3D打印在口腔正畸領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

許嘉寧,金作林,劉 佳

三維(three-dimensional,3D)打印又稱增材制造,源于1986年美國科學(xué)家Charles Hull發(fā)明的立體光固化成型技術(shù)(stereolithography,SLA),是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),以光敏樹脂、粉末狀金屬、陶瓷、塑料、橡膠等為原料的實(shí)物快速成型技術(shù)。3D打印可制作個(gè)性化和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品,在小規(guī)模生產(chǎn)時(shí)成本更低[1-2]。因此,3D打印技術(shù)自問世以來就被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)和制造等領(lǐng)域。口腔正畸使用的器械大多精細(xì)小巧,3D打印契合了其個(gè)性化強(qiáng)、精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的需求,日益受到關(guān)注并被研究應(yīng)用。

1 口腔正畸常用3D打印技術(shù)

1.1 立體光固化成型

SLA是最早實(shí)際應(yīng)用的3D打印技術(shù)之一,由液態(tài)光敏樹脂槽、模型構(gòu)建平臺(tái)和紫外線(ultraviolet,UV)激光器組成。打印開始后,構(gòu)建平臺(tái)浸入樹脂槽,激光束移動(dòng)并固化樹脂,一層完成后構(gòu)建平臺(tái)移動(dòng)一定距離(即一層打印厚度),未固化樹脂覆蓋前一層并重復(fù)上述過程,直至打印完成。在SLA技術(shù)中,平臺(tái)有自上而下和自下而上兩種移動(dòng)方法,自下而上移動(dòng)可避免氧干擾,且樹脂可自動(dòng)灌裝,大多數(shù)SLA打印機(jī)都使用了該方法[3]。SLA的不足是:打印完成后,需進(jìn)行紫外光照射以使材料完全固化,后固化會(huì)使模型收縮,導(dǎo)致精度下降[4]。

1.2 數(shù)字光處理(digital light processing,DLP)

DLP原理與SLA相似,原料均為光敏樹脂,最大的區(qū)別是兩者所用光源不同,DLP使用來自投影儀的UV光,打印時(shí)光源保持靜止,一次可固化整個(gè)樹脂層。相較SLA,DLP打印速度更快。但和SLA相同,DLP同樣存在后固化與模型收縮問題[1,5]。

1.3 聚合物噴射成型(PolyJet)

PolyJet是噴墨技術(shù)和SLA的結(jié)合,打印時(shí)噴頭將光聚合物原料的微小液滴噴射到構(gòu)建平臺(tái)上,然后進(jìn)行紫外光固化。不同于SLA和DLP只能在打印過程中使用單一材料,PolyJet能夠在打印過程中添加多種不同的樹脂,滿足各部位對(duì)材料性能的不同要求[6];且完成后無需后固化,打印精度高[1]。但PolyJet成本較高[7],限制了它在臨床中的應(yīng)用。

1.4 熔融沉積建模(fused deposition modeling,FDM)

FDM又稱熔絲制造(fused filament fabrication,FFF),工作時(shí)噴頭水平移動(dòng),通過擠壓將其中的熱熔性材料送出,待擠出的材料與上一層完全結(jié)合后,噴頭上移,進(jìn)行下一層打印。FDM的最大優(yōu)勢(shì)是材料成本低廉,但對(duì)于復(fù)雜模型,較長(zhǎng)的打印時(shí)間、表面紋理不夠清晰、移除支撐材料困難是其技術(shù)限制[8]。

1.5 選擇性激光融化(selective laser melting,SLM)

SLM以高分子粉末、陶瓷粉末、金屬粉末等為材料,激光束按一定路徑照射工作臺(tái)上的粉末,使其完全融化繼而凝固,完成后平臺(tái)下降,重復(fù)鋪粉和燒結(jié)直至打印完成。SLM加工的金屬致密度高,力學(xué)性能良好,但制作的產(chǎn)品表面質(zhì)量不高,需要大量后處理,且成型過程中熱應(yīng)力、組織應(yīng)力、殘余應(yīng)力的產(chǎn)生易導(dǎo)致制件翹曲變形或出現(xiàn)裂紋[9]。

