數(shù)字化制造技術(shù)在口腔修復(fù)中的應(yīng)用

劉一帆 鄭秀麗 馬瑞 高勃

學(xué)習(xí)園地

數(shù)字化制造技術(shù)在口腔修復(fù)中的應(yīng)用

劉一帆 鄭秀麗 馬瑞 高勃

隨著數(shù)字化技術(shù)和制造技術(shù)的不斷發(fā)展和融合，以智能、高效、精確、遠(yuǎn)程等為特點(diǎn)的數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，近年來(lái)已經(jīng)越來(lái)越多應(yīng)用到口腔各領(lǐng)域，并且有望實(shí)現(xiàn)口腔修復(fù)領(lǐng)域的完全數(shù)字化制造。本文將簡(jiǎn)要介紹幾種常見(jiàn)的數(shù)字化制造技術(shù)的工作原理和特點(diǎn)，并總結(jié)其在口腔固定和活動(dòng)修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

數(shù)字化制造； 增材制造； 3D打??； CAD/CAM； 減材制造； 數(shù)控切削

數(shù)字化制造技術(shù)是一項(xiàng)融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料科學(xué)、機(jī)械工程、網(wǎng)絡(luò)信息學(xué)等多學(xué)科知識(shí)的綜合性技術(shù)，而數(shù)字化制造則是指制造領(lǐng)域的數(shù)字化，它是多個(gè)學(xué)科交叉、融合、發(fā)展和應(yīng)用的結(jié)果，也是21世紀(jì)制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。口腔修復(fù)領(lǐng)域的數(shù)字化制造技術(shù)主要包括減材制造(subtractive manufacturing)技術(shù)和增材制造(additive manufacturing，AM)技術(shù)。以下將簡(jiǎn)要介紹這兩種技術(shù)的工作原理和特點(diǎn)，并闡述其在口腔固定和活動(dòng)能夠修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 減材制造和增材制造技術(shù)

1.1 減材制造

減材制造技術(shù)即使用機(jī)械切削、化學(xué)處理、放電加工、激光加工等方式將材料選擇性的從一塊坯料中移除的技術(shù)[1]，口腔醫(yī)師和技師最為熟悉的是計(jì)算機(jī)數(shù)控(computer numerical control, CNC)切削系統(tǒng)[2]，至今一直在口腔修復(fù)體制作領(lǐng)域處于支配性地位[1]，此外還有電火花加工、電化學(xué)加工、光化學(xué)加工、超聲加工等多種技術(shù)[1]。減材制造的優(yōu)勢(shì)在于[3]：①加工精度高，制作的修復(fù)體表面光潔度好，加工完成后無(wú)需過(guò)多的后處理；②對(duì)修復(fù)體CAD設(shè)計(jì)生成的STL(standard triangle language)文件的完整性要求不高，允許模型存在小部分小孔、釘狀物、壞邊等錯(cuò)誤；③可加工材料多；④加工后的修復(fù)體內(nèi)部均質(zhì)性好。其缺點(diǎn)在于[3-4]：①無(wú)法加工嵌套、鏤空等復(fù)雜結(jié)構(gòu)修復(fù)體；②刀具磨耗；③浪費(fèi)材料，90%以上的材料被浪費(fèi)掉，且無(wú)法回收利用。

1.1.1 機(jī)械切削 其能夠加工目前臨床常見(jiàn)的修復(fù)體材料，包括聚合物、復(fù)合材料、陶瓷、金屬、蠟等[2,5-6]。當(dāng)修復(fù)體的CAD模型設(shè)計(jì)完成后，需將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)控切削設(shè)備配套的CAM軟件中進(jìn)行處理，生成一個(gè)包含刀具選擇、主軸移動(dòng)路徑和速度、材料移動(dòng)的配置文件[7]，依靠高速運(yùn)轉(zhuǎn)的切削刀具按照提前設(shè)置的移動(dòng)路徑從多個(gè)方向?qū)ε髁线M(jìn)行加工。

當(dāng)前市面上常見(jiàn)的牙科銑床根據(jù)切削軸的數(shù)量，可分為3、4、5軸數(shù)控切削設(shè)備，其區(qū)別在于切削刀具和坯料用于移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的自由度不同，并直接決定了該設(shè)備能夠加工的修復(fù)體幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，4、5軸設(shè)備能夠加工大型的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的且外表面光滑的修復(fù)體[6]。修復(fù)體的表面光潔度和轉(zhuǎn)角處的適合性主要取決于最小直徑的切削刀具的尺寸[2-3]。

