SLM打印鈷鉻合金基底冠精度及密合性研究

戴宜君 董研 彭偉 何傳鑫 袁喜根

SLM技術(shù)是3D打印技術(shù)的一種，在口腔修復(fù)領(lǐng)域被用于制作金屬冠、金屬支架、種植體等，為修復(fù)體成型提供了更為簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確的制作方法［1］。SLM技術(shù)制備的鈷鉻合金試件機(jī)械性能良好，其拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均大于或等于鑄造鈷鉻合金［2－3］。SLM鈷鉻合金的金瓷結(jié)合力同樣不遜色于鑄造鈷鉻合金［4－5］。

密合性是評(píng)價(jià)固定修復(fù)體是否成功的重要指標(biāo)，良好的密合性能減少微滲漏，降低繼發(fā)齲的發(fā)生。修復(fù)體的密合性指修復(fù)體和預(yù)備后的基牙接觸面的密合程度，包括邊緣密合性和內(nèi)部適合性［6］。關(guān)于SLM打印基底冠與鑄造基底冠密合性的研究結(jié)果不盡相同，國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為SLM基底冠邊緣密合性優(yōu)于鑄造基底冠［7－8］，而國(guó)外研究者發(fā)現(xiàn)兩者的邊緣密合性及內(nèi)部適合性無(wú)明顯差異［9－10］，甚至 CAD／CAM基底冠邊緣密合性高于SLM基底冠［11］；此外，對(duì)于密合性的測(cè)量及評(píng)價(jià)方法目前尚未統(tǒng)一。3D打印金屬冠的設(shè)計(jì)直接影響打印成品的成型質(zhì)量，設(shè)定不同的預(yù)留間隙冠就位后會(huì)獲得不同的間隙距離。本研究在尋找最佳預(yù)留間隙的基礎(chǔ)上，采用2種測(cè)量方法，對(duì)比SLM技術(shù)與CAD／CAM-鑄造法制作的鈷鉻合金基底冠的密合性及兩者的尺寸精度，為口腔固定修復(fù)體的制作、評(píng)價(jià)及臨床應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要材料和設(shè)備

三維掃描儀（3Shape D700，丹麥）；SLM成型設(shè)備AM250、打印鈷鉻合金粉末（RENISHAW，英國(guó)），材料成分見表1；AFFINIA5切削機(jī)（重慶卓田齒克科技有限公司）；玻璃離子（GC-Fuji I，日本）；萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（深圳瑞格爾3010）；掃描電子顯微鏡（Hitachi TM-1000，日本）。

1.2 金屬基底冠預(yù)留間隙的選擇

利用3Shape D700三維掃描儀激光掃描上頜第一磨牙全冠牙體制備標(biāo)準(zhǔn)樹脂代型，獲取基牙數(shù)據(jù)?；琅c金屬基底冠之間的預(yù)留間隙分別設(shè)為30、40、50、60、70、80μm。在3Shape Dental System 2015軟件中設(shè)計(jì)6組基底冠模型。

根據(jù)基底冠模型數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)組樣本利用AM250制造，對(duì)照組利用AFFINIA5切削機(jī)制作基底冠蠟型，常規(guī)失蠟鑄造6組基底冠，每組各2個(gè)。由同1名修復(fù)科專業(yè)醫(yī)師對(duì)6組基底冠試戴，選擇能夠順利就位的最小預(yù)留間隙。

1.3 金屬基底冠的制備與分組

表1 打印鈷鉻合金粉末成分（平均粒度為16.58μm）Tab 1 Composition of cobalt chromium alloy powder（The average granularity is 16.58μm）

根據(jù)基牙數(shù)據(jù)，預(yù)留間隙為50μm，厚度為0.5 mm設(shè)計(jì)基底冠，采用2種方法制作鈷鉻合金基底冠，實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組每組各10個(gè)，打印參數(shù)見表2。

表2 SLM成形設(shè)備打印參數(shù)Tab 2 Printing parameter of SLM equipment

1.4 金屬基底冠的“虛擬就位”

