3D打印技术在口腔医学领域中的应用

杨慧芳，赵建江，王勇

北京大学口腔医学院 口腔医院口腔医学数字化研究中心，口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室，卫生部口腔医学计算机应用工程技术研究中心 北京 100081

3D打印技术在口腔医学领域中的应用

杨慧芳，赵建江，王勇

北京大学口腔医学院 口腔医院口腔医学数字化研究中心，口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室，卫生部口腔医学计算机应用工程技术研究中心 北京 100081

本文介绍了3D打印技术的背景、技术分类及特点，并阐述了3D打印技术在口腔医学领域的研究及发展状况。该技术可以弥补传统的机械加工技术制造模式的缺陷，将会成为数字化口腔医学发展进程中的一个重要环节。

3D打印；计算机辅助设计；口腔修复；口腔种植；口腔正畸

3D打 印（3D printing）， 又 称 增 材 制 造（Additive Manufacturing，AM），属于快速成型（Rapid Prototyping，RP）技术的一种，是一种以数字模型文件为基础，依托于信息技术、精密机械以及材料科学等多学科发展起来的尖端技术，主要通过计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）软件或逆向工程重建三维设计模型，然后对模型进行分层设计，在3D打印机上实现“打印”叠加，最终整体成形[1]。3D打印与传统的机械加工技术不同，传统的机械加工技术主要采用切削方式（即减材工艺）实现，多应用于模具制造、工业制造等领域，现在，对于难以用机械加工技术制作或机械加工制造成本高的产品，可以利用3D打印技术来制作。在医学领域中，3D打印技术迅速发展并展现出诸多优势，其在口腔医学领域中的应用主要为颌面外科、修复科、正畸科等。

1 3D打印技术分类及特点

1.1 选择性激光熔化成型（S elective Laser Melting，SLM）技术

该技术是采用高能量激光（如二氧化碳激光）从底层的3D切片进行金属粉末融合，单层完成后，工作舱平台沿着垂直于工作平面的轴下移，在已熔化后凝结成小球部分的金属粉末上再铺上薄薄的一层粉末材料进行加工，如此往复，直到材料整体成型。该过程发生时需要氮气或氩气制造一个保护环境。成型后对打印后的实体处理需要使用机械加工、放电加工或切削加工工具等，是一个耗时的过程[3]。该技术还处于初级阶段，现在主要用于快速成型和小批量的金属物品（如航天航空、医疗整形）的相关部件制造，是一种相对较新的技术[4]。

1.2 选择性激光烧结成型（Selective Laser Sintering，SLS）技术

该技术是使用高功率激光器（如二氧化碳激光）作为能源来烧结粉末（如金属、陶瓷、热塑性或玻璃粉末等）材料。激光选择性的融合，通过3D数据文件，在各截面利用激光加工，然后工作舱下降，新材料进行铺粉，激光再加工，如此往复，直到材料成型。该成型方法具有制造工艺简单、柔性度高、材料选择范围广、材料利用率高及成型速度快等优点，目前主要应用于铸造业。SLS技术是一个新的制造领域，在许多方面还不够完善，如制造的三维零件普遍存在强度不高、精度较低及表面质量较差等问题。SLS工艺过程中涉及到很多参数（如材料的物理与化学性质、激光参数和烧结工艺参数等），这些参数影响着零件的烧结过程、成型精度和质量。零件在成型过程中，由于各种材料因素、工艺因素等的影响，可能使烧结成品产生各种冶金缺陷（如裂纹、变形、气孔、组织不均匀等）[5]。

1.3 直接金属烧结成型（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）技术

该技术的软件设计部分同SLS技术的软件设计技术一致。烧结过程通过使用高能量的激光束依据3D模型数据，直接将金属粉末烧结成密度较高的零部件。DMLS技术优点如下：① 能快速制造出功能性金属零件原型和金属模具，大幅缩短生产周期和削减生产成本；② 制作工艺精度高，能实现零件的精密成形。但是，DMLS技术的精确成形有较大难度，不同的金属粉末（如钴-铬粉末、钛粉末、钛合金粉末、铝合金粉末等）的化学组分、物理性质等因素不同，因此，工艺参数（如激光参数、铺粉厚度、保护气体、粉末预热床等）也有差异。DMLS属于SLS中的特殊烧结技术，技术细节不同。同一种原材料生产性能不同的零件（如多孔性的透气钢、耐腐蚀的不锈钢、组织致密的模具钢等）所使用的工艺参数也不同。该技术一般不需要或很少需要炉中热处理和金属二次熔浸辅助工艺手段，与SLS技术相比，DMLS不需要昂贵及耗时的后处理工艺步骤[6]。

1.4 熔融沉积制造成型（Fused Deposition Modeling，FDM）技术

该技术又被称为熔丝成型、丝状材料选择性熔覆或熔积成型技术，是通过融化材料并将其再固化成型来实现的。材料（如热塑性塑料、非晶系金属、可食用材料等）经高温融化成液态，经过喷嘴挤压成许多球状小颗粒，颗粒在喷出遇冷后立即固化，固化的小颗粒按照模型数据转换为切片数据排列，最终形成实物[7]。喷嘴可以在水平和垂直方向上移动。目前FDM技术非常灵活，可以用于制作精度要求不高的成品。该技术的缺陷是，打印过程受温度和支撑力影响不能打印弧度较大的成品。目前所用的材料有丙烯睛-丁二烯-苯乙烯、聚乳酸、聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯乙烯等。

