數字化制造技術在口腔修復中的應用

劉一帆 鄭秀麗 馬瑞 高勃

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數字化制造技術在口腔修復中的應用

劉一帆 鄭秀麗 馬瑞 高勃

隨著數字化技術和制造技術的不斷發展和融合，以智能、高效、精確、遠程等為特點的數字化制造技術應運而生，近年來已經越來越多應用到口腔各領域，并且有望實現口腔修復領域的完全數字化制造。本文將簡要介紹幾種常見的數字化制造技術的工作原理和特點，并總結其在口腔固定和活動修復領域中的應用。

數字化制造； 增材制造； 3D打印； CAD/CAM； 減材制造； 數控切削

數字化制造技術是一項融合了計算機技術、材料科學、機械工程、網絡信息學等多學科知識的綜合性技術，而數字化制造則是指制造領域的數字化，它是多個學科交叉、融合、發展和應用的結果，也是21世紀制造業發展的必然趨勢。口腔修復領域的數字化制造技術主要包括減材制造(subtractive manufacturing)技術和增材制造(additive manufacturing，AM)技術。以下將簡要介紹這兩種技術的工作原理和特點，并闡述其在口腔固定和活動能夠修復領域的應用現狀。

1 減材制造和增材制造技術

1.1 減材制造

減材制造技術即使用機械切削、化學處理、放電加工、激光加工等方式將材料選擇性的從一塊坯料中移除的技術[1]，口腔醫師和技師最為熟悉的是計算機數控(computer numerical control, CNC)切削系統[2]，至今一直在口腔修復體制作領域處于支配性地位[1]，此外還有電火花加工、電化學加工、光化學加工、超聲加工等多種技術[1]。減材制造的優勢在于[3]：①加工精度高，制作的修復體表面光潔度好，加工完成后無需過多的后處理；②對修復體CAD設計生成的STL(standard triangle language)文件的完整性要求不高，允許模型存在小部分小孔、釘狀物、壞邊等錯誤；③可加工材料多；④加工后的修復體內部均質性好。其缺點在于[3-4]：①無法加工嵌套、鏤空等復雜結構修復體；②刀具磨耗；③浪費材料，90%以上的材料被浪費掉，且無法回收利用。

1.1.1 機械切削 其能夠加工目前臨床常見的修復體材料，包括聚合物、復合材料、陶瓷、金屬、蠟等[2,5-6]。當修復體的CAD模型設計完成后，需將數據導入到數控切削設備配套的CAM軟件中進行處理，生成一個包含刀具選擇、主軸移動路徑和速度、材料移動的配置文件[7]，依靠高速運轉的切削刀具按照提前設置的移動路徑從多個方向對坯料進行加工。

當前市面上常見的牙科銑床根據切削軸的數量，可分為3、4、5軸數控切削設備，其區別在于切削刀具和坯料用于移動和旋轉的自由度不同，并直接決定了該設備能夠加工的修復體幾何結構的復雜程度，4、5軸設備能夠加工大型的、結構復雜的且外表面光滑的修復體[6]。修復體的表面光潔度和轉角處的適合性主要取決于最小直徑的切削刀具的尺寸[2-3]。

根據設備切削過程是否需要噴水冷卻，可將加工過程分為干磨和濕磨，前者主要用于切削預燒結的氧化鋯坯料，部分樹脂材料也適用于該法；此外，所有的金屬和玻璃陶瓷材料都需使用濕磨法加工，以防止材料在加工過程過熱而損壞，對于完全燒結的氧化鋯材料也推薦使用該法[2,6]。

切削設備的加工方式包括硬切削和軟切削，前者主要用于加工金屬、復合樹脂、完全燒結的氧化鋯陶瓷材料，加工完成的修復體的外形尺寸與CAD設計時相同，僅需進行拋光或上釉即可用于臨床戴用。由于加工的坯料硬度很高，加工過程易積累大量熱能，通常采用濕磨法加工。而軟切削是指切削的材料為部分燒結或結晶狀態，需進一步通過熱處理來獲得完全燒結或結晶，達到其最終的微觀結構和機械性能，該方法主要用于加工預燒結的氧化鋯陶瓷，其硬度較低，具有更好的機加工性能，制作效率較高，且不易磨耗刀具。后者在熱處理后會發生25%～30%的收縮，因此在CAM軟件處理時需進行放大補償[2,5]。