1.4.1 試戴與樣本掃描 對(duì)2組基底冠進(jìn)行編號(hào)（1－10）并試戴，每個(gè)基底冠隨機(jī)對(duì)應(yīng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樹脂代型。分別掃描兩組基牙、基底冠和冠就位后的整體模型，各獲得3類數(shù)據(jù)。

1.4.2 樣本“虛擬就位”及測(cè)量 將上述3類數(shù)據(jù)在3Shape Dental System 2015軟件中“虛擬就位”（圖1），以STL格式輸出數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Magics19.01軟件，提取基牙表面及基底冠組織面邊緣線。分別獲取模型的近遠(yuǎn)中向截面及頰舌向截面，每個(gè)截面中對(duì)7個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量（圖2），得到冠邊緣和代型邊緣之間的垂直距離，以反映邊緣（1、7兩點(diǎn)）及軸面（2、6兩點(diǎn)）、面間隙距離（3、4、5三點(diǎn)）。

1.5 金屬基底冠的粘接，間隙距離及冠厚度的測(cè)量

圖1 “虛擬就位”過程Fig 1 Process of“virtual seating”

圖2 金屬基底冠“虛擬就位”后截面圖Fig 2 Sections of the crowns after“virtual seating”

將樹脂代型及基底冠放入準(zhǔn)備好的尼龍底座中。玻璃離子粘接，手壓使其就位于對(duì)應(yīng)的基牙上，放置于萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上，以F＝50 N的力持續(xù)加壓5 min（圖3），去除多余材料。

過基牙近遠(yuǎn)中中點(diǎn)，沿著牙長(zhǎng)軸進(jìn)行切割，每個(gè)截面選取7個(gè)位點(diǎn)（圖4），在SEM下測(cè)量該位點(diǎn)的粘接劑厚度，及軸、面金屬基底冠厚度。

圖3 金屬基底冠的粘接Fig 3 Adhesive process of the crowns to the base

圖4 切割截面Fig 4 Cutting section

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，分別對(duì)7個(gè)測(cè)量位點(diǎn)2組樣本的間隙距離及軸、面冠厚度進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)；同時(shí)，比較2種測(cè)量方法在同一樣本同測(cè)量位點(diǎn)獲得的間隙距離，進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，P＜0.05為顯著性差異。

2 結(jié) 果

2.1 金屬基底冠的預(yù)留間隙

試戴2種方法制作的不同預(yù)留間隙組的基底冠均發(fā)現(xiàn)：30μm組不能順利就位；40μm組就位稍有困難，冠取下后可見基牙表面有磨損；50～80μm組均能夠順利就位，但80μm組探針檢查邊緣密合性較差，其余各組邊緣密合性良好。因此將預(yù)留間隙設(shè)為50μm進(jìn)行間隙距離的測(cè)量。

2.2 “虛擬就位”后基底冠與基牙之間的間隙距離

近遠(yuǎn)中向截面及頰舌向截面各測(cè)量點(diǎn)2組數(shù)據(jù)均無(wú)顯著性差異（P＞0.05），但2個(gè)截面各測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)分布離散程度較大，標(biāo)準(zhǔn)差最大為34.10μm（圖5）。

圖5 “虛擬就位”后金屬基底冠與基牙之間的間隙距離Fig 5 Gap distances of crowns and abutment teeth after“virtual seating”

2.3 冠厚度，粘接后金屬基底冠與基牙之間的間隙距離

圖6 SEM表面成像（×200）Fig 6 SEM surfaceview （×200）

SEM可觀察到基底冠內(nèi)表面并不光滑（圖6），基底冠厚度測(cè)量結(jié)果見表3。2組基底冠厚度無(wú)明顯差異，但SLM組誤差相對(duì)較小。SLM組軸面尺寸精度高于CAD／CAM-鑄造組，但面尺寸精度稍差。如圖7所示，7個(gè)不同測(cè)量位點(diǎn)上，兩組間隙距離均無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。將“虛擬就位”法與粘接切割法獲得的間隙距離進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是CAM／CAD-鑄造組還是SLM組，同一樣本的同一測(cè)量位點(diǎn)，兩種方法獲得的數(shù)據(jù)無(wú)顯著性差異（P＞0.05）。

