3D打印技術(shù)在牙齒矯正中的應(yīng)用研究

張文豪 劉世豪 潘文寧

摘 要：隨著3D打印技術(shù)的普及，在越來越多的領(lǐng)域中，該技術(shù)都得到了廣泛應(yīng)用。在醫(yī)學領(lǐng)域中，因為其操作簡便、定位精準等優(yōu)點，3D打印技術(shù)發(fā)展迅猛，在口腔醫(yī)學方面，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于義齒的制作中就可以使打印出的義齒與天然牙齒在結(jié)構(gòu)和功能上都十分相似，因此能達到較好的修復效果，也正是因為這個原因，現(xiàn)在通過3D打印技術(shù)對牙齒進行打印已經(jīng)成為越來越多缺牙患者的首選修復方式。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；口腔醫(yī)學；牙齒矯正

1 緒論

牙髓病和根尖周疾病是口腔醫(yī)療中最常見的疾病之一，而牙髓治療是治療牙髓病和根尖周疾病、解除牙齒疼痛保留患牙最有效的方法?？山柚该魉芰蠅K、人工牙、離體牙、仿真頭模等進行口腔操作的訓練。其中，人工牙是在口腔專家指導設(shè)計下由工廠加工出的樹脂牙，該樹脂牙雖然與真實牙齒形態(tài)學上相似，但仍然與真實牙齒有一些差距，不能完全真實地模擬根管治療術(shù)操作過程，且模板種類有限，不能體現(xiàn)根管類型的多樣性，但由于離體牙來源限制、不可復制、交叉感染、倫理問題等原因，且離體牙不可復制等原因而無法用于大規(guī)模操作模擬培訓。目前，口腔內(nèi)科操作培訓缺乏具體的、標準化的培訓模型，指導者與學習者之間的教學實踐是建立在離體牙上而非較為規(guī)范的可大規(guī)模培訓的應(yīng)用模型上。因此，尚缺乏一種臨床仿真度高的、可大規(guī)模復制的口腔內(nèi)科操作培訓模型。目前尚缺乏一種可大規(guī)模復制、仿真度高的口腔內(nèi)科操作培訓模型。

2 3D打印技術(shù)的介紹

3D打印技術(shù)利用重建的三維數(shù)字模型并將其分割層狀，然后逐層堆積形成實體模型。其特點是精準、可成型復雜結(jié)構(gòu)、個性化和批量生產(chǎn)。3D打印技術(shù)是根據(jù)3D CAD模型或通過逆向工程重建的模型，采用離散材料（粉末、液體、片、絲、板、塊等）逐層累加起來制造實體零件的技術(shù)。在數(shù)字醫(yī)學領(lǐng)域中，3D打印技術(shù)已展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢和光明的應(yīng)用前景。近年來，3D打印即廣泛的被運用于工業(yè)生產(chǎn)中。各種3D打印技術(shù)的過程都包括CAD模型建立、生成STL文件格式、3D打印制作、模型分層切片和后置處理。

3 3D打印牙齒模型的構(gòu)建

3.1 3D 打印材料及設(shè)備的選擇

比較多種國內(nèi)外3D 打印材料，篩選出Wic300a、E-Dent、VisiJet Crystal 3 種材料作為本研究成型材料。E-Dent 顏色與牙體顏色接近，具有較高的硬度及剛度，是可用于口腔修復牙冠修復3D 打印的光固化樹脂，成形精度為100 μm，Wic300a 是價格較為低廉的工業(yè)樹脂，成形精度為25 μm，E-Dent 和Wic300a 支撐材料均為自身粉末，適配機型為DDP（Envision TEC公司，德國）。VisiJet Crystal，材料為透明樹脂，是較為常見且性能穩(wěn)定的快速成型材料，成形精度為16μm，支撐材料為石蠟，適配機型為ProJet 3510 HD（3D System 公司，美國）。

3.2 材料根管成型能力測試

應(yīng)用SolidWorks 2014（Dassault Systemes S.A 公司，美國）設(shè)計根管成型測試模型草圖，根管直徑從小至大分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mm。用Wic300a、E-Dent 和VisiJet Crystal3 種材料3D 打印設(shè)計草圖，獲得根管測試模型。用8 個3VLED 燈泡改裝并接通變壓器制造實驗光源，分別照射3 種材料根管測試模型并用相機拍攝，觀察各直徑管腔是否成形，確定各材料成形根管的最小直徑。

