桌面光固化3D打印模型遠(yuǎn)期尺寸穩(wěn)定性的研究

李志文 洪濤 白石柱 謝瑞 任楠 趙銥民

傳統(tǒng)石膏制作牙列模型需要一定的結(jié)固時(shí)間，且易發(fā)生磨損和斷裂，需要大量的存儲空間，在需要時(shí)不易查找，因此使用光固化3D打印的樹脂牙列模型逐漸有將其取代的趨勢[1]。關(guān)于光固化3D打印模型精度的研究已有很多，都表明其能夠滿足臨床應(yīng)用需求。然而，很少有人關(guān)注光固化3D打印模型隨著時(shí)間的推移發(fā)生形變的情況。不同的口腔治療項(xiàng)目，工作模型所使用的時(shí)間也有所不同。對于義齒修復(fù)，修復(fù)體需要1～2 周的時(shí)間制作完成；而對于正畸、正頜等較長治療周期的項(xiàng)目，工作模型就需要在較長時(shí)間內(nèi)不發(fā)生較大的形變。而目前尚無關(guān)于3D打印模型的遠(yuǎn)期尺寸穩(wěn)定性的報(bào)道。

相對于大型的樹脂3D打印機(jī)，桌面3D打印機(jī)因其設(shè)備便宜、運(yùn)行成本低、材料無污染、維護(hù)方便，更加適合辦公室環(huán)境，越來越受到口腔醫(yī)生和技師的歡迎。因此，本研究選擇一款口腔常用的桌面光固化3D打印機(jī)，分析其打印精度并觀察打印的牙列模型遠(yuǎn)期尺寸穩(wěn)定性，為臨床應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

桌面光固化3D打印機(jī)(Form 2)、牙科模型樹脂(Model Resin, M)(Formlabs公司，英國)，打印層厚為0.05 mm。

設(shè)計(jì)及分析儀器包括：三維建模軟件Solidworks 2017(Dassault Systemes公司，美國)；Ceramill map 600模型掃描儀(Amann Girrbach公司，德國)，掃描精度4 μm； 三維掃描數(shù)據(jù)處理軟件Geomagic Wrap 2017(3D systems公司，美國)；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件GraphPad Prism 8(GraphPad Software公司，美國)。

1.2 3D打印機(jī)的校準(zhǔn)

3D打印機(jī)的精度受到工作環(huán)境等諸多因素的影響，因此在使用前對3D打印機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)是必須的。使用Solidworks 2017軟件設(shè)計(jì)5 cm×5 cm×5 cm的立方體，在相鄰的三個(gè)面分別標(biāo)識X、Y、Z，用以確定打印方向，保存為STL(STereoLithography，立體光刻)格式文件導(dǎo)出。將STL文件導(dǎo)入到Form 2打印機(jī)中，使用牙科模型樹脂打印3 個(gè)立方體，打印時(shí)按照STL文件中標(biāo)識的X、Y、Z方向進(jìn)行擺放，用于分析打印機(jī)在每個(gè)方向的偏差。

測試模型打印完成后，按照打印機(jī)操作說明要求的方法對打印模型進(jìn)行清洗、干燥、后固化(圖1)。在打印完成當(dāng)天使用Ceramill map 600模型掃描儀對模型進(jìn)行掃描，獲得所打印模型的STL文件。將STL文件導(dǎo)入到Geomagic Wrap 2017中，分別測量3 個(gè)立方體在X、Y、Z方向的真實(shí)值，得出在各個(gè)方向的平均值。測量時(shí)按照選擇25%、50%、75% 3 個(gè)位置進(jìn)行測量(圖1)。通過公式(1)獲得該打印機(jī)在打印牙科模型樹脂時(shí)在X、Y、Z方向的補(bǔ)償參數(shù)RX、RY、RZ。

公式(1)

圖1 3D打印機(jī)校準(zhǔn)

1.3 牙列模型的獲取

使用Ceramill map 600模型掃描儀對標(biāo)準(zhǔn)上頜石膏模型進(jìn)行掃描，獲得其STL文件。在Geomagic Wrap 2017軟件中對STL文件進(jìn)行處理，保留牙列作為標(biāo)準(zhǔn)牙列模型，另存為STL文件(圖2)。

