3D打印技術(shù)在齒科行業(yè)的應(yīng)用

醫(yī)療領(lǐng)域的3D打印大致可分為2類：非生物3D打印與生物3D打印。相對(duì)于生物3D打印而言，非生物3D打印的原理相對(duì)來說沒有生物3D打印那么復(fù)雜，所需的3D打印材料也相對(duì)易得，以金屬、高分子材料、光敏樹脂等主流的3D打印材料為主，因此在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。而齒科則是非生物3D打印中最有前景的領(lǐng)域之一，也是目前最有希望可以規(guī)?；瘧?yīng)用的3D打印醫(yī)療領(lǐng)域，根據(jù)敏科（Smartech）市場(chǎng)研究報(bào)告中的預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)到2020年，3D打印在牙科行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模將超過23億美元。

一、概述

3D打印技術(shù)與齒科行業(yè)是天然匹配的。首先，齒科行業(yè)里每個(gè)患者的牙齒特性都不一樣，因此生成的三維數(shù)據(jù)也都不同，而3D打印技術(shù)可以做到個(gè)性化生產(chǎn)。其次，人類的牙齒結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工會(huì)導(dǎo)致齒科醫(yī)療產(chǎn)品的精度出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致患者的不適，而3D打印技術(shù)滿足齒科精準(zhǔn)、復(fù)雜、量身定做的需求。最后，齒科患者總是希望能夠得到快速有效的治療，傳統(tǒng)的加工方式進(jìn)程緩慢，而3D打印技術(shù)能夠加速治療過程的推進(jìn)。

二、3D打印技術(shù)在齒科修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在齒科修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要包括可摘義齒、矯正器和種植牙，如圖1所示。

1.種植牙

種植牙是指以手術(shù)方法在口腔牙槽骨組織中植入人工牙根（種植體）作為支持，并在人工牙根上進(jìn)行牙冠修復(fù)的一種鑲牙方法，如圖2所示。在傳統(tǒng)的種植牙方法中，需要進(jìn)行拔牙、預(yù)備植牙孔、植入骨粉、覆蓋膠原膜、埋入式愈合、牙冠制作及戴入等步驟，醫(yī)生操作時(shí)間大約為8h，治療周期大約為7個(gè)月，費(fèi)用約為1萬元以上?，F(xiàn)有種植體多為進(jìn)口，缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的種植系統(tǒng)，由于費(fèi)用過高，難以造福廣大缺牙患者。對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的情況，所需要的時(shí)間和費(fèi)用還會(huì)增加。

另外傳統(tǒng)的種植牙方法還存在很多不足之處，包括植入的種植牙與拔牙窩不密合，拔牙后即刻種植時(shí)需要植骨、難以即刻修復(fù)等。這樣就導(dǎo)致一來無法在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)患者牙齒的美觀性，二來將增加骨量流失和制備種植窩過程對(duì)骨組織的手術(shù)創(chuàng)傷，由于拔牙后未能即刻修復(fù)，導(dǎo)致在拔牙窩愈合過程中可能發(fā)生頜牙的伸長(zhǎng)移位和鄰牙的傾斜移位，影響后期修復(fù)效果。此外，治療周期的延長(zhǎng)也會(huì)增加患者的痛苦和治療費(fèi)用。

3D打印種植牙可直接形成含牙根的整個(gè)牙體，僅需微創(chuàng)拔牙、植入種植體和牙冠修復(fù)等步驟，可實(shí)現(xiàn)與原有牙槽無縫結(jié)合，減少患者痛苦，椅旁治療周期為1～2h，醫(yī)生操作時(shí)間只有0.5h，且費(fèi)用也大大降低，所需要的費(fèi)用不會(huì)超過1萬元。

種植牙主要由牙冠和植入體這2部分組成。純鈦金屬（或合金）因其良好的生物相容性，力學(xué)性能和抗腐蝕性能，而得到廣泛應(yīng)用。種植體的材料包括金屬種植體、陶瓷類種植體、碳素類種植體、高分子聚合物種植體、復(fù)合材料等；牙冠材料包括黃金、鈷鉻合金、鎳鉻合金、陶瓷合金等金屬材料，以及二氧化鋯全瓷、樹脂等。種植體和金屬牙冠的打印技術(shù)多以選擇性激光熔化（SLM）為主，牙冠、牙橋鑄造模型的打印技術(shù)以光固化成型（SLA）、數(shù)字光處理（DLP）為主。