2 3D打印在口腔正畸中的應(yīng)用

目前3D打印已被用于制作牙頜正畸模型、個(gè)性化正畸裝置(如唇側(cè)托槽和舌側(cè)托槽[10]、無托槽隱形矯治器、透明保持器)、微型種植體手術(shù)導(dǎo)板、間接粘接托盤、下頜前移夾板、咬合板等。

2.1 牙頜正畸模型

在正畸治療中,牙頜正畸模型必不可少。傳統(tǒng)技術(shù)通過獲取患者上下牙頜的硅橡膠印模,再制成石膏模型,但模型笨重、易損壞、難以與其他牙科專業(yè)人員交流共享且需要大量物理存儲(chǔ)空間[4]。隨著包括口內(nèi)數(shù)字掃描儀、三維掃描儀和錐束計(jì)算機(jī)斷層掃描(cone beam computed tomography,CBCT)在內(nèi)的數(shù)字技術(shù)普及,可通過直接掃描患者口腔,間接掃描石膏模型或印模獲取數(shù)據(jù),構(gòu)建三維數(shù)字模型,需要時(shí)經(jīng)3D打印獲得實(shí)物模型。三維數(shù)字模型克服了上述不足,而且可即時(shí)傳輸與訪問、能進(jìn)行治療模擬、利于醫(yī)患溝通、沒有磨損變形。

在實(shí)際應(yīng)用中,還需評(píng)估3D打印實(shí)物模型的準(zhǔn)確性,判斷其是否能用于臨床。一般認(rèn)為0.2至0.5 mm的誤差范圍是臨床可接受的[5,11]。鑒于每個(gè)無托槽隱形矯治器使每顆牙齒平均移動(dòng)0.25～0.30 mm[12],因此3D打印實(shí)物模型若要用于隱形矯治器的制作,則誤差需小于0.25 mm,絕大部分研究采用這一標(biāo)準(zhǔn)[7,12-14]。學(xué)者研究證實(shí)SLA、DLP、PolyJet和FDM制作的錯(cuò)牙合模型均可用于臨床,其中PolyJet精度最高,FDM精度最低。在技術(shù)選擇時(shí),需考慮應(yīng)用目的、打印時(shí)間與成本。若用于制作隱形矯治器,則PolyJet較FDM擁有更好的正畸力;在擁擠牙弓中,價(jià)廉的SLA與DLP打印模型均符合小于0.25 mm的標(biāo)準(zhǔn)[13]。

在使用SLA或DLP打印模型時(shí)需注意底座設(shè)計(jì),馬蹄形底座會(huì)導(dǎo)致顯著的橫向收縮,可通過在后部增加連接桿來糾正[4,13]。當(dāng)需要著重考慮打印的精度、時(shí)間和效率時(shí),正確選擇構(gòu)建角度和層高非常重要。Ko等[13]發(fā)現(xiàn)構(gòu)建角度和層高對(duì)模型精度有顯著的交互影響,推薦以30°或60°構(gòu)建模型。

2.2 熱塑性矯治器

2.2.1 無托槽隱形矯治器

因佩戴不易察覺更美觀舒適、有利于保持口腔衛(wèi)生、治療持續(xù)時(shí)間短、椅旁時(shí)間少,無托槽隱形矯治器被迅速普及應(yīng)用。傳統(tǒng)方法通過牙齒模型間接壓膜制作隱形矯治器,制作完成后還需人工剪裁、打磨,增加了生產(chǎn)時(shí)間與人工成本,而且熱塑性工藝還會(huì)使材料性能發(fā)生改變。Bucci等[15]的研究顯示,與壓膜膜片的初始厚度相比,熱塑性工藝降低了隱形矯治器的厚度及其厚度均勻性,而厚度與均勻性則影響矯治器施力和治療結(jié)果。3D打印制作則克服了上述問題,且產(chǎn)生的廢棄物遠(yuǎn)低于熱塑性工藝,更環(huán)保[16]。根據(jù)隱形矯治器的特性及其對(duì)材料性能的要求,以透明樹脂為原料的光聚合3D打印是最佳選擇。Boyer等[14]和Edelmann等[17]使用Dental LT和Grey V4制作隱形矯治器,證實(shí)了可通過 3D 打印直接制作不同厚度的隱形矯治器,但成品相較設(shè)計(jì)模型厚度增加,且在前牙功能面存在過度堆積區(qū)。這無疑影響其臨床應(yīng)用。顯然,通過3D打印直接制造隱形矯治器在技術(shù)上可行,但缺少符合要求的打印材料,打印軟件也有待改進(jìn)。不過,Lee等[18]發(fā)現(xiàn),光聚合樹脂制造商Graphy公司最新研發(fā)的名為TC-85的新型3D打印生物相容材料,相較于非交聯(lián)型聚合物的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PETG),擁有更強(qiáng)的柔韌性、更大的彈性范圍、更慢的力衰減、更好的形狀記憶性且在高溫下仍具有幾何穩(wěn)定性,用于制作隱形矯治器有更好的適配性和顯著優(yōu)勢(shì),但還需進(jìn)一步研究其力學(xué)性能并進(jìn)行臨床試驗(yàn)。除了材料的突破,3D打印設(shè)備的研究也有所進(jìn)展。Tsolakis等[19]的研究顯示,Graphy公司最新推出的名為Tera Harz的3D打印設(shè)備能使光固化樹脂聚合更完全,或可解決3D打印隱形矯治器厚度增加的問題。因此,3D打印直接制作隱形矯治器正逐漸成為可能,但使用各類熱塑性材料在模型上壓膜仍是目前制成隱形矯治器的主要方法。