1.4 牙列模型的3D打印

按照打印機(jī)的X、Y、Z方向進(jìn)行模型的擺放，并且使用測得的補(bǔ)償參數(shù)RX、RY、RZ調(diào)整打印機(jī)在各方向的參數(shù)，使用模型樹脂材料打印5 個(gè)牙列模型(圖2)。模型打印完成后，按照打印機(jī)操作說明要求的方法對打印模型進(jìn)行清洗、干燥、后固化、去除支撐，并對支撐點(diǎn)進(jìn)行打磨和拋光。打印完成的模型保存于20 ℃、50%濕度的條件下，同時(shí)避免陽光直射。

圖2 3D打印樹脂牙列模型

1.5 牙列模型的偏差分析

分別在牙列模型打印完成的第1、2、3、5、7、14、21、28 天使用Ceramill map 600模型掃描儀對5 個(gè)牙列模型進(jìn)行掃描，將得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Wrap 2017中。使用“最佳擬合對齊”功能分別與標(biāo)準(zhǔn)牙列模型對齊，然后使用3個(gè)相同的平面進(jìn)行裁剪，將每個(gè)牙列模型分離出相同的3單位牙列長度、5單位牙列長度、半側(cè)牙列長度和全上頜牙列長度的片段。再次使用“最佳擬合對齊”功能將所得的片段分別與標(biāo)準(zhǔn)牙列模型對齊，然后使用“3D偏差分析”功能，獲得配準(zhǔn)后打印模型和標(biāo)準(zhǔn)模型偏差的均方根值(root mean square, RMS)，表示兩者的平均3D偏差，計(jì)算方法見公式(2)，同時(shí)生成表示偏差分布的色階圖(圖3)。

公式(2)

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

用GraphPad Prism 8統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。用單樣本t檢驗(yàn)比較樣本數(shù)據(jù)與參考值之間的差異情況，利用單因素ANOVA比較多組樣本間的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P<0.05認(rèn)為具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2 結(jié) 果

2.1 3D打印機(jī)的校準(zhǔn)

Form 2打印的3 個(gè)牙科模型樹脂立方體在X、Y、Z方向的平均真實(shí)值分別為(50.015 0±0.052 5)mm、(49.936 3±0.060 7) mm、(50.005 0±0.005 2) mm，使用公式(1)進(jìn)行計(jì)算，對應(yīng)方向的補(bǔ)償參數(shù)RX、RY、RZ分別為0.999 7、1.001 3、0.999 9。表1列舉了不同方向測量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、偏差、補(bǔ)償參數(shù)及對應(yīng)的P值。

圖3 牙列模型的3D偏差分析色階圖

圖4中虛線代表參考值50 mm，使用單樣本t檢驗(yàn)分析各個(gè)方向測得的真實(shí)值與50 mm的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。P<0.05認(rèn)為具有顯著性差異，“*”代表顯著程度。

圖4 牙科模型材料樹脂立方體的各方向真實(shí)值

表1 Form 2打印機(jī)在打印牙科模型樹脂時(shí)的校準(zhǔn)參數(shù)

2.2 3D打印機(jī)的打印精度

牙列模型在打印完成當(dāng)天與標(biāo)準(zhǔn)模型的RMS值代表了Form 2打印機(jī)在打印牙列模型時(shí)的精度。Form 2打印機(jī)所打印牙列模型的3單位長度牙列、5單位長度牙列、半側(cè)上頜牙列、全上頜牙列的精度分別為(0.043 3±0.004 7) mm、(0.050 3±0.007 3) mm、(0.052 2±0.007 4) mm和(0.058 9±0.010 2) mm。

2.3 牙列模型的尺寸穩(wěn)定性

隨著放置時(shí)間延長，牙列模型會發(fā)生收縮與翹曲變形，不同長度的牙列模型3D偏差均增大，但不同區(qū)域的變化幅度不一致，后牙區(qū)的變化幅度明顯。從第5～7 天開始，牙列模型發(fā)生明顯形變(P<0.05)。截止到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，牙列模型的形變?nèi)詻]有趨于穩(wěn)定。到第28天時(shí)，四種長度的牙列模型3D偏差分別為(0.056 2±0.004 1) mm、(0.059 5±0.002 0) mm、(0.063 8±0.005 0) mm和(0.079 5±0.015 4) mm。相比打印完成當(dāng)天，牙列模型已發(fā)生明顯形變(P<0.000 1)，具體的RMS值及P值見表2。

