三維打印技術(shù)在義齒加工中的應(yīng)用探討

劉文廣 江增輝 殷少華 石岳林

（1.杭州而然科技有限公司，浙江 杭州 310051；2.杭州前進(jìn)齒輪箱集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 311203）

三維打印是一種快速原型制作制造技術(shù)，通過三維打印機(jī)將沉積或融合材料（例如液體、塑料、粉末、金屬、陶瓷，甚至是活細(xì)胞）來生成三維對象。[1]隨著技術(shù)的不斷成熟，三維打印技術(shù)在推進(jìn)生物醫(yī)學(xué)科學(xué)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，包括顱面手術(shù)、顱骨重建、顱骨修復(fù)綜合征、顱縫早閉、面部骨折、下頜骨、人體皮膚、組織工程、耳朵、軟骨的重建、心臟瓣膜、牙齒和牙周再生等臨床應(yīng)用。在本文中，將重點(diǎn)介紹三維打印技術(shù)在義齒加工中的應(yīng)用。

1 義齒加工工藝技術(shù)現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢

1.1 現(xiàn)有的義齒加工工藝技術(shù)

在實(shí)際中，由于多種原因，人們的牙齒或牙列會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性缺陷，進(jìn)而威脅到口腔健康，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)性缺陷是無法通過人體自我再生功能進(jìn)行修復(fù)。因此，需要“義齒”這種人工器具來修復(fù)受損、不美觀或功能失調(diào)的牙齒。[2]從這個角度來看，義齒加工的核心質(zhì)量屬性是高強(qiáng)度、邊緣配合和美觀。在現(xiàn)有的義齒加工工藝技術(shù)中，主要采取的是傳統(tǒng)失蠟法、CNC加工法和三維打印法。

傳統(tǒng)失蠟法的流程包括印模、蠟型、鑄道安裝、包埋、失蠟、鑄造、表面處理、飾面等。失蠟法雖然讓義齒的臨床應(yīng)用成為可能，并且在很長一段歷史時期內(nèi)在義齒制造中占據(jù)主要地位。然而，傳統(tǒng)失蠟法制造義齒離不開牙科技師們制作蠟?zāi)：丸T造牙冠的手工技能，這樣的制作方式導(dǎo)致了居高不下的義齒返工率，不僅降低了牙科技工所的工作效率，還降低了患者佩戴義齒的舒適度。[3]

CNC 加工法的流程包括印模、掃描、建模、編程、CNC 加工、飾面等。由此可見，沒有經(jīng)過人工制造蠟型和失蠟鑄造牙冠的過程，取而代之的是數(shù)字化口腔模型掃描、計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）、計算機(jī)輔助制造（CAM）和自動化的牙冠切削流程。在這一過程中，控制產(chǎn)品精度的任務(wù)將全部交給數(shù)字化的掃描、設(shè)計和加工設(shè)備，人工不需要做過多的判斷和考慮。由此，金屬牙冠的精度得到保障，讓患者擁有一顆高度定制的、舒適的烤瓷牙成為現(xiàn)實(shí)。

三維打印加工法的流程包括印模、掃描、建模、三維打印、飾面等。由此可見，三維打印的義齒加工流程是現(xiàn)階段三種義齒加工技術(shù)工藝中最少的。通過標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)流程，三維打印將義齒加工制作從手工藝轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代化的計算機(jī)化生產(chǎn)，并且三維打印的高精度加工，讓高性能陶瓷和鈦等新材料制造義齒成為可能，使得義齒的質(zhì)量得到顯著提高。不僅如此，三維打印還在CNC 法基礎(chǔ)上進(jìn)一步地精簡了加工流程，進(jìn)一步降低了義齒加工制造成本。

如上所述，相對于傳統(tǒng)失蠟法，CNC 加工法和三維打印法這兩種義齒制造技術(shù)都提供了更加充足的優(yōu)勢，但兩者之間還存在著一定的區(qū)別：