2013年，北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院教授唐志輝團(tuán)隊(duì)給3只比格犬換上了3D打印的假牙，3只比格犬沒有出現(xiàn)任何不良反應(yīng)。根據(jù)國(guó)家食品藥品監(jiān)管總局的規(guī)定，用于人體的植入物必須要經(jīng)過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，證明其安全性和有效性，同時(shí)植入物的生產(chǎn)廠商也需要通過國(guó)家食品藥品監(jiān)管總局的檢查。如果進(jìn)展順利，2～3年后3D打印種植牙可直接應(yīng)用到人體治療中。

天津醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)院采用數(shù)字化個(gè)性化設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)研發(fā)了一種新型種植牙，在該種植牙中種植體本體和仿生牙槽骨組織外層是一體的，仿生人工牙槽骨外層的厚度為0.2～3.0mm。在制造3D打印種植牙的過程中，醫(yī)生先獲取患者余留牙根和牙槽骨組織結(jié)構(gòu)的醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)，并從獲取的數(shù)據(jù)中提取出設(shè)計(jì)仿生牙根組織以及其周圍牙槽骨組織外層結(jié)構(gòu)所需要的數(shù)據(jù)，建立三維模型。然后對(duì)三維數(shù)字模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，格式轉(zhuǎn)化后的文件傳輸至3D打印設(shè)備進(jìn)行實(shí)體打印。

成立于2012年的荷蘭化學(xué)公司NextDent研發(fā)出了一種應(yīng)用于齒科的生物相容性3D打印材料，并已獲得了歐盟的CE認(rèn)證。其研發(fā)的3D打印種植牙牙冠的材料可長(zhǎng)期在人體的口腔中使用，并且材料有多種顏色可供選擇，牙醫(yī)可以根據(jù)病人的牙齒顏色來確定3D打印牙冠所需的材料色號(hào)。其無機(jī)填料與樹脂之間復(fù)雜的平衡使得該材料具有高強(qiáng)度、高耐磨性，而且在打印后可以進(jìn)行拋光處理。圖3為NextDent研發(fā)的3D打印種植牙牙冠材料NextDent CB MFH。

德國(guó)口腔產(chǎn)品制造商N(yùn)atural Dental Implants公司早在10年前就開始探索怎樣為患者提供定制化的種植牙產(chǎn)品，目前已經(jīng)開發(fā)出3D打印的種植牙產(chǎn)品原型，種植牙的鈦金屬牙根和氧化鋯基臺(tái)是由3D打印制造的。在2017年之內(nèi)Natural Dental Implants將對(duì)3D打印的種植牙進(jìn)行廣泛的測(cè)試。圖4為Natural Dental Implants開發(fā)的種植牙產(chǎn)品。

患者在就診時(shí)，只需要接受口腔X射線掃描，然后根據(jù)影像數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)種植牙三維模型。種植牙產(chǎn)品完全是定制化，在拔牙后能立即種植到患者口腔中，不會(huì)損傷鄰近的牙齒。種植牙與患者骨組織結(jié)合、長(zhǎng)入的過程約為6個(gè)月。利用3D打印技術(shù)，能夠降低種植牙的制造成本，3D打印與齒科天然匹配的優(yōu)勢(shì)也能創(chuàng)造更高的產(chǎn)品附加值。

2.可摘義齒

（1）傳統(tǒng)加工方式：勞動(dòng)密集型工作

傳統(tǒng)的義齒加工離不開牙科技師們制作蠟?zāi)：丸T造牙冠的手工技能（圖5），這樣的制作方式導(dǎo)致了居高不下的義齒返工率，不僅降低牙科技工所的工作效率，還降低了患者佩戴義齒的舒適度。相比高度依賴人工的傳統(tǒng)義齒加工方式，數(shù)字化牙科技術(shù)以掃描、軟件、自動(dòng)化加工設(shè)備替代了大量手工勞動(dòng)，尤其是3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，加快了齒科產(chǎn)業(yè)從傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)向科技型產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型。

