3D打印口腔正畸应用研究进展

张昀，赵红梅，陈鑫琳，李婷婷，姬忠莹

(1.兰州市口腔医院，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室， 甘肃 兰州 730000；3.烟台中科先进材料与绿色化工产业技术研究院，山东 烟台 264000)

0 引言

在数字化治疗与精准治疗的大背景下，“3D数字化口腔正畸”作为一种全新数字化矫正技术，通过继承传统牙颌畸形矫治理念，结合计算机辅助三维诊断、个性化设计以及数字化成型技术，获得了比传统正畸技术更为精准、效果更加自然以及矫正时间更短等效果，因此也受到了越来越多的关注。而3D打印技术，作为“3D数字化口腔正畸”中的关键一步，已经在数字化设计、快速制备成型等领域表现出了巨大的优势。因此，将快速发展的3D打印新技术应用于口腔正畸临床研究中，成为近年来口腔正畸学的研究热点[1-4]。

3D打印，也称增材制造，是以数字模型文件为基础，以金属、陶瓷或聚合物等为打印材料，通过层层叠加来实现构筑复杂三维实体的一种快速成型技术[5-6]。目前，作为典型的数字化三维技术之一，3D打印技术在口腔医学领域中已经获得了广泛的应用，如口腔颌面外科学、假牙修复学、口腔正畸学、牙髓学以及牙周病学等[2,7-9]。而在口腔正畸学领域，利用增材制造这种特殊的加工方式，使其特适合于口腔中牙齿的复杂、多曲面外形，进而根据患者口中不同的情况进行个性化定制，最终实现临床的个性化诊疗和精准医疗[10-11]。因此，本文将以3D打印技术在口腔正畸学领域的应用研究为基础，着重介绍可用于口腔正畸治疗的3D打印成型技术、3D打印新材料以及实际研究应用。

1 口腔正畸用3D打印成型技术与材料

随着3D打印技术的快速发展，多种成型技术已经成功应用于口腔正畸领域，比较典型的有：

(1)光固化3D打印技术，包括数字化光处理成型(Digital Light Processing, DLP)和立体光固化成型(Stereo Lithography Appearance, SLA)[12-13]；

(2)选择性激光融化/选择性激光烧结技术(Selective Laser Melting, SLM; Selective Laser Sintering, SLS)[14-15]，熔融沉积成型技术(Fused Deposition Modelling, FDM)[16]和喷墨打印成型技术(Inkjet Printing)[17-18]等。不同的成型技术各有优缺点，通过结合不同的打印材料为基础，能够适用于不同的临床口腔医疗领域，如表1所示。

表1 不同3D打印成型方式、使用材料及其在口腔领域的应用比较

可以看出，尽管FDM成型发展较早较成熟，可打印的材料较多，但由于成型方式自身的局限性，其在口腔医疗领域的应用十分有限。而基于另外三种成型方式的光敏树脂材料、金属与陶瓷材料，均具有很好的应用前景。全球领先的3D打印机制造商Stratasys公司推出了一款专门用于口腔正畸的喷墨3D打印机 Object30 Orthodesk，取得了较好的应用效果[18]。同时，该公司推出的Makerbot Replicator 2FDM打印机(Stratasys Ltd., Eden Prairie, MI)被认为能够用来打印制造口腔的支撑架和矫正器。

需要指出的是，与不同3D打印成型技术相匹配的3D打印材料同样是影响3D效果与实际应用的关键因素。目前，3D打印口腔正畸领域常用的材料有ABS塑料、环氧树脂、聚乳酸、尼龙、银、铁、钛、光敏树脂、红蜡树脂以及聚碳酸酯等[19-22]。但总体而言，随着3D打印技术与口腔正畸学的快速发展，传统的光敏树脂、热塑性聚合物如PLA、ABS以及其他常规金属与陶瓷材料已经越来越难以满足实际应用的苛刻要求。在发展各种3D打印新技术的基础上，如何将设备与新材料结合起来，共同拓展3D打印在口腔正畸领域的实际应用，是未来发展的方向。

