三維打印和切削氧化鋯修復體的成型性能研究進展*

孫紀奎 梅子彧 樓雨欣 孫蔓琳 于海洋

氧化鋯材料因其良好的生物相容性和力學性能已被廣泛應用于牙科修復中。牙科氧化鋯修復體的主流加工方法是計算機輔助設計與計算機輔助制造（Computer Aided Design & Computer Aided Manufacture， CAD/CAM）［1］，當前氧化鋯加工CAM 系統(tǒng)多基于減材制造技術，即通過計算機輔助設計（Computer aided design， CAD）軟件設計修復體，再通過計算機控制銑削設備切削氧化鋯成所需的幾何形狀。

2012年Noort等［2］提出牙科領域的未來數(shù)字技術正在迅速發(fā)展，分層制造工藝因其在合理價格內(nèi)可以生產(chǎn)出復雜的形狀、損耗極少等優(yōu)點會成為主流技術?，F(xiàn)在有關增材制造三維打印牙科氧化鋯的研究越來越多，眾學者普遍認為三維打印提高了材料的利用率，同時打印過程無需機械加工和模具，理論上能打印出任何形狀的任何物體，且當前三維打印成型的氧化鋯修復體在機械性能、成型精度等方面已較接近切削制造氧化鋯，因此其有潛力有望成為未來的主流技術［3］?？谇恍迯偷幕局委熓侄问峭ㄟ^設計、制造修復體來恢復各種缺損及及畸形而喪失的形態(tài)及功能，使之盡可能接近正常水平。成型性能是評價工藝技術的核心指標，本綜述旨在分析目前主流的兩種牙科修復體制造法制造的氧化鋯修復體成型性能。

1. 數(shù)控機床加工技術及三維打印技術及原理對比

CAD/CAM 是目前牙科氧化鋯修復體制造的主要技術，其中CAM 系統(tǒng)中以計算機數(shù)控加工切削技術即減法制造技術為主流技術應用廣泛。1986年Charles Hull 首次提出3D 打印的概念發(fā)展至今，三維打印制造可分為三類主要的方法：基于光固化的的成型工藝、基于激光成型工藝和噴墨技術。三維打印技術因其“分層制造、逐層疊加”的特性，可作為CAM系統(tǒng)的一種新技術。

1.1 數(shù)控機床切削制造技術 該技術首先利用三維掃描儀獲取口內(nèi)數(shù)據(jù)，據(jù)此在計算機輔助設計軟件設計修復體并導出三維數(shù)據(jù)，再通過計算機輔助制造設備從預燒結或完全燒結的成品氧化鋯塊中銑削得到修復體外形，最后對銑削成型修復體進行后處理以獲得最終修復體［4］。該技術雖已較為成熟，但是仍存在諸多問題：減材制造工藝流程中會造成大量原材料的浪費；受車針直徑的限制，可加工形狀受限，成型精度會下降；車針易快速磨損，導致成本的增加；制造中會產(chǎn)生粉塵，對環(huán)境造成污染，不利于環(huán)境友好［5］。

1.2 三維打印技術

1.2.1 基于光固化的成型工藝 陶瓷光固化快速成型技術是通過紫外光束照射陶瓷漿料使?jié){料中的光敏樹脂固化，逐層打印，由面與面的堆積形成陶瓷坯體，陶瓷坯體干燥、脫脂去除有機成分，最后通過高溫燒結獲得陶瓷部件。該工藝因為漿料的高固相、低粘度性與低直徑的紫外光束逐點照射特性相結合，可以得到精度高、表面質(zhì)量好、致密度高的陶瓷部件。但是缺點是設備及原材料的價格高昂、原材料目前局限于光固化材料。目前運用廣泛的光固化成型工藝有：立體光刻成型技術（Stereolithography apparatus， SLA）［6］與數(shù)字光處理技術（Digital light processing， DLP)［7］。SLA在成型時，紫外光束射由點到線及面，完成一個層面的打印，再逐層打印，由面與面的堆積形成陶瓷坯體。DLP不同之處是運用了數(shù)字微鏡元件裝置，光源經(jīng)密集排列成面的微反射鏡反射到材料上，直接引起整層材料聚合固化，無需紫外線光束進行逐點照射?；诖藘?yōu)勢，DLP技術較其他光固化成型技術有更快的單層固化時間。