1.1.2 激光切削 該方法基于激光燒蝕工藝，通過高功率的脈沖激光束照射坯塊而從中移除多余的材料，靶向材料通常被吸收的激光能量所加熱而發生蒸發、汽化，或轉化為等離子直接揮發[8]。Dental wings公司基于此技術開發的激光切削系統(laser milling system)能加工聚合物、復合材料、陶瓷等材料。相比機械切削，該系統具有以下優勢：①因加工過程無銑削刀具直接接觸坯塊，降低了修復體發生變形或者破裂的幾率；②不會發生刀具磨損，提高了加工精度；③加工過程不引入新的污染。

1.2 增材制造

該術語由美國材料與試驗協會(American Society for Testing and Materials, ASTM)首次提出并定義為一種與減材制造方法相反的，根據3D模型數據以層層堆疊累積材料的方式創建物體的過程[1]。通常又稱快速成型(Rapid prototyping)，或3D打印。根據不同的加工工藝，部分修復體在制作時需添加支撐結構，用以在加工過程中固定修復體，同時防止懸突結構由于自身重力而發生變形。通常，在修復體制作完成后還需進行后處理，如去除支撐結構和多余的材料，固化生坯部分，浸泡加強材料，熱處理，打磨拋光以及美學處理等[3]。

增材制造的優點包括[3-5]：①可加工具有鏤空、中空、倒凹等復雜結構的修復體；②節約材料，除了用于支撐結構的材料外，幾乎無其他材料損耗；③能同時加工大量修復體。其劣勢也尤為明顯[3-5]：①成本較高。目前市面上的3D打印機價格普遍較高，以金屬3D打印機為甚；②加工完成的產品表面較粗糙；③可加工的材料較少；④對STL文件的完整性要求很高。

當前口腔修復體制作常用3D打印技術，主要包括以下幾種：①立體光固化技術(stereolithography, SLA)；②選擇性激光燒結(selective laser sintering, SLS)；③選擇性激光熔融(selective laser melting, SLM)。

1.2.1 立體光固化 SLA工藝是目前世界上研究最透徹、發展最成熟、應用最廣泛的一種增材制造技術，該技術使用紫外光照射液態光敏樹脂的表面，被照射區域的樹脂發生光聚合反應而固化，形成物體的一個薄層，隨后工作臺下降一個層厚的距離，在其表面鋪上一層新的樹脂，隨即進行下一層的掃描，如此反復直到整個物品加工完成，最后使用溶劑沖洗該物體去除多余的樹脂并放置到紫外光箱中徹底固化[1]。主要用于制作工作模型、種植導板。

1.2.2 選擇性激光燒結 SLS工藝的工作原理本質上與SLA相同，使用的光源為大功率的脈沖激光，加工的材料可為蠟、塑料、金屬、陶瓷等粉末，加工時需將粉末預熱到接近其熔點的溫度，以便于激光能夠迅速的將所需區域的粉末熔化。制作的物體需進行后處理(如高溫燒結、熔浸等)以提高其力學性能和熱學性能[1,3,5]。可用于制作修復體蠟型、樹脂熔模、金屬修復體和導板等。

1.2.3 選擇性激光熔融 SLM技術是在SLS技術的基礎上發展起來的，二者的工作原理類似。使用的材料主要為金屬粉末，如鈦、鈦合金、鈷鉻合金等，加工過程將粉末完全熔化，直接成型修復體[5]。成型件致密度幾乎可達100%，尺寸精度可達20～50 μm，表面粗糙度僅為20～30 μm，主要用于制作金屬修復體。

2 數字化制造技術在修復中的應用

2.1 工作模型

通過口內掃描儀直接掃描患者口內相關軟硬組織，或口外掃描儀掃描通過常規方法制取的工作印模，生成相應的數字化工作模型[9]，隨后修整該模型并添加底座，必要時還可進行代型分割、設置銷釘、添加簡易峆架等[10]，最后通過數控切削(圖 1)或SLA工藝打印制作(圖 2)。相比石膏模型，具有以下優勢：①樹脂模型耐摩擦，不易損傷；②模型完整，表面光潔度好。傳統石膏模型在翻制時可能引入氣泡造成模型局部缺損，模型表面較粗糙。