3 討 論

通過對打印完成的測試模型和標(biāo)準(zhǔn)上頜牙列模型進(jìn)行3D偏差分析，分析3D打印機(jī)的打印精度和模型的遠(yuǎn)期尺寸穩(wěn)定性。Hirogaki等[2]認(rèn)為對于正畸治療，3D設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和牙科模型的尺寸差異在300 μm以內(nèi)可以認(rèn)為是足夠準(zhǔn)確的。而Rossini等[3]則認(rèn)為，模型的測量誤差小于200 μm在正畸臨床治療中是可接受的。但是根據(jù)牙科臨床治療項(xiàng)目的不同，評估牙科模型準(zhǔn)確性的臨床標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)不同[4]。在進(jìn)行固定義齒修復(fù)和種植治療時(shí)，如果3D打印的模型具有200～300 μm的誤差，修復(fù)體制作精度得不到保證，影響修復(fù)體適合性、鄰接與咬合，甚至?xí)?dǎo)致多單位修復(fù)體的失敗。Papaspyridakos等[5]認(rèn)為，在種植修復(fù)時(shí)模型的3D最大偏差應(yīng)小于100 μm，最大不應(yīng)超過150 μm。而Rungrojwittayakul等[6]也提出在進(jìn)行固定修復(fù)和種植修復(fù)時(shí)，模型的精度應(yīng)小于100 μm。

光固化3D打印機(jī)目前使用的技術(shù)主要包括立體印刷成型技術(shù)(stereo lithography appearance，SLA)、數(shù)字光處理技術(shù)(digital light processing，DLP)、選擇性區(qū)域透光固化技術(shù)(liquid crystal display，LCD)、多噴頭打印技術(shù)(multi-jet printing，MJP)、連續(xù)液體界面成型技術(shù)(continuous liquidinterface production，CLIP)、雙光子三維打印技術(shù)(two-photon 3D printing，TPP)、全息三維打印技術(shù)(holographic 3D printing technology)及其他打印技術(shù)[7]。

表2 不同長度牙列模型隨時(shí)間推移的3D偏差

Form 2打印機(jī)采用的是SLA光固化技術(shù)，所使用的照射激光的波長為405 nm，功率為250 mW。SLA光固化技術(shù)是指使用特定波長的激光束，從樹脂槽的下方向上沿著每個(gè)截面的二維邊界進(jìn)行照射，在平臺表面形成一層厚度的樹脂，逐層固化，直到形成立體的三維物體[8]。SLA光固化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括打印精度高、表面光潔度好、細(xì)節(jié)精細(xì)、機(jī)械強(qiáng)度高等。但是由于激光不能完全固化打印材料，因此需要對被打印件進(jìn)行后固化以提高被打印對象的穩(wěn)定性[9]。使用補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)后，牙列模型的3單位長度牙列、5單位長度牙列、半側(cè)上頜牙列、全上頜牙列的精度分別為(0.043 3±0.0047) mm、(0.050 3±0.007 3) mm、(0.052 2±0.007 4) mm和(0.058 9±0.010 2) mm，均小于100 μm，可以滿足臨床需求。

3D打印精度的影響因素有很多，具體包括： (1) 不同打印機(jī)所采用的不同打印技術(shù)：如SLA、DLP、LCD、MJP等[10]； (2) 不同種類的樹脂本身所具有的特性[11]； (3)所打印模型的尺寸、形狀、充填率等； (4) 打印時(shí)不同的擺放方式和加支撐方式[12]； (5)打印時(shí)選擇的打印層厚[13]； (6)打印機(jī)的工作環(huán)境，包括工作臺的穩(wěn)定度和平整度、空氣質(zhì)量、溫度、濕度、工作環(huán)境的電壓等。為了獲得Form 2打印機(jī)各個(gè)方向的校準(zhǔn)參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了5 cm×5 cm×5 cm的立方體，并按照設(shè)定的X、Y、Z方向進(jìn)行擺放，以獲得各個(gè)方向的真實(shí)值。結(jié)果表明，各個(gè)方向均有一定偏差，其中Y方向和Z方向偏差較明顯(P<0.05)(圖4)。因此，每臺3D打印機(jī)在正式臨床使用前都應(yīng)該進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)，并且定期修正，以彌補(bǔ)打印機(jī)自身特性和工作環(huán)境對打印精度的影響。

