支撐結(jié)構(gòu)位置對(duì)3D打印全口義齒基托適合性的影響

宋世威 李風(fēng)蘭

現(xiàn)代口腔修復(fù)工藝隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAD/CAM)技術(shù)的引入而快速發(fā)展[1]。繼在種植和固定修復(fù)領(lǐng)域取得成功后,CAD/CAM技術(shù)也開始引領(lǐng)全口義齒制作方式與牙列缺失患者診療流程的變革[2]。全口義齒的數(shù)字化制作可通過(guò)數(shù)控切削(CNC)或3D打印分別制作基托與人工牙并將兩部分粘接實(shí)現(xiàn);亦可通過(guò)切削雙色樹脂盤完成全口義齒的一體化制作而無(wú)需進(jìn)一步粘接。當(dāng)前,立體光固化成型3D打印技術(shù)制作的全口義齒被證明具有良好的適合性、足夠的機(jī)械強(qiáng)度和令人滿意的臨床效果,立體光固化成型在全口義齒制作中的應(yīng)用日益廣泛[3-6]。

數(shù)字光處理(DLP)是基托制作中最常用的3D打印技術(shù)[7]。DLP使用數(shù)字微鏡裝置(DMD)投影紫外光分層圖像對(duì)液態(tài)光敏材料進(jìn)行面曝光固化并逐層堆疊成型,在工作平臺(tái)中放置多個(gè)打印任務(wù)不會(huì)影響打印時(shí)間。相較于數(shù)控切削以及立體光刻(SLA),DLP顯著提高了義齒的制作效率[8-9]。

3D打印中支撐參數(shù)的設(shè)置決定著切片方向與分層圖像,打印機(jī)則依據(jù)分層圖像逐層成型并堆疊完成打印。基于3D打印逐層堆疊的工作原理,不同支撐參數(shù)的設(shè)置影響打印部件的尺寸精度、表面特性和機(jī)械性能[10-11]。既往研究評(píng)價(jià)了DLP中不同角度的支撐結(jié)構(gòu)對(duì)義齒適合性的影響[12],但支撐結(jié)構(gòu)位置對(duì)3D打印全口義齒基托適合性的影響尚不清楚。因此,本研究評(píng)價(jià)不同支撐位置(唇側(cè)、頰側(cè)、后側(cè)、底部)對(duì)基托適合性的影響,為DLP制作義齒基托時(shí)最佳支撐位置的設(shè)置提供依據(jù)。零假設(shè)是不同的支撐位置不會(huì)影響DLP技術(shù)打印的全口義齒基托的適合性。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

無(wú)牙頜模型(G10-402K-QF,Nissin,日本)、數(shù)字光處理桌面打印機(jī)(Pro95,SprintRay,美國(guó))、后固化箱(ProCure,SprintRay,美國(guó))、甲基丙烯酸酯義齒基托打印材料(DENTCA BASE Ⅱ,Dentca,美國(guó))、掃描噴粉(Easyscan;韓國(guó))、模型掃描儀(Ceramill Map 600,Amann Girrbach,Austria)、3D打印切片軟件(RayWare,SprintRay,美國(guó))、牙科CAD軟件(3Shape Dental System, 3Shape,丹麥)、 3D檢測(cè)軟件(Geomagic Control X,3D Systems,美國(guó))。

