结构设计对三维打印树脂牙列模型尺寸稳定性的影响

赵艳芳,辛海涛,李 恺,罗慧闻,卢国徽,吴玉禄

随着口腔数字化技术的发展,使用口内扫描技术获取患者牙列信息,将其导入数字化建模软件中创建牙列模型,随后打印树脂模型逐渐成为临床患者牙列模型制取的常规方式。相比传统石膏模型,三维打印树脂模型具有强度高,耐磨性好,易于复制等优点。研究结果表明,三维打印树脂牙列模型准确性较好,可应用于临床[1-2]。目前牙科三维打印树脂模型较常用的是立体光固化技术(stero lithography apparatus, SLA)、数字化光处理技术(digital light procession, DLP)[3-4]。SLA技术采用液态光敏树脂进行逐点扫描固化,由点到线再到面的方式成型。DLP技术采用数字光处理器照射光固化树脂,直接以面叠加方式成型,因此DLP打印技术比SLA效率更高[5-6]。DLP打印技术还具有简便性等优势。临床上推荐使用实心树脂牙列模型设计,有时为了节省时间和降低成本也会采用空心模型设计[7]。然而,较少有学者关注结构设计对三维打印树脂牙列模型尺寸稳定性的影响。本研究采用DLP打印技术,通过评估马蹄形实心、马蹄形空心模型设计对三维打印牙列模型远期尺寸稳定性的影响,为临床三维打印树脂牙列模型的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 主要实验材料与设备

上颌完整牙列标准石膏模型(日进齿科材料有限公司,中国),牙科模型树脂(GV-Model 1,维视医疗信息科技有限公司,中国)。桌面光固化三维打印机(Wisdom1,维视医疗信息科技有限公司,中国);3Shape D900模型扫描仪(3Shape 公司,丹麦);3Shape Dental System(3Shape公司,丹麦); Geomagic Studio 2014(Geomagic,美国);Skymen超声波振荡器(洁盟,中国);数据统计分析软件SPSS 25.0(IBM公司,美国)。

1.2 不同结构类型的牙列模型的设计与打印

将上颌标准牙列石膏模型使用3Shape D900模型扫描仪进行扫描,获得标准数字牙列模型(“.stl”格式),其文件导入到3Shape Dental System设计软件,设计两组不同结构类型的数字化模型:马蹄形实心模型、马蹄形空心模型(图1)。将Wisdom1三维打印机校准后,使用牙科模型树脂材料,每组打印5个树脂牙列模型,打印层厚为0.05 mm,打印方向180°,共打印10个牙列模型。模型打印完成后,按照打印机说明操作的方法,将打印模型放入超声波振荡器进行28 ℃以内清洗3 min。然后用压缩空气吹干模型,放入波长为405 mm的LED光源隔水光固化机,时间控制在10 min,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在20 ℃、50%湿度的条件下,同时避免阳光直射。

1.3 不同结构设计的上颌牙列模型的偏差分析

将打印完成的10个牙列模型分别在第1、2、3、5、7、14、21、28天,使用3Shape D900模型扫描仪对模型进行扫描,得到的数据以“.stl”格式保存,并导入到Geomagic Studio 2014软件,在多边形阶段,相应的原始设计模型作为参考, 选择左右中切牙的近

A:马蹄实心模型牙合面;B:马蹄实心模型底座设计;C:马蹄空心模型牙合面;D:马蹄空心模型底座设计。

图1 不同结构类型的上颌牙列数字模型
Fig.1 Digital models of maxillary dentition with two structural designs

中切点、两侧尖牙牙尖,左右第一磨牙的近舌、远颊尖共8个参考点,在扫描后的数字模型也选择相同的8个参考点,设计模型与打印模型扫描数据依次进行多点对齐、最佳拟合对齐。为了消除基底变形引起的偏差影响,使用同一三维平面对各数字模型进行裁剪,以删除模型基底到牙龈边缘的顶端区域。将裁剪后剩余的牙列部分进行最佳拟合对齐,最后进行偏差分析,获得配准后设计的标准牙列模型和打印模型偏差的均方根值(root mean square, RMS),表示两者的平均三维偏差。同时生成表示偏差分布的色阶图。

