選擇性激光熔覆(SLM)鈦合金可摘局部義齒支架的適合性研究

劉一帆 王偉娜 于海 馬瑞 吳冰 高勃

可摘局部義齒(removable partial denture, RPD)金屬支架的適合性能較好的反映該修復(fù)體制作的精密程度，是臨床評(píng)價(jià)該修復(fù)體質(zhì)量及臨床效果的重要指標(biāo)。選擇性激光熔覆(selective laser melting， SLM)是以增材制造技術(shù)為基礎(chǔ)，近年來(lái)新興的一種先進(jìn)的金屬快速成型技術(shù)[1]，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外鮮見(jiàn)SLM技術(shù)制作的鈦合金RPD支架的適合性的相關(guān)研究報(bào)道，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用“印模法”和三維光學(xué)測(cè)量法對(duì)SLM技術(shù)制作的鈦合金RPD支架的適合性進(jìn)行研究，初步評(píng)價(jià)SLM技術(shù)制作鈦合金RPD支架的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

DMG加成型硅橡膠印模材料(DMG，德國(guó))；GC而至硅橡膠輕體(GC，日本)；超硬石膏(湖北貝諾齒科材料有限公司)； 3Shape Dental System軟件及D810掃描儀(3Shape，丹麥)；遮光劑(Dentaco，德國(guó))；選擇性激光熔覆機(jī)M280及Ti- 6Al- 4V鈦合金粉末(EOS，德國(guó))；Materialise Magics軟件(MATERIALISE，比利時(shí))。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 原始模型的獲取 選取2016～04于第四軍醫(yī)大學(xué)口腔修復(fù)科就診的1 名肯氏Ⅲ類牙列缺損患者(圖 1)，其15、16牙缺失，14牙經(jīng)樹脂帽恢復(fù)后作為覆蓋基牙，13、17、23牙近中預(yù)備合支托窩，常規(guī)制備導(dǎo)平面，24-25-26-27為烤瓷聯(lián)冠，因27牙遠(yuǎn)中崩瓷，僅做少量預(yù)備。該患者已經(jīng)臨床常規(guī)方式完成可摘局部義齒修復(fù)，以其工作模型作為原始模型(圖 2)，使用硅橡膠印模翻制7副超硬石膏模型。

1.2.2 RPD支架的設(shè)計(jì)與制作 通過(guò)掃描儀獲取石膏模型的三維形貌數(shù)據(jù)并重建為數(shù)字化模型，使用3Shape設(shè)計(jì)軟件在其上完成RPD支架的CAD設(shè)計(jì)(此處缺牙區(qū)為全金屬基托設(shè)計(jì)，以便于在其上添加人工預(yù)備體，用于后續(xù)研究,圖 3)，保存CAD設(shè)計(jì)為STL(STereo Lithography)格式文件，隨后將其導(dǎo)入到Magics軟件中添加支撐并離散分層，最后使用選擇性激光熔覆機(jī)制作出相應(yīng)的RPD鈦合金支架(圖 4)。手動(dòng)去除支撐物，隨后進(jìn)行熱處理，將支架緩慢升溫至800 ℃，保溫4 h，使用氬氣進(jìn)行冷卻，最后按技工室常規(guī)流程對(duì)RPD支架進(jìn)行手動(dòng)粗打磨、精細(xì)打磨、拋光，其中對(duì)支架組織面只進(jìn)行少量的打磨和拋光(圖 5)，并使其完全就位于石膏模型上。

1.2.3 “復(fù)模法”制取間隙硅橡膠薄膜 將支架的組織面涂布少量石蠟油，用氣槍輕吹使其均勻分布，將硅橡膠輕體注射到石膏模型上的相應(yīng)位置，手動(dòng)將支架完全復(fù)位于模型上，再將重量約3 kg的金屬塊置于支架腭板上，加載約30 N壓力直至輕體完全凝固，用手術(shù)刀片仔細(xì)去除支架邊緣以外的輕體并取下支架，使輕體薄膜完全粘附于模型上(圖 6)。