1.2 義齒基托設(shè)計(jì)與制作

掃描標(biāo)準(zhǔn)上頜無(wú)牙頜模型并重建數(shù)字參考模型。依據(jù)無(wú)牙頜解剖結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其與全口義齒修復(fù)的關(guān)系,將該無(wú)牙頜模型進(jìn)一步分為主承托區(qū)、副承托區(qū)、緩沖區(qū)及邊緣封閉區(qū)。基于該上頜無(wú)牙頜模型,使用3Shape Dental System設(shè)計(jì)了全口義齒。基托部分厚度均勻?yàn)? mm,義齒邊緣伸展至黏膜反折處。將基托文件導(dǎo)入切片軟件RayWare中,使用“旋轉(zhuǎn)”工具將基托沿X軸、Y軸旋轉(zhuǎn)后生成支撐結(jié)構(gòu)。基托分成唇側(cè)組、頰側(cè)組、后側(cè)組與底部組4 組(n=10),并將層厚設(shè)為100 μm進(jìn)行切片(圖1)。由于支撐結(jié)構(gòu)難以在不影響附著區(qū)域表面形態(tài)的情況下完全去除,本研究排除了組織面生成大量支撐結(jié)構(gòu)的分組。在切片軟件中檢查打印文件,利用支撐編輯工具去除附著在組織面上的支撐結(jié)構(gòu),隨后記錄各組義齒基托所需的打印時(shí)間與材料消耗量。將打印文件發(fā)送至DLP打印機(jī)Pro95后,使用甲基丙烯酸酯DENTCA BASE Ⅱ制作40 個(gè)全口義齒基托。后處理過(guò)程依據(jù)制造商的建議進(jìn)行:去除支撐結(jié)構(gòu)、 90%異丙醇超聲清洗5 min、后固化箱中固化40 min。

圖1 不同支撐位置的全口義齒基托Fig 1 Complete denture bases with different supporting position

1.3 數(shù)據(jù)采集與偏差分析

所有的義齒基托表面噴涂掃描噴粉后,使用Ceramill Map 600模型掃描儀以4 μm的精度進(jìn)行掃描。將掃描所獲取的基托標(biāo)準(zhǔn)三角形語(yǔ)言(standard triangle language,STL)格式文件導(dǎo)入3D檢測(cè)軟件Geomagic ControlX,通過(guò) “最佳擬合”算法將基托掃描數(shù)據(jù)與上頜參考模型配準(zhǔn)。使用“3D比較”分別對(duì)基托組織面整體及不同功能分區(qū)(主承托區(qū)、副承托區(qū)、緩沖區(qū)及邊緣分封閉區(qū))與上頜參考模型進(jìn)行偏差分析以評(píng)價(jià)義齒組織面與無(wú)牙頜參考模型的適合性。創(chuàng)建偏差色譜圖,標(biāo)稱偏差內(nèi)(偏差小于0.1 mm)的區(qū)域顯示為綠色,超出標(biāo)稱偏差的區(qū)域被分為正偏差(黃色至紅色,與參考模型間存在間隙)和負(fù)偏差(青色至藍(lán)色,與參考模型間存在擠壓),臨界偏差設(shè)置為1 mm。適合性用均方根誤差(root mean square error,RMSE)值表示,RMSE被認(rèn)為是衡量?jī)蓚€(gè)3D數(shù)據(jù)之間差異的標(biāo)準(zhǔn)化變量[7]。RMSE值越小,測(cè)試對(duì)象與參考模型一致性越高。其計(jì)算公式為:

式中x1,i為上頜參考模型上的測(cè)量點(diǎn),i,x2,i為基托掃描數(shù)據(jù)上的測(cè)量點(diǎn)i,n為每個(gè)樣本上測(cè)量點(diǎn)對(duì)總數(shù)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

將測(cè)得的RMS值導(dǎo)入統(tǒng)計(jì)軟件(PRISM,GraphPad)對(duì)定量數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。使用Shapiro-Wilktest檢驗(yàn)數(shù)據(jù)分布的正態(tài)性。在0.05的顯著性水平上采用Welch's ANOVA test驗(yàn)證支撐結(jié)構(gòu)位置對(duì)基托的組織面精度的影響。并使用Dunnett's T3 multiple comparisons test檢驗(yàn)各組之間的差異。

