3D打印在正畸托槽制作中的應用現(xiàn)狀

田而慷，王雙成，劉楨，廖文

(1.口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學研究中心 四川大學華西口腔醫(yī)院正畸科，成都 610041；2.口腔疾病研究國家重點實驗室 四川大學華西口腔醫(yī)學院，成都 610041)

3D打印技術(shù)是一項涉及材料、制造、控制及信息技術(shù)等多學科的新興技術(shù)，其基本過程包括制作零件的三維數(shù)字模型和三維模型數(shù)據(jù)文件的分層切片，將切片文件導入3D打印機，利用軟件控制3D打印設備中的噴頭或激光頭按輪廓信息做掃描運動，在工作臺上成型材料層層堆積黏結(jié)，最終獲得三維產(chǎn)品[1-3]。根據(jù)打印材料和成型特點的不同，3D打印技術(shù)可分為光固化快速成型(stereo lithography appearance，SLA)技術(shù)、選擇性激光融化(selective laser melting，SLM)技術(shù)、熔融沉積成型(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering，SLS)技術(shù)等[4-7]。隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，其被廣泛運用于模型制造和工業(yè)設計，由于該技術(shù)有操作簡便、制造精度高、原料種類繁多等特點[8-9]，可以根據(jù)臨床口腔中的復雜情況選擇合理的打印方式來輔助治療，因此被廣泛應用于口腔醫(yī)學領域[10]?？谇徽强谇会t(yī)學領域的重要組成部分，其對精度和個性化要求較高，因此3D打印技術(shù)在口腔正畸中的應用為口腔正畸治療中舒適度低、個性化程度低及托槽制作技術(shù)要求高等問題提供了有效的解決方法。目前，3D打印技術(shù)已被用于制作石膏模型以及個性化正畸托槽等[10-12]。現(xiàn)就3D打印技術(shù)在口腔正畸托槽制作中的應用現(xiàn)狀予以綜述。

1 可應用于口腔正畸的3D打印技術(shù)類型

3D打印技術(shù)運用于正畸托槽的制作，通過專用口腔螺旋CT掃描獲得患者的牙列三維模型，利用三維設計軟件(如Mimics軟件和Hyper Works軟件)進行正畸托槽設計，得到托槽的CAD數(shù)據(jù)，再將CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成STL格式文件，利用分層切片軟件對其進行切片處理，導入3D打印設備，最后打印出成品[13-14]。目前，可應用于口腔正畸的3D打印技術(shù)包括SLA、SLS與SLM[2，6，15]。

1.1SLA技術(shù) SLA技術(shù)常用于樹脂排牙模型和唇側(cè)托槽的制作[2，16]。SLA技術(shù)以液體光敏樹脂為原料，通過使用紫外線束選擇性固化光敏原料，由計算機控制系統(tǒng)控制，將特定波長和強度的激光束聚集在液體光敏樹脂表面，經(jīng)掃描輻照逐層固化，直至形成固體模型[2，16]；紫外光固化可以在人工光下工作，而不會在漿料制備過程中引起聚合[17]。SLA技術(shù)制作流程見圖1。

圖1 光固化快速成型技術(shù)制作流程

隨著3D打印技術(shù)的進步，SLA技術(shù)逐步向面曝光快速成型技術(shù)、噴射固化成型技術(shù)等發(fā)展[18-19]。其中，與SLA技術(shù)不同，面曝光快速成型技術(shù)去除了X-Y運動控制子系統(tǒng)，只留下Z軸方向運動結(jié)構(gòu)[2，20]。噴射固化成型技術(shù)使用陣列式噴頭，在壓力作用下通過計算機控制噴嘴工作腔里的光敏樹脂，將其噴射到指定位置形成液滴，并立即使用紫外線固化，形成所需零件[18，21]。

SLA技術(shù)成型速度較快，有分辨率高和成型范圍大的優(yōu)點，加工精度能達到0.1 mm；其產(chǎn)物表面質(zhì)量較好，是理想的熔模精密鑄造模型，可制作結(jié)構(gòu)十分復雜的模型，但SLA只能選擇光固化樹脂為材料，強度中等[13-14]。SLA技術(shù)在加工精度方面的特點使其在制作排牙模型及精度要求較高的唇側(cè)托槽中廣泛應用，但SLA技術(shù)的選材限制使產(chǎn)品的力學性能受到一定影響。