根據(jù)設(shè)備切削過(guò)程是否需要噴水冷卻，可將加工過(guò)程分為干磨和濕磨，前者主要用于切削預(yù)燒結(jié)的氧化鋯坯料，部分樹脂材料也適用于該法；此外，所有的金屬和玻璃陶瓷材料都需使用濕磨法加工，以防止材料在加工過(guò)程過(guò)熱而損壞，對(duì)于完全燒結(jié)的氧化鋯材料也推薦使用該法[2,6]。

切削設(shè)備的加工方式包括硬切削和軟切削，前者主要用于加工金屬、復(fù)合樹脂、完全燒結(jié)的氧化鋯陶瓷材料，加工完成的修復(fù)體的外形尺寸與CAD設(shè)計(jì)時(shí)相同，僅需進(jìn)行拋光或上釉即可用于臨床戴用。由于加工的坯料硬度很高，加工過(guò)程易積累大量熱能，通常采用濕磨法加工。而軟切削是指切削的材料為部分燒結(jié)或結(jié)晶狀態(tài)，需進(jìn)一步通過(guò)熱處理來(lái)獲得完全燒結(jié)或結(jié)晶，達(dá)到其最終的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，該方法主要用于加工預(yù)燒結(jié)的氧化鋯陶瓷，其硬度較低，具有更好的機(jī)加工性能，制作效率較高，且不易磨耗刀具。后者在熱處理后會(huì)發(fā)生25%～30%的收縮，因此在CAM軟件處理時(shí)需進(jìn)行放大補(bǔ)償[2,5]。

1.1.2 激光切削 該方法基于激光燒蝕工藝，通過(guò)高功率的脈沖激光束照射坯塊而從中移除多余的材料，靶向材料通常被吸收的激光能量所加熱而發(fā)生蒸發(fā)、汽化，或轉(zhuǎn)化為等離子直接揮發(fā)[8]。Dental wings公司基于此技術(shù)開(kāi)發(fā)的激光切削系統(tǒng)(laser milling system)能加工聚合物、復(fù)合材料、陶瓷等材料。相比機(jī)械切削，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：①因加工過(guò)程無(wú)銑削刀具直接接觸坯塊，降低了修復(fù)體發(fā)生變形或者破裂的幾率；②不會(huì)發(fā)生刀具磨損，提高了加工精度；③加工過(guò)程不引入新的污染。

1.2 增材制造

該術(shù)語(yǔ)由美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(American Society for Testing and Materials, ASTM)首次提出并定義為一種與減材制造方法相反的，根據(jù)3D模型數(shù)據(jù)以層層堆疊累積材料的方式創(chuàng)建物體的過(guò)程[1]。通常又稱快速成型(Rapid prototyping)，或3D打印。根據(jù)不同的加工工藝，部分修復(fù)體在制作時(shí)需添加支撐結(jié)構(gòu)，用以在加工過(guò)程中固定修復(fù)體，同時(shí)防止懸突結(jié)構(gòu)由于自身重力而發(fā)生變形。通常，在修復(fù)體制作完成后還需進(jìn)行后處理，如去除支撐結(jié)構(gòu)和多余的材料，固化生坯部分，浸泡加強(qiáng)材料，熱處理，打磨拋光以及美學(xué)處理等[3]。

增材制造的優(yōu)點(diǎn)包括[3-5]：①可加工具有鏤空、中空、倒凹等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的修復(fù)體；②節(jié)約材料，除了用于支撐結(jié)構(gòu)的材料外，幾乎無(wú)其他材料損耗；③能同時(shí)加工大量修復(fù)體。其劣勢(shì)也尤為明顯[3-5]：①成本較高。目前市面上的3D打印機(jī)價(jià)格普遍較高，以金屬3D打印機(jī)為甚；②加工完成的產(chǎn)品表面較粗糙；③可加工的材料較少；④對(duì)STL文件的完整性要求很高。

當(dāng)前口腔修復(fù)體制作常用3D打印技術(shù)，主要包括以下幾種：①立體光固化技術(shù)(stereolithography, SLA)；②選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering, SLS)；③選擇性激光熔融(selective laser melting, SLM)。

1.2.1 立體光固化 SLA工藝是目前世界上研究最透徹、發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種增材制造技術(shù)，該技術(shù)使用紫外光照射液態(tài)光敏樹脂的表面，被照射區(qū)域的樹脂發(fā)生光聚合反應(yīng)而固化，形成物體的一個(gè)薄層，隨后工作臺(tái)下降一個(gè)層厚的距離，在其表面鋪上一層新的樹脂，隨即進(jìn)行下一層的掃描，如此反復(fù)直到整個(gè)物品加工完成，最后使用溶劑沖洗該物體去除多余的樹脂并放置到紫外光箱中徹底固化[1]。主要用于制作工作模型、種植導(dǎo)板。

