SLM打印钴铬合金基底冠精度及密合性研究

戴宜君 董研 彭伟 何传鑫 袁喜根

SLM技术是3D打印技术的一种，在口腔修复领域被用于制作金属冠、金属支架、种植体等，为修复体成型提供了更为简单、准确的制作方法［1］。SLM技术制备的钴铬合金试件机械性能良好，其拉伸强度、屈服强度均大于或等于铸造钴铬合金［2－3］。SLM钴铬合金的金瓷结合力同样不逊色于铸造钴铬合金［4－5］。

密合性是评价固定修复体是否成功的重要指标，良好的密合性能减少微渗漏，降低继发龋的发生。修复体的密合性指修复体和预备后的基牙接触面的密合程度，包括边缘密合性和内部适合性［6］。关于SLM打印基底冠与铸造基底冠密合性的研究结果不尽相同，国内学者认为SLM基底冠边缘密合性优于铸造基底冠［7－8］，而国外研究者发现两者的边缘密合性及内部适合性无明显差异［9－10］，甚至 CAD／CAM基底冠边缘密合性高于SLM基底冠［11］；此外，对于密合性的测量及评价方法目前尚未统一。3D打印金属冠的设计直接影响打印成品的成型质量，设定不同的预留间隙冠就位后会获得不同的间隙距离。本研究在寻找最佳预留间隙的基础上，采用2种测量方法，对比SLM技术与CAD／CAM-铸造法制作的钴铬合金基底冠的密合性及两者的尺寸精度，为口腔固定修复体的制作、评价及临床应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 主要材料和设备

三维扫描仪（3Shape D700，丹麦）；SLM成型设备AM250、打印钴铬合金粉末（RENISHAW，英国），材料成分见表1；AFFINIA5切削机（重庆卓田齿克科技有限公司）；玻璃离子（GC-Fuji I，日本）；万能材料试验机（深圳瑞格尔3010）；扫描电子显微镜（Hitachi TM-1000，日本）。

1.2 金属基底冠预留间隙的选择

利用3Shape D700三维扫描仪激光扫描上颌第一磨牙全冠牙体制备标准树脂代型，获取基牙数据。基牙与金属基底冠之间的预留间隙分别设为30、40、50、60、70、80μm。在3Shape Dental System 2015软件中设计6组基底冠模型。

根据基底冠模型数据，实验组样本利用AM250制造，对照组利用AFFINIA5切削机制作基底冠蜡型，常规失蜡铸造6组基底冠，每组各2个。由同1名修复科专业医师对6组基底冠试戴，选择能够顺利就位的最小预留间隙。

1.3 金属基底冠的制备与分组

表1 打印钴铬合金粉末成分（平均粒度为16.58μm）Tab 1 Composition of cobalt chromium alloy powder（The average granularity is 16.58μm）

根据基牙数据，预留间隙为50μm，厚度为0.5 mm设计基底冠，采用2种方法制作钴铬合金基底冠，实验组及对照组每组各10个，打印参数见表2。

表2 SLM成形设备打印参数Tab 2 Printing parameter of SLM equipment

1.4 金属基底冠的“虚拟就位”

1.4.1 试戴与样本扫描 对2组基底冠进行编号（1－10）并试戴，每个基底冠随机对应一个标准树脂代型。分别扫描两组基牙、基底冠和冠就位后的整体模型，各获得3类数据。

1.4.2 样本“虚拟就位”及测量 将上述3类数据在3Shape Dental System 2015软件中“虚拟就位”（图1），以STL格式输出数据，导入Magics19.01软件，提取基牙表面及基底冠组织面边缘线。分别获取模型的近远中向截面及颊舌向截面，每个截面中对7个位点进行测量（图2），得到冠边缘和代型边缘之间的垂直距离，以反映边缘（1、7两点）及轴面（2、6两点）、面间隙距离（3、4、5三点）。

1.5 金属基底冠的粘接，间隙距离及冠厚度的测量

图1 “虚拟就位”过程Fig 1 Process of“virtual seating”

图2 金属基底冠“虚拟就位”后截面图Fig 2 Sections of the crowns after“virtual seating”

将树脂代型及基底冠放入准备好的尼龙底座中。玻璃离子粘接，手压使其就位于对应的基牙上，放置于万能材料试验机上，以F＝50 N的力持续加压5 min（图3），去除多余材料。

