桌面光固化3D打印模型远期尺寸稳定性的研究

李志文 洪涛 白石柱 谢瑞 任楠 赵铱民

传统石膏制作牙列模型需要一定的结固时间，且易发生磨损和断裂，需要大量的存储空间，在需要时不易查找，因此使用光固化3D打印的树脂牙列模型逐渐有将其取代的趋势[1]。关于光固化3D打印模型精度的研究已有很多，都表明其能够满足临床应用需求。然而，很少有人关注光固化3D打印模型随着时间的推移发生形变的情况。不同的口腔治疗项目，工作模型所使用的时间也有所不同。对于义齿修复，修复体需要1～2 周的时间制作完成；而对于正畸、正颌等较长治疗周期的项目，工作模型就需要在较长时间内不发生较大的形变。而目前尚无关于3D打印模型的远期尺寸稳定性的报道。

相对于大型的树脂3D打印机，桌面3D打印机因其设备便宜、运行成本低、材料无污染、维护方便，更加适合办公室环境，越来越受到口腔医生和技师的欢迎。因此，本研究选择一款口腔常用的桌面光固化3D打印机，分析其打印精度并观察打印的牙列模型远期尺寸稳定性，为临床应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验设备与材料

桌面光固化3D打印机(Form 2)、牙科模型树脂(Model Resin, M)(Formlabs公司，英国)，打印层厚为0.05 mm。

设计及分析仪器包括：三维建模软件Solidworks 2017(Dassault Systemes公司，美国)；Ceramill map 600模型扫描仪(Amann Girrbach公司，德国)，扫描精度4 μm； 三维扫描数据处理软件Geomagic Wrap 2017(3D systems公司，美国)；数据统计分析软件GraphPad Prism 8(GraphPad Software公司，美国)。

1.2 3D打印机的校准

3D打印机的精度受到工作环境等诸多因素的影响，因此在使用前对3D打印机进行校准是必须的。使用Solidworks 2017软件设计5 cm×5 cm×5 cm的立方体，在相邻的三个面分别标识X、Y、Z，用以确定打印方向，保存为STL(STereoLithography，立体光刻)格式文件导出。将STL文件导入到Form 2打印机中，使用牙科模型树脂打印3 个立方体，打印时按照STL文件中标识的X、Y、Z方向进行摆放，用于分析打印机在每个方向的偏差。

测试模型打印完成后，按照打印机操作说明要求的方法对打印模型进行清洗、干燥、后固化(图1)。在打印完成当天使用Ceramill map 600模型扫描仪对模型进行扫描，获得所打印模型的STL文件。将STL文件导入到Geomagic Wrap 2017中，分别测量3 个立方体在X、Y、Z方向的真实值，得出在各个方向的平均值。测量时按照选择25%、50%、75% 3 个位置进行测量(图1)。通过公式(1)获得该打印机在打印牙科模型树脂时在X、Y、Z方向的补偿参数RX、RY、RZ。

公式(1)

图1 3D打印机校准

1.3 牙列模型的获取

使用Ceramill map 600模型扫描仪对标准上颌石膏模型进行扫描，获得其STL文件。在Geomagic Wrap 2017软件中对STL文件进行处理，保留牙列作为标准牙列模型，另存为STL文件(图2)。

1.4 牙列模型的3D打印

按照打印机的X、Y、Z方向进行模型的摆放，并且使用测得的补偿参数RX、RY、RZ调整打印机在各方向的参数，使用模型树脂材料打印5 个牙列模型(图2)。模型打印完成后，按照打印机操作说明要求的方法对打印模型进行清洗、干燥、后固化、去除支撑，并对支撑点进行打磨和抛光。打印完成的模型保存于20 ℃、50%湿度的条件下，同时避免阳光直射。

图2 3D打印树脂牙列模型

1.5 牙列模型的偏差分析

分别在牙列模型打印完成的第1、2、3、5、7、14、21、28 天使用Ceramill map 600模型扫描仪对5 个牙列模型进行扫描，将得到的数据导入到Geomagic Wrap 2017中。使用“最佳拟合对齐”功能分别与标准牙列模型对齐，然后使用3个相同的平面进行裁剪，将每个牙列模型分离出相同的3单位牙列长度、5单位牙列长度、半侧牙列长度和全上颌牙列长度的片段。再次使用“最佳拟合对齐”功能将所得的片段分别与标准牙列模型对齐，然后使用“3D偏差分析”功能，获得配准后打印模型和标准模型偏差的均方根值(root mean square, RMS)，表示两者的平均3D偏差，计算方法见公式(2)，同时生成表示偏差分布的色阶图(图3)。