1.2.2 選擇性激光燒結(jié) SLS工藝的工作原理本質(zhì)上與SLA相同，使用的光源為大功率的脈沖激光，加工的材料可為蠟、塑料、金屬、陶瓷等粉末，加工時(shí)需將粉末預(yù)熱到接近其熔點(diǎn)的溫度，以便于激光能夠迅速的將所需區(qū)域的粉末熔化。制作的物體需進(jìn)行后處理(如高溫?zé)Y(jié)、熔浸等)以提高其力學(xué)性能和熱學(xué)性能[1,3,5]。可用于制作修復(fù)體蠟型、樹脂熔模、金屬修復(fù)體和導(dǎo)板等。

1.2.3 選擇性激光熔融 SLM技術(shù)是在SLS技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，二者的工作原理類似。使用的材料主要為金屬粉末，如鈦、鈦合金、鈷鉻合金等，加工過(guò)程將粉末完全熔化，直接成型修復(fù)體[5]。成型件致密度幾乎可達(dá)100%，尺寸精度可達(dá)20～50 μm，表面粗糙度僅為20～30 μm，主要用于制作金屬修復(fù)體。

2 數(shù)字化制造技術(shù)在修復(fù)中的應(yīng)用

2.1 工作模型

通過(guò)口內(nèi)掃描儀直接掃描患者口內(nèi)相關(guān)軟硬組織，或口外掃描儀掃描通過(guò)常規(guī)方法制取的工作印模，生成相應(yīng)的數(shù)字化工作模型[9]，隨后修整該模型并添加底座，必要時(shí)還可進(jìn)行代型分割、設(shè)置銷釘、添加簡(jiǎn)易峆架等[10]，最后通過(guò)數(shù)控切削(圖 1)或SLA工藝打印制作(圖 2)。相比石膏模型，具有以下優(yōu)勢(shì)：①樹脂模型耐摩擦，不易損傷；②模型完整，表面光潔度好。傳統(tǒng)石膏模型在翻制時(shí)可能引入氣泡造成模型局部缺損，模型表面較粗糙。

圖 2 SLA工藝打印樹脂工作模型

2.2 固定修復(fù)

2.2.1 熔模 固定修復(fù)體的傳統(tǒng)制作方法主要為手工堆塑修復(fù)體或其內(nèi)冠、框架橋的蠟型，再使用失蠟鑄造或壓鑄技術(shù)制作相應(yīng)的金屬或全瓷修復(fù)體。數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用提高了熔模的制作效率，在完成修復(fù)體CAD設(shè)計(jì)后，可通過(guò)數(shù)控切削或3D打印制作修復(fù)體蠟型或樹脂熔模(圖 3)。相比蠟型，樹脂熔模的強(qiáng)度更高，不易因磕碰或所處環(huán)境的溫度改變而變形，機(jī)械加工性能更佳，可用于制作長(zhǎng)跨度冠橋、分割橋等復(fù)雜修復(fù)體。

2.2.2 臨時(shí)修復(fù)體 樹脂因價(jià)格相對(duì)低廉，但存在不耐磨耗、易產(chǎn)生邊緣微滲漏、易變色等缺點(diǎn)，多用于制作臨時(shí)修復(fù)體。主要通過(guò)以下兩種途徑制作[10]：①術(shù)前用掃描儀掃描該基牙(擁有完整的解剖外形)或其診斷蠟型，或直接在CAD軟件里復(fù)制對(duì)側(cè)同名牙，當(dāng)牙體預(yù)備完成后掃描該基牙預(yù)備體，通過(guò)CAD軟件中的“復(fù)制”功能即可快速設(shè)計(jì)出牙冠的形態(tài)，并用數(shù)控切削或3D打印制作(圖 4～5)；②術(shù)前對(duì)石膏模型基牙進(jìn)行診斷性預(yù)備，或直接在CAD軟件中對(duì)數(shù)字化模型進(jìn)行虛擬預(yù)備，隨后在CAD軟件中設(shè)計(jì)修復(fù)體，并通過(guò)數(shù)控切削設(shè)備或3D打印機(jī)制作出來(lái)，臨床完成牙體預(yù)備后，只需對(duì)臨時(shí)修復(fù)體內(nèi)面進(jìn)行調(diào)改或重襯。以上方法特別適合于口內(nèi)多單位固定修復(fù)，全口咬合重建，種植即刻負(fù)載的臨時(shí)修復(fù)體的制作。同時(shí)，由于切削所使用的為預(yù)制樹脂盤，臨時(shí)修復(fù)體中殘余的自由單體量極少，不會(huì)對(duì)牙體、牙髓及牙周造成化學(xué)刺激[3]。

