影响3D打印的口腔修复体精密度的因素

2019-3-1 11:03  来源:口腔医学
作者:谢明杰 李潇 阅读量:8394

    3D打印技术,又称增量制造技术,是快速成型技术(rapid prototyping,RP)之一,它是基于重建的三维数字模型,采用分层加工和叠加成形的方式制作实体模型的加工工艺。基于3D打印技术具有快速、方便、精确及节省材料的优点,被广泛应用于多个领域。在口腔修复领域,3D打印技术使口腔修复体在精密度方面得到了很大的提升,包括冠边缘、内冠与牙体之间的密合性及义齿支架与软组织之间密合性,从而影响修复体的临床效果。

    目前3D打印技术主要应用于可摘局部义齿金属支架、全瓷修复体、金属修复体、修复体蜡型、颌面赝复体以及全口义齿。3D打印的基本步骤包括:数字化数据采集、数字化数据处理和3D打印。临床上使用的数字化扫描设备采集印模信息,然后利用相关CAD设计软件进行数据处理,设计数字化修复模型,再利用常用3D技术打印出修复体模型,经后期处理最后应用于临床。3D打印制作口腔修复体是一个连续的过程,每个步骤中均存在影响修复体精密度的因素;另外,3D打印技术本身的发展水平也是一个重要的影响因素。

    1.数字化印模的采集

    1.1数字化印模的准确性

    口腔修复诊疗的最终效果,首先取决于印模准确性。选择不同的印模采集方式影响着最终印模的准确性。传统取模过程中患者唾液、龈沟出血、软组织运动以及材料的形变等因素都会影响印模采集的准确性,进而影响最终修复体的修复效果。随着数字化印模采集系统的发展,现今数字化印模逐步取代传统的取模方式。

    现临床上应用的口腔修复CAD/CAM系统,多数是口外采集方式(间接法),即采用数字化扫描设备对患者牙列石膏模型进行扫描来获取数字化印模,这种模式依然需要经历应用弹性印模材料采集患者口腔印模,然后翻制石膏模型的过程。而口内采集方式(直接法),即扫描设备于口内直接对口腔内软硬组织进行扫描与测量。目前主要从两方面来评价口内数字化印模准确性,一方面是直接通过对数字化扫描设备进行评价,扫描设备的良好精密度是印模准确性的首要条件。

    杨鑫等研究模拟口腔取模环境下TRIOS口内数字印模的精密度,并与口外模型扫描的精密度比较,通过定量分析得出,TRIOS组的数字印模精密度差于口外模型组,与Flügge等对iTero系统与D250口外系统精密度比较时结论一致;另一方面是通过评价基于口内数字化印模设计制作的修复体的临床适合性来反映数字化印模本身的准确性。谭发兵等研究CEREC3D和InlabMCXL系统数字化印模对CERECBlocs全瓷冠边缘和内部适合性的影响,发现两种印模法对CERECBlocs冠边缘适合性无影响,但对内部适合性有一定影响,全瓷冠边缘适合性均在临床可接受范围内。

    国外学者Da利用CEREC系统在体内实验中比较了口内直接扫描牙齿和传统印模配合口外扫描石膏模型制作出的CAD/CAM后牙全瓷高嵌体的边缘适合性,认为两者之间无明显差异且均符合临床应用标准。与应用较成熟的牙列石膏模型三维扫描技术相比,口内数字印模技术存在一定局限性:由于口腔空间狭小,容易受唾液、光照、舌头移动和探头抖动等因素的影响,且采集的图像位于不同的坐标系中,对图像的拼接次数越多,数据精度越低。

    1.2口内数字化印模采集系统

    自1987年Sirona成功发布了世界上第一台商业化的口内扫描仪至今,世界各国其他公司也陆续推多个品牌的口内扫描系统(3Shape、CEREC、iTero、Lava、Planscan等),国内也已研发出自主知识产权的口内扫描系统(朗呈科技、先临三维科技)。因各扫描系统扫描原理、性能特点不同,以及是否需要喷粉,扫描的精度存在一定差异。Ender等运用最佳适配校准(best fit alignment)方法评价四种口内数字化印模系统采集全牙列印模的精度,CERECBluecam的扫描精度最高,但与Renne的研究结果相反;而在王亚妹等的研究中也发现,随扫描区域的增大,CERECBluecam扫描精度明显下降。对于小范围扫描而言,Planscan的扫描精度较高;TRIOS在全牙列的采集时,扫描速度与精度之间取得了良好的平衡,可能更适合用于采集全牙列印模。

    关于喷涂光学成像粉对数字化印模准确性的影响,学者持有不一致的意见。目前临床上要求光学成像粉喷涂均匀,但是尚无统一的操作标准;对于不需要喷粉的TRIOS和CERECOmnicam,也可能由于人员操作的问题在一定程度上影响了印模的准确性。在临床应用中,操作人员必须熟悉口内数字化扫描系统的性能特点;而无论使用哪一种系统,对预备的牙体进行排龈,清晰地暴露牙体预备的边缘以及对口腔进行严密隔湿,是保证印模质量的基础。

