数字化制造技术在口腔修复中的应用

刘一帆 郑秀丽 马瑞 高勃

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数字化制造技术在口腔修复中的应用

刘一帆 郑秀丽 马瑞 高勃

随着数字化技术和制造技术的不断发展和融合，以智能、高效、精确、远程等为特点的数字化制造技术应运而生，近年来已经越来越多应用到口腔各领域，并且有望实现口腔修复领域的完全数字化制造。本文将简要介绍几种常见的数字化制造技术的工作原理和特点，并总结其在口腔固定和活动修复领域中的应用。

数字化制造； 增材制造； 3D打印； CAD/CAM； 减材制造； 数控切削

数字化制造技术是一项融合了计算机技术、材料科学、机械工程、网络信息学等多学科知识的综合性技术，而数字化制造则是指制造领域的数字化，它是多个学科交叉、融合、发展和应用的结果，也是21世纪制造业发展的必然趋势。口腔修复领域的数字化制造技术主要包括减材制造(subtractive manufacturing)技术和增材制造(additive manufacturing，AM)技术。以下将简要介绍这两种技术的工作原理和特点，并阐述其在口腔固定和活动能够修复领域的应用现状。

1 减材制造和增材制造技术

1.1 减材制造

减材制造技术即使用机械切削、化学处理、放电加工、激光加工等方式将材料选择性的从一块坯料中移除的技术[1]，口腔医师和技师最为熟悉的是计算机数控(computer numerical control, CNC)切削系统[2]，至今一直在口腔修复体制作领域处于支配性地位[1]，此外还有电火花加工、电化学加工、光化学加工、超声加工等多种技术[1]。减材制造的优势在于[3]：①加工精度高，制作的修复体表面光洁度好，加工完成后无需过多的后处理；②对修复体CAD设计生成的STL(standard triangle language)文件的完整性要求不高，允许模型存在小部分小孔、钉状物、坏边等错误；③可加工材料多；④加工后的修复体内部均质性好。其缺点在于[3-4]：①无法加工嵌套、镂空等复杂结构修复体；②刀具磨耗；③浪费材料，90%以上的材料被浪费掉，且无法回收利用。

1.1.1 机械切削 其能够加工目前临床常见的修复体材料，包括聚合物、复合材料、陶瓷、金属、蜡等[2,5-6]。当修复体的CAD模型设计完成后，需将数据导入到数控切削设备配套的CAM软件中进行处理，生成一个包含刀具选择、主轴移动路径和速度、材料移动的配置文件[7]，依靠高速运转的切削刀具按照提前设置的移动路径从多个方向对坯料进行加工。

当前市面上常见的牙科铣床根据切削轴的数量，可分为3、4、5轴数控切削设备，其区别在于切削刀具和坯料用于移动和旋转的自由度不同，并直接决定了该设备能够加工的修复体几何结构的复杂程度，4、5轴设备能够加工大型的、结构复杂的且外表面光滑的修复体[6]。修复体的表面光洁度和转角处的适合性主要取决于最小直径的切削刀具的尺寸[2-3]。

根据设备切削过程是否需要喷水冷却，可将加工过程分为干磨和湿磨，前者主要用于切削预烧结的氧化锆坯料，部分树脂材料也适用于该法；此外，所有的金属和玻璃陶瓷材料都需使用湿磨法加工，以防止材料在加工过程过热而损坏，对于完全烧结的氧化锆材料也推荐使用该法[2,6]。

切削设备的加工方式包括硬切削和软切削，前者主要用于加工金属、复合树脂、完全烧结的氧化锆陶瓷材料，加工完成的修复体的外形尺寸与CAD设计时相同，仅需进行抛光或上釉即可用于临床戴用。由于加工的坯料硬度很高，加工过程易积累大量热能，通常采用湿磨法加工。而软切削是指切削的材料为部分烧结或结晶状态，需进一步通过热处理来获得完全烧结或结晶，达到其最终的微观结构和机械性能，该方法主要用于加工预烧结的氧化锆陶瓷，其硬度较低，具有更好的机加工性能，制作效率较高，且不易磨耗刀具。后者在热处理后会发生25%～30%的收缩，因此在CAM软件处理时需进行放大补偿[2,5]。