表3 金屬基底冠厚度（n＝10）Tab 3 Thickness ofmetal based crowns （n＝10）

圖7 粘接后金屬基底冠與基牙之間的間隙距離比較Fig 7 Gap distances of crowns and abutment teeth after adhesion

3 討 論

3.1 不同加工制造方法對(duì)全冠尺寸精度的影響

SLM技術(shù)是一種“增材制造”技術(shù)，與傳統(tǒng)鑄造法相比，省去了蠟型制作、安插鑄道、蠟型包埋、鑄造及切割鑄件等多個(gè)環(huán)節(jié)，減少了加工時(shí)間和耗材，還將人為因素造成的誤差降到最低。研究結(jié)果顯示兩種制備方法制得基底冠厚度無(wú)明顯差異，SLM組尺寸精確度略高于CAD／CAM-鑄造組，尤其是在軸面上，但面尺寸精度稍差。設(shè)計(jì)時(shí)的零件擺放方式造成軸面與面尺寸精度存在較大差異，Z軸方向精度誤差稍大。SLM技術(shù)成型金屬零件的最終成型質(zhì)量，除外設(shè)計(jì)因素，還受多方面因素影響，如粉末粒度、鋪粉厚度、激光功率、掃描速度及掃描間距等加工參數(shù)。在X-Y平面上激光能量密度會(huì)影響熔化道寬度，造成測(cè)量尺寸偏差。而在Z軸方向上，還受到鋪粉厚度及粉末松裝密度等影響，因此面尺寸誤差相對(duì)較大。本研究在激光功率150W、加工層厚30μm、曝光時(shí)間50μs的條件下，得到的試件成型效果最佳。Khan等［12］比較不同掃描間距SLM成型黃金單冠的表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)掃描間距為75μm時(shí)得到的金屬冠表面比50μm時(shí)更粗糙，且層與層之間有空隙生成。Hong等［13］學(xué)者發(fā)現(xiàn)在激光功率200 W、掃描速度128.6 mm／s條件下，掃描間距為100μm時(shí)得到的鈷鉻合金試件表面粗糙度較低。趙進(jìn)炎等［14］發(fā)現(xiàn)增加小顆粒粉末比重，減小粉層厚度，加大激光能量都能降低金屬表面粗糙度，提高致密度。改變SLM成型過程中的任一加工參數(shù)，都會(huì)影響最終成型的致密度、表面粗糙度、尺寸精度及機(jī)械性能等。而對(duì)于同一種材料，不同設(shè)備的最佳加工參數(shù)也不盡相同，不可一概而論。

CAD／CAM制造是一種“減材制造”技術(shù)，相對(duì)浪費(fèi)材料。在金屬修復(fù)體制作中可分為兩類，切削蠟型再鑄造或直接切割硬質(zhì)金屬，后者在切割過程對(duì)鉆頭磨損較大，需要不斷更換鉆頭，提高了加工成本，故而應(yīng)用較少。本研究采用CAD／CAM-鑄造法，一次性完成多個(gè)修復(fù)體的蠟型制作，較傳統(tǒng)鑄造法縮短了加工時(shí)間，一定程度上避免了人工誤差造成的蠟型制作不佳。CAD／CAM-鑄造法避免了制作蠟型時(shí)人為因素造成的誤差，但蠟型的變形、收縮，包埋材料的選擇，鑄道的設(shè)計(jì)等仍會(huì)影響金屬基底冠尺寸精度。

