基于ZBrush 2019的3D打印在牙齒和骨骼領域的應用

馮星宇　孫巧君　韓小波　郭瓊　馬凱

摘? 要：使用ZBrush 2019技術，根據目標的特性、參數、材料進行建模，設計出一顆完整的右側上頜中切牙、上肢肱骨，并結合臨床上已有的技術來探討3D打印牙齒模型在臨床上的應用前景，設計出的3D打印牙齒和骨骼模型還原度較高，可用于臨床模型使用和稀有病理牙齒形態模型的展示與操作等，但該3D打印產品和臨床上數字化打印出的烤瓷牙冠相比較仍有不足之處，需后續完善改進。

關鍵詞：3D打印;ZBrush 2019;牙齒;骨骼;臨床應用

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）05-0135-04

Application of 3D Printing Based on ZBrush 2019 in the Field of Teeth and Bones

FENG Xingyu1，SUN Qiaojun2，HAN Xiaobo1，GUO Qiong3，MA Kai1

（1.School of Medical Information and Engineering of Xuzhou Medical University，Xuzhou? 221004，China;

2.School of Stomatology，Xuzhou Medical University，Xuzhou? 221004，China;

3.School of the First Clinical Medical，Xuzhou Medical University，Xuzhou? 221004，China）

Abstract：Using ZBrush 2019 technology，according to the characteristics，parameters and materials of the target，a complete right maxillary middle incisor and upper limb humerus were designed，and the clinical application prospect of 3D printing teeth model was discussed by combining with the existing clinical technology. The 3D printing teeth and bone model designed have a high degree of reduction，which can be used in clinical model use and rare pathological tooth shape However，there are still some shortcomings between the 3D printing product and the clinical digital printing PFM crown，which need to be improved.

Keywords：3D printing;ZBrush 2019;teeth;skeleton;clinical application

0? 引? 言

每個人牙齒的大小、根管的變異性和復雜度、與周圍牙齒所處的相對位置不同，都存在著個性化的差異，難以通過機械批量生產，所以在進行牙齒修復的過程中存在著一定的困難。傳統的口腔牙體修復通過手工制作牙齒模型，但由于其不可量產、制作周期長且復雜、精準性不高等問題，現已經不能滿足時代的發展需求。在骨骼移植方面亦是如此，目前尚缺乏可以進行批量生產和仿真度較高的人造骨骼作為植入體，于是3D打印技術應運而生。

隨著時代的不斷進步，3D打印技術得到迅速發展，在眾多領域逐漸體現出它卓越的優勢，在口腔科和骨科中更是發揮著無法比擬的作用[1]。3D打印技術打印出的實體模型可以替代部分人工制造、機械制造產品。現如今，已在制作單一牙齒的基礎上制作牙套;通過改進牙套材料和制作方法制作隱形牙套的產品;制作出隱形鼻梁架，在與人面部貼合的基礎上，既增加鼻梁高度，也減少眼鏡、外物對鼻梁的壓迫而產生的不適感。產品的個性化治療和精確度方面得到了質的提升，醫生也從不相關的矯正義齒模型設計等工作中解放出來[2]。本文基于江蘇省2019年大學生創新創業訓練計劃項目和基礎醫學國家級實驗教學示范中心（徐州醫科大學）資助項目，通過ZBrush 2019進行模型繪圖，進行3D打印在牙齒和骨骼領域的臨床應用研究，嘗試用3D建模軟件進行精準的3D打印牙齒模型的展示與操作。

1? 材料和方法

1.1? 3D打印材料的比較與選擇

綜合各種3D打印材料，考慮使用光敏樹脂、尼龍兩種材料作為此次的打印材料。光敏樹脂由于其光固化快速成型的優點，備受3D打印行業青睞，它還具有高強度、高耐熱性、防水性[3]，能夠模擬從類橡膠到透明材料在內的多種材料特性，提高產品逼真度。尼龍有著優秀的耐久性、韌性，十分耐用，打印出來的模型帶有一些顆粒感，同時層間粘合力較好，無支撐，幾乎不需要后處理。

1.2? 3D建模軟件的分析與使用

在此次實驗中，使用ZBrush 2019這款真實仿手工雕塑的3D數學建模工具[4]，擁有杰出的性能和簡潔的操作，它的出現完全打破了過去傳統三維設計工具的工作方式，創作者使用鼠標來操作ZBrush 2019的筆刷工具，描繪出自己想象中的形象并把它以3D的形式呈現在電腦屏幕上。

