3D打印在口腔正畸领域的应用进展

许嘉宁,金作林,刘 佳

三维(three-dimensional,3D)打印又称增材制造,源于1986年美国科学家Charles Hull发明的立体光固化成型技术(stereolithography,SLA),是一种以数字模型文件为基础,以光敏树脂、粉末状金属、陶瓷、塑料、橡胶等为原料的实物快速成型技术。3D打印可制作个性化和结构复杂的产品,在小规模生产时成本更低[1-2]。因此,3D打印技术自问世以来就被广泛应用于工业设计和制造等领域。口腔正畸使用的器械大多精细小巧,3D打印契合了其个性化强、精度高、结构复杂的需求,日益受到关注并被研究应用。

1 口腔正畸常用3D打印技术

1.1 立体光固化成型

SLA是最早实际应用的3D打印技术之一,由液态光敏树脂槽、模型构建平台和紫外线(ultraviolet,UV)激光器组成。打印开始后,构建平台浸入树脂槽,激光束移动并固化树脂,一层完成后构建平台移动一定距离(即一层打印厚度),未固化树脂覆盖前一层并重复上述过程,直至打印完成。在SLA技术中,平台有自上而下和自下而上两种移动方法,自下而上移动可避免氧干扰,且树脂可自动灌装,大多数SLA打印机都使用了该方法[3]。SLA的不足是:打印完成后,需进行紫外光照射以使材料完全固化,后固化会使模型收缩,导致精度下降[4]。

1.2 数字光处理(digital light processing,DLP)

DLP原理与SLA相似,原料均为光敏树脂,最大的区别是两者所用光源不同,DLP使用来自投影仪的UV光,打印时光源保持静止,一次可固化整个树脂层。相较SLA,DLP打印速度更快。但和SLA相同,DLP同样存在后固化与模型收缩问题[1,5]。

1.3 聚合物喷射成型(PolyJet)

PolyJet是喷墨技术和SLA的结合,打印时喷头将光聚合物原料的微小液滴喷射到构建平台上,然后进行紫外光固化。不同于SLA和DLP只能在打印过程中使用单一材料,PolyJet能够在打印过程中添加多种不同的树脂,满足各部位对材料性能的不同要求[6];且完成后无需后固化,打印精度高[1]。但PolyJet成本较高[7],限制了它在临床中的应用。

1.4 熔融沉积建模(fused deposition modeling,FDM)

FDM又称熔丝制造(fused filament fabrication,FFF),工作时喷头水平移动,通过挤压将其中的热熔性材料送出,待挤出的材料与上一层完全结合后,喷头上移,进行下一层打印。FDM的最大优势是材料成本低廉,但对于复杂模型,较长的打印时间、表面纹理不够清晰、移除支撑材料困难是其技术限制[8]。

1.5 选择性激光融化(selective laser melting,SLM)

SLM以高分子粉末、陶瓷粉末、金属粉末等为材料,激光束按一定路径照射工作台上的粉末,使其完全融化继而凝固,完成后平台下降,重复铺粉和烧结直至打印完成。SLM加工的金属致密度高,力学性能良好,但制作的产品表面质量不高,需要大量后处理,且成型过程中热应力、组织应力、残余应力的产生易导致制件翘曲变形或出现裂纹[9]。

2 3D打印在口腔正畸中的应用

目前3D打印已被用于制作牙颌正畸模型、个性化正畸装置(如唇侧托槽和舌侧托槽[10]、无托槽隐形矫治器、透明保持器)、微型种植体手术导板、间接粘接托盘、下颌前移夹板、咬合板等。

2.1 牙颌正畸模型

在正畸治疗中,牙颌正畸模型必不可少。传统技术通过获取患者上下牙颌的硅橡胶印模,再制成石膏模型,但模型笨重、易损坏、难以与其他牙科专业人员交流共享且需要大量物理存储空间[4]。随着包括口内数字扫描仪、三维扫描仪和锥束计算机断层扫描(cone beam computed tomography,CBCT)在内的数字技术普及,可通过直接扫描患者口腔,间接扫描石膏模型或印模获取数据,构建三维数字模型,需要时经3D打印获得实物模型。三维数字模型克服了上述不足,而且可即时传输与访问、能进行治疗模拟、利于医患沟通、没有磨损变形。