    1.3数字化印模采集的适应证

    就口内采集方式而言,单个固定修复病例进行印模采集,印模准确性能符合临床应用的要求。在杨鑫等研究中,TRIOS系统于口内获取单个牙的数字印模精密度小于10μm。对于多单位固定修复病例(5个单位以内)进行印模采集时,多数学者对口内采集方式持谨慎的态度。Flügge等的研究结果发现,iTero系统于口内获取完整牙列数字印模精密度为50μm,而Ender等使用CERECBluecam系统和LavaTMC.O.S系统于体外获得全牙列数字印模的精密度分别为(30.9±7.1)μm和(60.1±31.3)μm,这说明了多单位口内数字印模不如单个牙准确。

    另外,苏庭舒等的研究表明,口内数字化印模扫描精密度随着牙弓扫描范围增大而降低,其在扫描范围小于半个牙弓时表现出的精密度符合临床要求;而口外台式扫描仪在扫描任意范围牙弓时均表现出较好的精密度。所以对于5个单位以上的印模采集,我们建议采用口外采集方式采集印模。牙齿形状影响扫描精度,表面曲率变化较大的区域(特别是邻面区域)扫描精度下降,建议临床上预备体应光滑圆钝,可适当增加邻面聚合度,避免形成邻面倒凹。

    Müller等认为不同的扫描顺序影响全牙列数字化印模精度的获取,他们使用TRIOS口内扫描仪于口内获取完整牙列数字印模,“沿上颌第二磨牙咬合面及腭侧面,从远中开始扫描至目标区域另一端,然后经颊侧面返回”扫描顺序的印模准确性最高。

    另外计算机X线体层扫描(computerized tomography,CT)也是数字化印模采集方式之一。它的优点是扫描速度快、伪影少,无光学扫描存在的盲区问题,可同时扫描多个模型,缺点是辐射量高,不宜常规使用。CBCT的辐射量仅为螺旋CT的20%,空间分辨率高,价格更便宜,但Al-Rawi等认为,其精度不足以用于CAD/CAM固定修复体的制作。

    2.修复体的数字化设计

    数字化印模采集是为了精确获取牙或牙模表面数据,而口腔修复CAD软件则是对获取的表面数据进行数字化设计以满足临床口腔修复需求。根据使用人群不同,将其分为椅旁CAD设计软件和技术室CAD设计软件。椅旁CAD设计软件使用人群多为临床医师及助手,适合设计简单的贴面、嵌体、冠桥及种植基台;而技术室CAD设计软件使用人群为专业的修复技师,功能更加完善,适合于设计精度要求高的修复体。目前口腔修复CAD软件设计涵盖临床上常用的固定修复体类型,包括全解剖型冠桥、内冠、嵌体、高嵌体、贴面、咬合贴面、套筒冠、桩核冠、临时冠等。

    全冠和全冠桥数字化设计是其他类型修复体数字化设计的基础,其关键技术将决定CAD软件系统的整体质量。当前国外成熟商业化的口腔修复软件基本能够满足固定修复体个性化设计需求,而国内产品方面则需尽快取得对关键技术的突破,形成具有完全知识产权的口腔修复软件系统。在固定修复体设计过程中,其全冠解剖形态生成方面主要来源有标准牙数据库、生物再造和生物复制与参照三种。

    标准牙数据库是CAD软件内置的一系列预先设计好的标准牙冠的三维数据,设计时供用户选择使用,市面上绝大多数的CAD软件都属于此类。此功能生成的牙冠需经后续繁琐的手动调整,操作较为复杂,且高度依赖于口腔修复技师个人水平。当前市面上还可见成熟的可摘局部义齿(3 shape dental system、Geramill)和全口义齿(avadent、Dentca)的CAD设计软件,但可摘局部义齿和全口义齿的修复无法实现全程数字化,其修复体精度仍然依赖于传统功能性印模的准确性;另外,在设计过程中高度依赖于口腔修复技师的专业知识。如今通用的口腔修复CAD软件几乎可设计全部临床上常见的修复体,在数字化设计环节上,修复体的精度似乎取决于设计软件的选择以及设计者的技术水平。

    3.修复体类型本身与3D打印的精度的关系

    3.1固定义齿修复体

    就金属类固定义齿修复体精度而言,3D打印出的金属冠边缘、金属内冠与预备后牙体的精度明显优于传统方法铸造金属冠。Bindl等的研究结果显示3D打印的金属冠边缘与预备后牙体之间的间隙相较于铸造金属冠与牙体的间隙平均小65μm。Ortorp等利用四种不同的技术制作三单位钴铬合金固定修复体,比较其冠边缘、内冠与牙体的密合度,发现利用直接金属激光烧结技术(DLMS)制作的修复体密合性最佳;李美康采用三种不同工艺制作下颌第一前磨牙钴铬合金基底冠,边缘适合性最好的为直接金属激光烧结组基底冠,内部适合性最好的为CAD/CAM切削钴铬金属组,传统铸造组基底冠边缘及内部适合性均最差。以上三者的研究均证明3D打印出的金属冠边缘、金属内冠精密度较高,该技术在金属材料的修复体上应用较成熟。