1.2SLS技術(shù) SLS技術(shù)是一種通過選擇性凝固各種細粉體制造物理模型的技術(shù)[22]，可用于制作排牙模型，便于后續(xù)制作唇側(cè)托槽和隱形矯治器[16]。SLS技術(shù)使用二氧化碳或Nd:YAG激光束掃描連續(xù)的粉末材料層，將粉末材料逐層燒結(jié)固化，最終形成固體模型[16]。其基本原理為將三維模型進行分層切片處理，發(fā)送到激光燒結(jié)設備，將工作室中的預熱溫度升高到預定值并保持其不變，由鋪粉滾筒在建造平臺上鋪布粉末，由計算機系統(tǒng)控制激光束對粉末進行掃描燒結(jié)，一層燒結(jié)完成后，工作臺下降單層厚度，再次鋪上粉末進行下一層燒結(jié)，重復以上過程直至零件燒結(jié)完成[22-25]。SLS技術(shù)對材料的處理方法使其選擇材料范圍更廣，可以根據(jù)不同需求選擇力學性能相對最合適的材料制作正畸托槽，但SLS技術(shù)中對粉末的部分熔融的燒結(jié)處理使其尺寸穩(wěn)定性較SLA技術(shù)稍差，因此精度低于SLA技術(shù)，故不適用于制作精度要求高的唇側(cè)托槽，而適用于制作排牙模型。此外，SLS技術(shù)還有成本較高的缺點[16]。

1.3SLM技術(shù) SLM技術(shù)是在SLS技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的一種直接成型金屬零件的快速制造方法[26-27]。這兩種工藝的區(qū)別主要在于前者是通過部分熔融的方式連接粉末，后者則完全熔化[24]。與SLS系統(tǒng)不同，SLM的建造平臺是由一個具有調(diào)整垂直軸能力的制造活塞驅(qū)動，該活塞旁有一個可以垂直調(diào)整的送粉活塞，工作時，送粉活塞上升，鋪粉滾筒將粉末鋪到構(gòu)建平臺上，激光束將粉末局部熔化或全部熔化，一層完成后，制造活塞后退，同時送粉活塞上升，再次填充構(gòu)建平臺，重復以上過程，直到零件完成[28]。

SLM技術(shù)可以快速、小批量制造復雜的零件，且不受零件的幾何形狀限制，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和制造周期。與傳統(tǒng)工藝相比，經(jīng)過SLM技術(shù)成型的零件晶粒細小，組織均勻，力學性能優(yōu)異，不易產(chǎn)生偏析、氣孔、變形等缺陷[28]，這大大減少了零件的應力集中，從而提升了零件的使用壽命。此外，經(jīng)過優(yōu)化的SLM技術(shù)還能改善懸垂面成型能力、槽溝尺寸精度和托槽致密度[26]，能夠較好地匹配個性化程度較高的舌側(cè)托槽。

2 3D打印正畸托槽的制作流程及其臨床特性

利用3D打印技術(shù)可以直接或間接制作唇側(cè)托槽、舌側(cè)托槽及隱形矯治器，與傳統(tǒng)的托槽制作方法需要先制作患者口內(nèi)石膏模型不同，個性化3D打印托槽在術(shù)前數(shù)字化設計模擬，實現(xiàn)計算機模擬治療代替手工制作石膏模型，從而降低生產(chǎn)成本，縮短模型修改時間[3]。傳統(tǒng)托槽制作對操作者專業(yè)知識要求高，而3D打印技術(shù)降低了對操作人員專業(yè)水平的要求[29]。同時，利用不同的3D打印技術(shù)可以滿足不同類型托槽制作時的重點要求，因此3D打印在正畸托槽的制作中應用廣泛。

2.1唇側(cè)托槽 Krey等[29]提出了通過數(shù)字化流程，運用個性化3D打印唇側(cè)樹脂托槽系統(tǒng)來進行矯治：首先使用FreeCAD 0.16 軟件初步設計托槽，然后用Omnicam Ortho進行3D掃描，獲得口腔內(nèi)部的數(shù)字化模型，再將所需要的CAD數(shù)據(jù)導入Onyx Ceph 3D Lab進行虛擬排牙，創(chuàng)建理想咬合模型并對初步設計的托槽進行數(shù)字化、個性化調(diào)整，之后將數(shù)據(jù)導入制造平臺Netfabb Professional 6.5進行數(shù)據(jù)處理、校準與備份，最后使用SHERAe-co-print 30 3D打印機，采用面曝光快速成型技術(shù)3D打印托槽。結(jié)果顯示，經(jīng)過3個月的治療后，正畸結(jié)果與理想咬合模型對比相差不大，且患者對治療效果滿意。雖然通過此系統(tǒng)實現(xiàn)了個性化定制，但也存在一些問題，如打印過程中形成的銳利邊緣會造成患者不適及牙齦發(fā)炎；托槽翼過大邊緣容易彎曲變形或出現(xiàn)裂紋等[29-30]。因此，利用3D打印唇側(cè)托槽的材料與技術(shù)還需要進一步改進。