在实际应用中,还需评估3D打印实物模型的准确性,判断其是否能用于临床。一般认为0.2至0.5 mm的误差范围是临床可接受的[5,11]。鉴于每个无托槽隐形矫治器使每颗牙齿平均移动0.25～0.30 mm[12],因此3D打印实物模型若要用于隐形矫治器的制作,则误差需小于0.25 mm,绝大部分研究采用这一标准[7,12-14]。学者研究证实SLA、DLP、PolyJet和FDM制作的错牙合模型均可用于临床,其中PolyJet精度最高,FDM精度最低。在技术选择时,需考虑应用目的、打印时间与成本。若用于制作隐形矫治器,则PolyJet较FDM拥有更好的正畸力;在拥挤牙弓中,价廉的SLA与DLP打印模型均符合小于0.25 mm的标准[13]。

在使用SLA或DLP打印模型时需注意底座设计,马蹄形底座会导致显著的横向收缩,可通过在后部增加连接杆来纠正[4,13]。当需要着重考虑打印的精度、时间和效率时,正确选择构建角度和层高非常重要。Ko等[13]发现构建角度和层高对模型精度有显著的交互影响,推荐以30°或60°构建模型。

2.2 热塑性矫治器

2.2.1 无托槽隐形矫治器

因佩戴不易察觉更美观舒适、有利于保持口腔卫生、治疗持续时间短、椅旁时间少,无托槽隐形矫治器被迅速普及应用。传统方法通过牙齿模型间接压膜制作隐形矫治器,制作完成后还需人工剪裁、打磨,增加了生产时间与人工成本,而且热塑性工艺还会使材料性能发生改变。Bucci等[15]的研究显示,与压膜膜片的初始厚度相比,热塑性工艺降低了隐形矫治器的厚度及其厚度均匀性,而厚度与均匀性则影响矫治器施力和治疗结果。3D打印制作则克服了上述问题,且产生的废弃物远低于热塑性工艺,更环保[16]。根据隐形矫治器的特性及其对材料性能的要求,以透明树脂为原料的光聚合3D打印是最佳选择。Boyer等[14]和Edelmann等[17]使用Dental LT和Grey V4制作隐形矫治器,证实了可通过 3D 打印直接制作不同厚度的隐形矫治器,但成品相较设计模型厚度增加,且在前牙功能面存在过度堆积区。这无疑影响其临床应用。显然,通过3D打印直接制造隐形矫治器在技术上可行,但缺少符合要求的打印材料,打印软件也有待改进。不过,Lee等[18]发现,光聚合树脂制造商Graphy公司最新研发的名为TC-85的新型3D打印生物相容材料,相较于非交联型聚合物的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG),拥有更强的柔韧性、更大的弹性范围、更慢的力衰减、更好的形状记忆性且在高温下仍具有几何稳定性,用于制作隐形矫治器有更好的适配性和显著优势,但还需进一步研究其力学性能并进行临床试验。除了材料的突破,3D打印设备的研究也有所进展。Tsolakis等[19]的研究显示,Graphy公司最新推出的名为Tera Harz的3D打印设备能使光固化树脂聚合更完全,或可解决3D打印隐形矫治器厚度增加的问题。因此,3D打印直接制作隐形矫治器正逐渐成为可能,但使用各类热塑性材料在模型上压膜仍是目前制成隐形矫治器的主要方法。

2.2.2 透明保持器

佩戴保持器是预防正畸治疗后复发的一个重要因素。在众多保持器中,透明保持器因其美观、对发音影响小、异物感轻等优点受到青睐。与隐形矫治器相同,透明保持器目前也只能在石膏模型或3D打印模型上压膜制作。目前市场上没有可用于直接3D打印透明保持器的树脂,Cole等[20]使用Dental LT制作透明保持器,但材料的不合适使其与传统真空成型保持器和商用保持器相比偏差大。学界没有明确透明保持器的临床可接受误差范围,大多研究者都以隐形矫治器为参照,选择0.25 mm作为标准[21]。对利用SLA、DLP、cDLP和PolyJet四种3D打印技术制作的透明保持器,研究显示其总体误差均小于0.25 mm,但在前牙区,3D打印的保持器与参考模型差异很大[20]。