1.2.2 基于激光成型工藝 激光成型工藝是依照CAD 系統(tǒng)設計的三維模型，利用激光束燒結或熔化粉末狀的材料完成該層固化，再進行下一層的燒結固化，最終層與層之間相互粘結制成陶瓷生坯。陶瓷生坯需要經(jīng)過去除粘結劑和燒結等后處理過程才可獲得最終的陶瓷部件。該工藝力學性能較差缺點明顯，雖然有較高的致密度，制作工藝中溫度變化可能會導致陶瓷表面質(zhì)量低，制造完成后需要進一步修整拋光，后續(xù)加工復雜。目前運用廣泛的激光成型工藝有：選擇性激光燒結（Selective laser sintering， SLS）［8］，選擇性激光熔覆（Selective laser melting， SLM）［9］。SLS 技術的粘接是由目標材料直接形成顆粒或原料中添加的低熔點粘接劑（如低熔點金屬、高分子材料等）實現(xiàn)目標材料的粘接，陶瓷生坯在燒結前需要去除粘結劑［14］，對最終陶瓷部件的力學性能和密度有較大影響，同時SLS 燒結形成的成型件多疏松多孔，需要進行復雜的后處理工序，但優(yōu)點是；未固化的粉末可以起支柱作用因而無需設計額外添加支柱，材料利用率高。SLM技術相較于SLS技術，成型材料不需要添加額外粘結劑，采用高密度的激光束直接高溫燒熔陶瓷粉體實現(xiàn)陶瓷的固化成型，無需后續(xù)去除粘接劑的流程，致密度可近100%，但整個過程溫度變化大，速度快，產(chǎn)生應力大，應用于陶瓷時，易造成裂隙［10］。

1.2.3 噴墨技術 噴墨打印技術（ink jet printing）［11］又稱為直接沉積（direct deposition）技術。由陶瓷粉體、分散劑、粘接劑、表面活性材料和其他輔助材料混合配置而成的“陶瓷墨水”。依據(jù)計算機輔助設計的三維模型，按照各層輪廓外形、形成路線等，由噴墨打印機將陶瓷墨水依據(jù)計算機設計方案，逐層噴射，在粘接劑的作用下與前一層材料粘接或光照固化成型，形成與計算機設計相匹配的陶瓷生坯。目前此種打印技術的核心問題在于其原材料的配置。陶瓷墨水需要有良好的穩(wěn)定性，保證其在打印過程中的形狀和密度的一致性，同時陶瓷墨水中的非金屬顆粒直徑必須足夠的小，以此來保證其在噴射過程中不出現(xiàn)堵塞噴頭的問題［12］。

2.氧化鋯修復體加工精度

修復的精度與修復體的壽命緊密相關。邊緣精度較低的修復體，邊緣不密合導致菌斑上的微生物沉積，從而引發(fā)腐爛并導致微滲漏，基牙容易患齲病和牙周?。?3］。為了修復的長期預后，修復體需要更高的加工精度。其次，隨著患者對牙科修復的要求提高，修復體與患者余牙的匹配程度也被納入考慮范圍。修復體整體外形及邊緣細節(jié)的要求越來越高，高精度的修復體可以大大降低醫(yī)生椅旁的調(diào)改時間。

2.1 切削氧化鋯加工精度研究進展 目前有關切削制造氧化鋯修復體的精度研究較多。切削氧化鋯受諸多變量影響，包括CAD 系統(tǒng)掃描取模精度、掃描過程人為誤差、設計誤差，以及CAM 銑削技術缺陷，最終影響修復體燒結后的收縮率。Merrill［14］的研究比較了目前主流的兩種切削系統(tǒng)CEREC Bluecam (BC）和 CEREC Omnicam(OC）制造的氧化鋯陶瓷修復體（冠、嵌體、高嵌體）的加工精度，得出結論同一制造商的較高掃描精度掃描儀（OC）比較低掃描精度的掃描儀（BC）制備的修復體成型精度更高，證實了精度更高的掃描取模儀，后續(xù)能制造出更精度更高的修復體。修復體的邊緣密合性（marginal adaptation， MA），是指預備基牙與修復體邊緣的密合程度，反應修復體精度的重要指標。修復體邊緣差異度（marginal discrepancy， MD）越低，修復體邊緣密合性越高，修復體精度越高。修復體的邊緣差異度包括水平和垂直兩個方向的邊緣差異度。水平間隙是從修復體的邊緣到預備體的邊緣，由沿平行于牙齒軸線的軸線測量。垂直邊緣間隙是通過沿垂直于牙齒長軸的軸測量間隙獲得的。Boitelle 等人［15］報道，切削制造技術制造的牙科修復體邊緣差異度（MD）值小于80 毫米。大多數(shù)切削制造的氧化鋯修復體在的邊緣差異度（MD）臨床上可接受的范圍內(nèi)。在以往研究中切削制造技術在加工精度方面是否優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造工藝沒有得到明確的結論。孫鳳［45］等在切制造的氧化鋯全瓷修復體的隨訪檢查研究中發(fā)現(xiàn)固定橋的精度低于單冠精度，長橋的精度更差。但由于該實驗固定橋的樣本過少，且評價修復體邊緣密合性的標準僅以“是否卡探針”、“探針是否能探及牙本質(zhì)”、“肉眼是否能看到有間隙”等指標，尚缺少證據(jù)力更強的具體測量數(shù)據(jù)支撐。Anunmana 等［46］在體外對磨牙區(qū)行單冠和三冠固定橋氧化鋯修復體的邊緣精度進行了測量，單冠和三冠固定橋磨牙區(qū)邊緣間隙的平均值分別為43.6±0.4 μm 和46.5±0.5 μm，各個組間隙存在顯著差異所有位置的間隙之間存在顯著差異。該實驗有一定可信度，但缺陷是各實驗組樣本僅有10個，且為體外模擬實驗。