2 結(jié) 果

2.1 打印時(shí)間以及材料消耗

義齒基托在不同支撐結(jié)構(gòu)位置下的打印時(shí)間以及光敏樹脂消耗量如表1。從底部添加支撐結(jié)構(gòu)的義齒基托所需打印時(shí)間最短(44 min),而頰側(cè)組所需打印時(shí)間最長(zhǎng),約需139 min;底部支撐組消耗了最多的基托打印材料(23.2 mL),其材料利用率僅為28.9%;而唇側(cè)組需要10.6 mL基托材料,材料利用率最高(63.2%)。

表1 打印時(shí)間(min)與材料消耗(mL)Tab 1 Printing time(min) and material consumption(mL)

2.2 義齒基托適合性

支撐位置顯著影響(P<0.001)義齒基托的適合性。不同支撐位置組基托適合性、正負(fù)偏差及公差內(nèi)比例(偏差<0.1 mm)(表2),唇側(cè)組展現(xiàn)出最佳的適合性(0.084±0.010) mm,其次依次為底部組(0.114 ± 0.039) mm、后側(cè)組(0.125±0.007) mm與頰側(cè)組(0.142±0.020) mm。唇側(cè)組大部分(77.7%)區(qū)域偏差在0.1 mm以下,而頰側(cè)組、后側(cè)組與底部組約1/3區(qū)域展現(xiàn)出大于0.1 mm的偏差。

表2 義齒基托組織面整體適合性Tab 2 Intaglio surface adaptation of the denture bases

2.3 局部偏差分布

偏差色譜圖(圖2)可直觀地展現(xiàn)正負(fù)偏差在義齒不同區(qū)域的分布情況。在唇側(cè)組,正偏差(間隙)主要出現(xiàn)在緩沖區(qū)(腭皺)以及副承托區(qū),負(fù)偏差(擠壓)主要出現(xiàn)在上頜結(jié)節(jié)區(qū)域。在頰側(cè)、后側(cè)、底部3 組中,正偏差主要出現(xiàn)在主承托區(qū)的腭穹隆部分, 負(fù)偏差區(qū)域主要出現(xiàn)在上頜結(jié)節(jié)以及牙槽嵴頂。此外,頰側(cè)組的偏差分布在中線兩側(cè)明顯不對(duì)稱。

圖2 參考模型與偏差色譜圖Fig 2 Reference cast and deviation color map of the groups

定量分析結(jié)果表明唇側(cè)組在主承托區(qū)(0.082±0.015) mm、副承托區(qū)(0.076±0.016) mm與邊緣封閉區(qū)(0.092±0.012) mm均表現(xiàn)出最高的適合性(表3)。在緩沖區(qū),唇側(cè)組的適合性最差(0.094±0.023) mm。然而,其公差外區(qū)域(30.3%)主要表現(xiàn)為正偏差(間隙),提供了(0.087±0.024) mm的緩沖量。其負(fù)偏差區(qū)域占比較小,約為2.2%。頰側(cè)組在緩沖區(qū)適合性最佳,在副承托區(qū)以及邊緣封閉區(qū)均表現(xiàn)出最差的適合性(圖3)。

圖3 不同支撐結(jié)構(gòu)位置義齒基托各功能分區(qū)適合性的差異Fig 3 Difference in adaptation of functional areas of the denture bases at different supporting structures

3 討 論

義齒組織面與黏膜的高度貼合可以改善義齒的黏膜支持和固位力并減少壓痛點(diǎn)[13]。實(shí)現(xiàn)最佳的適合性是全口義齒制作的主要目標(biāo)之一。然而,3D打印全口義齒基托的適合性與打印參數(shù)緊密相關(guān)。本研究使用甲基丙烯酸酯義齒基托打印材料以及DLP 3D打印機(jī)制作了具有不同支撐位置的全口義齒基托, 并通過(guò)3D偏差分析評(píng)價(jià)了義齒的適合性。Camardella等[14]稱使用3D偏差分析比傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法更可靠。基托的復(fù)位及偏差分析過(guò)程均基于算法進(jìn)行,可以避免人為操作中復(fù)位不準(zhǔn)確或義齒在模型上就位不完全等問(wèn)題對(duì)結(jié)果造成的影響。同時(shí), 數(shù)字模型中所有的點(diǎn)均可以計(jì)算在內(nèi),以反映義齒與無(wú)牙頜模型在義齒邊緣范圍內(nèi)的所有區(qū)域的偏差[15]。