1.4 统计学分析

连续资料经正态性检验,满足正态分布,采用均数±标准差表示。采用t检验进行组间比较,统计分析使用SPSS统计软件(IBM SPSS Statistics,版本25.0,IBM Corp,美国),P<0.05认为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 不同结构设计上颌打印模型的偏差分析

本研究运用DLP打印技术,不同结构设计上颌树脂打印模型随着时间的推移发生的形变情况是不同的。偏差分析云图结果显示,马蹄实心组打印模型在第1～7天时,大部分区域为绿色,整体精度较高。在第14～28天时,虽然前牙切端及后牙腭侧小部分区域为负偏差浅蓝色,但大部分区域呈现绿色(图2)。

图2 28 d内马蹄实心组上颌打印模型的偏差云图Fig.2 3D deviation analysis of the horseshoe-shaped solid models within 28 days

马蹄空心组偏差云图显示,模型打印后第1天,磨牙腭侧小部分区域为浅蓝色, 这表明空心组牙列模型发生了局部向内收缩,但大部分牙列区域为绿色,整体精度较高。打印第2～7天开始,前牙切端、后牙腭侧及牙尖表现为负偏差的浅蓝色区域,后牙中央窝表现为正偏差的浅黄色区域。第14～28天,随着放置时间的延长,牙位越靠后,颜色越深并且范围逐渐扩大,表明偏差逐渐增大。前牙区域颜色变化不明显,表明该区域形态较为稳定(图3)。

图3 28 d内马蹄空心组上颌打印模型的偏差云图Fig.3 3D deviation analysis of the horseshoe-shaped hollow models within 28 days

2.2 不同结构设计上颌打印模型的尺寸稳定性

马蹄实心组28 d内的偏差范围为(31.41±4.29)μm到(36.38±3.99)μm,马蹄空心组28 d内的精度范围为(57.36±7.66)μm到(97.64±27.14)μm,结果均小于100 μm。说明两种设计的三维打印树脂模型精确度均较好,马蹄实心组的精度优于马蹄空心组。马蹄实心组28 d内的精度结果与第1天比均无统计学差异(P>0.05),说明马蹄实心设计的三维打印树脂模型尺寸稳定性好;马蹄空心组第7天开始,精度结果与第1天比存在统计学差异(P<0.05),表明马蹄空心设计的三维打印树脂模型,7 d内尺寸稳定性好,7 d后尺寸稳定性下降。随着存储时间的延长,马蹄空心组牙列模型偏差逐渐增大,相比打印完成当天,牙列模型发生明显收缩与翘曲变形。具体的RMSE值及P见表1。

表1 不同结构设计上颌打印牙列模型随时间推移的均方根值Tab.1 RMSE value of the dental models made with two structural designs over time μm

3 讨 论

三维打印树脂技术能够构建几何形状复杂的对象,且成型快、精度高[8-9],已应用于口腔医学的多个领域,如外科模型、种植导板、咬合板、透明矫治器,以及临时修复体的制作等[10-13]。SLA和DLP是口腔临床中常用的三维打印技术[3-4],本研究使用了Wisdom1打印设备,属于DLP打印机。一般来说,DLP技术比SLA技术更高效、更快。这是因为SLA采用动态激光束对液态光敏树脂进行逐点扫描固化,由点到线再到面的方式成型。而DLP采用数字微镜装置(DMD)投影紫外光分层图像对液态光敏树脂进行固化,由于投影仪可以一次曝光整个层,直接以面叠加方式成型[14]。

以往研究表明三维打印树脂牙列模型的精度可能受到各种因素的影响,包括打印机工作环境、打印技术、打印参数设置、打印模型的结构设计及树脂类型及特性等[15-17]。然而,聚合收缩是光固化打印树脂的弱点,会导致内部产生内应力,造成打印物件表面不平整,甚至翘曲等问题[15]。由于三维打印树脂在大多数应用中几乎都是纯树脂,没有掺入填料,其收缩率更为显著。本研究中所用的牙科模型树脂都是在相同的DLP打印系统和加工条件下打印的,树脂材料的组成或其性能(流动性、收缩率和机械性能)将影响三维打印树脂模型的精度。