1.3? 牙齒打印參數的選擇

在進行牙齒打印前，首先對人體右側上頜中切牙的外觀、基本結構、組成進行了解，然后再結合牙齒的實際結構和人工制作假牙的方式進行操作建模。牙齒的基本組成由圖1所示。接下來將參照這個牙齒的實際結構進行繪圖建模。

臨床上為病人制作牙冠時，首先需要掌握這個牙齒的所有相關數據，現在一般的方式是通過儀器掃描并結合醫生的修復調整來達到使患者舒適的狀態，但精準性仍然存在不足。而基于ZBrush 2019技術打印出的牙齒是按照上頜中切牙的蠟塊雕刻方法，根據樣本數據進行精準等比例繪圖、建模、打印，可以彌補醫生人工修復不精準的問題。樣本數據如表1所示。

2? 利用ZBrush 2019進行牙齒建模設計過程

2.1? 建模

對上頜中切牙有了足夠的了解后，利用ZBrush 2019根據實物的數據、特性，用筆刷繪出實物的模型。筆刷是進行繪圖最重要的工具之一，通過筆刷可以改變模型某一片區域的位置，使圖形某一塊區域向外突出或者向內凹下的，不同的筆刷可以呈現出不同的繪制效果，最基本的筆刷有光滑筆刷（Smooth）、標準筆刷（Standard）、移動筆刷（Move）、磨光筆刷（Polish）、切口筆刷（Slash）等。用鼠標來控制ZBrush 2019的立體筆刷工具，根據不同的需要選擇不同類型的筆刷。牙齒模型繪圖中用到了標準筆刷（Standard）、光滑筆刷（Smooth）、移動筆刷（Move），具體繪圖過程如下：

首先，打開ZBrush 2019軟件，點擊燈箱按鈕，選擇一個基本模型作為建模雛形。本設計使用了cube.ZPR（正方體）模型作為初始雛形，在這個模型基礎上進行相關操作。點擊生成PolyMesh3D（多邊形網絡）工具后，選擇功能欄中的“移動軸”或者“縮放軸”或者“對稱軸”按鈕，將模型進行等分裁剪后變成長方體。在繪圖過程中需注意，可以通過移動、旋轉、平移、放大、縮小等操作，并確保始終將模型位于界面正中央，圖形如圖2所示。

接著，確定上頜中切牙的唇面觀和舌面觀。選定左側面為唇面觀，右側面為舌面觀，點擊功能欄中的“移動軸”或者“縮放軸”或者“對稱軸”按鈕，再點擊齒輪形狀的“自定義”，于TransformType界面中選擇變形器，然后利用變形器的變形功能，垂直地切除近中面和遠中面多余的模型部分，初步形成唇面和舌面。變形操作后模型如圖3所示。

其次，標出近中面外形線，進行舌面和遠中面的雕刻，從垂直方向去除唇、舌面多余部分，將立方體粗略打磨，完成輪廓外形，本操作主要使用了Smooth筆刷（按住鍵盤上的shift，切換成Smooth筆刷），該筆刷可以使模型的棱角變得平滑。

最后，為了更符合人體真實牙齒，本模型在細節方面又進行了調整，首先選擇恰當的材質營造更合適的色覺感受，點擊工具菜單中的材質Material按鍵，本文使用的是MatCup Sculpy材質，使得牙齒顏色與真實牙齒更加相似，然后使用Smooth筆刷，將牙齒的上方進行凹陷處理。此外，鈍化牙齒的棱角，切緣處水平，遠中處傾向舌側一端，在牙齒各面略微進行線條勾畫，近中切角略顯直角，遠中切角圓鈍一些。模型制作完成后，選擇“另存為”，將所繪模型保存在相應文件夾中，文件自動保存為STL文件。最終模型如圖4所示。

2.2? 切片與打印

切片處理是3D打印機打印出實體產品進行參數設置的準備過程，切片將之前設計的3D數字模型變成可識別的路徑，概括來講就是把模型均分為厚度相等的數層，并且得出打印機在打印每一層時通過的路徑。