定量分析的結(jié)果表明具有不同支撐位置的義齒基托適合性存在顯著差異。這種差異可能源于 3D打印中的“分離力效應(yīng)”。立體光固化打印機(jī)依據(jù)紫外光源位置可分為兩種系統(tǒng):自上而下的曝光系統(tǒng)及自下而上的曝光系統(tǒng)。自下曝光的DLP及立體光刻(SLA)系統(tǒng)體積小巧、填充樹脂槽所需的材料少、打印精度高,在口腔醫(yī)學(xué)中廣泛應(yīng)用。然而,自下而上曝光系統(tǒng)中存在分離力效應(yīng),該效應(yīng)可能導(dǎo)致打印部件的形變甚至斷裂[16]。基托打印過(guò)程中,每一層在固化后都會(huì)吸附在樹脂槽底部,需要構(gòu)建平臺(tái)提供一定的分離力將已初步固化的基托層拉起,在此過(guò)程中基托受到一個(gè)Z軸方向的拉伸力直至與樹脂槽底部完全分離。因此推斷在這個(gè)力的作用下,不同支撐位置的基托偏差分布模式以及整體適合性產(chǎn)生了差異。盡管研究者嘗試采用改善分離模式、增加透氧層等方式來(lái)減小這一效應(yīng)的影響,但這一問(wèn)題尚未完全解決[17-18]。此外,本研究中不同分組之間也表現(xiàn)出了一些相似之處,負(fù)偏差主要出現(xiàn)在上頜結(jié)節(jié)以及牙槽嵴區(qū)域,正偏差主要集中在腭部。這可能是由于3D打印液態(tài)光敏樹脂材料在光固化過(guò)程中向心性的聚合收縮導(dǎo)致的。Unkovskiy等[7]和You等[19]的研究中觀察到了相似的情況,并將這一現(xiàn)象歸因于聚合收縮。高濃度的光引發(fā)劑可以使光敏樹脂在短暫的紫外光曝光下快速固化成型,但也導(dǎo)致了初步固化后大量引發(fā)劑殘留,需要后固化進(jìn)一步促進(jìn)聚合反應(yīng)完成[8]。通過(guò)調(diào)節(jié)打印的參數(shù)來(lái)最小化聚合收縮與分離力效應(yīng)對(duì)義齒精度的影響可能是一種行之有效的方法。

在適合性的評(píng)價(jià)中,唇側(cè)組展現(xiàn)出最佳的適合性(0.084±0.010) mm,絕大部分(77.7%)區(qū)域偏差在0.1 mm以下。先前的研究表明全口義齒戴入后,黏膜不同區(qū)域在最大力下的平均變形量約為0.3 mm[20]。義齒組織面和石膏模型之間的平均偏差在 0.3 mm范圍內(nèi)被認(rèn)為是可以接受的[21]。本研究中,所有分組的整體適合性(RMSE)都小于這一平均值。然而,單從這一數(shù)值評(píng)價(jià)義齒基托的適合性是不夠的。局部小區(qū)域超出組織代償范圍的較大偏差無(wú)法從整體RMSE值中體現(xiàn),但在臨床使用中可能導(dǎo)致黏膜壓痛和固位力下降。此外,無(wú)牙頜的解剖學(xué)與組織學(xué)特點(diǎn)決定了無(wú)牙頜不同區(qū)域?qū)ζ畹哪褪懿煌?腭隆突、切牙乳頭、腭中線處需要一定的緩沖(正偏差),而在后腭封閉區(qū)施加生理限度內(nèi)的壓力(負(fù)偏差)可以提高固位力、減少嘔吐反射、防止食物殘?jiān)逊e[20,22]。因此需要?jiǎng)?chuàng)建色譜圖且將參考模型分割,對(duì)基托不同區(qū)域的適合性進(jìn)行評(píng)價(jià)。在頰側(cè)組、后側(cè)組與底部組的上頜結(jié)節(jié)處觀察到了大于0.3 mm的負(fù)偏差(深藍(lán)),這可能會(huì)增加黏膜壓痛出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn);這些分組的義齒基托在后腭區(qū)域觀察到了較大的正偏差,戴入口內(nèi)后可能無(wú)法形成有效的后緣封閉,導(dǎo)致義齒固位不良;此外,頰側(cè)組的基托組織面的偏差分布模式左右明顯不對(duì)稱,這可能導(dǎo)致義齒在咬合力下的不平衡。上述支撐位置在基托打印時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎選擇。相對(duì)而言,唇側(cè)組的偏差分布更加符合上頜無(wú)牙頜的解剖特點(diǎn):在后腭部表現(xiàn)出良好的適合性或輕度的負(fù)偏差,并在腭隆突、腭中線處具有一定的正偏差以達(dá)到緩沖作用。