首先，由于技術(shù)的成熟度，CNC 加工法制作的義齒表現(xiàn)出更好的機(jī)械性能，如彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、屈服強(qiáng)度、韌性、表面特性等。然而，就真實(shí)性而言，三維打印法制作的義齒由于不依賴于銑削儀器的尺寸，而是通過三維打印機(jī)之間將液態(tài)樹脂噴涂成所需的形狀，所以優(yōu)于CNC 加工法，并且在保持力方面也優(yōu)于CNC 加工法制作的義齒。

其次，在美學(xué)參數(shù)上，雖然CNC 加工法由于編程的環(huán)節(jié)而優(yōu)于三維打印法，但是，隨著市場上出現(xiàn)更新的樹脂和更先進(jìn)的打印機(jī)，這個缺點(diǎn)可能很快就會被消除。并且由于三維打印義齒的制造成本很低，隨著樹脂和打印技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，三維打印實(shí)際上可能是制造義齒的更有效選擇。

最后，與CNC 加工法相比，三維打印所需的樹脂更少，而且打印機(jī)的成本只是銑床成本的一小部分。

1.2 三維打印技術(shù)的發(fā)展前景

毋庸置疑，在現(xiàn)有的義齒加工技術(shù)中，三維打印技術(shù)的發(fā)展前景是最明朗的，這一點(diǎn)同三維打印技術(shù)的特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢是分不開的。具體來說，應(yīng)用三維打印技術(shù)的義齒加工過程消除了裝配線和供應(yīng)鏈，實(shí)現(xiàn)了最終產(chǎn)品的單一流程制造而無需在全球范圍內(nèi)裝配和運(yùn)輸數(shù)千個零件，因此，實(shí)現(xiàn)了義齒的簡單制造；在三維印技術(shù)的義齒加工過程中，一個“STL”設(shè)計文件可以通過互聯(lián)網(wǎng)即時發(fā)送到地球的任何角落，進(jìn)而得到符合設(shè)計參數(shù)的義齒，實(shí)現(xiàn)了義齒加工的設(shè)計可移動性；在三維印技術(shù)的義齒加工過程中，義齒可以按需印刷，無需建立新產(chǎn)品和備件的庫存，實(shí)現(xiàn)了義齒加工的無庫存，并且每次打印都可以定制而無需額外成本；在三維印技術(shù)的義齒加工過程中，運(yùn)輸和制造的碳足跡、制造過程中的整體能源使用和碳排放量可以大大減少，實(shí)現(xiàn)了義齒加工碳排放量的降低，大大提高了資源生產(chǎn)力。

總體而言，在三維打印中，義齒是逐層制造的，即加法制造，而不是通過從材料的更重要的部分中減去材料這種傳統(tǒng)的減法制造。

因此，可以說三維打印加工技術(shù)已經(jīng)改變了義齒制作制造，并將越來越多地取代制造牙科修復(fù)體的傳統(tǒng)技術(shù)。

不僅如此，三維打印機(jī)的小尺寸使其易于運(yùn)輸，這使得牙醫(yī)能夠提供上門修復(fù)服務(wù)，不僅拓展了牙醫(yī)的市場范圍，而且提供了更加便捷和人道的服務(wù)。

此外，雖然CNC 加工法和三維打印法都大幅降低了義齒的制造成本，從而增加貧困人口獲得修復(fù)護(hù)理的機(jī)會，但是，就設(shè)備和材料方面的制造成本而言，三維打印法通常比CNC 加工法成本更低。

2 三維打印技術(shù)在義齒加工中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 三維打印技術(shù)在義齒加工中的應(yīng)用領(lǐng)域

如前所述，三維打印是用于精確和快速制造的尖端技術(shù)。在牙科和頜面外科中，能夠定制設(shè)計和打印手術(shù)鉆導(dǎo)板、臨時和永久牙冠和牙橋、正畸器具和矯形器、植入物、給藥用護(hù)齒器等。在義齒加工中，三維打印首先使用CAD 軟件制作對象的3D CAD 模型并保存為.stl 文件；然后用Cura 等切片軟件將模型分割成多個橫截面切片，以gcode 文件的形式保存；最后該文件被發(fā)送到三維打印機(jī)，該打印機(jī)通過選擇性放置材料來擴(kuò)展每一層來制造對象。因此，所選擇的打印方法直接影響到最終得到的義齒的堅(jiān)固和美觀。