圖 3 3D打印冠蠟型及其全瓷冠 圖 4 數(shù)控切削樹脂臨時(shí)冠 圖 5 3D打印樹脂臨時(shí)冠

2.2.3 永久性修復(fù)體

2.2.3.1 陶瓷修復(fù)體 因適用于硬切削的陶瓷材料通常強(qiáng)度較低，加工過(guò)程修復(fù)體容易發(fā)生破碎和裂紋，目前臨床上陶瓷修復(fù)體的制作方式主要為軟切削，而3D打印因材料、工藝等原因，尚無(wú)法制作出滿足臨床要求的陶瓷修復(fù)體[5-6]。可切削的材料包括[3,6]：(1)二硅酸鋰玻璃陶瓷，為擁有藍(lán)紫色外觀的長(zhǎng)方體坯料，具有足夠的透明度，常用于制作前牙區(qū)和前磨牙區(qū)的全解剖冠、3單位固定橋、貼面、嵌體，適用于椅旁CAD/CAM系統(tǒng)，以Ivoclar Vivadent公司的quot;易美quot;系列瓷塊最為常見(jiàn)(圖 6)；(2)氧化鎂鋁陶瓷，因半透性很好，但強(qiáng)度較差，多用于制作前牙內(nèi)冠，通過(guò)堆塑飾面瓷后美觀性能很好，常見(jiàn)的產(chǎn)品為In-Ceram Spinell；(3)氧化鋁陶瓷，主要用于制作內(nèi)冠或前牙區(qū)3單位框架橋，其制作方法有：①數(shù)控切削內(nèi)冠，完全燒結(jié)后進(jìn)行低熔玻璃滲透處理，隨后常規(guī)堆塑飾面瓷，如In-Ceram Alumina系列產(chǎn)品；②在內(nèi)冠CAD設(shè)計(jì)完成后，使用CAM軟件根據(jù)熱凝收縮比例進(jìn)行放大補(bǔ)償，隨后切削制作內(nèi)冠，燒結(jié)，制作飾面瓷；③在CAD軟件中按收縮比例放大補(bǔ)償代型，切削制作耐火代型，在其上用氧化鋁粉末堆塑內(nèi)冠，燒結(jié)，制作飾面瓷，如Procera Alumina系列(圖 7)；(4)氧化鋯陶瓷(圖 8)，常見(jiàn)為白堊色的圓盤狀坯料，制作內(nèi)冠的方法與上述氧化鋁陶瓷的第2、3種方法相似；也可直接切削制作出放大補(bǔ)償過(guò)的解剖型修復(fù)體，補(bǔ)償比例約為15%～20%，隨后用染色液進(jìn)行浸透或涂抹處理，最后在1 350～1 500 ℃下燒結(jié)完成。常見(jiàn)的有3M公司的Lava Frame系列。

2.2.3.2 金屬修復(fù)體 因貴金屬坯料的成本較高，數(shù)控切削過(guò)程浪費(fèi)大量材料且無(wú)法回收，目前臨床上很少采用該方式制作貴金屬修復(fù)體。而卑金屬坯料因價(jià)格低廉，理化性能和機(jī)械加工性能良好，目前多用于制作全解剖冠、固定局部義齒、內(nèi)冠和固定橋框架，常用的材料有鈷鉻合金、鈦合金和純鈦(圖 9)，后者還常用于制作種植基臺(tái)及其它上部結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，SLS、SLM等金屬3D打印技術(shù)也較多應(yīng)用于制作全解剖冠橋及其內(nèi)冠，其適合性基本滿足臨床要求[12-13]，一次可加工大量的修復(fù)體(圖 10～11)，且無(wú)需過(guò)多的后處理步驟，使用的材料主要為鈷鉻、純鈦和鈦合金粉末。

圖 6 “易美”系列可切削陶瓷 圖 7 氧化鋁陶瓷 圖 8 數(shù)控切削氧化鋯陶瓷

圖 9 數(shù)控切削純鈦冠橋 圖 10 SLM制作純鈦冠橋 圖 11 SLM制作純鈦固定橋

2.3 活動(dòng)修復(fù)