2.2.2 透明保持器

佩戴保持器是預(yù)防正畸治療后復(fù)發(fā)的一個(gè)重要因素。在眾多保持器中,透明保持器因其美觀、對(duì)發(fā)音影響小、異物感輕等優(yōu)點(diǎn)受到青睞。與隱形矯治器相同,透明保持器目前也只能在石膏模型或3D打印模型上壓膜制作。目前市場(chǎng)上沒有可用于直接3D打印透明保持器的樹脂,Cole等[20]使用Dental LT制作透明保持器,但材料的不合適使其與傳統(tǒng)真空成型保持器和商用保持器相比偏差大。學(xué)界沒有明確透明保持器的臨床可接受誤差范圍,大多研究者都以隱形矯治器為參照,選擇0.25 mm作為標(biāo)準(zhǔn)[21]。對(duì)利用SLA、DLP、cDLP和PolyJet四種3D打印技術(shù)制作的透明保持器,研究顯示其總體誤差均小于0.25 mm,但在前牙區(qū),3D打印的保持器與參考模型差異很大[20]。

因此,要通過3D打印制作精準(zhǔn)的透明保持器,新材料的出現(xiàn)或打印材料的改進(jìn)必不可少。EnvisionTEC公司宣布一種可用于保持器的新型樹脂E-Ortholign正在研發(fā)[22]。一旦通過監(jiān)管程序,將推動(dòng)3D打印透明保持器的臨床驗(yàn)證與應(yīng)用。

2.3 間接粘接托盤

因具有定位托槽準(zhǔn)確性高、椅旁時(shí)間短、患者舒適度高、減少唾液污染等優(yōu)點(diǎn),間接粘接托盤被廣泛應(yīng)用于口腔臨床。與傳統(tǒng)制作不同,數(shù)字間接粘接通過掃描獲得數(shù)據(jù)重建三維數(shù)字模型,并在模型上定位托槽,設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)印托盤,無需物理模型作為中介,直接打印獲得成品托盤。3D打印制作減少了傳統(tǒng)制作過程中的弓絲彎制環(huán)節(jié),使托槽基座在臨床粘接前不接觸黏合劑,降低了粘接失敗風(fēng)險(xiǎn),減少了托槽調(diào)整次數(shù)且便于向患者展示3D治療計(jì)劃[23]。Plattner等[24]發(fā)現(xiàn)雖然數(shù)字化間接粘接托盤的總制造時(shí)間高于傳統(tǒng)托盤,但技術(shù)人員操作時(shí)間明顯縮短。因此,當(dāng)考慮人員成本時(shí),3D打印是一種更好的選擇。

3D打印間接粘接托盤體外放置托槽的準(zhǔn)確性已得到初步研究證實(shí)[6,25]。但同期一項(xiàng)臨床研究發(fā)現(xiàn)3D打印間接粘接托盤放置的托槽在角度方面(轉(zhuǎn)矩角、軸傾角和旋轉(zhuǎn))存在一定不足,造成這一結(jié)果的原因還需進(jìn)一步研究[26]。相較于傳統(tǒng)制作方法,3D打印間接粘接托盤已表現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì),但還需更多的臨床研究進(jìn)行完善,以確保其口內(nèi)轉(zhuǎn)移托槽的準(zhǔn)確性。