圖 2 SLA工藝打印樹脂工作模型

2.2 固定修復

2.2.1 熔模 固定修復體的傳統制作方法主要為手工堆塑修復體或其內冠、框架橋的蠟型，再使用失蠟鑄造或壓鑄技術制作相應的金屬或全瓷修復體。數字化技術的應用提高了熔模的制作效率，在完成修復體CAD設計后，可通過數控切削或3D打印制作修復體蠟型或樹脂熔模(圖 3)。相比蠟型，樹脂熔模的強度更高，不易因磕碰或所處環境的溫度改變而變形，機械加工性能更佳，可用于制作長跨度冠橋、分割橋等復雜修復體。

2.2.2 臨時修復體 樹脂因價格相對低廉，但存在不耐磨耗、易產生邊緣微滲漏、易變色等缺點，多用于制作臨時修復體。主要通過以下兩種途徑制作[10]：①術前用掃描儀掃描該基牙(擁有完整的解剖外形)或其診斷蠟型，或直接在CAD軟件里復制對側同名牙，當牙體預備完成后掃描該基牙預備體，通過CAD軟件中的“復制”功能即可快速設計出牙冠的形態，并用數控切削或3D打印制作(圖 4～5)；②術前對石膏模型基牙進行診斷性預備，或直接在CAD軟件中對數字化模型進行虛擬預備，隨后在CAD軟件中設計修復體，并通過數控切削設備或3D打印機制作出來，臨床完成牙體預備后，只需對臨時修復體內面進行調改或重襯。以上方法特別適合于口內多單位固定修復，全口咬合重建，種植即刻負載的臨時修復體的制作。同時，由于切削所使用的為預制樹脂盤，臨時修復體中殘余的自由單體量極少，不會對牙體、牙髓及牙周造成化學刺激[3]。

圖 3 3D打印冠蠟型及其全瓷冠 圖 4 數控切削樹脂臨時冠 圖 5 3D打印樹脂臨時冠

2.2.3 永久性修復體

2.2.3.1 陶瓷修復體 因適用于硬切削的陶瓷材料通常強度較低，加工過程修復體容易發生破碎和裂紋，目前臨床上陶瓷修復體的制作方式主要為軟切削，而3D打印因材料、工藝等原因，尚無法制作出滿足臨床要求的陶瓷修復體[5-6]。可切削的材料包括[3,6]：(1)二硅酸鋰玻璃陶瓷，為擁有藍紫色外觀的長方體坯料，具有足夠的透明度，常用于制作前牙區和前磨牙區的全解剖冠、3單位固定橋、貼面、嵌體，適用于椅旁CAD/CAM系統，以Ivoclar Vivadent公司的quot;易美quot;系列瓷塊最為常見(圖 6)；(2)氧化鎂鋁陶瓷，因半透性很好，但強度較差，多用于制作前牙內冠，通過堆塑飾面瓷后美觀性能很好，常見的產品為In-Ceram Spinell；(3)氧化鋁陶瓷，主要用于制作內冠或前牙區3單位框架橋，其制作方法有：①數控切削內冠，完全燒結后進行低熔玻璃滲透處理，隨后常規堆塑飾面瓷，如In-Ceram Alumina系列產品；②在內冠CAD設計完成后，使用CAM軟件根據熱凝收縮比例進行放大補償，隨后切削制作內冠，燒結，制作飾面瓷；③在CAD軟件中按收縮比例放大補償代型，切削制作耐火代型，在其上用氧化鋁粉末堆塑內冠，燒結，制作飾面瓷，如Procera Alumina系列(圖 7)；(4)氧化鋯陶瓷(圖 8)，常見為白堊色的圓盤狀坯料，制作內冠的方法與上述氧化鋁陶瓷的第2、3種方法相似；也可直接切削制作出放大補償過的解剖型修復體，補償比例約為15%～20%，隨后用染色液進行浸透或涂抹處理，最后在1 350～1 500 ℃下燒結完成。常見的有3M公司的Lava Frame系列。

2.2.3.2 金屬修復體 因貴金屬坯料的成本較高，數控切削過程浪費大量材料且無法回收，目前臨床上很少采用該方式制作貴金屬修復體。而卑金屬坯料因價格低廉，理化性能和機械加工性能良好，目前多用于制作全解剖冠、固定局部義齒、內冠和固定橋框架，常用的材料有鈷鉻合金、鈦合金和純鈦(圖 9)，后者還常用于制作種植基臺及其它上部結構。當前，SLS、SLM等金屬3D打印技術也較多應用于制作全解剖冠橋及其內冠，其適合性基本滿足臨床要求[12-13]，一次可加工大量的修復體(圖 10～11)，且無需過多的后處理步驟，使用的材料主要為鈷鉻、純鈦和鈦合金粉末。