2.3.1 可摘局部義齒 可摘局部義齒的CAM流程包括2部分：①通過(guò)SLA、3DP等工藝打印出支架的樹脂熔模(圖 12)，再用傳統(tǒng)的失蠟鑄造工藝制作出金屬支架[14]，或用SLS、SLM等金屬3D打印工藝直接打印出金屬支架，經(jīng)過(guò)后處理完成支架的制作[15-16](圖 13)，也可通過(guò)數(shù)控切削的方式直接制作出金屬支架(圖 14)，其表面光潔度更佳，但加工過(guò)程容易導(dǎo)致支架變形，且能加工的支架類型取決于坯塊的厚度，成本亦較高；近些年，一種名為聚醚醚酮(Polyether ether ketone，PEEK)的可切削非金屬材料逐漸被應(yīng)用于制作義齒支架(圖 15)，其擁有很高的比強(qiáng)度和比剛度，良好的抗腐蝕性，不易磨耗，切削過(guò)程不易變形，顏色與牙齒接近等諸多優(yōu)點(diǎn)[17]；②在支架上手動(dòng)排牙及制作基托蠟型，使用裝盒法或注塑法完成義齒的制作。

2.3.2 全口義齒 其CAM方式主要有：①間接制作。設(shè)計(jì)并用3D打印制作出全口義齒裝膠前的石膏陰模，使用與設(shè)計(jì)時(shí)同型號(hào)的成品人工牙，按常規(guī)技工室制作流程完成義齒制作[18]；②分體制作。義齒CAD時(shí)用成品人工牙或個(gè)性化人工牙進(jìn)行排牙，制作時(shí)將相應(yīng)的成品人工牙或個(gè)性化人工牙(3D打印或數(shù)控切削)粘接到切削制作的樹脂基托上預(yù)留的凹槽中完成制作[19-20](圖 16)，或排列到的蠟基托(手工或切削制作)上再按常規(guī)技工室流程完成義齒制作[21-22]；③一體制作。通過(guò)切削一塊復(fù)合材料樹脂盤或3D打印直接一體制作出全口義齒而無(wú)需進(jìn)行粘接，前者如AvaDent公司的XCL系列義齒(圖 17)，后者常用于臨床試戴，初步評(píng)估義齒的功能[23](圖 18)。

圖 12 SLA支架樹脂熔模及其鑄造支架 圖 13 SLM金屬支架后處理前后對(duì)比

2.3.3 個(gè)別托盤 個(gè)別托盤主要用于制取牙列缺損或者牙列缺失患者的精細(xì)印模，目前臨床上的個(gè)別托盤主要為手工制作，制作過(guò)程較為復(fù)雜、繁瑣，且依賴于操作者的臨床經(jīng)驗(yàn)和制作技巧，而CAD和3D打印等數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，則顯著提高了其制作效率和質(zhì)量。臨床通過(guò)口內(nèi)掃描儀獲取患者的口內(nèi)相關(guān)軟硬組織的數(shù)字化模型，隨后使用3Shape等口腔CAD軟件可非常便捷的設(shè)計(jì)出個(gè)別托盤，最后通過(guò)3D打印制作[10](圖 19)，避免了手動(dòng)制取初印模、翻制石膏模型、模型修正和填倒凹、鋪墊蠟片、托盤塑形等多個(gè)步驟，提高了準(zhǔn)確性，同時(shí)降低了操作難度。

圖 14 數(shù)控切削制作義齒支架 圖 15 數(shù)控切削PEEK支架并完成義齒制作 圖 16 樹脂基托與成品牙

圖 17 一體切削全口義齒 圖 18 3D打印全口義齒[23]圖 19 3D打印樹脂托盤

表 1 數(shù)字化制造技術(shù)在口腔修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

3 結(jié) 語(yǔ)

相信在不久的未來(lái)，數(shù)字化制造技術(shù)將對(duì)口腔修復(fù)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。口腔修復(fù)醫(yī)師將能縮短患者就診次數(shù)和椅旁操作時(shí)間，提供更加精確、安全的修復(fù)治療；口腔技工室將由傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展成為完全數(shù)字化的新型制造產(chǎn)業(yè)，能夠更高效制作出高質(zhì)量的口腔修復(fù)體，而伴隨著更先進(jìn)材料的出現(xiàn)和應(yīng)用，臨床患者將能快速獲得更舒適、美觀、耐用的個(gè)性化修復(fù)體。

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(收稿： 2017-02-05 修回： 2017-03-08)

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)： 2015KTCQ01-90)

710032 西安， 軍事口腔醫(yī)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，口腔疾病國(guó)家臨床醫(yī)學(xué)研究中心,陜西省口腔醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科(劉一帆 馬瑞 高勃)； 哈爾濱醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院修復(fù)科(鄭秀麗)

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