过基牙近远中中点，沿着牙长轴进行切割，每个截面选取7个位点（图4），在SEM下测量该位点的粘接剂厚度，及轴、面金属基底冠厚度。

图3 金属基底冠的粘接Fig 3 Adhesive process of the crowns to the base

图4 切割截面Fig 4 Cutting section

1.6 统计学处理

采用SPSS 17.0统计软件对所得数据进行统计学分析，分别对7个测量位点2组样本的间隙距离及轴、面冠厚度进行独立样本T检验；同时，比较2种测量方法在同一样本同测量位点获得的间隙距离，进行独立样本T检验，P＜0.05为显著性差异。

2 结 果

2.1 金属基底冠的预留间隙

试戴2种方法制作的不同预留间隙组的基底冠均发现：30μm组不能顺利就位；40μm组就位稍有困难，冠取下后可见基牙表面有磨损；50～80μm组均能够顺利就位，但80μm组探针检查边缘密合性较差，其余各组边缘密合性良好。因此将预留间隙设为50μm进行间隙距离的测量。

2.2 “虚拟就位”后基底冠与基牙之间的间隙距离

近远中向截面及颊舌向截面各测量点2组数据均无显著性差异（P＞0.05），但2个截面各测量点数据分布离散程度较大，标准差最大为34.10μm（图5）。

图5 “虚拟就位”后金属基底冠与基牙之间的间隙距离Fig 5 Gap distances of crowns and abutment teeth after“virtual seating”

2.3 冠厚度，粘接后金属基底冠与基牙之间的间隙距离

图6 SEM表面成像（×200）Fig 6 SEM surfaceview （×200）

SEM可观察到基底冠内表面并不光滑（图6），基底冠厚度测量结果见表3。2组基底冠厚度无明显差异，但SLM组误差相对较小。SLM组轴面尺寸精度高于CAD／CAM-铸造组，但面尺寸精度稍差。如图7所示，7个不同测量位点上，两组间隙距离均无显著性差异（P＞0.05）。将“虚拟就位”法与粘接切割法获得的间隙距离进行比较，发现无论是CAM／CAD-铸造组还是SLM组，同一样本的同一测量位点，两种方法获得的数据无显著性差异（P＞0.05）。

表3 金属基底冠厚度（n＝10）Tab 3 Thickness ofmetal based crowns （n＝10）

图7 粘接后金属基底冠与基牙之间的间隙距离比较Fig 7 Gap distances of crowns and abutment teeth after adhesion

3 讨 论

3.1 不同加工制造方法对全冠尺寸精度的影响

SLM技术是一种“增材制造”技术，与传统铸造法相比，省去了蜡型制作、安插铸道、蜡型包埋、铸造及切割铸件等多个环节，减少了加工时间和耗材，还将人为因素造成的误差降到最低。研究结果显示两种制备方法制得基底冠厚度无明显差异，SLM组尺寸精确度略高于CAD／CAM-铸造组，尤其是在轴面上，但面尺寸精度稍差。设计时的零件摆放方式造成轴面与面尺寸精度存在较大差异，Z轴方向精度误差稍大。SLM技术成型金属零件的最终成型质量，除外设计因素，还受多方面因素影响，如粉末粒度、铺粉厚度、激光功率、扫描速度及扫描间距等加工参数。在X-Y平面上激光能量密度会影响熔化道宽度，造成测量尺寸偏差。而在Z轴方向上，还受到铺粉厚度及粉末松装密度等影响，因此面尺寸误差相对较大。本研究在激光功率150W、加工层厚30μm、曝光时间50μs的条件下，得到的试件成型效果最佳。Khan等［12］比较不同扫描间距SLM成型黄金单冠的表面质量，发现扫描间距为75μm时得到的金属冠表面比50μm时更粗糙，且层与层之间有空隙生成。Hong等［13］学者发现在激光功率200 W、扫描速度128.6 mm／s条件下，扫描间距为100μm时得到的钴铬合金试件表面粗糙度较低。赵进炎等［14］发现增加小颗粒粉末比重，减小粉层厚度，加大激光能量都能降低金属表面粗糙度，提高致密度。改变SLM成型过程中的任一加工参数，都会影响最终成型的致密度、表面粗糙度、尺寸精度及机械性能等。而对于同一种材料，不同设备的最佳加工参数也不尽相同，不可一概而论。