而與樹脂相比，陶瓷材料性能更加優(yōu)越，美學優(yōu)勢也更加突出，因此關(guān)于如何運用3D打印制作唇側(cè)陶瓷托槽的研究越來越多。2019年，Yang等[31]第一次描述了通過3D打印制作個性化陶瓷托槽的工作流程：首先使用TRIOS 3 Basic獲得口腔內(nèi)部的數(shù)字模型；完成虛擬排牙后，設計與牙的形態(tài)相匹配的個性化托槽；最后，將虛擬模型導出為STL文件；使用面曝光快速成型技術(shù)打印機將虛擬模型轉(zhuǎn)換為蠟型，再進行噴砂、包埋、預熱和壓合工序，然后將托槽剝離、拋光、個性化處理、上釉和燒結(jié)，最后將托槽打磨至光滑。與其他商業(yè)陶瓷托槽[32-33]相比，此方法制作的陶瓷托槽顏色更深，與普通正常人類牙齒顏色相近，且經(jīng)過打磨，托槽表面光滑完整，并無明顯缺陷。大多數(shù)3D打印制作的陶瓷托槽與其他商業(yè)陶瓷托槽[32，34]的摩擦特性、剪切黏結(jié)強度比較差異無統(tǒng)計學意義。由于采用了脫蠟工藝，這種陶瓷托槽不需要預先制作模具，制作時間大大縮短。盡管使用面曝光快速成型技術(shù)制作陶瓷托槽會導致托槽設計與制作的時間延長，但能夠減少不適感及椅旁時間、治療時間，且能達到更好的治療效果[35-38]。

2.2舌側(cè)托槽 與唇側(cè)托槽相比，舌側(cè)托槽更加美觀[39]，且使用兩種技術(shù)的療效類似[40]。但利用傳統(tǒng)制造方式制作舌側(cè)托槽存在很多問題，如精密加工困難，與牙齒不能完全貼合；產(chǎn)生異物感、語音障礙等[41]。在使用中，也出現(xiàn)托槽丟失率高，間接再粘技術(shù)復雜且不精確，患者的治療時間延長等問題[3]。而結(jié)合3D打印技術(shù)后，這些情況可以得到大幅度改善。因此，舌側(cè)托槽的3D打印技術(shù)引起越來越多學者[14,26，41-44]的關(guān)注，見表1。

表1 國內(nèi)外學者對3D打印個性化舌側(cè)托槽的研究

3D打印制造的舌側(cè)托槽具有如下突出優(yōu)勢：①貼合牙面設計，具有極高的精確性，能夠通過直接粘接將托槽放在預先設計的位置上，避免了傳統(tǒng)舌側(cè)托槽需要依賴黏接劑填補的弊端[45]；②托槽基底部擴大，擁有更佳的黏合力；③托槽厚度較低，如Wiechmann等[14]制造的托槽基部厚度僅為0.4 mm，對舌、對發(fā)音時造成的影響較小，同時改善了舒適度；④加工流程簡化、托槽與牙面的距離減小、對牙周的刺激小、不易脫落、操作簡便[13-14，26，41-44，46]。

3D打印定制個性化舌側(cè)托槽主要有兩種方法：間接成型和直接成型。兩種方法的區(qū)別在于設計好個性化舌側(cè)托槽后，間接成型是在3D打印蠟型后采用傳統(tǒng)鑄造方法制作金屬托槽；而直接成型則是直接3D打印出金屬托槽。其中，通過間接成型技術(shù)制作的舌側(cè)托槽雖然擁有較好的外形精度，但也存在工序繁瑣、精確性無法保證、托槽的脆弱部件容易變形等弊端。而采用優(yōu)化SLM技術(shù)直接制造個性化舌側(cè)托槽不僅節(jié)約成本、簡化流程，精確度也能得到提高[26]。