圖 6 “易美”系列可切削陶瓷 圖 7 氧化鋁陶瓷 圖 8 數控切削氧化鋯陶瓷

圖 9 數控切削純鈦冠橋 圖 10 SLM制作純鈦冠橋 圖 11 SLM制作純鈦固定橋

2.3 活動修復

2.3.1 可摘局部義齒 可摘局部義齒的CAM流程包括2部分：①通過SLA、3DP等工藝打印出支架的樹脂熔模(圖 12)，再用傳統的失蠟鑄造工藝制作出金屬支架[14]，或用SLS、SLM等金屬3D打印工藝直接打印出金屬支架，經過后處理完成支架的制作[15-16](圖 13)，也可通過數控切削的方式直接制作出金屬支架(圖 14)，其表面光潔度更佳，但加工過程容易導致支架變形，且能加工的支架類型取決于坯塊的厚度，成本亦較高；近些年，一種名為聚醚醚酮(Polyether ether ketone，PEEK)的可切削非金屬材料逐漸被應用于制作義齒支架(圖 15)，其擁有很高的比強度和比剛度，良好的抗腐蝕性，不易磨耗，切削過程不易變形，顏色與牙齒接近等諸多優點[17]；②在支架上手動排牙及制作基托蠟型，使用裝盒法或注塑法完成義齒的制作。

2.3.2 全口義齒 其CAM方式主要有：①間接制作。設計并用3D打印制作出全口義齒裝膠前的石膏陰模，使用與設計時同型號的成品人工牙，按常規技工室制作流程完成義齒制作[18]；②分體制作。義齒CAD時用成品人工牙或個性化人工牙進行排牙，制作時將相應的成品人工牙或個性化人工牙(3D打印或數控切削)粘接到切削制作的樹脂基托上預留的凹槽中完成制作[19-20](圖 16)，或排列到的蠟基托(手工或切削制作)上再按常規技工室流程完成義齒制作[21-22]；③一體制作。通過切削一塊復合材料樹脂盤或3D打印直接一體制作出全口義齒而無需進行粘接，前者如AvaDent公司的XCL系列義齒(圖 17)，后者常用于臨床試戴，初步評估義齒的功能[23](圖 18)。

圖 12 SLA支架樹脂熔模及其鑄造支架 圖 13 SLM金屬支架后處理前后對比

2.3.3 個別托盤 個別托盤主要用于制取牙列缺損或者牙列缺失患者的精細印模，目前臨床上的個別托盤主要為手工制作，制作過程較為復雜、繁瑣，且依賴于操作者的臨床經驗和制作技巧，而CAD和3D打印等數字化技術的應用，則顯著提高了其制作效率和質量。臨床通過口內掃描儀獲取患者的口內相關軟硬組織的數字化模型，隨后使用3Shape等口腔CAD軟件可非常便捷的設計出個別托盤，最后通過3D打印制作[10](圖 19)，避免了手動制取初印模、翻制石膏模型、模型修正和填倒凹、鋪墊蠟片、托盤塑形等多個步驟，提高了準確性，同時降低了操作難度。

圖 14 數控切削制作義齒支架 圖 15 數控切削PEEK支架并完成義齒制作 圖 16 樹脂基托與成品牙

圖 17 一體切削全口義齒 圖 18 3D打印全口義齒[23]圖 19 3D打印樹脂托盤

表 1 數字化制造技術在口腔修復領域的應用現狀

3 結 語

相信在不久的未來，數字化制造技術將對口腔修復領域產生深遠的影響。口腔修復醫師將能縮短患者就診次數和椅旁操作時間，提供更加精確、安全的修復治療；口腔技工室將由傳統的勞動密集型制造產業發展成為完全數字化的新型制造產業，能夠更高效制作出高質量的口腔修復體，而伴隨著更先進材料的出現和應用，臨床患者將能快速獲得更舒適、美觀、耐用的個性化修復體。

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(收稿： 2017-02-05 修回： 2017-03-08)

陜西省科技統籌創新工程計劃項目(編號： 2015KTCQ01-90)

710032 西安， 軍事口腔醫學國家重點實驗室，口腔疾病國家臨床醫學研究中心,陜西省口腔醫學重點實驗室,第四軍醫大學口腔醫院修復科(劉一帆 馬瑞 高勃)； 哈爾濱醫科大學口腔醫院修復科(鄭秀麗)

高勃 029-84776469 E-mail: gaobo@fmmu.edu.cn