通過對比不同長度牙列模型的精度，表明不同長度模型的精度并不一致(圖5)。這說明即使打印機(jī)在打印單個(gè)物體時(shí)，各個(gè)區(qū)域的精度結(jié)果也不一致。根據(jù)3D偏差分析色階圖，本實(shí)驗(yàn)所打印的牙列模型在后牙區(qū)頰側(cè)表現(xiàn)黃色，而且牙位越靠后，顏色越深；在舌側(cè)表現(xiàn)為藍(lán)色，牙位越靠后顏色越深。這表明牙列模型發(fā)生了整體的向內(nèi)側(cè)收縮，且越靠近后牙區(qū)收縮越明顯。隨著時(shí)間推移，這種趨勢愈發(fā)明顯(圖6)。在第5 天時(shí)，3單位長度、半側(cè)牙列和全上頜牙列的模型相對于打印完成當(dāng)天開始發(fā)生明顯變形(P<0.05)；第7 天時(shí)，5單位長度的牙列模型開始發(fā)生明顯形變(P<0.05)。在后續(xù)3 周時(shí)間內(nèi)，形變量在逐漸增加，截止到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，形變?nèi)詻]有趨于穩(wěn)定。

使用單因素ANOVA進(jìn)行各組數(shù)據(jù)間的對比，*: P<0.05; *： P<0.001

使用單因素ANOVA進(jìn)行各組數(shù)據(jù)間的對比，*: P<0.05; *: P<0.01: *： P<0.001

聚合收縮是光固化打印樹脂的致命弱點(diǎn)，會導(dǎo)致模型內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)烈內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致材料變形，甚至?xí)?dǎo)致材料斷裂[7]。Nestler等[14]也認(rèn)為收縮和翹曲變形是光固化3D打印模型精度的主要影響因素。光固化機(jī)制主要取決于激光波長和光敏樹脂組成成分。應(yīng)用于SLA 技術(shù)的光敏樹脂體系通常由預(yù)聚體、光引發(fā)劑、活性稀釋劑和少量助劑或填料組成[15]。光敏樹脂各種組分的構(gòu)成不同，將會影響到樹脂的固化速度、固化收縮率、一次性同化程度和溶脹性能等。不同的光引發(fā)體系對樹脂的固化速度和固化收縮率有顯著影響。若樹脂的固化收縮率大，將會導(dǎo)致模型精度低且各區(qū)域精度不一致[16]。而一次性同化程度低和溶脹性能不佳，就將會導(dǎo)致后固化收縮變形嚴(yán)重并且遠(yuǎn)期尺寸穩(wěn)定性差[17]。因此，通過改良光敏樹脂組成和選擇相匹配的激光波長是提高3D打印機(jī)精度和模型尺寸穩(wěn)定性的有效途徑。

4 總 結(jié)

本研究分析了光固化3D打印機(jī)的精度，并建立了一種研究光固化3D打印牙列模型遠(yuǎn)期尺寸穩(wěn)定性的方法，并初步應(yīng)用。Form 2打印的牙列模型從第5～7 天開始發(fā)生明顯形變，并且隨著時(shí)間推移，形變趨勢逐漸增大。截止到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，這種變化趨勢也并未穩(wěn)定。第28 天時(shí)不同單位牙列模型的3D偏差均未超過0.1 mm，雖然仍能滿足臨床需求，但是為了減少修復(fù)體制作中的誤差和修復(fù)時(shí)醫(yī)生的工作量，建議在牙列模型打印完成的5～7 d內(nèi)完成修復(fù)體的制作。