的致密度。盡管燒結成形打印過程簡單,但後處理卻較複雜。同時,精細的金屬粉末、高度均一性的納米材料顆粒的應用與清潔,均威脅操作者的健康和安全。此外,此技術應用成本較高,相比之下鑄造技術具有更大的成本優勢。但大型激光燒結成形設備可在24 h內打印完成400~500個全冠,批量加工效率是鑄造技術無法比擬的。

    3.熔凝成形:

    將蠟、低熔點樹脂等材料加熱至融化狀態後擠出或噴出,通過冷卻凝固定形。打印工藝包括熔融沉積成形(fusion deposition modeling,FDM)和多點噴射成形。

    (1) FDM:

    設備與材料成本均較低,材料收縮補償後的打印精度可達50 μm。常規打印材料爲生物降解性聚乳酸,適用于打印精度要求相對較低、形態不複雜的口腔醫用制品,例如全口義齒注塑蠟型、個別托盤等。價格較高的高精度FDM打印設備也可打印固定修複模型、種植導板和鑄造或注塑蠟型,但效率明顯下降。FDM設備可微型化,且使用絲狀材料、操作簡單,因此,更適用于口腔診療環境。此外,FDM可通過增加材料擠出頭的數量支持多種材料一體化成形,但可顯著減少打印噴頭的運動行程。

    (2)多點噴射成形:

    通過噴頭陣列,多點噴射融化的蠟滴成形制件。主要用于打印可鑄造熔模,但直徑達10微米級的噴頭非常容易堵塞減少打印噴頭的運動形成。

    二、三維打印在口腔修複領域中的應用與評價

    1.模型:

    盡管目前已可通過口內三維獲取的數字模型實現單一材質修複體(例如氧化锆全瓷冠橋)的數字化設計與制作,理論上無需實體模型,但此類修複體終末精細化調磨等手工步驟(例如鄰接觸面、面的手工調磨等),以及需手工制作的修複體(例如鑄造冠橋)等,仍需要借助實體模型方可完成,而且口腔從業人員已習慣于在模型上觀察、調改修複體的制作效果,短期內難以改變。三維打印將口內三維掃描獲取的數字印模打印成可精確組裝的修複工作模型、代型以及簡單架,口腔醫師可做術前美學分析和牙體預備量預估,口腔修複技師可在模型上完成烤瓷以及義齒的最終調改等操作,目前模型三維打印已得到較廣泛的應用,但應用成本遠高于傳統石膏模型。

    關于三維打印模型的精度,Hazeveld等通過測量牙冠高度與牙冠寬度,比較石膏模型與多種三維打印模型的精度,發現牙冠寬度的最大誤差爲-0.08 mm,尚在臨床可接受的範圍內。Kasparova等比較了石膏模型與三維打印模型的截面寬度,兩者差異均值最大可達0.17 mm,配對樣本t檢驗顯示兩類模型差異均無統計學意義。顯然,在控制成本的前提下,三維打印模型的精度尚待提高。理論上,各種三維打印工藝均可打印模型,但光固化成形工藝最常用。

    2.導板:

    光固化和融凝成形原理的三維打印工藝,均可制作種植導板,光固化成形打印的半透明種植導板最常用。Shen等三維打印種植導板並輔助種植體植入,發現種植體實際位置與術前計劃位置的種植體頸部偏差爲(1.18±0.72)mm,根尖偏差爲(1.43±0.74)mm,角度偏差爲4.21°±1.91°。Sarment等研究了SLA種植導板的精確性發現,應用種植導板後種植體的實際植入位置與設計位置的偏差爲0.9 mm。種植導板的誤差來源主要包括CT數據重建與多源數據配准、三維打印以及臨床操作三部分,因此,導板三維打印精度的不斷提高,有利于提高種植導板在余留天然牙、口腔黏膜及骨面上的就位精度和種植窩預備時的引導精度。

    3.蠟型:

    光固化和融凝成形工藝最常用,均可打印可鑄造的含蠟樹脂或者純樹脂蠟型。有學者用光固化工藝打印可摘局部義齒支架的鑄造熔模,包埋鑄造後義齒支架在模型上適合性良好,Bibb等則將這一流程制作的支架在患者口內成功完成了試戴,結果顯示可滿足臨床修複要求。