因此,要通过3D打印制作精准的透明保持器,新材料的出现或打印材料的改进必不可少。EnvisionTEC公司宣布一种可用于保持器的新型树脂E-Ortholign正在研发[22]。一旦通过监管程序,将推动3D打印透明保持器的临床验证与应用。

2.3 间接粘接托盘

因具有定位托槽准确性高、椅旁时间短、患者舒适度高、减少唾液污染等优点,间接粘接托盘被广泛应用于口腔临床。与传统制作不同,数字间接粘接通过扫描获得数据重建三维数字模型,并在模型上定位托槽,设计转印托盘,无需物理模型作为中介,直接打印获得成品托盘。3D打印制作减少了传统制作过程中的弓丝弯制环节,使托槽基座在临床粘接前不接触黏合剂,降低了粘接失败风险,减少了托槽调整次数且便于向患者展示3D治疗计划[23]。Plattner等[24]发现虽然数字化间接粘接托盘的总制造时间高于传统托盘,但技术人员操作时间明显缩短。因此,当考虑人员成本时,3D打印是一种更好的选择。

3D打印间接粘接托盘体外放置托槽的准确性已得到初步研究证实[6,25]。但同期一项临床研究发现3D打印间接粘接托盘放置的托槽在角度方面(转矩角、轴倾角和旋转)存在一定不足,造成这一结果的原因还需进一步研究[26]。相较于传统制作方法,3D打印间接粘接托盘已表现出一定优势,但还需更多的临床研究进行完善,以确保其口内转移托槽的准确性。

2.4 咬合板

咬合板的传统生产方式复杂且耗时,但随着计算机辅助设计/计算机辅助制造(CAD/CAM)技术的引入,结合铣削工艺实现了咬合板制作的自动化。与之相比,3D打印制作不仅能创建更复杂的模型结构和满足个性化定制要求,而且耗材少效率高。Grymak等[27]和Marcel等[28]的体外研究表明3D打印咬合板不会破坏牙釉质,其精度和安全性也得到了验证。CAM-铣削和传统咬合板常用聚甲基丙烯酸树脂(PMMA)制作,主要缺点是残留单体的毒性,包括致突变性、遗传毒性、细胞毒性、胚胎毒性[29]。SLA咬合板内的残留单体可以经短时间的后冲洗去除[30];3D打印咬合板生物相容性较好,生理状态下无细胞毒性[29]。

学者研究发现,在材料特性和磨损情况上,3D打印的咬合板与CAM-铣削和传统制作的咬合板相比,仍存在差异。Berli等[31]发现相对于热成型和铣削树脂,SLA树脂具有较低的抗弯强度和硬度、较高的吸水性、更易老化。与铣削和传统材料相比,3D打印材料耐磨性更低[27]。打印机参数设置和构建角度均会对咬合板机械性能产生影响,构建角度对不同3D打印材料耐磨性的影响不尽相同,制作过程中需根据材料进行调整[27]。考虑到粗糙度和抛光后光泽度,45°为材料Dental Clear和Free Print2.0的最佳构建角度[32]。咬合板制作完成后,要注意控制后冲洗时间,冲洗时间过长会使咬合板抗弯强度降低[29],影响临床应用。3D打印咬合板优势明显,但尚需更佳的打印材料并改进设计与制作工艺,以提高产品性能。

2.5 微型种植体导板

在正畸治疗中,支抗控制是关键一环,而通过植入和移除微型种植体已成为临床上控制支抗的重要方法。但因植入环境复杂,不准确的植入定位会导致穿孔或脱落,常需微型种植体导板辅助,以提高植入成功率和植后稳定性,并避免对相邻正常结构的损伤。结合CBCT与口内或光学扫描图像,可通过3D打印制备微型种植体导板,而且还可根据需要在设计时添加特殊结构以方便使用[33]。3D打印导板辅助植入的准确性在临床研究中已得到证实[33-34]。