2.2 三維打印氧化鋯加工精度研究進展 目前有關三維打印氧化鋯修復體成型精度的研究較少，但不少研究認為，三維打印氧化鋯加工精度受光照射速度和強度、筑建陶瓷生坯的角度、單層的層厚、軟件程序、燒結后的收縮、加工原料的構成和后處理程序的影響［16-19］。王偉娜［20］等研究證實SLA 3D 打印技術制作的氧化鋯全瓷冠的打印精度基本滿足要求，是口腔氧化鋯全瓷修復體制作的潛在候選技術。WANG等［21］比較了采用SLA技術打印和CAD/CAM 切削兩種方法加工的氧化鋯冠，發(fā)現(xiàn)兩者冠邊緣精度無統(tǒng)計學差異，得出SLA技術制備的氧化鋯精度符合臨床要求。DLP 技術其工藝程序基本與SLA技術相同，但由于數(shù)字化光處理技術運用到了數(shù)字微鏡原件裝置，可以將整層圖像直接投影，使單層材料聚合固化。DLP 技術制造的3D氧化鋯可以使得單層固化速度快、成型精度高。

但值得一提的是，雖然各類實驗最終得出的結論是：“3D打印技術制備的氧化鋯與切削氧化鋯在精度上無統(tǒng)計學差異”。但是從實驗數(shù)據(jù)上看，三維打印氧化鋯的修復體精度都略低。目前提高3D打印制備的氧化鋯精度的研究眾多，郭等［22］測試出在固化程度良好時，最適宜的曝光時間，以得到最良好的修復體精度，但是并未改進3D打印技術制備的氧化鋯修復精度，臨床推廣還需優(yōu)化，總體仍有很大的進步空間。

3.氧化鋯修復體機械性能

牙科材料的機械性能是決定其臨床適應癥的基礎性指標，它直接反映了修復體在患者口腔環(huán)境內(nèi)，影響修復體的服役能力及時間。陶瓷材料的機械性能由以下參數(shù)組成：陶瓷材料的微觀結構、維氏硬度、抗彎曲能力及斷裂韌性。評價修復體的機械性能需從以上幾個方面聯(lián)合評價得出結論。（1）微觀結構：晶體相、玻璃相以及氣相是構成陶瓷材料微觀結構的三個要素，其中氣相是最關鍵的要素。氣相的存在通常會降低陶瓷材料的性能。還有研究提出［23］：氧化鋯晶粒尺寸大小直接影響最終燒結后材料強度等力學性能。當晶粒尺寸大于臨界值時也會降低其抗低溫時效性能，使材料容易老化、穩(wěn)定性下降。（2）氧化鋯維氏硬度：硬度被廣泛定義為材料抵抗永久表面壓入的能力，它表示了材料表面磨光的難易程度以及在應用中抗劃傷的能力［24］。（3）牙科陶瓷的抗彎強度是確定其臨床適應癥的重要參數(shù)［25］，它反映了修復體的承受彎曲載荷、抗彎強度。（4）斷裂韌性：斷裂韌性Klc（臨界應力強度）它代表了材料抵抗裂紋擴展能力的相對量值，反映了材料的抗脆斷能力。對于陶瓷這樣的脆性材料，其斷裂時并不會發(fā)生塑性變形，其斷裂所需能量就是斷裂韌性［26］。

