3D打印技術在牙齒矯正中的應用研究

張文豪 劉世豪 潘文寧

摘 要：隨著3D打印技術的普及，在越來越多的領域中，該技術都得到了廣泛應用。在醫學領域中，因為其操作簡便、定位精準等優點，3D打印技術發展迅猛，在口腔醫學方面，將3D打印技術應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構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，現在通過3D打印技術對牙齒進行打印已經成為越來越多缺牙患者的首選修復方式。

關鍵詞：3D打印技術；口腔醫學；牙齒矯正

1 緒論

牙髓病和根尖周疾病是口腔醫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操作過程，且模板種類有限，不能體現根管類型的多樣性，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模操作模擬培訓。目前，口腔內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范的可大規模培訓的應用模型上。因此，尚缺乏一種臨床仿真度高的、可大規模復制的口腔內科操作培訓模型。目前尚缺乏一種可大規模復制、仿真度高的口腔內科操作培訓模型。

2 3D打印技術的介紹

3D打印技術利用重建的三維數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、可成型復雜結構、個性化和批量生產。3D打印技術是根據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。在數字醫學領域中，3D打印技術已展現出諸多優勢和光明的應用前景。近年來，3D打印即廣泛的被運用于工業生產中。各種3D打印技術的過程都包括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打印牙齒模型的構建

3.1 3D 打印材料及設備的選擇

比較多種國內外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

應用SolidWorks 2014（Dassault Systemes S.A 公司，美國）設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。將影像數據導入三維重建軟件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。并根據根管成型能力測試結果，修飾離體牙三維模型使得模型根管最狹窄處與測試結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，并分離為表面形態三維模型和髓腔形態三維模型，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、髓腔形態兩方面，獲得2種材料4 種類型牙齒模型與原牙齒對應點之間的距離，通過計算差異的均值與標準差，即絕對偏差值來反應模型與原牙齒的真實差異。

4 結果分析

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，根據根管成型能力測試結果，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和髓腔形態顯示清晰直觀，連續性好，且可進行三維旋轉。結合3D 打印技術成功獲得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 結論

3D打印技術在口腔矯正領域中可用于打印個性化舌側托槽。矯正治療主要是通過各種矯正裝置來調整面部骨骼、牙齒以及頜面部的神經及肌肉之間的協調性，最終使患者的口頜系統平衡、穩定和美觀。通過錐形束CT（CBCT）掃描儀和牙頜模型掃描儀獲得牙齒數據，在CAD軟件上設計個性化舌側托槽，然后采用SLM技術打印與患者牙齒的舌側面精密吻合的舌側托槽，再通過轉換托盤直接將托槽粘接在預先設計的位置上。該技術可以消除傳統舌側托槽需要依賴粘接劑厚度補償的弊端。

參考文獻：

[1] 賈駿， 段嫄嫄，金磊， 等. 口腔仿真模擬系統及其在臨床前教學中的應用[J]. 中國教育技術裝備， 2017（2）：29.

[2] 何帥，王光耀，王少海，等. 口腔醫學生臨床前離體牙及人工根管根管治療教學研究[J]. 口腔醫學研究， 2016， 26（2）：284-286.