需要注意的是,在植入过程中,导板会与血液接触,术前需灭菌或消毒处理。Pop等[35]比较了消毒(4% gigasept)和高温灭菌对DLP和SLA正畸微型种植体导板机械性能的影响,推荐使用消毒的方式进行术前处理。

2.6 下颌前伸类口腔矫治器

持续正压通气(CPAP)是治疗阻塞性睡眠呼吸暂停(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome,OSAHS)的金标准,但部分患者不易接受。对轻中度OSAHS患者或不能耐受CPAP治疗者,下颌前伸类口腔矫治器(mandibular advancement device,MAD)是一种有效的替代疗法。MAD传统制作的关键是取模、记录前移距离和垂直开口量并将这些记录转移到牙合架上,取模会给患者带来不适,印模材料、石膏材料和丙烯酸树脂之间尺寸变化的不一致会导致成品的不匹配[36],咬合关系记录或转移时的微小偏差更会导致制作失败。采用3D打印制作MAD则不存在上述问题,并能实现个性化精确设计,减少椅旁时间和操作步骤。

Piskin等[37]用口内扫描仪获取数字化牙弓与颌间关系,将数据传输到虚拟牙合架后,使用软件中的正畸模块进行虚拟设计,最后以丙烯酸树脂为原料,通过3D打印制作MAD并获得良好疗效。Lee等[38]通过3D打印个性化定制了CPAP口鼻面罩与MAD结合的组合矫治器,使患者舒适度和疗效均得到提高。

2.7 扩弓装置

上颌横向发育不足(maxillary transverse deficiency,MTD)是一种临床常见的错牙合畸形,上颌扩弓是治疗MTD的经济有效的方法。近年来随着微种植钉辅助快速扩弓(miniscrew assisted rapid palatal expansion,MARPE)和手术辅助快速扩弓(surgically assisted rapid palatal expansion,SARPE)技术的发展,上颌扩弓适用人群不再有严格的年龄限制,医生可根据患者的年龄、骨骼发育水平、CBCT观察到的腭中缝成熟程度采取不同的扩弓方式[39]。通过口内扫描、CBCT、CAD/CAM结合SLM设计,3D打印制作扩弓装置,包括MARPE和Hyrax矫治器,在治疗中取得了良好的扩弓效果[40-42];Cozzani等[43]制作的适用于乳牙列和混合牙列的改良Haas型矫治器(HIRME),无需取模且黏固简单。全数字化流程提高了患者舒适度、减少实验室时间[41],而且使得医生可设计制作个性化的连接体和更加合适的带环[43],以提供更好的治疗。由于技术限制,扩弓器尚未通过3D打印的方式制作,而是在SLM扩弓器金属支架制作完成后,将成品扩弓器焊接至支架上。还需进一步研究,以实现制作全程数字化。

3 结 语

近几年的国内外研究表明,与数字化紧密结合的3D打印技术以其显著优势在口腔正畸领域中的应用正悄然兴起,其中3D打印牙颌正畸模型、微型种植体导板、下颌前伸类口腔矫治器、咬合板已成功用于临床,新材料的出现使3D直接打印制作隐形矫治器不再遥远。但仍有一些问题尚需进一步研究或验证,如确保间接粘接托盘口内转移托槽的准确性、可用于3D打印透明保持器的新型树脂、扩弓器的3D打印,其中材料研发是亟待解决的难题。此外口腔3D打印技术也需完善提高,如改进SLA、DLP打印后处理方式,提高SLM、FDM打印成品的性能,降低PolyJet打印的成本。随着应用研究的深入、3D打印技术的提高、打印材料的迭代升级及成本的降低,3D打印在口腔正畸领域的应用必将更为深入广泛,也必将带来口腔正畸器械制作的全面变革。