3.1 切削制造氧化鋯修復體機械性能 切削制造氧化鋯修復體機械性能受工藝流程的影響。兩步切削法制造的氧化鋯修復體內(nèi)部機械性能要優(yōu)于普通切削法，不同的車針尺寸及切削儀器和其內(nèi)部工藝流程參數(shù)都會影響到制造的修復體內(nèi)部機械性能［27］。Wang［28］對比切削工藝流程制造的氧化鋯修復體的機械性能，得出結論表面損傷是影響切削制造氧化鋯機械性能的主要原因，而表面損傷主要是由于切削工藝引起的，雖然燒結過程可以減少切削過程引起的表面損傷的形成，但表面損傷仍然無法完全消除。內(nèi)部微裂紋是引起表面缺損的首要原因，更尖銳和更深的表面缺損增加了裂紋尖端的應力集中，有很大可能充當裂紋起始點，造成修復體機械性能缺失。在一開始修復體的表面缺損并沒有對修復體有直接損傷，但它在咀嚼過程中，隨著應力重復施加，缺損的尺寸往往會增加，將對氧化鋯修復體的壽命產(chǎn)生影響，在到達臨界值時，修復體將失去修復能力或破損。

3.2 三維打印氧化鋯修復體機械性能 表面損傷是影響修復體機械性能的首要原因，而三維打印增材制造修復體因其制造工藝及原料組成，會造成清潔損傷、加工損傷、裂紋和分層等，諸多因素都會對修復體機械性能造成影響［29］。目前已有較多三維打印氧化鋯修復體機械性能的研究，但大多數(shù)停留于材料學方面。魯?shù)妊芯勘砻鳎?0，31］：采用立體光刻增材制造的牙科氧化鋯，可以獲得與傳統(tǒng)減法制備的牙科氧化鋯接近的良好抗彎曲強度，且氧化鋯具有較高的致密度，其晶粒尺寸、晶相成分近似傳統(tǒng)減材制造牙科氧化鋯，抗彎強度雖略低于傳統(tǒng)減材制造牙科氧化鋯但卻十分相近，且其斷裂韌性較高，與傳統(tǒng)減材制造牙科氧化鋯無統(tǒng)計學差異。樓雨欣等的最新研究［32］中，分別采用切削制造氧化鋯和立體光刻制造氧化鋯的維氏壓痕法（indentation method， IM）與單邊Ⅴ型缺口梁法（Single side V-notch beammethod， SEVNB）測試兩者的斷裂韌性。（1）IM 組的數(shù)據(jù)為：分別為（6.126±0.383）和（6.111±0.179）MPam0.5，兩者相差僅為0.24%，兩者差異無統(tǒng)計學意義；（2）SEVNB 組的 數(shù) 據(jù) 為：（7.408±0.533）和（7.221±0.809）MPam0.5，兩者相差2.52%，兩者差異無統(tǒng)計學意義。目前廣泛使用的釔穩(wěn)定的四方氧化鋯多晶體（Yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystal， Y-TZP）氧化鋯的臨床壽命及修復效益持續(xù)時間并不理想。目前雖然牙科用氧化鋯陶瓷具有較強的韌性，但隨著時間的推移，其承載能力受到性能變化和退化的影響。

4.修復體美學性能

美學的核心要素是顏色和形態(tài)［33］，隨著患者對修復體美觀效果要求的提高，人牙顏色等美學性能越來越受到重視。一個完美的修復體除了形態(tài)、大小等需與天然牙相似外，其美學性能更應與天然牙接近。然而目前牙科氧化鋯陶瓷底瓷顏色與牙本質(zhì)不一樣，存在染色方法單一、色彩重現(xiàn)性差、半透明性低等不足［34］。為了使全瓷修復體的美學性能與天然牙接近，就必須重視如何獲得更接近天然牙的顏色參數(shù)，其中又以色度值和透光率最為重要［35］。氧化鋯的厚度、組成、微觀結構、粘接劑及燒結過程和試樣厚度都對光學性能有不同程度的影響，也影響了物理性能。氧化鋯的透射性可以通過應用納米陶瓷粉末、升溫速率、添加氧化物穩(wěn)定劑、提高氧化鋯的致密度等來改變，氧化鋯材料的微觀結構是影響氧化鋯美學性能的主要因素［36］，目前改進的高半透明性氧化鋯雖然有較好的美學性能，但是氧化鋯修復體的抗彎曲強度和斷裂韌性會下降［37］。