不同于SLA采用動(dòng)態(tài)激光束對(duì)光敏樹脂逐點(diǎn)進(jìn)行固化,DLP采用了DMD投影分層切片圖像,可同時(shí)固化整層光敏樹脂打印材料。因此,DLP中的層間循環(huán)時(shí)間更短且同時(shí)打印多個(gè)目標(biāo)不會(huì)增加工作時(shí)間[8-9]。打印文件的切片層數(shù)是決定DLP打印任務(wù)所需時(shí)間長(zhǎng)短的首要因素。本研究中不同分組基托打印文件的層數(shù)不同,所需打印時(shí)間亦不同。底部組打印文件為水平擺放,在垂直于X、Y切片平面的Z軸方向上高度最小。固定層厚(100 μm)下,其切片時(shí)所得層數(shù)最少,需要的打印時(shí)間也最短(44 min)。而垂直打印的3 組(唇側(cè)、頰側(cè)與后側(cè)組)所需打印時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),其中頰側(cè)組所需打印時(shí)間最長(zhǎng)(139 min)。此外,不同支撐位置的義齒基托在打印中的樹脂消耗量亦存在差異。這與支撐結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度與數(shù)量相關(guān)。盡管在底部組所有支撐結(jié)構(gòu)均較短,但其數(shù)目最多。因此,底部組在打印中的材料消耗量最高(23.2 mL),約為其他分組的兩倍。當(dāng)義齒基托需要快速制作時(shí),底部添加支撐結(jié)構(gòu)可縮短義齒的打印時(shí)間,但會(huì)造成材料成本增加。而當(dāng)時(shí)間充足時(shí),在唇側(cè)添加支撐結(jié)構(gòu)可以降低義齒打印的材料成本并提高義齒基托的適合性。

本研究為體外研究,缺乏義齒基托在無(wú)牙頜病人口內(nèi)的試戴與評(píng)價(jià),這是其主要不足之處。盡管據(jù)報(bào)道使用3D偏差分析比傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法更可靠[14], 3D檢測(cè)軟件中義齒基托在上頜模型上的就位僅能代表一種理想的就位狀態(tài),可能與臨床中實(shí)際情況存在差異。本研究?jī)H使用了一種打印機(jī)以及義齒基托材料組合,進(jìn)一步對(duì)其他組合進(jìn)行研究是必要的。

4 總 結(jié)

本研究中,在唇側(cè)生成支撐結(jié)構(gòu)的義齒基托具有最高的適合性及更符合無(wú)牙頜的解剖生理特點(diǎn)的偏差分布模式,基托制做所消耗的打印材料最少,因此在使用DLP制作義齒基托時(shí),建議支撐設(shè)置在基托唇側(cè)。