一項調(diào)查研究顯示，舌側(cè)矯治器的患者接受度最低[47]，可能是傳統(tǒng)舌側(cè)托槽舒適度低、影響發(fā)音、價格相對較高等原因造成。因此，提高舒適感、改善遠期效果、減少并發(fā)癥、減少制作成本對舌側(cè)托槽的推廣至關(guān)重要，而使用3D打印制作舌側(cè)托槽可能解決上述問題。Kwon等[43]研究指出，3D打印技術(shù)使對托槽底部凹槽的支撐成為可能，這是傳統(tǒng)方法無法做到的；且將三維模型與錐形束CT掃描或側(cè)位頭顱造影結(jié)合并利用軟件虛擬設計的杠桿臂矢量方案，經(jīng)個性化調(diào)整后還可用于其他患者的治療，大大縮短了時間，降低人工成本；在林澤等[41]的研究中，對照組采用方絲弓矯正技術(shù)進行傳統(tǒng)方法舌側(cè)正畸矯正，試驗組使用在意大利NEW-TOM口腔專用螺旋CT、Mimics軟件反求技術(shù)和Hyper Works軟件支持下3D打印的舌側(cè)托槽進行矯治，結(jié)果顯示，試驗組在遠期效果和患者舒適度等方面均明顯優(yōu)于對照組，并發(fā)癥發(fā)生率低于對照組，顯示出良好的治療體驗與效果。

2.3隱形矯治器 個性化隱形矯治器采用透明材質(zhì)，佩戴美觀[48]，明顯降低不適感，更容易保持牙周組織健康和口腔衛(wèi)生[17]，治療時間和椅側(cè)時間更短[49]，且治療效果與傳統(tǒng)矯治器相似[50]。

Lin等[34]首次將3D打印技術(shù)與隱形矯治器的制作結(jié)合起來，首先用非接觸掃描設備(ATOS光學掃描裝置)掃描石膏模型獲得口腔內(nèi)部數(shù)字化模型，之后在電腦上進行虛擬排牙并將結(jié)果輸出為STL文件，再使用快速成型機(Object Quadra Tempo快速成型機)進行3D打印，最后采用傳統(tǒng)熱壓膜技術(shù)制作隱形矯治器。結(jié)果顯示，3D打印的隱形矯治器使用1周后，患者的牙齒活動性增加，矯治器更容易貼合牙列，同時不適感減少，牙齒逐漸移動[34]。

但使用傳統(tǒng)熱壓膜技術(shù)制作的熱成型隱形矯治器，患者在進食、咬嚼等不同的時間和活動中需要反復取下和佩戴矯治器[51]。此外，由于熱成形過程中材料性能可能發(fā)生顯著變化，如較厚材料的透明度降低[52]、尺寸不準確[53]等，而使用專用材料直接3D打印隱形矯治器可以改善這種狀況[5，53-54]。Prashant等[5]使用牙科LT樹脂(Form Labs，Somerville，MA，USA)制作隱形矯治器，并將其與傳統(tǒng)方式制作的隱形矯治器進行比較，結(jié)果顯示，與最終STL文件相比，3D打印制作的矯治器的平均相對差異為2.55%，而傳統(tǒng)熱成型隱形矯治器為4.41%，表明前者的幾何精度更高。且3D打印制作的矯治器在較低位移下具有彈性變形和可逆性，可承受近662 N的最大載荷，低位移2.93 mm；而傳統(tǒng)熱成型隱形矯治器在大位移下具有塑性、不可逆性。這種由3D打印獲得的高屈服強度、高抗載荷、低變形的透明矯治器為傳統(tǒng)矯治器提供了一種更好的替代解決方案。此外，直接3D打印隱形矯治器還具有邊緣更柔軟、矯治器厚度可個性化定制等優(yōu)勢[9]。但同時也存在一些材料顏色不穩(wěn)定等問題[55]，還需要進一步研究不斷改進材料性能。

目前，美國Align公司的隱適美(Invisalign)、國內(nèi)的北京時代天使公司、上海正雅齒科科技公司等在利用3D打印技術(shù)制作隱形矯治器方面均已具備相關(guān)自主知識產(chǎn)權(quán)的正畸軟件與生產(chǎn)設備，能夠為正畸醫(yī)師提供完整解決方案[2]。

3 小 結(jié)

3D打印技術(shù)憑借其操作簡便、制造精度高、原料種類繁多等特點[8-9]，在一定程度上滿足了正畸對精度、個性化和舒適程度的要求，被廣泛應用于口腔正畸治療領域[10]。但3D打印技術(shù)還存在流程繁雜、邊緣銳利造成不適、對使用人員技術(shù)水平要求高和設備費用高昂等問題。同時，個性化舌側(cè)托槽制件工藝水平有待提高，打印件的后續(xù)處理以及臨床試驗還有待完善。因此，合適的生物材料的探索、托槽零件數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建以及3D打印設備的優(yōu)化與發(fā)展將成為3D打印在口腔正畸學甚至整個口腔醫(yī)學領域的熱點及難點問題。