目前氧化鋯的美學性能優(yōu)化主要兩種途徑：（1）粉體混合法：氧化鋯粉體中添加著色劑使陶瓷染色；（2）浸泡法：預燒結瓷塊浸泡在特制的染色劑中。但有關商業(yè)用氧化鋯美學性能的研究并不多見，目前沒有研究表明氧化鋯修復體的不同加工方式會影響氧化鋯修復體的美學性能。氧化鋁含量較低的Y-TZP 有更好半透明性，可以改善氧化鋯修復體的光學性能及美觀性能，但比傳統(tǒng)的Y-TZP 在口腔環(huán)境中更容易老化［38］。另外，除去改變氧化鋯本身美學性能，在術前進行三維數(shù)字化仿真設計和修復效果預測， 設計效果可精準轉(zhuǎn)移至最終修復體， 能有效促進醫(yī)患交流， 提高患者對美學修復效果的滿意度［39］。近年來關于氧化鋯美學性能優(yōu)化的研究多使用切削氧化鋯作為實驗樣本［40，41，47］，三維打印氧化鋯美學性能改善還處于實驗室優(yōu)化階段，雖然已有研究表明立式印刷法三維打印制造的氧化鋯比水平印刷法三維打印制造的氧化鋯具有更高的半透明度，但其僅為組內(nèi)對比結果，三維打印增材制造氧化鋯的美學性能低于臨床標準［36］，氧化鋯整體的美學性能改善有待突破，如何優(yōu)化氧化鋯本身的美學性能是目前應研究的首要目標，氧化鋯的美學性能尚有很大挖掘空間。

5.氧化鋯修復體加工成本

隨著人們要求的提高，醫(yī)生要求修復體不僅僅治療效果好、美觀，也要求盡可能的減少成本的消耗。如何在臨床適宜的修復效益范圍內(nèi)減少成本的消耗、如何減少修復體制備的過程中造成的環(huán)境污染是現(xiàn)代牙科修復也需要納入考慮的問題。

5.1 切削制造氧化鋯修復體成本現(xiàn)狀及進展 氧化鋯切削制造屬減材制造，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量殘留物，對氧化鋯材料市場造成了經(jīng)濟浪費和材料浪費。Gouveia的觀點［43］提出是否可以回收CAD/CAM制造過程中遺棄廢料，再用廢料重新用于牙科修復中，但分析后發(fā)現(xiàn)多數(shù)樣本的顏色不符合牙科使用氧化鋯的標準，雖然實驗5中樣本顏色符合牙科使用氧化鋯標準，但是當分析機械性能時，該樣本其抗彎曲強度低牙科修復中的標準，因此，排除了牙科修復應用的可能性。目前減材制造的材料浪費問題顯著，從其制作工藝、工藝原來回收利用及加工器械磨損消耗等方面都沒有良好的解決方法，對于減材制造材料浪費的問題有待更深入的研究。

5.2 三維打印氧化鋯修復體成本現(xiàn)狀及研究進展 三維打印氧化鋯由于其工藝程序為“分層制造，逐層疊加”，在三維打印氧化鋯中，避免了“切削”步驟，減少了氧化鋯原料的浪費，也避免了切削制造中車針磨損所帶來的成本消耗?，F(xiàn)三維打印制造方法消耗的原材料低于減法制造；三維打印對環(huán)境的影響小于的減材線制造工藝的75%至85%［44］。盡管三維打印的原料價格高昂，但對比切削制造法，三維打印能有效的節(jié)約原材料的消耗、減少制造中器械損耗的成本，三維打印的制造成本比減法制造更少。且三維打印制造工藝中無粉塵，對環(huán)境友好，減少了了對環(huán)境的污染，更利于環(huán)境友好。

6.總結

（一）三維打印技術制造的氧化鋯修復體在修復體精度及機械性能方面，與傳統(tǒng)切削氧化鋯差異不大，基本滿足修復體的臨床指標需求。三維打印制造的氧化鋯成型精度與雖然在統(tǒng)計學范疇內(nèi)與切削制造技術無統(tǒng)計學差異，但是實際上數(shù)據(jù)略低于切削制造技術；三維打印技術制造的氧化鋯修復體具有優(yōu)異的機械性能近似于傳統(tǒng)減材制造牙科氧化鋯。三維打印制造的氧化鋯制造成本更少，整體制造過程對環(huán)境影響更小，更有利于環(huán)境友好。掃描取模精度、掃描過程人為誤差、軟件設計誤差、銑削技術、銑削策略、印刷參數(shù)、最終燒成后的收縮等，都是影響兩種加工方式制造修復體的成型性能因素。

（二）優(yōu)化氧化鋯美學修復性能的同時，也要兼顧修復體的成型精度與機械性能。

（三）三維打印制造牙科氧化鋯修復體在患者口內(nèi)生物環(huán)境下的疲勞、老化、粘接效果等方面的表現(xiàn)，還需要更多實驗及臨床研究證據(jù)。