圖 1 患者上頜情況 圖 2 工作模型 圖 3 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)RPD支架

圖 4 SLM制作RPD支架 圖 5 處理后的RPD支架 圖 6 間隙的硅橡膠輕體薄膜

1.2.4 RPD支架的適合性評(píng)價(jià) 將上述石膏模型表面均勻噴布一層遮光劑，放入掃描儀中掃描獲取其數(shù)字化模型，保存為STL文件A；仔細(xì)去除石膏模型表面的輕體薄膜后再次進(jìn)行掃描，保存為STL文件B，前后2 次操作在同一工作臺(tái)上的相同位置完成。將每個(gè)支架獲取的2 個(gè)文件分別導(dǎo)入Geomagic Qualify 13.0軟件，通過(guò)最佳擬合算法對(duì)齊，裁剪腭板大連接體部分進(jìn)行3D偏差分析(平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、RMS偏差)。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，根據(jù)其來(lái)源于文件A、B分為2 大組分別進(jìn)行聯(lián)合處理，進(jìn)行總體3D偏差分析。

2 結(jié) 果

肉眼觀察發(fā)現(xiàn)RPD支架適合性良好，支架完全就位于石膏模型，其組織面與模型貼合，無(wú)明顯翹動(dòng)(圖 7)。從Geomagic Qualify軟件求得的3D偏差圖可看出，腭板大連接體的絕大部分區(qū)域?yàn)辄S色向橙色漸變，由右側(cè)的彩虹圖可知，其偏差主要介于0.15～0.30 mm之間(圖 8)。通過(guò)軟件可以統(tǒng)計(jì)出7個(gè)支架的個(gè)別和總體3D偏差數(shù)據(jù)(表 1)，其總體偏差為(0.221 9±0.07) mm。

圖 7 RPD支架在模型上就位

圖 8 腭板大連接體的3D偏差圖

表 1 RPD支架的3D偏差數(shù)據(jù)

3 討 論

隨著CAD/CAM技術(shù)在口腔修復(fù)領(lǐng)域的引進(jìn)和不斷發(fā)展應(yīng)用，目前在固定義齒和種植義齒方面，從開(kāi)始到結(jié)束已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了完全數(shù)字化制造，而活動(dòng)義齒的制作卻一直沒(méi)有得到較大的發(fā)展[2]。其中，可摘局部義齒因其復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和精細(xì)的零部件，很難在預(yù)制金屬坯塊上建立適合切削機(jī)器的附著點(diǎn)[3]，并且在切削加工的過(guò)程易產(chǎn)生變形[4]，不是很適合通過(guò)CAD/CAM切削制作；同時(shí)由于后續(xù)繁瑣的組裝加工程序[5]，目前未能實(shí)現(xiàn)高效的完全數(shù)字化制作。而SLM技術(shù)在口腔修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用，極大的提高了可摘局部義齒的制作效率和加工精度。SLM技術(shù)能夠直接加工出擁有倒凹、中空、鏤空等復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的物體；材料利用率高，回收再利用率可達(dá)95%[6]；加工修復(fù)體的內(nèi)部致密性好，其密度可達(dá)99.8%以上[7]；避免了傳統(tǒng)失蠟鑄造技術(shù)的繁瑣流程，減少誤差的產(chǎn)生[8]；通過(guò)人工牙和支架一體成型制作，可以徹底摒棄后續(xù)的排牙及塑料充填程序，效率極高。

