3D打印可摘局部義齒支架的技術現狀與發展趨勢

景建龍 陳虎 戴沄 衣穎杰 吳國鋒

我國中老年牙列缺損患者人數眾多，缺牙后行義齒修復治療比例不高，其中可摘局部義齒作為重要的臨床修復方式不可替代。近年來3D打印(增材制造)、數字化口內掃描、網絡協同智造等新技術新概念不斷被引入可摘局部義齒支架研究領域，已充分展示出其臨床適合性好、生產效率高、工藝流程簡單等突出優點，正在逐漸取代傳統鑄造義齒支架技術(圖1)。2021 年1 月19 日，國家藥監局發布了關于免于進行臨床試驗醫療器械目錄(第二批修訂)的通告(2021年第3號)，其中明確說明“定制式可摘局部義齒”、“牙科增材制造用金屬材料”等3D打印相關醫療產品免于進行臨床試驗，這無疑將會極大促進3D打印可摘局部義齒支架的臨床應用與普及。因此，本文結合已有相關文獻和作者開展的研究，對于3D打印可摘局部義齒支架的發展歷程進行簡述，系統介紹了本領域的技術發展現狀，并評述了未來3D打印可摘局部義齒支架技術的五大(智能化、功能化、平臺化、國產化、非金屬)發展趨勢。

圖1 可摘局部義齒鑄造支架與3D打印支架工藝流程圖

1 3D打印可摘局部義齒支架發展概述

3D打印可摘局部義齒支架研究始于本世紀初，并經歷了從間接法到直接法、從金屬打印到非金屬打印的發展過程。間接法是指先打印樹脂支架熔模然后將其包埋鑄造成成品，直接法則是將金屬粉末(或其他材料)直接熔融加工為成品支架。最早的3D打印可摘局部義齒支架研究從間接法開始，Eggbeer等[1]采用立體光固化成型(stereolithography apparatus, SLA)工藝首次報道了打印樹脂支架然后包埋鑄造的方法。其后國內吳琳等[2]也報道了類似工作并證實其臨床適合性良好。相比較于傳統支架鑄造方法，間接法實現了支架的自動加工、提高了加工精度，但因仍需包埋鑄造故在加工時間和生產成本上并無優勢。因此，人們很快轉向直接法研究并將其逐漸發展成為3D打印義齒支架的主流技術，常見代表性技術包括選擇性激光熔覆(selective laser melting，SLM)、熔融沉積成型(fused deposion modeling, FDM)等。2006 年Williams等[3]與Bibb等[4]同時報道了利用 SLM 技術直接制作鈷鉻合金金屬支架的工作，2010年國內韓靜等[5]采用SLM 技術直接加工出了鈦金屬支架，上述技術不斷完善并匹配以成熟的牙科金屬粉末加工、成型工藝控制以及3D打印商用設備等，使得目前SLM打印金屬義齒支架技術已經比較日趨完善(圖2)，正逐漸替代傳統鑄造支架技術。SLM技術不足之處在于其只適用于金屬義齒支架加工，但金屬支架存在著材料致敏性、顏色不美觀、彈性模量過大等缺點，非金屬材料打印因而成為下一個研究熱點。作者(2020)團隊報道了聚醚醚酮打印義齒支架的初步臨床報告[6]，結果顯示聚醚醚酮可通過FDM技術制作可摘局部義齒支架的制作(圖3)，并且具有生物相容性好、顏色美觀、彈性佳等優點。后續在此基礎上進行聚醚醚酮材料改性與打印工藝改進研究，將是本領域值得探索的重要方向。

圖2 SLM打印純鈦義齒支架

圖3 FDM打印聚醚醚酮義齒支架

2 3D打印可摘局部義齒支架技術現狀

3D打印可摘局部義齒支架技術包括“數據獲取——支架設計——打印加工”三部分基本內容：(1)關于數據獲取部分，目前臨床主要通過掃描傳統印模技術獲得的石膏模型獲取工作數據，是否可以直接采用數字化口內掃描數據進行支架設計尚未形成臨床共識；(2)關于支架設計部分，專用設計軟件的開發是制約其發展的重要因素之一，當前國內市場基本被國外廠商產品壟斷，很難根據需求進行二次開發與功能定制；(3)關于打印加工部分，對義齒支架的打印加工質量進行科學評測是研究重點，一般通過測量成品支架精確度與支架適合性兩方面進行綜合評價，大多數已有研究顯示3D打印支架能夠滿足臨床可摘局部義齒修復需要。前述尚未得到解決的問題制約了3D打印技術在可摘局部義齒支架方面的應用，是未來此領域亟待解決的重要課題，