在現(xiàn)有三維打印技術(shù)中，粘合劑噴射法（BJ）使用改進(jìn)版的“噴墨技術(shù)”，在噴墨中使用2D 打印機(jī)技術(shù)，并分層形成一個三維項(xiàng)目。在這個過程中，借助打印頭，在兩個軸上移動，液體粘合劑被精確地沉積。此過程也像其他三維打印過程一樣開始，即創(chuàng)建三維繪圖，然后將其導(dǎo)入打印機(jī)軟件。由于在打印過程中需要持續(xù)供應(yīng)，因此分配器通過將要使用的粉末放入其中來確保供應(yīng)。在應(yīng)用不同厚度的粉末片后，打印頭根據(jù)規(guī)格附上粘合劑；在繼續(xù)到下一層之前，使用熒光燈或電燈干燥含有粘合劑的溶劑；之后，粉末床被降級并應(yīng)用新的粉末片；然后在循環(huán)完成后將粘合劑放入熔爐中，所需的溫度和時間等因素取決于所用粘合劑的性質(zhì)。

因此，大多數(shù)金屬和樹脂材料不需要任何后處理，并且一旦從打印系統(tǒng)出來就可以立即使用，適用于金屬、聚合物、陶瓷、復(fù)合材料等，所加工的產(chǎn)品具有低成本、高量產(chǎn)的特點(diǎn)，但是，產(chǎn)品的強(qiáng)度和表面光潔度不好，因此，多用在義齒框架的制作中。

定向能量沉積法（DED）與其他三維打印工藝不同，這種方可以更容易地通過在沉積時熔化材料來制造。用于DED 工藝的設(shè)備由集成能源的沉積頭和兩個送粉噴嘴組成。在這個過程中，要制造的特定部件保持在平臺上，在某些情況下，惰性氣體管道也存在。DED工藝使用集中供熱（電子束或激光），然后在凝固時將材料逐層粘貼，在現(xiàn)有產(chǎn)品上修復(fù)和制造新的材料對象。

因此，更適用于金屬、混合材料，具有高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)零件、多自由度噴嘴、可修復(fù)的特點(diǎn)，但是，高速打印時產(chǎn)品的表面光潔度較差，因此多用在口腔種植導(dǎo)板和后續(xù)義齒維修維護(hù)中。

立體光固化成型法（SL）中，系統(tǒng)會生成一個CAD文件，并將該文件轉(zhuǎn)換為STL 文件類型。此STL 文件類型提供三維打印機(jī)制造對象所需的幾何數(shù)據(jù)。讀取STL文件后，打印機(jī)開始工作，將穿孔臺浸入液體罐中，液態(tài)聚合物通過穿孔接觸桌子。液體一接觸到桌子，紫外線激光就會擊中光液體聚合物的上表面，使其立即變硬。然后再次向下移動，以創(chuàng)建逐層幾何結(jié)構(gòu)，并且從基礎(chǔ)層開始融合每個連續(xù)層。最后一層完成后，將打印部件浸入另一種樹脂中，以便打印模型與液態(tài)聚合物分離。在此過程之后，所有層之間的粘合在該特定樹脂中變得牢固。因此，適用于光聚合物、陶瓷、ABS、半柔性材料，所加工的產(chǎn)品具有良好的表面光潔度和高精度的特點(diǎn)，但是，產(chǎn)品機(jī)械性能差、材料種類有限且價格昂貴，因此多用在無托槽隱形矯治中。

2.2 三維打印技術(shù)在義齒加工中的注意事項(xiàng)