公式(2)

1.6 数据统计分析

用GraphPad Prism 8统计分析软件进行数据统计分析。用单样本t检验比较样本数据与参考值之间的差异情况，利用单因素ANOVA比较多组样本间的统计学差异，P<0.05认为具有显著统计学差异。

2 结 果

2.1 3D打印机的校准

Form 2打印的3 个牙科模型树脂立方体在X、Y、Z方向的平均真实值分别为(50.015 0±0.052 5)mm、(49.936 3±0.060 7) mm、(50.005 0±0.005 2) mm，使用公式(1)进行计算，对应方向的补偿参数RX、RY、RZ分别为0.999 7、1.001 3、0.999 9。表1列举了不同方向测量的平均值、标准差、偏差、补偿参数及对应的P值。

图3 牙列模型的3D偏差分析色阶图

图4中虚线代表参考值50 mm，使用单样本t检验分析各个方向测得的真实值与50 mm的统计学差异。P<0.05认为具有显著性差异，“*”代表显著程度。

图4 牙科模型材料树脂立方体的各方向真实值

表1 Form 2打印机在打印牙科模型树脂时的校准参数

2.2 3D打印机的打印精度

牙列模型在打印完成当天与标准模型的RMS值代表了Form 2打印机在打印牙列模型时的精度。Form 2打印机所打印牙列模型的3单位长度牙列、5单位长度牙列、半侧上颌牙列、全上颌牙列的精度分别为(0.043 3±0.004 7) mm、(0.050 3±0.007 3) mm、(0.052 2±0.007 4) mm和(0.058 9±0.010 2) mm。

2.3 牙列模型的尺寸稳定性

随着放置时间延长，牙列模型会发生收缩与翘曲变形，不同长度的牙列模型3D偏差均增大，但不同区域的变化幅度不一致，后牙区的变化幅度明显。从第5～7 天开始，牙列模型发生明显形变(P<0.05)。截止到实验结束，牙列模型的形变仍没有趋于稳定。到第28天时，四种长度的牙列模型3D偏差分别为(0.056 2±0.004 1) mm、(0.059 5±0.002 0) mm、(0.063 8±0.005 0) mm和(0.079 5±0.015 4) mm。相比打印完成当天，牙列模型已发生明显形变(P<0.000 1)，具体的RMS值及P值见表2。

3 讨 论

通过对打印完成的测试模型和标准上颌牙列模型进行3D偏差分析，分析3D打印机的打印精度和模型的远期尺寸稳定性。Hirogaki等[2]认为对于正畸治疗，3D设计数据和牙科模型的尺寸差异在300 μm以内可以认为是足够准确的。而Rossini等[3]则认为，模型的测量误差小于200 μm在正畸临床治疗中是可接受的。但是根据牙科临床治疗项目的不同，评估牙科模型准确性的临床标准也应不同[4]。在进行固定义齿修复和种植治疗时，如果3D打印的模型具有200～300 μm的误差，修复体制作精度得不到保证，影响修复体适合性、邻接与咬合，甚至会导致多单位修复体的失败。Papaspyridakos等[5]认为，在种植修复时模型的3D最大偏差应小于100 μm，最大不应超过150 μm。而Rungrojwittayakul等[6]也提出在进行固定修复和种植修复时，模型的精度应小于100 μm。

光固化3D打印机目前使用的技术主要包括立体印刷成型技术(stereo lithography appearance，SLA)、数字光处理技术(digital light processing，DLP)、选择性区域透光固化技术(liquid crystal display，LCD)、多喷头打印技术(multi-jet printing，MJP)、连续液体界面成型技术(continuous liquidinterface production，CLIP)、双光子三维打印技术(two-photon 3D printing，TPP)、全息三维打印技术(holographic 3D printing technology)及其他打印技术[7]。

