3D打印技術在口腔醫學領域中的應用

楊慧芳，趙建江，王勇

北京大學口腔醫學院 口腔醫院口腔醫學數字化研究中心，口腔數字化醫療技術和材料國家工程實驗室，衛生部口腔醫學計算機應用工程技術研究中心 北京 100081

3D打印技術在口腔醫學領域中的應用

楊慧芳，趙建江，王勇

北京大學口腔醫學院 口腔醫院口腔醫學數字化研究中心，口腔數字化醫療技術和材料國家工程實驗室，衛生部口腔醫學計算機應用工程技術研究中心 北京 100081

本文介紹了3D打印技術的背景、技術分類及特點，并闡述了3D打印技術在口腔醫學領域的研究及發展狀況。該技術可以彌補傳統的機械加工技術制造模式的缺陷，將會成為數字化口腔醫學發展進程中的一個重要環節。

3D打印；計算機輔助設計；口腔修復；口腔種植；口腔正畸

3D打 印（3D printing）， 又 稱 增 材 制 造（Additive Manufacturing，AM），屬于快速成型（Rapid Prototyping，RP）技術的一種，是一種以數字模型文件為基礎，依托于信息技術、精密機械以及材料科學等多學科發展起來的尖端技術，主要通過計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）軟件或逆向工程重建三維設計模型，然后對模型進行分層設計，在3D打印機上實現“打印”疊加，最終整體成形[1]。3D打印與傳統的機械加工技術不同，傳統的機械加工技術主要采用切削方式（即減材工藝）實現，多應用于模具制造、工業制造等領域，現在，對于難以用機械加工技術制作或機械加工制造成本高的產品，可以利用3D打印技術來制作。在醫學領域中，3D打印技術迅速發展并展現出諸多優勢，其在口腔醫學領域中的應用主要為頜面外科、修復科、正畸科等。

1 3D打印技術分類及特點

1.1 選擇性激光熔化成型（S elective Laser Melting，SLM）技術

該技術是采用高能量激光（如二氧化碳激光）從底層的3D切片進行金屬粉末融合，單層完成后，工作艙平臺沿著垂直于工作平面的軸下移，在已熔化后凝結成小球部分的金屬粉末上再鋪上薄薄的一層粉末材料進行加工，如此往復，直到材料整體成型。該過程發生時需要氮氣或氬氣制造一個保護環境。成型后對打印后的實體處理需要使用機械加工、放電加工或切削加工工具等，是一個耗時的過程[3]。該技術還處于初級階段，現在主要用于快速成型和小批量的金屬物品（如航天航空、醫療整形）的相關部件制造，是一種相對較新的技術[4]。

1.2 選擇性激光燒結成型（Selective Laser Sintering，SLS）技術

該技術是使用高功率激光器（如二氧化碳激光）作為能源來燒結粉末（如金屬、陶瓷、熱塑性或玻璃粉末等）材料。激光選擇性的融合，通過3D數據文件，在各截面利用激光加工，然后工作艙下降，新材料進行鋪粉，激光再加工，如此往復，直到材料成型。該成型方法具有制造工藝簡單、柔性度高、材料選擇范圍廣、材料利用率高及成型速度快等優點，目前主要應用于鑄造業。SLS技術是一個新的制造領域，在許多方面還不夠完善，如制造的三維零件普遍存在強度不高、精度較低及表面質量較差等問題。SLS工藝過程中涉及到很多參數（如材料的物理與化學性質、激光參數和燒結工藝參數等），這些參數影響著零件的燒結過程、成型精度和質量。零件在成型過程中，由于各種材料因素、工藝因素等的影響，可能使燒結成品產生各種冶金缺陷（如裂紋、變形、氣孔、組織不均勻等）[5]。

1.3 直接金屬燒結成型（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）技術

該技術的軟件設計部分同SLS技術的軟件設計技術一致。燒結過程通過使用高能量的激光束依據3D模型數據，直接將金屬粉末燒結成密度較高的零部件。DMLS技術優點如下：① 能快速制造出功能性金屬零件原型和金屬模具，大幅縮短生產周期和削減生產成本；② 制作工藝精度高，能實現零件的精密成形。但是，DMLS技術的精確成形有較大難度，不同的金屬粉末（如鈷-鉻粉末、鈦粉末、鈦合金粉末、鋁合金粉末等）的化學組分、物理性質等因素不同，因此，工藝參數（如激光參數、鋪粉厚度、保護氣體、粉末預熱床等）也有差異。DMLS屬于SLS中的特殊燒結技術，技術細節不同。同一種原材料生產性能不同的零件（如多孔性的透氣鋼、耐腐蝕的不銹鋼、組織致密的模具鋼等）所使用的工藝參數也不同。該技術一般不需要或很少需要爐中熱處理和金屬二次熔浸輔助工藝手段，與SLS技術相比，DMLS不需要昂貴及耗時的后處理工藝步驟[6]。

1.4 熔融沉積制造成型（Fused Deposition Modeling，FDM）技術

該技術又被稱為熔絲成型、絲狀材料選擇性熔覆或熔積成型技術，是通過融化材料并將其再固化成型來實現的。材料（如熱塑性塑料、非晶系金屬、可食用材料等）經高溫融化成液態，經過噴嘴擠壓成許多球狀小顆粒，顆粒在噴出遇冷后立即固化，固化的小顆粒按照模型數據轉換為切片數據排列，最終形成實物[7]。噴嘴可以在水平和垂直方向上移動。目前FDM技術非常靈活，可以用于制作精度要求不高的成品。該技術的缺陷是，打印過程受溫度和支撐力影響不能打印弧度較大的成品。目前所用的材料有丙烯睛-丁二烯-苯乙烯、聚乳酸、聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯乙烯等。