通過傳統(tǒng)手工技術(shù)制造義齒金屬內(nèi)冠，首先是根據(jù)患者的口腔印模灌注出石膏模型，然后根據(jù)石膏模型制作出烤瓷牙的蠟型。接下來進(jìn)入到金屬內(nèi)冠的失蠟鑄造工藝，主要包括鑄道安裝、包埋、失蠟、鑄造4個(gè)步驟。最后，經(jīng)過表面處理、飾面工藝最終完成烤瓷牙的制作。制造蠟型的蠟在加工過程中容易收縮變形，在接下來的金屬內(nèi)冠鑄造工藝中，由于是熱加工，金屬會(huì)產(chǎn)生變形。由于這些因素導(dǎo)致的偏差，將會(huì)給佩戴者帶來不舒適感。一旦需要返工，則將增加加工成本和患者的椅旁時(shí)間。傳統(tǒng)的義齒加工過程主要依靠牙科技師個(gè)人技能和經(jīng)驗(yàn)，屬于一種勞動(dòng)密集型工作。傳統(tǒng)加工方式流程如圖6所示（以烤瓷牙金屬牙冠的生產(chǎn)為例）。

（2）計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）加工： 數(shù)字化制造技術(shù)

CNC加工技術(shù)（圖7）讓義齒加工進(jìn)入到了數(shù)字化制造技術(shù)階段。從下面的流程圖中我們可以看到，使用CNC加工技術(shù)制造義齒金屬冠沒有經(jīng)過人工制造蠟型和失蠟鑄造牙冠的過程，取而代之的是數(shù)字化口腔模型掃描、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）和自動(dòng)化的牙冠切削流程。

在這一過程中，控制產(chǎn)品精度的任務(wù)將全部交給數(shù)字化的掃描、設(shè)計(jì)和加工設(shè)備，人工不需要做過多的判斷和考慮。由此，金屬牙冠的精度得到保障，讓患者擁有一顆高度定制的、舒適的烤瓷牙成為現(xiàn)實(shí)。在加工材料方面，CNC設(shè)備除了加工鈦、鈷鉻合金等金屬材料之外，還可用于加工氧化鋯、玻璃陶瓷等牙科材料。CNC加工方式流程圖如圖8所示（以烤瓷牙金屬牙冠的生產(chǎn)為例）。

（3）金屬3D打印：成本更低，效率更高

CNC機(jī)床在加工金屬牙冠時(shí)，需要使用刀具在一塊金屬坯件上將金屬牙冠銑削出來。相比CNC加工，金屬3D打印技術(shù)在牙冠生產(chǎn)成本和效率上的優(yōu)勢(shì)更為突出。目前，包括CNC加工技術(shù)和3D打印技術(shù)在內(nèi)的數(shù)字化牙科技術(shù)正成為義齒加工的主流技術(shù)。3D打印蠟?zāi)；蛘哂糜谔娲災(zāi)５?D打印樹脂模型也被應(yīng)用在牙冠的鑄造中。3D金屬打印流程如圖9（以烤瓷牙金屬牙冠的生產(chǎn)為例）。

3.矯正器

3D打印技術(shù)在牙齒矯正器的應(yīng)用主要為舌側(cè)矯正器和隱形透明矯正器。舌側(cè)矯正器的3D打印技術(shù)多為SLM技術(shù)，利用SLM技術(shù)打印的金屬舌側(cè)矯正器，與傳統(tǒng)的熔模鑄造方法相比，可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化托槽的直接成型，避免空穴、空洞等鑄造缺陷。

隱形透明矯正器（如圖10）多為 SLA（光固化成型）技術(shù)、DLP（數(shù)字光處理）技術(shù)。

隱形矯治技術(shù)是全球最早實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)的3D打印商品，3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同矯正階段牙齒模型的批量定制化生產(chǎn)。通過對(duì)患者的牙齒進(jìn)行三維數(shù)字建模，并對(duì)患者的牙齒狀況進(jìn)行分析處理后，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化矯正，從而實(shí)現(xiàn)矯正的解決方案。然后利用光固化立體成型技術(shù)打印出患者不同階段的牙齒模型，再在每個(gè)階段的牙齒模型上進(jìn)行熱塑成型，從而獲得透明矯正器，達(dá)到隱形美觀的效果。隱形矯正器的生產(chǎn)流程如圖11所示。