    有关桩核体方面,通过SLA直接制作出树脂型实体桩核,相对于常规失蜡精密铸造法具有更好的边缘适合性和内部适应性。利用计算机辅助设计和3D打印技术可制造全瓷修复体。3D打印陶瓷技术的起源于喷墨打印技术(ink jet printing,IJP),发展至今已经比较成熟。目前制约3D陶瓷喷墨打印技术发展的因素主要有两方面:一是墨水的微方向性及形状、浓度一致性不能精确控制,在一定程度上影响了打印的精度和质量;二是喷墨打印头的堵塞问题,无论是降低陶瓷墨水的粘度还是增大喷头毛细管的直径,都将使打印效果大大降低,成品精密度下降。

    陶瓷3D打印技术除了喷墨打印技术还有熔化沉积成型技术(fused deposition modeling,FDM)、光固化成型技术(stereolithography,SLA)、分层实体制造技术(laminated object manufacturing,LOM)和激光选区烧结技术(selective lasers intering,SLS),根据成型方法和使用原料的不同,每种打印技术都有自己的优缺点。

    总体而言,3D打印用陶瓷材料稀缺,面临材料配比、后期加工等一系列技术难题,目前打印制造全瓷修复体打印成本高、效率低、精度有限。

    3.2可摘局部义齿和全口义齿修复体

    由于口内解剖结构复杂精细,可摘局部义齿和全口义齿修复体的形态多为复杂的三维曲面,利用传统印模方法和传统修复工艺制作的义齿与口腔组织密合性尚待提高。口腔数字化印模技术联合3D打印技术有望提高义齿与口腔组织的密合性。陈光霞等研发的利用激光快速成型技术制作的金属零件精度可达到96%以上,应用该设备制造的可摘局部义齿金属支架,平均加工精度可达±0.172mm;Chen等应用计算机辅助设计并3D打印出局部义齿,义齿与组织黏膜均匀贴合。

    以专业树脂蜡为材料3D打印制作义齿的蜡型,制作的蜡型精度高,能避免传统工艺反复翻制模型,从而提高义齿的精度。Dawood等认为,先利用3D打印技术制作蜡型,再以传统工艺铸造制作固定修复体内冠或活动义齿金属支架,相对于3D打印直接制作修复体而言,能减少修复体的后期加工处理,是一个更可行的方法。计算机辅助设计联合3D打印技术制作全口义齿在国内外可见文献报道。Kattadiyil等应用AvaDent和Dentca系统进行全口义齿的数字化设计,并利用3D打印技术打印出树脂型全口义齿,获得良好的临床效果。

    叶页等使用口腔修复CAD软件(3 shape Dental system 2012)进行上颌义齿的数字化设计,选择性激光熔积技术制作上颌全口义齿金属基托,证明选择性激光熔积(SLM)技术制作上颌全口义齿金属基托具有可行性。就现阶段而言,口内数字化的全牙列印模并不能完全满足制作全口义齿的需要,全口义齿的制作仍以传统方法制作为主。精确的无牙颌石膏模型依然是全口义齿类修复体成功的关键环节,利用3D打印技术高效制作精确的无牙颌石膏模型可能是一个研究方向。Sun等运用直接喷墨打印技术制作出了精确的全口义齿石膏阴模,然后充填人工牙,再对基托树脂进行压铸,制作完成了精密度较高的全口义齿。

    林园园等提出有效简化并精准制作个别托盘,能提高印模准确性,从而提高石膏模型的质量,最大程度满足临床及患者要求。利用数字化印模技术联合3D打印技术,制作厚度一致、边缘准确,并与设计要求高度一致的个性化托盘及石膏模型,能更加完善和规范义齿制作程序,最终使修复体精密度高,临床效果好。

    3.3修复体的后期处理

    应用3D打印技术制作口腔修复体可以简化制作工序,缩短加工时间,同时避免出现铸造缺陷。但3D打印的修复体完成后并不能直接应用于临床,修复体从3D打印机中取出后需要进行喷砂处理、表面抛光,检查零件是否有缺损,检查合格后超声清洗,否则会影响修复体的精密度。

    4.结语

    3D打印技术以高效、精确的性能正逐步取代口腔修复传统工艺,但存在技术敏感性强的问题。在临床应用的过程中,医生和技师均需要严格控制影响修复体精密度的因素,从而获得良好的修复效果。今后的研究当中,除了要关注3D打印修复体的精密度以外,还需要关注其生物相容性以及其机械性能。随着研究的深入,3D打印技术进一步提升,有望成为口腔领域制备修复体的主流加工工艺。

编辑: 陆美凤

网友评论