1.1.2 激光切削 该方法基于激光烧蚀工艺，通过高功率的脉冲激光束照射坯块而从中移除多余的材料，靶向材料通常被吸收的激光能量所加热而发生蒸发、汽化，或转化为等离子直接挥发[8]。Dental wings公司基于此技术开发的激光切削系统(laser milling system)能加工聚合物、复合材料、陶瓷等材料。相比机械切削，该系统具有以下优势：①因加工过程无铣削刀具直接接触坯块，降低了修复体发生变形或者破裂的几率；②不会发生刀具磨损，提高了加工精度；③加工过程不引入新的污染。

1.2 增材制造

该术语由美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials, ASTM)首次提出并定义为一种与减材制造方法相反的，根据3D模型数据以层层堆叠累积材料的方式创建物体的过程[1]。通常又称快速成型(Rapid prototyping)，或3D打印。根据不同的加工工艺，部分修复体在制作时需添加支撑结构，用以在加工过程中固定修复体，同时防止悬突结构由于自身重力而发生变形。通常，在修复体制作完成后还需进行后处理，如去除支撑结构和多余的材料，固化生坯部分，浸泡加强材料，热处理，打磨抛光以及美学处理等[3]。

增材制造的优点包括[3-5]：①可加工具有镂空、中空、倒凹等复杂结构的修复体；②节约材料，除了用于支撑结构的材料外，几乎无其他材料损耗；③能同时加工大量修复体。其劣势也尤为明显[3-5]：①成本较高。目前市面上的3D打印机价格普遍较高，以金属3D打印机为甚；②加工完成的产品表面较粗糙；③可加工的材料较少；④对STL文件的完整性要求很高。

当前口腔修复体制作常用3D打印技术，主要包括以下几种：①立体光固化技术(stereolithography, SLA)；②选择性激光烧结(selective laser sintering, SLS)；③选择性激光熔融(selective laser melting, SLM)。

1.2.1 立体光固化 SLA工艺是目前世界上研究最透彻、发展最成熟、应用最广泛的一种增材制造技术，该技术使用紫外光照射液态光敏树脂的表面，被照射区域的树脂发生光聚合反应而固化，形成物体的一个薄层，随后工作台下降一个层厚的距离，在其表面铺上一层新的树脂，随即进行下一层的扫描，如此反复直到整个物品加工完成，最后使用溶剂冲洗该物体去除多余的树脂并放置到紫外光箱中彻底固化[1]。主要用于制作工作模型、种植导板。

1.2.2 选择性激光烧结 SLS工艺的工作原理本质上与SLA相同，使用的光源为大功率的脉冲激光，加工的材料可为蜡、塑料、金属、陶瓷等粉末，加工时需将粉末预热到接近其熔点的温度，以便于激光能够迅速的将所需区域的粉末熔化。制作的物体需进行后处理(如高温烧结、熔浸等)以提高其力学性能和热学性能[1,3,5]。可用于制作修复体蜡型、树脂熔模、金属修复体和导板等。

1.2.3 选择性激光熔融 SLM技术是在SLS技术的基础上发展起来的，二者的工作原理类似。使用的材料主要为金属粉末，如钛、钛合金、钴铬合金等，加工过程将粉末完全熔化，直接成型修复体[5]。成型件致密度几乎可达100%，尺寸精度可达20～50 μm，表面粗糙度仅为20～30 μm，主要用于制作金属修复体。

2 数字化制造技术在修复中的应用

2.1 工作模型

通过口内扫描仪直接扫描患者口内相关软硬组织，或口外扫描仪扫描通过常规方法制取的工作印模，生成相应的数字化工作模型[9]，随后修整该模型并添加底座，必要时还可进行代型分割、设置销钉、添加简易峆架等[10]，最后通过数控切削(图 1)或SLA工艺打印制作(图 2)。相比石膏模型，具有以下优势：①树脂模型耐摩擦，不易损伤；②模型完整，表面光洁度好。传统石膏模型在翻制时可能引入气泡造成模型局部缺损，模型表面较粗糙。