2.1 數據獲取

數字化口內掃描技術雖然在牙體缺損修復、種植修復等方面應用已經大獲成功，但其在可摘局部義齒方面的應用尚不普及，現在臨床牙列缺損信息數據的獲取還主要依靠傳統印模技術獲得的石膏模型。許多研究圍繞口內掃描與傳統模型精度比較、不同口腔部位掃描精度方面已進行了深入研究。Patzelt[7]觀察到4 種不同廠家口內掃描儀掃描牙頜石膏模型的精度存在差別顯著，掃描真實度介于44.1～591.8 μm范圍之間，精密度為21.6～698.0 μm。 Lo Russo等[8]比較口內掃描數據與傳統模型擬合后上頜總體真實度為30～110 μm，下頜為20～260 μm，他認為兩種數據獲取方法差異無統計學意義，其差異可以歸因于不同的物理方式(即傳統印模對粘膜有壓力，導致粘膜的壓縮或拉伸變形)。 D'Arienzo等[9]測量口內掃描與傳統模型的平均誤差為219～347 μm。Jung等[10]具體報道了無牙頜口腔不同部位口內掃描數據的真實度為：上頜牙槽嵴50 μm；腭中縫50 μm；硬腭180 μm；軟腭860 μm；下頜牙槽嵴110 μm；頰棚區90 μm；認為傳統方式與口掃在主承托區組織上無顯著差異。本文作者曾掃描下頜牙列缺損石膏模型后與口內掃描數據進行擬合測量，其中一例結果如下：余留牙區域擬合精度較高(圖4，例如33牙位為5 μm)；缺牙區牙槽嵴頂范圍擬合精度良好(圖4，36牙位為19 μm)；但磨牙后墊區域兩者差異顯著(圖4C，左側下頜磨牙后墊前部為651 μm；圖4D，左側下頜磨牙后墊后部為2.038 mm)。作者觀點認為對于牙支持式或者以牙支持式為主的混合支持式可摘局部義齒，口內掃描數據可以直接作為3D打印義齒支架的數據來源；但是鑒于口內掃描無法模擬口腔軟組織生理性動度以及黏膜受壓時變形情況，可在臨床試戴義齒支架后利用其制取功能性印模，灌制終模型用于義齒的后續制作。

2.2 支架設計

3D打印可摘局部義齒的支架設計涉及兩部分內容：其一是支架修復體的具體設計部分；其二為設計后進行打印切片與后處理部分。我國目前義齒設計軟件都主要依賴于國外產品，前者如3Shape、Exo CAD義齒設計軟件，后者例如比利時Materiallise公司的Magics軟件等，存在著收費高、迭代慢、斷供風險大等缺點，并且基本不能滿足客戶個性化定制軟件功能的需求。例如，作者因設計圖3牙列缺損伴軟腭缺損義齒支架時，使用國外產品設計腭部延伸長桿特殊形態部件時操作非常困難，國外產品并未預留客戶設計偏好設計等功能設置，也很難根據中國客戶要求快遞進行產品二次開發。近年來國產可摘局部義齒軟件開發已有突破，北京大學與南京前知聯合研發的iPD(intelligent partial denture，iPD)可摘局部義齒設計軟件已經在市場上商品銷售。該軟件除具備國外同類產品設計功能外，還開發了卡環進入倒凹深度實時顯示、支架厚度實時顯示等功能(圖5)，這樣極大方便了支架的準確設計。國產軟件還可根據客戶需求定制功能化設計模塊，例如作者與其合作完成了適用于可摘式口腔放療護具的模塊化設計單元(圖6)，可以方便高效地進行特殊產品的快速設計。關于支架打印切片與后處理軟件，由于涉及3D打印工藝控制、打印設備研發等諸多復雜因素，目前市場主要被比利時Materiallise公司產品占據，國內上海漫格也開發了通用型的切片與后處理軟件在多個行業應用，南京前知開發出針對牙科的專用切片與后處理軟件P3DS，實現了支架擺放姿態自動調整和支撐自動添加算法。近年來多家國內3D打印企業(如上海聯泰、西安鉑力特等)也與Materiallise開始合作，為國產3D打印設備定制開發專用數據處理軟件。

圖4 掃描傳統模型后數據與口內掃描數據進行擬合測量結果

圖5 iPD義齒設計軟件工作界面

2.3 打印加工

2.3.1 支架精確度 目前用于評價可摘局部義齒支架加工精確度的常用方法是三維擬合法，即將打印義齒支架實物進行再次掃描三維建模，然后將其與原先設計的義齒支架數據進行擬合匹配，軟件自動測量兩者間的偏差，評價其加工精度。Pooya等[11]比較了3D打印支架與傳統鑄造支架精度的差異，將兩種支架掃描后與模型掃描數據擬合，發現鑄造支架組總體誤差為27 μm，打印支架組為150 μm。徐紅珍等[12]報告3D打印鈷鉻鉬合金義齒支架總體平均誤差為(0.088±0.021) mm，陳光霞等[13]報告同類金屬3D打印支架總體平均誤差為(0.172±0.285) mm，劉一帆等[14]報告鈦合金可摘局部義齒支架整體平均誤差為(0.089±0.076) mm。上述報告3D打印金屬支架的總體精度能夠滿足臨床需要。

