3D打印技术在牙齿矫正中的应用研究

张文豪 刘世豪 潘文宁

摘 要：随着3D打印技术的普及，在越来越多的领域中，该技术都得到了广泛应用。在医学领域中，因为其操作简便、定位精准等优点，3D打印技术发展迅猛，在口腔医学方面，将3D打印技术应用于义齿的制作中就可以使打印出的义齿与天然牙齿在结构和功能上都十分相似，因此能达到较好的修复效果，也正是因为这个原因，现在通过3D打印技术对牙齿进行打印已经成为越来越多缺牙患者的首选修复方式。

关键词：3D打印技术；口腔医学；牙齿矫正

1 绪论

牙髓病和根尖周疾病是口腔医疗中最常见的疾病之一，而牙髓治疗是治疗牙髓病和根尖周疾病、解除牙齿疼痛保留患牙最有效的方法。可借助透明塑料块、人工牙、离体牙、仿真头模等进行口腔操作的训练。其中，人工牙是在口腔专家指导设计下由工厂加工出的树脂牙，该树脂牙虽然与真实牙齿形态学上相似，但仍然与真实牙齿有一些差距，不能完全真实地模拟根管治疗术操作过程，且模板种类有限，不能体现根管类型的多样性，但由于离体牙来源限制、不可复制、交叉感染、伦理问题等原因，且离体牙不可复制等原因而无法用于大规模操作模拟培训。目前，口腔内科操作培训缺乏具体的、标准化的培训模型，指导者与学习者之间的教学实践是建立在离体牙上而非较为规范的可大规模培训的应用模型上。因此，尚缺乏一种临床仿真度高的、可大规模复制的口腔内科操作培训模型。目前尚缺乏一种可大规模复制、仿真度高的口腔内科操作培训模型。

2 3D打印技术的介绍

3D打印技术利用重建的三维数字模型并将其分割层状，然后逐层堆积形成实体模型。其特点是精准、可成型复杂结构、个性化和批量生产。3D打印技术是根据3D CAD模型或通过逆向工程重建的模型，采用离散材料（粉末、液体、片、丝、板、块等）逐层累加起来制造实体零件的技术。在数字医学领域中，3D打印技术已展现出诸多优势和光明的应用前景。近年来，3D打印即广泛的被运用于工业生产中。各种3D打印技术的过程都包括CAD模型建立、生成STL文件格式、3D打印制作、模型分层切片和后置处理。

3 3D打印牙齿模型的构建

3.1 3D 打印材料及设备的选择

比较多种国内外3D 打印材料，筛选出Wic300a、E-Dent、VisiJet Crystal 3 种材料作为本研究成型材料。E-Dent 颜色与牙体颜色接近，具有较高的硬度及刚度，是可用于口腔修复牙冠修复3D 打印的光固化树脂，成形精度为100 μm，Wic300a 是价格较为低廉的工业树脂，成形精度为25 μm，E-Dent 和Wic300a 支撑材料均为自身粉末，适配机型为DDP（Envision TEC公司，德国）。VisiJet Crystal，材料为透明树脂，是较为常见且性能稳定的快速成型材料，成形精度为16μm，支撑材料为石蜡，适配机型为ProJet 3510 HD（3D System 公司，美國）。

3.2 材料根管成型能力测试

应用SolidWorks 2014（Dassault Systemes S.A 公司，美国）设计根管成型测试模型草图，根管直径从小至大分别为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mm。用Wic300a、E-Dent 和VisiJet Crystal3 种材料3D 打印设计草图，获得根管测试模型。用8 个3VLED 灯泡改装并接通变压器制造实验光源，分别照射3 种材料根管测试模型并用相机拍摄，观察各直径管腔是否成形，确定各材料成形根管的最小直径。

3.3 离体牙的处理及筛选

选择因牙周病拔除的外形良好、无龋、无缺损的离体牙，用10%甲醛浸泡处理离体牙，去除周围牙槽骨、牙周膜和牙石，用ProMax 3D CBCT （Planmeca 公司，芬兰）拍摄并筛选出具有代表性的单根管前牙、双根管前磨牙、双根管磨牙、三根管磨牙各1 颗。

3.4 3D打印牙齿模型的构建

用SCANCO μCT80（SCANCO Medical AG 公司，瑞士）对筛选出的离体牙进行显微CT 扫描，设置电压为70 kV，电流114 μA，分辨率为1024 像素×1024 像素，以36 μm的层距扫描牙体全长。将影像数据导入三维重建软件Mimics 10.01 软件（Materialise 公司，比利时），建立单根管前牙、双根管前磨牙、双根管磨牙、三根管磨牙的牙齿三维模型。并根据根管成型能力测试结果，修饰离体牙三维模型使得模型根管最狭窄处与测试结果可成形根管最小直径一致，以STL 格式保存。用不同材料对4 种类型牙齿STL 模型进行3D打印，获得3D 打印牙齿模型，分别与原牙齿比较外观。

3.5 3D打印牙齿模型形态仿真性研究

对3D 打印牙齿模型进行二次显微CT 扫描成像，由于VisiJet Crystal 材料密度过低在显微CT 下不显影，且根管成型能力较差、根尖孔堵塞不能注入显影剂等原因，本研究仅对E-Dent 和Wic300a 模型进行形态仿真性评估。重建出3D 打印模型的三维模型，并分离为表面形态三维模型和髓腔形态三维模型，利用Geomagic Qualify 11 软件（Raindrop Geomagic 公司，美国）与原牙齿三维模型做两两最佳拟合配准，差异的幅度可以在配准差异分布彩图以及误差直方图上显示出来。分别从表面形态、髓腔形态两方面，获得2种材料4 种类型牙齿模型与原牙齿对应点之间的距离，通过计算差异的均值与标准差，即绝对偏差值来反应模型与原牙齿的真实差异。

4 结果分析

建立了单根管前牙、双根管前磨牙、双根管磨牙、三根管磨牙的三维模型，根据根管成型能力测试结果，对三维模型修饰使根管最狭窄处直径为0.6 mm，模型透明化处理后表面形态和髓腔形态显示清晰直观，连续性好，且可进行三维旋转。结合3D 打印技术成功获得E-Dent、Wic300a、VisiJet Crystal 的单根管前牙、双根管前磨牙、双根管磨牙、三根管磨牙的3D 打印牙齿模型，1：1 还原离体牙。在自然光线下，直观形态均与真实牙齿十分接近，效果逼真，E-Dent模型在颜色及美观方面更接近真实牙齿。

5 结论

3D打印技术在口腔矫正领域中可用于打印个性化舌侧托槽。矫正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。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。

参考文献：

[1] 贾骏， 段嫄嫄，金磊， 等. 口腔仿真模拟系统及其在临床前教学中的应用[J]. 中国教育技术装备， 2017（2）：29.

[2] 何帅，王光耀，王少海，等. 口腔医学生临床前离体牙及人工根管根管治疗教学研究[J]. 口腔医学研究， 2016， 26（2）：284-286.