2.4 咬合板

咬合板的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式復(fù)雜且耗時(shí),但隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造(CAD/CAM)技術(shù)的引入,結(jié)合銑削工藝實(shí)現(xiàn)了咬合板制作的自動(dòng)化。與之相比,3D打印制作不僅能創(chuàng)建更復(fù)雜的模型結(jié)構(gòu)和滿足個(gè)性化定制要求,而且耗材少效率高。Grymak等[27]和Marcel等[28]的體外研究表明3D打印咬合板不會(huì)破壞牙釉質(zhì),其精度和安全性也得到了驗(yàn)證。CAM-銑削和傳統(tǒng)咬合板常用聚甲基丙烯酸樹脂(PMMA)制作,主要缺點(diǎn)是殘留單體的毒性,包括致突變性、遺傳毒性、細(xì)胞毒性、胚胎毒性[29]。SLA咬合板內(nèi)的殘留單體可以經(jīng)短時(shí)間的后沖洗去除[30];3D打印咬合板生物相容性較好,生理狀態(tài)下無細(xì)胞毒性[29]。

學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),在材料特性和磨損情況上,3D打印的咬合板與CAM-銑削和傳統(tǒng)制作的咬合板相比,仍存在差異。Berli等[31]發(fā)現(xiàn)相對(duì)于熱成型和銑削樹脂,SLA樹脂具有較低的抗彎強(qiáng)度和硬度、較高的吸水性、更易老化。與銑削和傳統(tǒng)材料相比,3D打印材料耐磨性更低[27]。打印機(jī)參數(shù)設(shè)置和構(gòu)建角度均會(huì)對(duì)咬合板機(jī)械性能產(chǎn)生影響,構(gòu)建角度對(duì)不同3D打印材料耐磨性的影響不盡相同,制作過程中需根據(jù)材料進(jìn)行調(diào)整[27]。考慮到粗糙度和拋光后光澤度,45°為材料Dental Clear和Free Print2.0的最佳構(gòu)建角度[32]。咬合板制作完成后,要注意控制后沖洗時(shí)間,沖洗時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)使咬合板抗彎強(qiáng)度降低[29],影響臨床應(yīng)用。3D打印咬合板優(yōu)勢(shì)明顯,但尚需更佳的打印材料并改進(jìn)設(shè)計(jì)與制作工藝,以提高產(chǎn)品性能。

2.5 微型種植體導(dǎo)板

在正畸治療中,支抗控制是關(guān)鍵一環(huán),而通過植入和移除微型種植體已成為臨床上控制支抗的重要方法。但因植入環(huán)境復(fù)雜,不準(zhǔn)確的植入定位會(huì)導(dǎo)致穿孔或脫落,常需微型種植體導(dǎo)板輔助,以提高植入成功率和植后穩(wěn)定性,并避免對(duì)相鄰正常結(jié)構(gòu)的損傷。結(jié)合CBCT與口內(nèi)或光學(xué)掃描圖像,可通過3D打印制備微型種植體導(dǎo)板,而且還可根據(jù)需要在設(shè)計(jì)時(shí)添加特殊結(jié)構(gòu)以方便使用[33]。3D打印導(dǎo)板輔助植入的準(zhǔn)確性在臨床研究中已得到證實(shí)[33-34]。

需要注意的是,在植入過程中,導(dǎo)板會(huì)與血液接觸,術(shù)前需滅菌或消毒處理。Pop等[35]比較了消毒(4% gigasept)和高溫滅菌對(duì)DLP和SLA正畸微型種植體導(dǎo)板機(jī)械性能的影響,推薦使用消毒的方式進(jìn)行術(shù)前處理。