    Batson等用光固化成形打印了烤瓷基底冠蠟型,對比了最終完成的烤瓷冠與切削加工的二硅酸锂增強玻璃陶瓷冠和氧化锆全瓷冠的邊緣適合性,發現各組差異無統計學意義。Fathi等對切削和三維打印的蠟型進行鑄造,量化評價基底冠的適合性,並與傳統手工蠟型對比,結果顯示數字化加工的蠟型可達到與傳統手工蠟型一致或更好的邊緣及內部適合性。

    Yuan等用光固化成形工藝打印含蠟樹脂,Chen等用融凝成形原理打印純蠟,分別打印預留人工牙定位孔的的全口義齒注塑或裝膠用基托蠟型,插入人工牙後口內試戴效果良好,但人工牙與基托的空間關系需要手工微調。

    需要注意的是,由于三維打印的有機高分子材料成分與傳統工藝使用的蠟不同,因此應用三維打印時需要考慮材料的鑄造性能。

    4.金屬修複體:

    口腔醫學領域常用的金屬材料包括钴鉻合金、钛合金(Ti-6Al-4V)與純钛,貴金屬合金亦有少量報道。固定修複體相關研究主要集中于內部與邊緣適合性評價,Quante等采用激光燒結工藝打印钴鉻合金和金合金基底冠,評價其邊緣和內部間隙,邊緣間隙均在74~ 99 μm之間,內部間隙均在250~350 μm之間,兩組差異無統計學意義,可滿足臨床需要。Ucar等比較了激光燒結和傳統鑄造制作的钴鉻合金基底冠的內部適合性,兩組內部間隙數值差異無統計學意義。Örtorp等評估了激光燒結的三單位钴鉻固定橋的組織面適合性,結果優于傳統的失蠟鑄造技術。Kim等采用三維方法評價了SLS加工的钴鉻合金基底冠的內部適合性,間隙值[(47.3±8.6)μm]顯著優于失蠟鑄造組[(64.1±14.2)μm]。Nesse等通過SLM制作钴鉻合金三單位固定橋基底,其適合性劣于失蠟鑄造組,未滿足臨床要求。Kim等亦發現激光燒結的钴鉻合金基底冠邊緣間隙值大于失蠟鑄造組,但能滿足臨床需求。Kaleli和Saraç發現,兩種钴鉻金屬粉末激光加工系統完成的基底冠的邊緣適合性均優于失蠟鑄造組。

    在可摘局部義齒支架三維打印方面,Williams采用SLM爲1例患者制作了钴鉻合金可摘局部義齒支架,取得了較好的臨床效果。理論上,SLM加工的金屬部件內部結構均勻致密,但存在兩種誤差來源:①逐點加工原理易在加工較大尺寸制件時産生較大的應力集中與形變,非連續性隨機燒結工藝與後續熱處理有助于減少此類誤差;②金屬燒結成形過程中,激光光斑直徑常爲50~100 μm,對刃狀邊緣等薄壁結構的成形存在局限,需要通過局部增厚設計及手工打磨補償。

    燒結成形制作修複體的適合性,不同研究結論不同,可能與加工設備的技術細節、加工精度、材料成分及修複體設計參數不同相關,但該工藝制作的修複體在微觀結構及理化性能等方面存在獨特的優勢。Al等發現SLM加工的钴鉻合金試樣均勻致密,無明顯內部空隙,而失蠟鑄造組可見大量孔隙,提示SLM加工钴鉻合金可能有更好的機械強度。Takaichi等證實,SLM加工的钴鉻合金盡管存在各向異性,但其屈服強度、極限拉伸強度均優于失蠟鑄造組。Tuna等發現,激光燒結加工的钴鉻合金較失蠟鑄造有更優良的耐腐蝕性能。在金-瓷結合界面強度方面,Iseri等發現激光燒結加工的钛合金與飾瓷粘接的剪切強度大于鑄造和切削加工的純钛。

    SLS或SLM加工設備常體積龐大、價格昂貴,仍主要見于大型義齒加工中心,其原材料價格顯著高于傳統鑄造工藝。而對于金合金類貴金屬材料,其應用價值仍有待進一步討論。

    5.個性化種植體:

    近年,有學者三維打印個性化種植體,以實現種植體與拔牙窩三維形狀的吻合,減少對軟硬組織的破壞。Figliuzzi等用CT獲取拔除前上颌右側第二前磨牙殘根數據,激光燒結個性化钛合金(Ti-6Al-4V)種植體,拔除患牙後即刻種植並即刻修複,1年隨訪結果顯示,個性化種植體及美觀效果良好。Traini等激光燒結钛合金試件,並分別測量表面多孔層和內部致密層的彈性模量,前者更接近骨皮質,後者更接近機械加工的钛金屬,提示此方法加工钛合金種植體能減小應力屏蔽效應,有利于種植體長期穩定。Mangano等將激光燒結的一段式窄直徑種植體用于臨床患者的後牙種植修複治療,37枚種植體隨訪2年後存留率爲100.0%,成功率爲94.6%。