表2 不同长度牙列模型随时间推移的3D偏差

Form 2打印机采用的是SLA光固化技术，所使用的照射激光的波长为405 nm，功率为250 mW。SLA光固化技术是指使用特定波长的激光束，从树脂槽的下方向上沿着每个截面的二维边界进行照射，在平台表面形成一层厚度的树脂，逐层固化，直到形成立体的三维物体[8]。SLA光固化技术的优点包括打印精度高、表面光洁度好、细节精细、机械强度高等。但是由于激光不能完全固化打印材料，因此需要对被打印件进行后固化以提高被打印对象的稳定性[9]。使用补偿参数进行校准后，牙列模型的3单位长度牙列、5单位长度牙列、半侧上颌牙列、全上颌牙列的精度分别为(0.043 3±0.0047) mm、(0.050 3±0.007 3) mm、(0.052 2±0.007 4) mm和(0.058 9±0.010 2) mm，均小于100 μm，可以满足临床需求。

3D打印精度的影响因素有很多，具体包括： (1) 不同打印机所采用的不同打印技术：如SLA、DLP、LCD、MJP等[10]； (2) 不同种类的树脂本身所具有的特性[11]； (3)所打印模型的尺寸、形状、充填率等； (4) 打印时不同的摆放方式和加支撑方式[12]； (5)打印时选择的打印层厚[13]； (6)打印机的工作环境，包括工作台的稳定度和平整度、空气质量、温度、湿度、工作环境的电压等。为了获得Form 2打印机各个方向的校准参数，本实验设计了5 cm×5 cm×5 cm的立方体，并按照设定的X、Y、Z方向进行摆放，以获得各个方向的真实值。结果表明，各个方向均有一定偏差，其中Y方向和Z方向偏差较明显(P<0.05)(图4)。因此，每台3D打印机在正式临床使用前都应该进行参数校准，并且定期修正，以弥补打印机自身特性和工作环境对打印精度的影响。

通过对比不同长度牙列模型的精度，表明不同长度模型的精度并不一致(图5)。这说明即使打印机在打印单个物体时，各个区域的精度结果也不一致。根据3D偏差分析色阶图，本实验所打印的牙列模型在后牙区颊侧表现黄色，而且牙位越靠后，颜色越深；在舌侧表现为蓝色，牙位越靠后颜色越深。这表明牙列模型发生了整体的向内侧收缩，且越靠近后牙区收缩越明显。随着时间推移，这种趋势愈发明显(图6)。在第5 天时，3单位长度、半侧牙列和全上颌牙列的模型相对于打印完成当天开始发生明显变形(P<0.05)；第7 天时，5单位长度的牙列模型开始发生明显形变(P<0.05)。在后续3 周时间内，形变量在逐渐增加，截止到实验结束，形变仍没有趋于稳定。

使用单因素ANOVA进行各组数据间的对比，*: P<0.05; *： P<0.001

使用单因素ANOVA进行各组数据间的对比，*: P<0.05; *: P<0.01: *： P<0.001

聚合收缩是光固化打印树脂的致命弱点，会导致模型内部产生强烈内应力，从而导致材料变形，甚至会导致材料断裂[7]。Nestler等[14]也认为收缩和翘曲变形是光固化3D打印模型精度的主要影响因素。光固化机制主要取决于激光波长和光敏树脂组成成分。应用于SLA 技术的光敏树脂体系通常由预聚体、光引发剂、活性稀释剂和少量助剂或填料组成[15]。光敏树脂各种组分的构成不同，将会影响到树脂的固化速度、固化收缩率、一次性同化程度和溶胀性能等。不同的光引发体系对树脂的固化速度和固化收缩率有显著影响。若树脂的固化收缩率大，将会导致模型精度低且各区域精度不一致[16]。而一次性同化程度低和溶胀性能不佳，就将会导致后固化收缩变形严重并且远期尺寸稳定性差[17]。因此，通过改良光敏树脂组成和选择相匹配的激光波长是提高3D打印机精度和模型尺寸稳定性的有效途径。

4 总 结

本研究分析了光固化3D打印机的精度，并建立了一种研究光固化3D打印牙列模型远期尺寸稳定性的方法，并初步应用。Form 2打印的牙列模型从第5～7 天开始发生明显形变，并且随着时间推移，形变趋势逐渐增大。截止到实验结束，这种变化趋势也并未稳定。第28 天时不同单位牙列模型的3D偏差均未超过0.1 mm，虽然仍能满足临床需求，但是为了减少修复体制作中的误差和修复时医生的工作量，建议在牙列模型打印完成的5～7 d内完成修复体的制作。