1.5 立體光刻成型（Stereolithography，SLA）技術

該技術是計算機控制紫外光對光敏樹脂為原料的固液交界表面進行掃描，被掃描區域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層。材料（液體樹脂）是放在一個經過定位校準的平臺上，光從盛有液體材料的下側穿出，成品放在液體上側，通過向上移動固定好的成品，每次移動的距離為一個層厚的距離，以便固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態樹脂，然后用光進行掃描加工，如此反復，直到整個成品制造完畢[8]。該過程是利用光聚合反應完成的，一般采用紫外光，光斑直徑<0.15 mm。成品打印完成后，取下成品，并將其完全浸沒在相關化學浴中，并用超聲波清洗劑輕微振動，去掉表面的原料液，之后放入紫外線烘箱中進行光固化。該過程的優點是成品表面光潔度高，成品的支撐容易移除。

2 3D打印在口腔醫學研究領域中的應用

2.1 3D打印技術在口腔頜面外科領域的應用

3D打印技術在口腔頜面外科領域中可以用于打印頜面缺損部位修復體、手術個性化導板、手術固定裝置等。金屬3D打印技術促進了硬組織外科植入手術的設計和制造，如口腔頜面部缺損可以利用3D打印上頜骨、下頜骨、眼眶骨、鼻骨、耳骨等修復體；顴骨骨折錯位愈合手術可以利用3D打印的個性化導板進行定位；頜面部創傷修復手術可以利用3D打印的鈦板固定相關贗附體等[9]。該過程先對頜面部骨折或外傷的患者進行CT掃描，掃描后將獲得的數據存儲為DICOM格式，然后導入Mimics軟件中，利用分割及重建等功能，設計出三維解剖模型。將設計好的三維數據導入3D打印處理軟件中進行設計，并利用3D打印設備制作出人體骨骼部件成品，整個過程不需要任何膠水或粘結劑[10]。

2.2 3D打印技術在口腔修復領域的應用

3D打印技術在口腔修復領域中可以用于打印不同的修復體。計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）技術多以切削為主，這種方式不但造成材料的浪費，也使得制作的修復體種類單一，而且不可以批量生產。快速成型技術可以基于CAD數據，進行增材制作，完成口腔修復領域中的CAM過程，該過程可以同時加工多個金屬冠[11]。此外，還可以打印不規則形狀、尺寸和表面粗糙度要求不同的修復體。

2.3 3D打印技術在口腔種植領域的應用

3D打印技術在口腔種植領域中可用于種植外科導板的制作，具有操作簡便、定位精準等優點。種植牙是指以植入骨組織的下部結構為基礎來支持、固位上部牙修復體的缺牙修復方式。種植牙可以獲得與天然牙功能、結構及外觀十分相似的修復效果，已經成為越來越多缺牙患者的首選修復方式[12]。為了精確確定種植體類型、尺寸、植入位置和角度，需要設計并加工制作種植導板，以將設計轉到實際手術中。種植過程需要先對患者進行CT掃描，然后利用軟件進行骨骼、神經、血管等組織的三維模型重建，并根據病人的骨骼及神經條件，設計種植體種植的位置。模擬測量種植體與下齒槽神經的間距，留出安全距離，模擬演示種植體在牙槽骨的位置，生產種植導板的三維設計數據，利用3D打印技術，打印出具有個性化設計特征的種植導板[13]。

2.4 3D打印技術在口腔正畸領域的應用

3D打印技術在口腔正畸領域中可用于打印個性化舌側托槽。正畸治療主要是通過各種矯正裝置來調整面部骨骼、牙齒以及頜面部的神經及肌肉之間的協調性，最終使患者的口頜系統平衡、穩定和美觀。通過錐形束CT（CBCT）掃描儀和牙頜模型掃描儀獲得牙齒數據，在CAD軟件上設計個性化舌側托槽，然后采用SLM技術打印與患者牙齒的舌側面精密吻合的舌側托槽，再通過轉換托盤直接將托槽粘接在預先設計的位置上[14]。該技術可以消除傳統舌側托槽需要依賴粘接劑厚度補償的弊端[15]。

3 結論

3D打印技術可以制造個性化的產品，最大限度地發揮材料的特性。該過程方便、快捷、原材料利用率高，能夠滿足口腔醫學領域上復雜的個性化要求，并快速制作出成品。但是，該技術的實現不僅對原材料的種類、成分、特性有一定的要求，還需對成型過程中的材料變化有嚴格的控制，對材料的物理性能、化學性能、生物學性能仍需進一步研究。隨著3D打印技術的進步，數字化口腔醫學的技術探索及發展將成為最有前景的領域之一。

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Application of 3D Printing Technology in Stomatology

YANG Hui-fang, ZHAO Jian-jiang, WANG Yong
Center of Digital Dentistry, Peking University School and Hospital of Stomatology; National Engineering Laboratory for Digital and Material Technology of Stomatology; Research Center of Engineering and Technology for Digital Dentistry, Ministry of Health, Beijing 100081, China

This paper introduced the background, technical classification and characteristics of the 3D(Three Dimensional) printing technology, and described its research and development in the fi eld of dentistry. This technology could make up the shortcomings of the traditional manufacturing model, and would become an important part in the development of digital dentistry.

three dimensional printing; computer-aided design; dental restoration; dental implantation; orthodontics

R78

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.05.019

1674-1633(2015)05-0063-03

2014-12-16

2015-03-13

國家863計劃課題（2013AA040801）。

作者郵箱：yhfyanghuifang@126.com。