SLM技術(shù)制備金屬基底冠的尺寸精度能夠滿足臨床要求，且較CAD／CAM-鑄造法更穩(wěn)定、精確。

3.2 2種修復(fù)體密合性評(píng)價(jià)方法的比較

一個(gè)合適的修復(fù)體對(duì)牙體及牙周組織的健康至關(guān)重要。美國(guó)牙科醫(yī)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，臨床上可接受的邊緣差異為25～40μm，但一般鑄造修復(fù)體很難達(dá)到這一要求［15］，在臨床上可接受的邊緣差異的上限為80～150μm［16－17］。本研究中兩種方法制作的金屬基底冠的邊緣密合性均滿足該標(biāo)準(zhǔn)。從本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，面間隙距離較邊緣及軸面間隙距離明顯增大。這可能是由于標(biāo)準(zhǔn)牙體預(yù)備樹脂代型軸面聚合度小，影響了粘接劑的排溢，從而造成粘接劑在面的堆積。而在“虛擬就位”過程中，由于存在配準(zhǔn)偏差，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同程度軸面重疊的情況，無(wú)法進(jìn)行間隙距離的測(cè)量，從而不能真正模擬基底冠完全就位的狀態(tài)。因此該方法獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，尤其是面間隙距離均值及標(biāo)準(zhǔn)差偏大。

評(píng)價(jià)修復(fù)體密合性尤其是邊緣密合性的方法很多，目前尚未找到最佳方法。截面間隙測(cè)量法可模擬實(shí)際臨床情況，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高。但需要破壞模型，不易重復(fù)，切割過程中有可能造成修復(fù)體與代型之間的分離［18］。近年來(lái)，少數(shù)學(xué)者利用數(shù)字化輔助方法得到代型與修復(fù)體的三維數(shù)據(jù)，“虛擬就位”后通過逆向工程軟件提取兩者的邊緣線，二維截面上進(jìn)行距離測(cè)量獲得最終數(shù)據(jù)［19］。該方法不破壞模型且能夠多次重復(fù)，但依賴于高精度的掃描設(shè)備，在配準(zhǔn)“虛擬就位”的過程中存在一定誤差，并且要求操作者能熟練應(yīng)用相關(guān)軟件，具有一定局限性。本研究將上述后2種方法相結(jié)合并進(jìn)行比較，數(shù)字化“虛擬就位”法測(cè)得的數(shù)據(jù)雖與粘接切割截面測(cè)量法無(wú)明顯差異，但數(shù)據(jù)分散，誤差較大，不能精確反映出間隙距離。這可能是由于掃描設(shè)備精度欠佳、“虛擬就位”時(shí)配準(zhǔn)存在較大誤差，并不能完全模擬基底冠就位的真實(shí)情況，從而不能精確反映各樣本的間隙厚度。雖然本研究中“虛擬就位”法測(cè)得的數(shù)據(jù)欠精確，但為評(píng)價(jià)修復(fù)體密合性提供了更加便捷的數(shù)字化定量評(píng)價(jià)方法。在今后的研究中還需提高設(shè)備掃描精度，精確配準(zhǔn)點(diǎn)，尋找準(zhǔn)確度更高的設(shè)計(jì)軟件。

3.3 預(yù)留間隙的選擇

選擇合適的預(yù)留間隙可補(bǔ)償金屬收縮造成的臨床修復(fù)體就位困難，也是設(shè)計(jì)基底冠的基礎(chǔ)。間隙過小，直接影響基底冠的就位和粘接劑的排溢；間隙過大，易發(fā)生粘接劑的溶解及微滲漏等一系列現(xiàn)象而造成修復(fù)失?。?0］。掃描石膏模型獲得數(shù)字化模型數(shù)據(jù)之后，需在相應(yīng)軟件中進(jìn)行基底冠的設(shè)計(jì)，CAD／CAM鑄造基底冠設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要預(yù)留出粘接劑的厚度，還需要考慮到在失蠟鑄造的過程中，金屬會(huì)發(fā)生不同程度的收縮。本研究中SLM鈷鉻合金基底冠的預(yù)留間隙恰好與CAD／CAM-鑄造基底冠一致，均從50μm組開始能夠順利就位。但值得注意的是金屬原料、加工設(shè)備及工藝不同，該間隙距離可能會(huì)發(fā)生改變，仍需要重新尋找合適的預(yù)留間隙。

4 結(jié) 論

SLM技術(shù)制備金屬基底冠的密合性在臨床可接受范圍內(nèi)，且該技術(shù)較CAD／CAM-鑄造法制備的金屬基底冠更加精確、穩(wěn)定?！疤摂M就位”法測(cè)量間隙距離為數(shù)字化評(píng)價(jià)修復(fù)體密合性奠定了基礎(chǔ)，但測(cè)量精度尚有待提高。

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