現(xiàn)階段，三維打印技術(shù)在義齒加工中遇到的困難主要與設(shè)計、安全、材料、認(rèn)證、技術(shù)分布問題有關(guān)。具體來說：設(shè)計挑戰(zhàn)——當(dāng)首次使用三維打印技術(shù)加工義齒時，從業(yè)人員可能會面臨設(shè)計挑戰(zhàn)；安全挑戰(zhàn)——用于直接人體接觸的三維打印部件需要滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，同時，義齒是對人體舒適度非常敏感的部件；基于材料的挑戰(zhàn)——用于義齒加工的三維打印的合適材料的可用性是一個潛在的挑戰(zhàn)。由于相關(guān)原材料的數(shù)據(jù)有限，選擇合適的材料對于遵守與健康和安全法規(guī)相關(guān)的限制至關(guān)重要；認(rèn)證挑戰(zhàn)——應(yīng)用三維打印進(jìn)行義齒加工時，為滿足監(jiān)管要求并消除牙科醫(yī)生的責(zé)任風(fēng)險而獲得認(rèn)證的挑戰(zhàn)不容小覷；技術(shù)分布挑戰(zhàn)——由于昂貴的三維打印設(shè)備的能力不均衡以及對該技術(shù)的不熟悉，欠發(fā)達(dá)地區(qū)在應(yīng)用三維打印加工義齒的過程中存在潛在障礙。

為了有效地解決上述問題，在應(yīng)用三維打印技術(shù)進(jìn)行義齒加工時需要注意制作的標(biāo)準(zhǔn)步驟。具體來說，有以下幾點(diǎn)：

第一步，進(jìn)行病史、臨床檢查和診斷，包括無牙牙脊的初步不可逆水膠體印模以及用于無牙印模的甲基丙烯酸酯樹脂印模托盤。

第二步，檢查定制印模托盤是否合適，并在必要時修剪多余部分。使用ADA 規(guī)范類型的低熔印模化合物，完成粘液動態(tài)邊界成型和周邊追蹤，隨后使用氧化鋅印模材料進(jìn)行粘液靜電主印模，制作主鑄件并用于構(gòu)建咬合面樹脂記錄義齒基托上的邊緣。

第三步，確定美學(xué)參數(shù)，如唇部豐滿度、唇部支撐、唇線和微笑線，以及牙齒選擇。在記錄垂直和水平下頜關(guān)系之后進(jìn)行面弓轉(zhuǎn)移，通過口內(nèi)哥特式拱形追蹤進(jìn)行驗(yàn)證。記錄包括面弓在內(nèi)的臨床參數(shù)，并將模型安裝在半可調(diào)咬合架上進(jìn)行試穿。

第四步，進(jìn)行臨床試戴并將其導(dǎo)入專用三維打印機(jī)進(jìn)行打印。

在加工材料方面，三維打印技術(shù)通常使用丙烯酸樹脂基用于義齒的橋體材料。丙烯酸樹脂具有優(yōu)越的機(jī)械強(qiáng)度，更高的耐磨性、更好的粘合性能和更高的美容美學(xué)價值，其咬合調(diào)整比陶瓷更容易。在實(shí)際中，為了提高樹脂義齒牙齒的強(qiáng)度和抗龜裂性，與直接制造的樹脂復(fù)合橋體相比，預(yù)制橋體實(shí)現(xiàn)橋體的正確成型和修整，并減少橋體周圍的牙菌斑積聚和牙齦刺激。此外，三維打印技術(shù)還可以使用納米填充樹脂復(fù)合材料制成義齒，提供最佳的光學(xué)和機(jī)械性能。這種義齒由聚氨酯二甲基丙烯酸酯樹脂基質(zhì)和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）簇的混合物制成，這些簇被封裝在結(jié)構(gòu)中，不僅看起來更美觀，而且還提供了良好的粘合性能。由于外層由高度交聯(lián)的 PMMA 制成，會有更高的美容價值和更高的耐磨性。

3 結(jié)論

綜上所述，如果說CNC 加工法讓義齒加工進(jìn)入數(shù)字化制造技術(shù)階段，那么三維打印技術(shù)則在CNC 加工法的基礎(chǔ)上，成為義齒加工制作技術(shù)最后攻克的領(lǐng)域之一。與CNC 加工法相比，三維打印技術(shù)雖然尚處于起步階段，并沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的普及和應(yīng)用，但是，三維打印固有的技術(shù)優(yōu)勢還是讓其擁有更加明朗的發(fā)展前景。