3D打印機和普通打印機的工作原理類似，區別在于3D打印機在打印前需要得到一個數字模型，如STL、STP、IGS等格式的模型文件。選擇合適的打印材料，將文件導入打印機并編輯打印參數，之后材料便會“分層制造，逐層疊加”[5]，層層打印出來。

3? 針對3D打印技術在骨骼方面的設計

運用上面繪制上頜中切牙模型的方式，同樣可以制作各種骨骼，比如利用ZBrush提供的cube.ZPR基礎模型，選用的SkinShade4材質球，使用Standard筆刷、Smooth筆刷。繪制出的肱骨各方位視圖如圖5所示。

4? 3D打印牙齒模型形態仿真性評估

ZBrush 2019最初設計的牙齒模型草圖如圖6所示，主要用于模型打印測試，打印材質為光敏樹脂。圖7是實際打印出來的牙齒，牙齒參數：長：62 mm，寬：51 mm，高：76 mm。從形態、大小、應用性分析此牙齒，該牙齒形態不符合真實牙齒，且牙齒偏大，尚且只能用于普通牙齒模型使用與展示。

可以推測，圖4打印出來的模型，外觀、大小、形態均與真實牙齒十分接近，在顏色方面更接近真實牙齒[6]，可初步用于臨床使用和稀有病理牙齒形態模型的展示與操作等。

4.1? 創新思想

產品的需要日益趨向個性化，結合3D打印技術的發展趨勢來看，3D打印產品更具有DIY定制的優勢，而獨特的3D建模繪圖軟件——ZBrush 2019有全面的功能和清晰的操作流程，正好是能讓設計者自由創作的3D作品工具，利用ZBrush 2019設計3D產品的優勢將愈發明顯。

試想未來某天，其構造得到改進，如果將電子芯片插入其中，做到防止可拆取式假牙的遺失，針對中老年健忘市場，就可以實現定位功能。考慮打印材料的基礎聚合物的添加，摻入活性化學物質，如抗菌鹽的使用，利用無菌或抗菌3D打印植入物，使其變成抗菌牙齒、抗臟牙齒。

4.2? 應用上的局限性

第一，因為原材料緊缺成本、價格制約及種類的限制[7]，3D打印材料在生物相容性方面還有待提高，需要提高與人體的適應度與匹配度。第二，受限于3D打印機技術問題，模型表層相對容易打印，一些要求精細的或者在內部有著特殊要求的產品，相關技術還有待突破。第三，3D打印進入臨床使用需要還先需獲得醫療注冊證，缺乏專業技術人才，由于缺乏相應的標準，難以推廣使用[2]，3D打印產品在臨床上的應用還有一段路要走。

5? 結? 論

基于ZBrush 2019的3D打印技術可以在牙齒和骨骼的臨床領域中發揮了巨大作用。由于個性化定制的特點，可以高效地建模打印，有效縮短了治療周期，其次，患者的滿意度和舒適度提高的同時[8]，減少病人等待時間，根據其可視化的方案，本設計雖精確度不足，但可以提供稀有病理牙齒形態模型的展示與操作，為臨床醫療工作帶來了極大的便利，提高醫務工作者的工作效率。在不遠的將來，3D技術將不僅僅應用于牙齒和骨骼的臨床領域，更將為整個臨床應用帶來革命性的突破與發展。

參考文獻：

[1] DAWOOD A，MARTI B M，SAURET-JACKSON V，et al. 3D printing in dentistry [J]. British Dental Journal，2015，219（11）：521-529.

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[3] 杜宇雷，孫菲菲，原光，等.3D打印材料的發展現狀 [J].徐州工程學院學報（自然科學版），2014，29（1）：20-24.

[4] 李園，文海，張雪.ZBrush數字雕刻軟件在電腦首飾設計中的應用 [J].寶石和寶石學雜志，2017，19（1）：48-53.

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[7] 余冬梅，方奧，張建斌.3D打印材料 [J].金屬世界，2014（5）：6-13.

[8] 花超超，張榮和.3D打印在口腔正畸臨床診療中的應用進展 [J].口腔醫學研究，2019，35（9）：833-836.

作者簡介：馮星宇（1998-），男，漢族，江蘇淮安人，本科在讀，研究方向：3D醫學打印;通訊作者：馬凱（1972-），男，漢族，江蘇徐州人，教授，博士，研究方向：醫療大數據分析處理、3D醫學打印。