2.3.2 支架適合性 可摘局部義齒支架適合性的評價手段主要包括定性與定量兩類方法。定性評價方法目測下人工評估對下列指標進行：(1)支托與牙合面貼合； (2)導平面與牙體接觸；(3)除牙列缺損肯氏I、II類外，大連接體光滑無凸起； (4)C型卡環與牙軸面貼合； (5)I型卡環與牙軸面外形高點接觸； (6)舌板處支架與牙之間無肉眼可見間隙； (7)大連接體組織面與口腔軟組織無可見間隙。Tregerman等[15]據此對傳統鑄造和3D打印支架進行了定性評估，結果顯示打印支架適合性優于傳統方法。定量測量方法包括三維擬合法和硅橡膠襯墊法：Ye 等[16]采用擬合法測量了SLM義齒支架與傳統鑄造支架就位后禾支托與牙體組織的間隙，結果鑄造支架的間隙為(108±84) μm，稍小于SLM義齒支架(174±117) μm。 Chen等[17]利用硅橡膠材料法比較了3D打印支架與傳統鑄造支架的適合性差異。結果發現3D打印支架與工作模型的間隙為150～330 μm，略大于鑄造支架的間隙(140～280) μm。上述研究無論是定性還是定量測量研究，結果均顯示雖然3D打印支架適合性較傳統鑄造支架稍大，但仍能滿足臨床應用要求。

3 3D打印可摘局部義齒支架的發展趨勢

3.1 智能化趨勢

當前隨著大數據處理、人工智能、高性能模擬仿真等技術的發展，使得3D打印可摘局部義齒支架的智能化設計信息共享與管理成為可能。目前國際口腔醫學其他領域已經展開數字化數據采集、三維多源數據融合、計算機輔助設計、快速加工成形等技術的研究與應用，大大提高了臨床診療效率，智能化的協同設計與制造已成為口腔修復診療技術發展的主要方向。例如，iPD可摘局部義齒設計軟件基于其支架設計方案的大數據分析，能夠就任一牙列缺損類型自動向客戶智能化推薦3 種優選方案(圖7)，并就選定方案進行進一步改進設計，同時客戶反饋選擇方案信息可供反向機器訓練學習繼續優化智能算法。

3.2 功能化趨勢

如何實現可摘局部義齒支架的“功能化定制”是下一步值得開展的工作。現有3D打印義齒支架技術尚無法實現同一支架分區域不同性能的功能設計與定制加工，理想狀態下義齒卡環部分性能宜彈性大以利于固位，大/小連接體則需要剛度大才不易變形，而人工牙則需兼具良好的硬度和剛度等。目前3D打印支架主要采用金屬材料進行均質化一體加工，未來有望通過調控微觀結構與后處理工藝等，使得不同支架部件具備所需的差異化機械性能，新型打印材料的研發也將有助義齒支架的功能化定制。

3.3 平臺化趨勢

目前國內可摘局部義齒支架加工市場的格局多而分散、設計/制造本地化生產，背后深層次原因是企業尚主要依賴人工勞動力，缺乏互聯網思維。當前國內外開始涌現以核心軟件技術直接面向醫生和患者提供服務的系統平臺型公司，例如美國隱形正畸公司Smile Direct Club，結合智能設計技術以平臺方式提供服務。因此，建立提供智能云設計、網絡協同個性化云制造服務平臺，實現個性化醫療定制產品大規模快速設計和協同制造，將能推動遠程醫療服務的增長、大幅度提升醫療定制產品設計制造質量和效率。這方面北京大學、南京前知和作者單位正在積極探索新型3D打印可摘局部義齒服務的云端集成平臺建設(圖8)。

3.4 國產化趨勢

圖8 3D打印可摘局部義齒支架集成平臺工作模式圖

我國醫療產品設計軟件和打印處理軟件市場基本被比利時的Materialise Magics、美國的Geomagic Wrap、丹麥的3Shape Dental System、美國的OptiStruct等國外軟件占據。缺乏國產軟件導致應用成本高昂，加劇了我國本已尖銳的醫患矛盾，行業面臨嚴重的知識產權問題以及卡脖子風險。目前擁有完全自主知識產權的國產可摘局部義齒設計軟件種類還比較少，并且軟件還需要與相應金屬3D打印設備配套使用才能發揮最佳效果。可喜的是有越來越多國產廠家正致力于研發功能多樣化的軟件產品，在“國際國內雙循環”大背景下提供優質數字化解決方案。

3.5 非金屬趨勢

牙科金屬材料彈性模量(鈷鉻合金240 GPa；鈦合金118 GPa)相比天然牙(牙本質15 GPa；牙釉質85 GPa)來說過大，同時存在硬度高、美觀差、剛性大等不足，因此應用非金屬先進材料3D義齒支架打印成為國內外本領域的前沿課題。作者從2018年開始嘗試聚醚醚酮高性能聚合物用于牙科打印的研究，目前在材料性能改性、牙科打印工藝研發、臨床試驗等方面取得進展，初步證實聚醚醚酮可應用于可摘局部義齒的3D打印制作，非金屬義齒支架打印將是未來值得深入研究的發展方向。