图 2 SLA工艺打印树脂工作模型

2.2 固定修复

2.2.1 熔模 固定修复体的传统制作方法主要为手工堆塑修复体或其内冠、框架桥的蜡型，再使用失蜡铸造或压铸技术制作相应的金属或全瓷修复体。数字化技术的应用提高了熔模的制作效率，在完成修复体CAD设计后，可通过数控切削或3D打印制作修复体蜡型或树脂熔模(图 3)。相比蜡型，树脂熔模的强度更高，不易因磕碰或所处环境的温度改变而变形，机械加工性能更佳，可用于制作长跨度冠桥、分割桥等复杂修复体。

2.2.2 临时修复体 树脂因价格相对低廉，但存在不耐磨耗、易产生边缘微渗漏、易变色等缺点，多用于制作临时修复体。主要通过以下两种途径制作[10]：①术前用扫描仪扫描该基牙(拥有完整的解剖外形)或其诊断蜡型，或直接在CAD软件里复制对侧同名牙，当牙体预备完成后扫描该基牙预备体，通过CAD软件中的“复制”功能即可快速设计出牙冠的形态，并用数控切削或3D打印制作(图 4～5)；②术前对石膏模型基牙进行诊断性预备，或直接在CAD软件中对数字化模型进行虚拟预备，随后在CAD软件中设计修复体，并通过数控切削设备或3D打印机制作出来，临床完成牙体预备后，只需对临时修复体内面进行调改或重衬。以上方法特别适合于口内多单位固定修复，全口咬合重建，种植即刻负载的临时修复体的制作。同时，由于切削所使用的为预制树脂盘，临时修复体中残余的自由单体量极少，不会对牙体、牙髓及牙周造成化学刺激[3]。

图 3 3D打印冠蜡型及其全瓷冠 图 4 数控切削树脂临时冠 图 5 3D打印树脂临时冠

2.2.3 永久性修复体

2.2.3.1 陶瓷修复体 因适用于硬切削的陶瓷材料通常强度较低，加工过程修复体容易发生破碎和裂纹，目前临床上陶瓷修复体的制作方式主要为软切削，而3D打印因材料、工艺等原因，尚无法制作出满足临床要求的陶瓷修复体[5-6]。可切削的材料包括[3,6]：(1)二硅酸锂玻璃陶瓷，为拥有蓝紫色外观的长方体坯料，具有足够的透明度，常用于制作前牙区和前磨牙区的全解剖冠、3单位固定桥、贴面、嵌体，适用于椅旁CAD/CAM系统，以Ivoclar Vivadent公司的quot;易美quot;系列瓷块最为常见(图 6)；(2)氧化镁铝陶瓷，因半透性很好，但强度较差，多用于制作前牙内冠，通过堆塑饰面瓷后美观性能很好，常见的产品为In-Ceram Spinell；(3)氧化铝陶瓷，主要用于制作内冠或前牙区3单位框架桥，其制作方法有：①数控切削内冠，完全烧结后进行低熔玻璃渗透处理，随后常规堆塑饰面瓷，如In-Ceram Alumina系列产品；②在内冠CAD设计完成后，使用CAM软件根据热凝收缩比例进行放大补偿，随后切削制作内冠，烧结，制作饰面瓷；③在CAD软件中按收缩比例放大补偿代型，切削制作耐火代型，在其上用氧化铝粉末堆塑内冠，烧结，制作饰面瓷，如Procera Alumina系列(图 7)；(4)氧化锆陶瓷(图 8)，常见为白垩色的圆盘状坯料，制作内冠的方法与上述氧化铝陶瓷的第2、3种方法相似；也可直接切削制作出放大补偿过的解剖型修复体，补偿比例约为15%～20%，随后用染色液进行浸透或涂抹处理，最后在1 350～1 500 ℃下烧结完成。常见的有3M公司的Lava Frame系列。

2.2.3.2 金属修复体 因贵金属坯料的成本较高，数控切削过程浪费大量材料且无法回收，目前临床上很少采用该方式制作贵金属修复体。而卑金属坯料因价格低廉，理化性能和机械加工性能良好，目前多用于制作全解剖冠、固定局部义齿、内冠和固定桥框架，常用的材料有钴铬合金、钛合金和纯钛(图 9)，后者还常用于制作种植基台及其它上部结构。当前，SLS、SLM等金属3D打印技术也较多应用于制作全解剖冠桥及其内冠，其适合性基本满足临床要求[12-13]，一次可加工大量的修复体(图 10～11)，且无需过多的后处理步骤，使用的材料主要为钴铬、纯钛和钛合金粉末。