RPD支架良好的適合性對(duì)延長(zhǎng)其使用壽命是至關(guān)重要的，因其能減少菌斑堆積，同時(shí)也能讓患者更方便的摘戴，避免這些不良的機(jī)械力學(xué)和生物因素對(duì)患者健康產(chǎn)生影響。目前國(guó)際上關(guān)于RPD支架的適合性沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只要支架完全就位，無(wú)明顯翹動(dòng)和間隙即可認(rèn)為適合性良好，缺乏客觀量化指標(biāo)[9]。對(duì)于鑄造RPD支架的適合性，Rantanen等[10]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)RPD支架腭板與上腭間的距離在石膏模型上為0.09～0.68 mm，在口內(nèi)則為0.11～0.93 mm；Diwan等[11]測(cè)量了儲(chǔ)存于不同時(shí)間段的蠟型鑄造后的RPD支架的適合性，發(fā)現(xiàn)最小的間隙距離為(0.29±0.05) mm；Viswambaran等[12]測(cè)量了不同儲(chǔ)存時(shí)間和支架設(shè)計(jì)的RPD鑄造基托的適合性，發(fā)現(xiàn)最小誤差為(0.19±0.03) mm。本實(shí)驗(yàn)采用“印模法”對(duì)RPD支架的適合性進(jìn)行研究，結(jié)果顯示腭板大連接體與軟組織間的間隙為(0.221 9±0.07) mm。綜上，可認(rèn)為本實(shí)驗(yàn)通過(guò)SLM技術(shù)制作的鈦合金RPD支架的適合性良好，滿足臨床要求。

造成SLM制作的RPD支架組織面與模型存在間隙的原因是多方面的[13-14]，其中SLM技術(shù)的加工精度以及支架組織面的打磨拋光是造成偏差產(chǎn)生的主要原因。陳光霞等[15-16]研究發(fā)現(xiàn)SLM制作的鈦合金RPD支架的加工精度為±0.172 mm，表面粗糙度(Ra)為4.11～12.02 μm；而Brudvik等[17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鑄造金屬支架經(jīng)技工室粗打磨、精細(xì)打磨、電解拋光、預(yù)拋光、高度拋光后去除的金屬量最少為0.127 mm。該值是在高度仔細(xì)操作的情況下獲得，技工室常規(guī)打磨拋光的金屬去除量將比該值大，本實(shí)驗(yàn)對(duì)支架組織面僅進(jìn)行少量的手動(dòng)打磨、拋光，未進(jìn)行電解拋光，組織面金屬去除量略大于0.1 mm。

此外，支架的CAD/CAM流程及數(shù)據(jù)的分析階段均存在著誤差，包括：①模型掃描，光學(xué)掃描儀通過(guò)掃描獲取模型的三維形貌數(shù)據(jù)并重建為數(shù)字化工作模型，該過(guò)程本質(zhì)上是不斷取近似值的過(guò)程，因此必然存在著誤差[18-19]；目前大多數(shù)口外光學(xué)掃描儀的掃描精度雖已達(dá)到5～30 μm，但三維重建后的數(shù)字化模型與原始石膏模型之間的誤差將大于該值，以全牙弓模型為甚。此外，遮光劑的使用也將引入新的誤差[20]；②RPD支架CAD設(shè)計(jì)，3D打印機(jī)對(duì)STL文件的數(shù)據(jù)完整性要求較高，由修復(fù)體CAD軟件生成的RPD支架數(shù)據(jù)文件常存在自相交、折射邊、釘狀物、孔洞等錯(cuò)誤，很難直接用于3D打印，需借助第三方軟件進(jìn)行完整性修復(fù)，該過(guò)程會(huì)導(dǎo)致原有的修復(fù)體形態(tài)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生誤差；③SLM制作RPD支架，以往研究表明，SLM加工過(guò)程中激光功率、掃描速度、切片層厚、粉末粒徑等參數(shù)對(duì)修復(fù)體的加工精度均有影響，該加工過(guò)程不可避免的導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生[21]；④數(shù)據(jù)的對(duì)齊，數(shù)據(jù)使用最佳擬合算法進(jìn)行對(duì)齊，該算法的本質(zhì)決定了對(duì)齊后的數(shù)據(jù)與實(shí)際情況存在誤差，從而影響了后續(xù)的3D偏差分析結(jié)果[22]。