另外不同的口腔治疗项目,三维打印的树脂牙列模型在达到精度要求的前提下,还需要在一定时间内保持尺寸的稳定性。如固定义齿修复时,牙列模型需要使用1～2周制作修复体,而正畸治疗过程中,牙列模型需要更长时间保持形状稳定[16-17]。因此,研究三维打印树脂牙列模型的尺寸稳定性对口腔临床工作具有重要意义。

本研究通过对不同结构设计的三维打印树脂模型进行偏差分析,评估了马蹄实心、马蹄空心设计的上颌打印模型28 d内的形变情况。结果显示两种结构设计的三维打印牙列模型28 d内偏差小于100 μm,均能满足临床需求[7,18]。这与李志文等[16]研究的结果一致,其评估SLA技术三维打印马蹄实心牙列模型的尺寸稳定性,第28天时不同单位牙列模型的三维偏差均未超过0.1 mm。然而,李志文报道在第28天时,牙列模型相对于打印完成当天发生了明显形变(P<0.05)。这与本研究中马蹄实心组28 d内的精度结果与第1天比均无统计学差异(P>0.05),其长期稳定性良好的研究结果不同,原因可能是本研究中三维打印机设备及其参数设置,三维打印树脂的类型等因素与其不同。

马蹄空心组偏差云图显示,在打印后第1天后牙腭侧已经出现负偏差的浅蓝色,表示后牙腭侧出现收缩。这可能是因为光固化树脂材料的特性,可聚合单体树脂在光聚合过程中可能会发生收缩,并影响整体精度[19]。从第2天开始,马蹄空心模型前牙切端、后牙腭侧及牙尖出现浅蓝色区域,表示负偏差,而后牙窝沟区为表示正偏差的浅黄色。形变方向相反的原因是树脂固化过程中的向心聚合收缩特性[20],以及这两个区域的形态特征共同决定的。虽然牙尖及后牙腭侧与窝沟内都是凹面,但收缩方向相反。先前的研究[21-22]也对这种现象做出了类似的解释。随着时间的推移牙列树脂模型尺寸会持续发生变化,其原因在于高浓度的光引发剂允许光敏树脂在紫外线照射下快速固化,但也会导致初始固化后残留大量的引发剂,从而需要后聚合以促进固化过程的完成[23]。马蹄空心模型随着放置时间的延长,后牙区由浅蓝逐渐为深蓝,浅黄色到深褐色,前牙区域颜色变化不明显,形态较为稳定,原因可能是后牙区缺乏横向杆支撑结构,导致后牙区域形变最大[24]。然而,偏差云图中显示的颜色是设置光谱的效果,只代表偏差变化的大致趋势,不能代表确切的偏差数值。

本研究中马蹄空心设计的三维打印树脂模型,第7天开始其尺寸稳定性下降,马蹄实心牙列模型具有良好的长期稳定性。导致空心、实心树脂打印模型尺寸稳定性不同的原因,可能是由于可聚合单体树脂聚合反应发生时会出现收缩的固有现象[15]。树脂模型发生聚合收缩时内部无任何支撑与填充结构,与实心牙列模型相比,空心结构的牙列模型对收缩和变形的抵抗力较弱[25]。参考国外研究关于中空模型厚度的设计为2～3 mm[7,25-26],本项研究马蹄空心模型结构设计厚度为2.5 mm,是按照Wisdom1打印机厂家推荐参数设置的,后续尚需研究中空模型厚度对打印树脂牙列模型精度的影响。

本研究局限性是将侧重点放在不同结构设计对上颌牙列模型的尺寸稳定性的影响,因此仅使用了单一类型的三维打印机、光固化设备和光聚合物树脂。三维打印技术、树脂材料类型、后固化时间、打印后储存时间和储存条件等因素均可能影响打印树脂模型尺寸精度和稳定性[17,27],未来的研究应侧重于如何提高树脂打印牙列模型尺寸稳定性。

本研究分析了DLP技术打印的马蹄实心、空心设计的树脂牙列模型的尺寸稳定性,第28天马蹄实心、空心设计的树脂偏差均未超过0.1 mm,均能满足临床需求。马蹄实心结构设计的打印模型长期稳定性良好,马蹄空心牙列模型7 d内尺寸稳定性好,随着时间推移,形变逐渐增大。马蹄实心设计的树脂打印模型具有优势。

利益冲突:所有作者声明不存在利益冲突。