艾利科技（Align Technology）公司因發(fā)明Invisalign隱適美牙齒矯正技術(shù)而聲名鵲起，自成立以來，艾利科技已經(jīng)為450萬客戶提供了3.27億個(gè)牙齒矯正器——其中絕大部分利用了3D打印技術(shù)。該公司的工廠配備有50～60臺(tái)的3D Systems公司的SLA（光固化成型）3D打印機(jī)。同時(shí)使用牙醫(yī)專用的iTero 3D掃描系統(tǒng)，在完全獲取病人的牙齒模型方面有著出色的表現(xiàn)，讓牙齒矯正更加精確。目前該公司使用的是FDA批準(zhǔn)的聚合物，但是他們還在探索新材料。該公司表示，“將數(shù)字治療與大規(guī)模定制相結(jié)合，基于生物力學(xué)原則，它掀起了矯正行業(yè)的一次革命?！睋?jù)了解，憑借3D掃描和3D打印技術(shù)為客戶定制透明牙齒矯正器，2017年該公司有望突破13億美元的銷售額，其中透明牙套占據(jù)了91%的收入。

三、結(jié)語

目前，在義齒加工的制造領(lǐng)域，很多知名企業(yè)開始陸續(xù)加入齒科的3D打印服務(wù)。3DRPD 公司是加拿大的一家義齒產(chǎn)品制造企業(yè)，通過選擇性激光熔化3D打印技術(shù)制造可摘除的局部義齒金屬支架。通過數(shù)字化的設(shè)計(jì)軟件和3D打印設(shè)備，3DRPD 公司的義齒支架的設(shè)計(jì)和制造過程已完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。

在齒科行業(yè)的3D打印公司還有很多。德國(guó)沃柯（VOCO）公司是一家口腔產(chǎn)品制造商，為全球眾多國(guó)家提供口腔預(yù)防和修復(fù)產(chǎn)品，其核心產(chǎn)品和技術(shù)是口腔材料，如封閉劑、牙冠、牙橋材料；德國(guó)貝格（BEGO）有限公司是知名的牙科設(shè)備與材料制造商，其生產(chǎn)的設(shè)備能夠制造局部義齒金屬支架的鑄造蠟型，以及打印手術(shù)導(dǎo)板、口腔模型和個(gè)性化印模托槽；曼海姆（Dentaurum）集團(tuán)是一家由口腔診所發(fā)展而來的口腔產(chǎn)品制造商，提供口腔修復(fù)、種植領(lǐng)域的產(chǎn)品和材料，其生產(chǎn)的材料可用于選擇性激光熔化（SLM）3D打印設(shè)備，制造金屬牙冠；芬蘭普蘭梅卡（Planmeca）醫(yī)療設(shè)備公司是口腔設(shè)備制造業(yè)中最大的私營(yíng)家族企業(yè)，其研發(fā)的DLP 3D打印機(jī)能夠用于3D打印高精度的牙科夾板、牙科模型和手術(shù)導(dǎo)板；羅蘭（Roland）DG公司是一家提供高性能計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備的制造企業(yè)，為口腔修復(fù)領(lǐng)域提供數(shù)字化設(shè)備和解決方案，可全面實(shí)現(xiàn)牙托、牙基板等牙模產(chǎn)品的定制。

在我國(guó)，越來越多的3D打印企業(yè)開始進(jìn)入到齒科領(lǐng)域，尤其以湖南華曙高科有限責(zé)任公司、江蘇永年激光成形技術(shù)有限公司、西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司等領(lǐng)先的金屬3D打印公司為代表。CNC切削技術(shù)進(jìn)入義齒加工行業(yè)已經(jīng)有十多個(gè)年頭，主要用于金屬和氧化鋯的材料的加工，雖然加工方式有所改善，但是由于效率低下及高昂材料成本等原因始終無法有效的降低人工成本。

在矯正器修復(fù)的應(yīng)用案例里，醫(yī)療機(jī)構(gòu)在拿到病患案例后，24h內(nèi)可以出方案，15～20天左右患者可以拿到成品。但隨著數(shù)據(jù)的積累以及技術(shù)能力的進(jìn)一步突破，可以預(yù)想，未來可能只要直接掃描患者的牙齒，將其傳到電腦后便能自動(dòng)形成矯治方案，5min后3D打印的牙?？赡芫鸵呀?jīng)拿在手上了。3D打印的出現(xiàn)，具有智能化程度高、精度高等特點(diǎn)，完全適合于齒科這樣的個(gè)性化定制生產(chǎn)。我們有理由相信3D打印技術(shù)正在成為齒科行業(yè)的主流技術(shù)。