2.6 下頜前伸類口腔矯治器

持續(xù)正壓通氣(CPAP)是治療阻塞性睡眠呼吸暫停(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome,OSAHS)的金標(biāo)準(zhǔn),但部分患者不易接受。對(duì)輕中度OSAHS患者或不能耐受CPAP治療者,下頜前伸類口腔矯治器(mandibular advancement device,MAD)是一種有效的替代療法。MAD傳統(tǒng)制作的關(guān)鍵是取模、記錄前移距離和垂直開口量并將這些記錄轉(zhuǎn)移到牙合架上,取模會(huì)給患者帶來不適,印模材料、石膏材料和丙烯酸樹脂之間尺寸變化的不一致會(huì)導(dǎo)致成品的不匹配[36],咬合關(guān)系記錄或轉(zhuǎn)移時(shí)的微小偏差更會(huì)導(dǎo)致制作失敗。采用3D打印制作MAD則不存在上述問題,并能實(shí)現(xiàn)個(gè)性化精確設(shè)計(jì),減少椅旁時(shí)間和操作步驟。

Piskin等[37]用口內(nèi)掃描儀獲取數(shù)字化牙弓與頜間關(guān)系,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M牙合架后,使用軟件中的正畸模塊進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì),最后以丙烯酸樹脂為原料,通過3D打印制作MAD并獲得良好療效。Lee等[38]通過3D打印個(gè)性化定制了CPAP口鼻面罩與MAD結(jié)合的組合矯治器,使患者舒適度和療效均得到提高。

2.7 擴(kuò)弓裝置

上頜橫向發(fā)育不足(maxillary transverse deficiency,MTD)是一種臨床常見的錯(cuò)牙合畸形,上頜擴(kuò)弓是治療MTD的經(jīng)濟(jì)有效的方法。近年來隨著微種植釘輔助快速擴(kuò)弓(miniscrew assisted rapid palatal expansion,MARPE)和手術(shù)輔助快速擴(kuò)弓(surgically assisted rapid palatal expansion,SARPE)技術(shù)的發(fā)展,上頜擴(kuò)弓適用人群不再有嚴(yán)格的年齡限制,醫(yī)生可根據(jù)患者的年齡、骨骼發(fā)育水平、CBCT觀察到的腭中縫成熟程度采取不同的擴(kuò)弓方式[39]。通過口內(nèi)掃描、CBCT、CAD/CAM結(jié)合SLM設(shè)計(jì),3D打印制作擴(kuò)弓裝置,包括MARPE和Hyrax矯治器,在治療中取得了良好的擴(kuò)弓效果[40-42];Cozzani等[43]制作的適用于乳牙列和混合牙列的改良Haas型矯治器(HIRME),無需取模且黏固簡(jiǎn)單。全數(shù)字化流程提高了患者舒適度、減少實(shí)驗(yàn)室時(shí)間[41],而且使得醫(yī)生可設(shè)計(jì)制作個(gè)性化的連接體和更加合適的帶環(huán)[43],以提供更好的治療。由于技術(shù)限制,擴(kuò)弓器尚未通過3D打印的方式制作,而是在SLM擴(kuò)弓器金屬支架制作完成后,將成品擴(kuò)弓器焊接至支架上。還需進(jìn)一步研究,以實(shí)現(xiàn)制作全程數(shù)字化。

3 結(jié) 語

近幾年的國內(nèi)外研究表明,與數(shù)字化緊密結(jié)合的3D打印技術(shù)以其顯著優(yōu)勢(shì)在口腔正畸領(lǐng)域中的應(yīng)用正悄然興起,其中3D打印牙頜正畸模型、微型種植體導(dǎo)板、下頜前伸類口腔矯治器、咬合板已成功用于臨床,新材料的出現(xiàn)使3D直接打印制作隱形矯治器不再遙遠(yuǎn)。但仍有一些問題尚需進(jìn)一步研究或驗(yàn)證,如確保間接粘接托盤口內(nèi)轉(zhuǎn)移托槽的準(zhǔn)確性、可用于3D打印透明保持器的新型樹脂、擴(kuò)弓器的3D打印,其中材料研發(fā)是亟待解決的難題。此外口腔3D打印技術(shù)也需完善提高,如改進(jìn)SLA、DLP打印后處理方式,提高SLM、FDM打印成品的性能,降低PolyJet打印的成本。隨著應(yīng)用研究的深入、3D打印技術(shù)的提高、打印材料的迭代升級(jí)及成本的降低,3D打印在口腔正畸領(lǐng)域的應(yīng)用必將更為深入廣泛,也必將帶來口腔正畸器械制作的全面變革。