CAD／CAM制造是一种“减材制造”技术，相对浪费材料。在金属修复体制作中可分为两类，切削蜡型再铸造或直接切割硬质金属，后者在切割过程对钻头磨损较大，需要不断更换钻头，提高了加工成本，故而应用较少。本研究采用CAD／CAM-铸造法，一次性完成多个修复体的蜡型制作，较传统铸造法缩短了加工时间，一定程度上避免了人工误差造成的蜡型制作不佳。CAD／CAM-铸造法避免了制作蜡型时人为因素造成的误差，但蜡型的变形、收缩，包埋材料的选择，铸道的设计等仍会影响金属基底冠尺寸精度。

SLM技术制备金属基底冠的尺寸精度能够满足临床要求，且较CAD／CAM-铸造法更稳定、精确。

3.2 2种修复体密合性评价方法的比较

一个合适的修复体对牙体及牙周组织的健康至关重要。美国牙科医学会标准规定，临床上可接受的边缘差异为25～40μm，但一般铸造修复体很难达到这一要求［15］，在临床上可接受的边缘差异的上限为80～150μm［16－17］。本研究中两种方法制作的金属基底冠的边缘密合性均满足该标准。从本研究的实验结果可知，面间隙距离较边缘及轴面间隙距离明显增大。这可能是由于标准牙体预备树脂代型轴面聚合度小，影响了粘接剂的排溢，从而造成粘接剂在面的堆积。而在“虚拟就位”过程中，由于存在配准偏差，有时会出现不同程度轴面重叠的情况，无法进行间隙距离的测量，从而不能真正模拟基底冠完全就位的状态。因此该方法获得的实验结果，尤其是面间隙距离均值及标准差偏大。

评价修复体密合性尤其是边缘密合性的方法很多，目前尚未找到最佳方法。截面间隙测量法可模拟实际临床情况，测量数据准确性较高。但需要破坏模型，不易重复，切割过程中有可能造成修复体与代型之间的分离［18］。近年来，少数学者利用数字化辅助方法得到代型与修复体的三维数据，“虚拟就位”后通过逆向工程软件提取两者的边缘线，二维截面上进行距离测量获得最终数据［19］。该方法不破坏模型且能够多次重复，但依赖于高精度的扫描设备，在配准“虚拟就位”的过程中存在一定误差，并且要求操作者能熟练应用相关软件，具有一定局限性。本研究将上述后2种方法相结合并进行比较，数字化“虚拟就位”法测得的数据虽与粘接切割截面测量法无明显差异，但数据分散，误差较大，不能精确反映出间隙距离。这可能是由于扫描设备精度欠佳、“虚拟就位”时配准存在较大误差，并不能完全模拟基底冠就位的真实情况，从而不能精确反映各样本的间隙厚度。虽然本研究中“虚拟就位”法测得的数据欠精确，但为评价修复体密合性提供了更加便捷的数字化定量评价方法。在今后的研究中还需提高设备扫描精度，精确配准点，寻找准确度更高的设计软件。

3.3 预留间隙的选择

选择合适的预留间隙可补偿金属收缩造成的临床修复体就位困难，也是设计基底冠的基础。间隙过小，直接影响基底冠的就位和粘接剂的排溢；间隙过大，易发生粘接剂的溶解及微渗漏等一系列现象而造成修复失败［20］。扫描石膏模型获得数字化模型数据之后，需在相应软件中进行基底冠的设计，CAD／CAM铸造基底冠设计时不仅需要预留出粘接剂的厚度，还需要考虑到在失蜡铸造的过程中，金属会发生不同程度的收缩。本研究中SLM钴铬合金基底冠的预留间隙恰好与CAD／CAM-铸造基底冠一致，均从50μm组开始能够顺利就位。但值得注意的是金属原料、加工设备及工艺不同，该间隙距离可能会发生改变，仍需要重新寻找合适的预留间隙。

4 结 论

SLM技术制备金属基底冠的密合性在临床可接受范围内，且该技术较CAD／CAM-铸造法制备的金属基底冠更加精确、稳定。“虚拟就位”法测量间隙距离为数字化评价修复体密合性奠定了基础，但测量精度尚有待提高。

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