2 3D打印技术在口腔正畸领域中的应用

2.1 牙颌正畸模型的制作

牙颌正畸模型是研究分析错合的重要手段[23]。目前，数字化印模技术已广泛应用于制备牙颌正畸模型方式。它利用数字化扫描设备，将扫描设备的探头放入患者的口腔内部，对患者的牙体及周围软硬组织状况进行扫描，进而得到数字化印模[24]。

随后，利用光固化3D打印技术可以实现对数字扫描模型的实体模型制造，用时较短，效率较高。Camardella等[25]系统介绍了3D打印技术在口腔正畸学中的工作流程。

如图1(a)所示，首先对病人进行口腔扫描，获得所需要的口腔牙齿模型；然后利用CAD等软件设计需要打印的三维模型，并将其分解为很薄的二维截面，形成层层堆积的物理成型方式；最后，利用3D打印机进行数字化精确成型，获得所需要的最终样品。这种数字化的制作流程有很多优点，比如病人数据可以数字化存储归档，可以在任何需要的时候随时获得，大大节约了物理存储空间。同时，各个过程均为数字化操作，在保证设备及软件正常工作的前提下，能够大大减小误差，提高效率。另外，为验证不同成型技术在口腔正畸学领域中的成型精度，Lee等[26]人分别利用FDM打印机与PolyJet打印机制备了牙齿模型进行对比(如图1(b)所示)。

可以看出，与原来牙齿相比较(如图1(b)左所示)，PolyJet技术具有较高的打印精度(如图1(b)右所示)，表面相对较为光滑，而FDM成型则表面较为粗糙(如图1(b)所示)，具有明显的层状条纹。这是因为这两种技术具有不同的层厚打印精度：FDM层厚为0.33 mm，而PolyJet则仅为0.016 mm。Groth等为探索3D打印在口腔正畸领域的实际应用，利用光固化3D打印技术制备了口腔牙齿模型，而后用石膏进行翻模(如图1(c)所示)，或者直接使用激光焊接技术，利用其精准的光点位置与低能量以此来实现模型的扭曲校准。Nagib等系统研究了3D打印技术在制备矫正附件如阻生牙等方面的优势。研究表明，3D打印技术能够在数字化口腔治疗方面有很大优势，个性化矫正附件的设计能够在多个领域获得推广，远不止单一的阻生牙。因此，在以后的口腔正畸领域中，应将3D打印技术结合CAD等三维软件以及口腔颌面锥形束CT(Cone Beam CT, CBCT)等先进技术，快速推荐数字化口腔正畸治疗。

图1 口腔牙齿模型

2.2 3D打印正畸手术导板

在临床植入微小种植体时，为改变单一参照X线平片、依靠医生经验来确定植入点位和角度而产生的误差，越来越多的医生尝试在使用CBCT定位的情况下，结合3D打印先进制造技术，制备三维定位导板来确定微小种植体的植入点位和角度，用以提升微小种植体植入成功率[27-28]。唐睿等利用Formlabs2 3D打印机制备了微小种植体导板[29]，如图2(a)所示。Shaheen等[30]则使用PolyJet打印机分别打印制备了正颌夹板、手术导板以及自身牙移植模型(如图2(b)所示)，进而探索两种最常用的消毒方式对3D打印的临床样品的影响。Hou等报道了一种3D计算机辅助的piezocision导板(computer-assisted piezocision guide, CAPG，如图2(c)所示)。该导板使用桌面级SLA成型3D打印机制备，为半透明状态，具有较好的可视性[31]。Szuhanek等[32]讨论了3D打印丙烯酸酯/甲基丙烯酸酯在口腔正畸手术导板重点的应用，指出这两种材料一般都生物兼容性，抗热压以及具有良好的打印精度。相对于着色的材料，制备的透明或半透明手术导板更具有优势。同时，这两种材料必须具有一定的机械强度以保证在整个微小种植体定位过程中的稳定性。