    三維打印制作種植體的獨特優勢在于:適用于需要複雜形態、個性化種植體的特殊病例,直接制造仿生表面,例如類天然骨形態,以及定制植入物的內部結構,控制其力學性能與人骨骼接近,降低功能運動中應力屏障可能導致的遠期植入失敗。但相關結構設計與打印工藝尚待進一步優化。而劣勢也很明顯,即全粗糙表面易引起菌斑附著,且加工精度不足,必須輔以精密二次減材加工種植體與基台的銜接結構,方能實現高精度匹配。

    6.氧化锆修複體:

    氧化锆等複合陶瓷材料因其良好的機械強度、生物相容性及美觀性能,目前廣泛用于制作固定修複體。三維打印氧化锆可減少材料的浪費及環境汙染,並有望通過特殊內部結構的打印實現硬度等力學性能的仿生,但相關研究尚處于起步階段。氧化锆三維打印的早期研究以激光燒結爲主,但均存在制件致密度及成形效率低,表面粗糙以及易産生裂紋等問題。光固化成形的陶瓷素坯表面質量較好、結構精度可控性強,迅速成爲研究熱點。Mitteramskogler等利用光固化工藝和高黏度樹脂基氧化锆漿料,打印的氧化锆素坯固相含量爲45%,分層厚度最小爲25 μm,燒結後致密度可達98%。Lian等開發了水基二氧化锆陶瓷漿料,將陶瓷固相含量爲40%的漿料黏度降低到0.127 Pa·s,並用自行研發設備與工藝獲得了致密度爲98.58%的燒結制件。但制件收縮變形量較大(20%~30%),且微觀結構易出現斷裂紋等缺陷。

    目前,氧化锆三維打印過程中內部應力大、燒結後易産生裂紋以及體積收縮較大等問題,均可影響其力學性能和臨床適合性,加工工藝尚需進一步研究。

    三、問題與展望

    在各行業需求的牽引下,三維打印工藝與材料技術正在快速發展,種類繁多,需進行必要的比較、評估和參數優化才能應用于口腔修複臨床。目前在口腔醫學領域中應用三維打印技術存在設備昂貴、數據處理軟件系統專業性高、專用打印工藝尚未完全成熟等問題。各種工藝、設備加工時對材料的性狀有不同的要求,限制了材料的應用,而且加工中材料力學性能的改變也是一個不可避免的問題。

    目前,整個口腔醫療行業已接受了數字化制造技術,很多義齒加工中心已用數字化技術替代了大部分的傳統手工操作,僅將修複體的最終調改步驟留給了手工。早期的加工模式以集中工業化加工爲主,現在許多義齒加工中心已有自己的模型掃描儀和數控加工單元。在牙科診療環境中,口內三維掃描和錐形束CT越來越普及。這些均意味著口腔醫務工作者正逐漸習慣于數字化操作。三維打印提供了CAD數據的另外一種輸出方式,將複雜形態的對象直接實體化,尤其在制作對象的結構是唯一的、需要定制的、形態複雜且三維數據較易獲取之時。

    目前,數字化修複技術已從技工室走向臨床,不但可輔助口腔技師更快捷、低成本地制作質量穩定的修複體,還可輔助臨床醫師更精准地完成種植體植入、牙體預備等臨床操作,甚至還可通過控制結構實現修複材料的個性化定制,這均得益于三維打印工藝可直接成形複雜宏觀表面與微觀內部結構的特性。2015至2016年,Wegst等和Tertuliano和Greer在Nature Materials上連續報道了天然牙和骨的多級、跨尺度微觀結構的獨特力學性能仿生研究,並明確指出結構設計與三維打印是有效的仿生制造手段。未來,可用三維打印制作許多創新的口腔修複體以及創造更多的修複體制作方法,例如一體化三維打印的金屬烤瓷冠橋和全口義齒、仿生天然牙釉質耐磨性的氧化锆全瓷冠橋等。但打印精度、跨尺度仿生結構設計以及多種材料一體化打印強度等瓶頸問題需要突破。同時,三維打印用于醫學領域的相關標准還未出台,亟需相關行業和國家標准約束,以便進一步提高三維打印工藝的應用效果。