1.5 立体光刻成型（Stereolithography，SLA）技术

该技术是计算机控制紫外光对光敏树脂为原料的固液交界表面进行扫描，被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。材料（液体树脂）是放在一个经过定位校准的平台上，光从盛有液体材料的下侧穿出，成品放在液体上侧，通过向上移动固定好的成品，每次移动的距离为一个层厚的距离，以便固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，然后用光进行扫描加工，如此反复，直到整个成品制造完毕[8]。该过程是利用光聚合反应完成的，一般采用紫外光，光斑直径<0.15 mm。成品打印完成后，取下成品，并将其完全浸没在相关化学浴中，并用超声波清洗剂轻微振动，去掉表面的原料液，之后放入紫外线烘箱中进行光固化。该过程的优点是成品表面光洁度高，成品的支撑容易移除。

2 3D打印在口腔医学研究领域中的应用

2.1 3D打印技术在口腔颌面外科领域的应用

3D打印技术在口腔颌面外科领域中可以用于打印颌面缺损部位修复体、手术个性化导板、手术固定装置等。金属3D打印技术促进了硬组织外科植入手术的设计和制造，如口腔颌面部缺损可以利用3D打印上颌骨、下颌骨、眼眶骨、鼻骨、耳骨等修复体；颧骨骨折错位愈合手术可以利用3D打印的个性化导板进行定位；颌面部创伤修复手术可以利用3D打印的钛板固定相关赝附体等[9]。该过程先对颌面部骨折或外伤的患者进行CT扫描，扫描后将获得的数据存储为DICOM格式，然后导入Mimics软件中，利用分割及重建等功能，设计出三维解剖模型。将设计好的三维数据导入3D打印处理软件中进行设计，并利用3D打印设备制作出人体骨骼部件成品，整个过程不需要任何胶水或粘结剂[10]。

2.2 3D打印技术在口腔修复领域的应用

3D打印技术在口腔修复领域中可以用于打印不同的修复体。计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术多以切削为主，这种方式不但造成材料的浪费，也使得制作的修复体种类单一，而且不可以批量生产。快速成型技术可以基于CAD数据，进行增材制作，完成口腔修复领域中的CAM过程，该过程可以同时加工多个金属冠[11]。此外，还可以打印不规则形状、尺寸和表面粗糙度要求不同的修复体。

2.3 3D打印技术在口腔种植领域的应用

3D打印技术在口腔种植领域中可用于种植外科导板的制作，具有操作简便、定位精准等优点。种植牙是指以植入骨组织的下部结构为基础来支持、固位上部牙修复体的缺牙修复方式。种植牙可以获得与天然牙功能、结构及外观十分相似的修复效果，已经成为越来越多缺牙患者的首选修复方式[12]。为了精确确定种植体类型、尺寸、植入位置和角度，需要设计并加工制作种植导板，以将设计转到实际手术中。种植过程需要先对患者进行CT扫描，然后利用软件进行骨骼、神经、血管等组织的三维模型重建，并根据病人的骨骼及神经条件，设计种植体种植的位置。模拟测量种植体与下齿槽神经的间距，留出安全距离，模拟演示种植体在牙槽骨的位置，生产种植导板的三维设计数据，利用3D打印技术，打印出具有个性化设计特征的种植导板[13]。

2.4 3D打印技术在口腔正畸领域的应用

3D打印技术在口腔正畸领域中可用于打印个性化舌侧托槽。正畸治疗主要是通过各种矫正装置来调整面部骨骼、牙齿以及颌面部的神经及肌肉之间的协调性，最终使患者的口颌系统平衡、稳定和美观。通过锥形束CT（CBCT）扫描仪和牙颌模型扫描仪获得牙齿数据，在CAD软件上设计个性化舌侧托槽，然后采用SLM技术打印与患者牙齿的舌侧面精密吻合的舌侧托槽，再通过转换托盘直接将托槽粘接在预先设计的位置上[14]。该技术可以消除传统舌侧托槽需要依赖粘接剂厚度补偿的弊端[15]。

3 结论

3D打印技术可以制造个性化的产品，最大限度地发挥材料的特性。该过程方便、快捷、原材料利用率高，能够满足口腔医学领域上复杂的个性化要求，并快速制作出成品。但是，该技术的实现不仅对原材料的种类、成分、特性有一定的要求，还需对成型过程中的材料变化有严格的控制，对材料的物理性能、化学性能、生物学性能仍需进一步研究。随着3D打印技术的进步，数字化口腔医学的技术探索及发展将成为最有前景的领域之一。

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Application of 3D Printing Technology in Stomatology

YANG Hui-fang, ZHAO Jian-jiang, WANG Yong
Center of Digital Dentistry, Peking University School and Hospital of Stomatology; National Engineering Laboratory for Digital and Material Technology of Stomatology; Research Center of Engineering and Technology for Digital Dentistry, Ministry of Health, Beijing 100081, China

This paper introduced the background, technical classification and characteristics of the 3D(Three Dimensional) printing technology, and described its research and development in the fi eld of dentistry. This technology could make up the shortcomings of the traditional manufacturing model, and would become an important part in the development of digital dentistry.

three dimensional printing; computer-aided design; dental restoration; dental implantation; orthodontics

R78

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.05.019

1674-1633(2015)05-0063-03

2014-12-16

2015-03-13

国家863计划课题（2013AA040801）。

作者邮箱：yhfyanghuifang@126.com。