图 6 “易美”系列可切削陶瓷 图 7 氧化铝陶瓷 图 8 数控切削氧化锆陶瓷

图 9 数控切削纯钛冠桥 图 10 SLM制作纯钛冠桥 图 11 SLM制作纯钛固定桥

2.3 活动修复

2.3.1 可摘局部义齿 可摘局部义齿的CAM流程包括2部分：①通过SLA、3DP等工艺打印出支架的树脂熔模(图 12)，再用传统的失蜡铸造工艺制作出金属支架[14]，或用SLS、SLM等金属3D打印工艺直接打印出金属支架，经过后处理完成支架的制作[15-16](图 13)，也可通过数控切削的方式直接制作出金属支架(图 14)，其表面光洁度更佳，但加工过程容易导致支架变形，且能加工的支架类型取决于坯块的厚度，成本亦较高；近些年，一种名为聚醚醚酮(Polyether ether ketone，PEEK)的可切削非金属材料逐渐被应用于制作义齿支架(图 15)，其拥有很高的比强度和比刚度，良好的抗腐蚀性，不易磨耗，切削过程不易变形，颜色与牙齿接近等诸多优点[17]；②在支架上手动排牙及制作基托蜡型，使用装盒法或注塑法完成义齿的制作。

2.3.2 全口义齿 其CAM方式主要有：①间接制作。设计并用3D打印制作出全口义齿装胶前的石膏阴模，使用与设计时同型号的成品人工牙，按常规技工室制作流程完成义齿制作[18]；②分体制作。义齿CAD时用成品人工牙或个性化人工牙进行排牙，制作时将相应的成品人工牙或个性化人工牙(3D打印或数控切削)粘接到切削制作的树脂基托上预留的凹槽中完成制作[19-20](图 16)，或排列到的蜡基托(手工或切削制作)上再按常规技工室流程完成义齿制作[21-22]；③一体制作。通过切削一块复合材料树脂盘或3D打印直接一体制作出全口义齿而无需进行粘接，前者如AvaDent公司的XCL系列义齿(图 17)，后者常用于临床试戴，初步评估义齿的功能[23](图 18)。

图 12 SLA支架树脂熔模及其铸造支架 图 13 SLM金属支架后处理前后对比

2.3.3 个别托盘 个别托盘主要用于制取牙列缺损或者牙列缺失患者的精细印模，目前临床上的个别托盘主要为手工制作，制作过程较为复杂、繁琐，且依赖于操作者的临床经验和制作技巧，而CAD和3D打印等数字化技术的应用，则显著提高了其制作效率和质量。临床通过口内扫描仪获取患者的口内相关软硬组织的数字化模型，随后使用3Shape等口腔CAD软件可非常便捷的设计出个别托盘，最后通过3D打印制作[10](图 19)，避免了手动制取初印模、翻制石膏模型、模型修正和填倒凹、铺垫蜡片、托盘塑形等多个步骤，提高了准确性，同时降低了操作难度。

图 14 数控切削制作义齿支架 图 15 数控切削PEEK支架并完成义齿制作 图 16 树脂基托与成品牙

图 17 一体切削全口义齿 图 18 3D打印全口义齿[23]图 19 3D打印树脂托盘

表 1 数字化制造技术在口腔修复领域的应用现状

3 结 语

相信在不久的未来，数字化制造技术将对口腔修复领域产生深远的影响。口腔修复医师将能缩短患者就诊次数和椅旁操作时间，提供更加精确、安全的修复治疗；口腔技工室将由传统的劳动密集型制造产业发展成为完全数字化的新型制造产业，能够更高效制作出高质量的口腔修复体，而伴随着更先进材料的出现和应用，临床患者将能快速获得更舒适、美观、耐用的个性化修复体。

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(收稿： 2017-02-05 修回： 2017-03-08)

陕西省科技统筹创新工程计划项目(编号： 2015KTCQ01-90)

710032 西安， 军事口腔医学国家重点实验室，口腔疾病国家临床医学研究中心,陕西省口腔医学重点实验室,第四军医大学口腔医院修复科(刘一帆 马瑞 高勃)； 哈尔滨医科大学口腔医院修复科(郑秀丽)

高勃 029-84776469 E-mail: gaobo@fmmu.edu.cn