图2 微小种植体导板

简言之，快速精确制备的3D打印手术导板在口腔正畸种植体嵌入过程中具有很大的帮助，能够保证整个手术过程中的植入点位和角度，提高成功率，减轻病人痛苦。

2.3 隐形正畸矫治器

正畸矫治器是一种治疗错颌畸形的装置，也可简称为矫治器，其主要类型有固定矫治器、隐形矫治器和舌侧矫治器等[33]。与传统采用金属矫治器和金属弓丝的“铁齿铜牙“的矫治方法相比较，舒适美观、可自由摘卸的隐形矫治器正逐渐获得市场认可(如图3(a)所示)[34]。美国Align Technology公司于1998年在全球率先推出隐形矫治器Invisalign(隐适美)，并于2011年进入中国市场。而国内企业中的北京时代天使在2003年推出自主研发的隐形矫治器，经过多年的发展，已经在国内占据了很大的市场份额。

随着数字化口腔正畸的发展，隐形正畸矫治器结合3D打印技术获得了越来越多的关注[34-36]。Kasper指出利用3D打印技术构筑隐形矫治器的基本流程包括：

(1)获取数据；

(2)数字化设计处理模型；

(3)模型打印；

(4)制备矫治器四个过程[37]。

基于此，Jindal等利用3D打印技术成功打印了带支撑的隐形正畸矫治器(如图3(b)左所示)，使用异丙醇清洗样品以出去残余树脂，随后干燥除去异丙醇，最后通过后处理除去支撑，得到所需要的矫治器样品(如图3(b)右所示)[38]。段光远等通过数字化处理，使DLP光固化3D打印的模型表面形成横向纹理，使隐形正畸矫治器更具有隐形和更好附着的特点，从而解决矫治器反光严重和易脱落的技术难题。如图3(c)所示，在确保打印精度的前提下，打印出了带有横向纹理的模型(如图3(c)左所示)，随后在经过牙胶片的热吸塑将纹理转印到隐形矫治器上(如图3(c)右所示)，实现了矫治器的制作过程中产生纹理或增加艺术感的效果[39]。

图3 正畸矫治器

简言之，相对于隐形矫治器的传统热塑制备过程，3D打印技术已经表现出了一定的优势，如快速制备、精确成型以及个性化定制等。但就目前来看，大部分文献报道的隐形矫治器多是以3D打印技术为主，而关于3D打印材料的安全性以及矫治软件的发展却相对缓慢，尤其是关于打印矫治器的临床使用研究相对较少。因此，为拓展3D打印技术在隐形正畸矫治器方面的实际应用，应结合材料、临床医学等，实现多学科交叉融合创新，推动其在口腔正畸领域的发展。

3 结语

3D打印作为先进制造技术的典型代表之一，已经在口腔正畸领域获得了广泛的关注，也得到了快速的发展，如黑格科技推出了一套整合成隐形正畸全流程解决方案，加入了牙龈线自动识别、3D打印规模化生产以及数据自动化处理等，能够以科技革新数字化升级的方式代替传统患者口腔数据手机、方案设计与沟通、牙模生产以及牙套制造等一系列流程，大大提高了效率。

另外，在医疗3D打印等数字化技术的辅助下，口腔正畸患者能够在戴牙套前看到治疗效果、在手术中更加利用打印导板更加精准定位。但同时也应该注意到，大多数正畸采用的隐形矫治器均不是直接打印成型，而是通过打印正畸模型来进一步制备隐形牙套，这是因为目前还没有可长期安全的用于口腔环境的透明光敏树脂。因此，在后续的科学研究中，安全、可靠、透明的3D打印正畸材料是未来研发的重点方向，也是急需攻克的难题。