3.3 離體牙的處理及篩選

選擇因牙周病拔除的外形良好、無齲、無缺損的離體牙，用10%甲醛浸泡處理離體牙，去除周圍牙槽骨、牙周膜和牙石，用ProMax 3D CBCT （Planmeca 公司，芬蘭）拍攝并篩選出具有代表性的單根管前牙、雙根管前磨牙、雙根管磨牙、三根管磨牙各1 顆。

3.4 3D打印牙齒模型的構(gòu)建

用SCANCO μCT80（SCANCO Medical AG 公司，瑞士）對篩選出的離體牙進行顯微CT 掃描，設(shè)置電壓為70 kV，電流114 μA，分辨率為1024 像素×1024 像素，以36 μm的層距掃描牙體全長。將影像數(shù)據(jù)導入三維重建軟件Mimics 10.01 軟件（Materialise 公司，比利時），建立單根管前牙、雙根管前磨牙、雙根管磨牙、三根管磨牙的牙齒三維模型。并根據(jù)根管成型能力測試結(jié)果，修飾離體牙三維模型使得模型根管最狹窄處與測試結(jié)果可成形根管最小直徑一致，以STL 格式保存。用不同材料對4 種類型牙齒STL 模型進行3D打印，獲得3D 打印牙齒模型，分別與原牙齒比較外觀。

3.5 3D打印牙齒模型形態(tài)仿真性研究

對3D 打印牙齒模型進行二次顯微CT 掃描成像，由于VisiJet Crystal 材料密度過低在顯微CT 下不顯影，且根管成型能力較差、根尖孔堵塞不能注入顯影劑等原因，本研究僅對E-Dent 和Wic300a 模型進行形態(tài)仿真性評估。重建出3D 打印模型的三維模型，并分離為表面形態(tài)三維模型和髓腔形態(tài)三維模型，利用Geomagic Qualify 11 軟件（Raindrop Geomagic 公司，美國）與原牙齒三維模型做兩兩最佳擬合配準，差異的幅度可以在配準差異分布彩圖以及誤差直方圖上顯示出來。分別從表面形態(tài)、髓腔形態(tài)兩方面，獲得2種材料4 種類型牙齒模型與原牙齒對應(yīng)點之間的距離，通過計算差異的均值與標準差，即絕對偏差值來反應(yīng)模型與原牙齒的真實差異。

4 結(jié)果分析

建立了單根管前牙、雙根管前磨牙、雙根管磨牙、三根管磨牙的三維模型，根據(jù)根管成型能力測試結(jié)果，對三維模型修飾使根管最狹窄處直徑為0.6 mm，模型透明化處理后表面形態(tài)和髓腔形態(tài)顯示清晰直觀，連續(xù)性好，且可進行三維旋轉(zhuǎn)。結(jié)合3D 打印技術(shù)成功獲得E-Dent、Wic300a、VisiJet Crystal 的單根管前牙、雙根管前磨牙、雙根管磨牙、三根管磨牙的3D 打印牙齒模型，1：1 還原離體牙。在自然光線下，直觀形態(tài)均與真實牙齒十分接近，效果逼真，E-Dent模型在顏色及美觀方面更接近真實牙齒。

5 結(jié)論

3D打印技術(shù)在口腔矯正領(lǐng)域中可用于打印個性化舌側(cè)托槽。矯正治療主要是通過各種矯正裝置來調(diào)整面部骨骼、牙齒以及頜面部的神經(jīng)及肌肉之間的協(xié)調(diào)性，最終使患者的口頜系統(tǒng)平衡、穩(wěn)定和美觀。通過錐形束CT（CBCT）掃描儀和牙頜模型掃描儀獲得牙齒數(shù)據(jù)，在CAD軟件上設(shè)計個性化舌側(cè)托槽，然后采用SLM技術(shù)打印與患者牙齒的舌側(cè)面精密吻合的舌側(cè)托槽，再通過轉(zhuǎn)換托盤直接將托槽粘接在預(yù)先設(shè)計的位置上。該技術(shù)可以消除傳統(tǒng)舌側(cè)托槽需要依賴粘接劑厚度補償?shù)谋锥恕?/p>

參考文獻：

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