3D打印在口腔正畸領域的應用進展

許嘉寧,金作林,劉 佳

三維(three-dimensional,3D)打印又稱增材制造,源于1986年美國科學家Charles Hull發明的立體光固化成型技術(stereolithography,SLA),是一種以數字模型文件為基礎,以光敏樹脂、粉末狀金屬、陶瓷、塑料、橡膠等為原料的實物快速成型技術。3D打印可制作個性化和結構復雜的產品,在小規模生產時成本更低[1-2]。因此,3D打印技術自問世以來就被廣泛應用于工業設計和制造等領域。口腔正畸使用的器械大多精細小巧,3D打印契合了其個性化強、精度高、結構復雜的需求,日益受到關注并被研究應用。

1 口腔正畸常用3D打印技術

1.1 立體光固化成型

SLA是最早實際應用的3D打印技術之一,由液態光敏樹脂槽、模型構建平臺和紫外線(ultraviolet,UV)激光器組成。打印開始后,構建平臺浸入樹脂槽,激光束移動并固化樹脂,一層完成后構建平臺移動一定距離(即一層打印厚度),未固化樹脂覆蓋前一層并重復上述過程,直至打印完成。在SLA技術中,平臺有自上而下和自下而上兩種移動方法,自下而上移動可避免氧干擾,且樹脂可自動灌裝,大多數SLA打印機都使用了該方法[3]。SLA的不足是:打印完成后,需進行紫外光照射以使材料完全固化,后固化會使模型收縮,導致精度下降[4]。

1.2 數字光處理(digital light processing,DLP)

DLP原理與SLA相似,原料均為光敏樹脂,最大的區別是兩者所用光源不同,DLP使用來自投影儀的UV光,打印時光源保持靜止,一次可固化整個樹脂層。相較SLA,DLP打印速度更快。但和SLA相同,DLP同樣存在后固化與模型收縮問題[1,5]。

1.3 聚合物噴射成型(PolyJet)

PolyJet是噴墨技術和SLA的結合,打印時噴頭將光聚合物原料的微小液滴噴射到構建平臺上,然后進行紫外光固化。不同于SLA和DLP只能在打印過程中使用單一材料,PolyJet能夠在打印過程中添加多種不同的樹脂,滿足各部位對材料性能的不同要求[6];且完成后無需后固化,打印精度高[1]。但PolyJet成本較高[7],限制了它在臨床中的應用。

1.4 熔融沉積建模(fused deposition modeling,FDM)

FDM又稱熔絲制造(fused filament fabrication,FFF),工作時噴頭水平移動,通過擠壓將其中的熱熔性材料送出,待擠出的材料與上一層完全結合后,噴頭上移,進行下一層打印。FDM的最大優勢是材料成本低廉,但對于復雜模型,較長的打印時間、表面紋理不夠清晰、移除支撐材料困難是其技術限制[8]。

1.5 選擇性激光融化(selective laser melting,SLM)

SLM以高分子粉末、陶瓷粉末、金屬粉末等為材料,激光束按一定路徑照射工作臺上的粉末,使其完全融化繼而凝固,完成后平臺下降,重復鋪粉和燒結直至打印完成。SLM加工的金屬致密度高,力學性能良好,但制作的產品表面質量不高,需要大量后處理,且成型過程中熱應力、組織應力、殘余應力的產生易導致制件翹曲變形或出現裂紋[9]。

2 3D打印在口腔正畸中的應用

目前3D打印已被用于制作牙頜正畸模型、個性化正畸裝置(如唇側托槽和舌側托槽[10]、無托槽隱形矯治器、透明保持器)、微型種植體手術導板、間接粘接托盤、下頜前移夾板、咬合板等。

2.1 牙頜正畸模型

在正畸治療中,牙頜正畸模型必不可少。傳統技術通過獲取患者上下牙頜的硅橡膠印模,再制成石膏模型,但模型笨重、易損壞、難以與其他牙科專業人員交流共享且需要大量物理存儲空間[4]。隨著包括口內數字掃描儀、三維掃描儀和錐束計算機斷層掃描(cone beam computed tomography,CBCT)在內的數字技術普及,可通過直接掃描患者口腔,間接掃描石膏模型或印模獲取數據,構建三維數字模型,需要時經3D打印獲得實物模型。三維數字模型克服了上述不足,而且可即時傳輸與訪問、能進行治療模擬、利于醫患溝通、沒有磨損變形。

在實際應用中,還需評估3D打印實物模型的準確性,判斷其是否能用于臨床。一般認為0.2至0.5 mm的誤差范圍是臨床可接受的[5,11]。鑒于每個無托槽隱形矯治器使每顆牙齒平均移動0.25～0.30 mm[12],因此3D打印實物模型若要用于隱形矯治器的制作,則誤差需小于0.25 mm,絕大部分研究采用這一標準[7,12-14]。學者研究證實SLA、DLP、PolyJet和FDM制作的錯牙合模型均可用于臨床,其中PolyJet精度最高,FDM精度最低。在技術選擇時,需考慮應用目的、打印時間與成本。若用于制作隱形矯治器,則PolyJet較FDM擁有更好的正畸力;在擁擠牙弓中,價廉的SLA與DLP打印模型均符合小于0.25 mm的標準[13]。

在使用SLA或DLP打印模型時需注意底座設計,馬蹄形底座會導致顯著的橫向收縮,可通過在后部增加連接桿來糾正[4,13]。當需要著重考慮打印的精度、時間和效率時,正確選擇構建角度和層高非常重要。Ko等[13]發現構建角度和層高對模型精度有顯著的交互影響,推薦以30°或60°構建模型。

2.2 熱塑性矯治器

2.2.1 無托槽隱形矯治器

因佩戴不易察覺更美觀舒適、有利于保持口腔衛生、治療持續時間短、椅旁時間少,無托槽隱形矯治器被迅速普及應用。傳統方法通過牙齒模型間接壓膜制作隱形矯治器,制作完成后還需人工剪裁、打磨,增加了生產時間與人工成本,而且熱塑性工藝還會使材料性能發生改變。Bucci等[15]的研究顯示,與壓膜膜片的初始厚度相比,熱塑性工藝降低了隱形矯治器的厚度及其厚度均勻性,而厚度與均勻性則影響矯治器施力和治療結果。3D打印制作則克服了上述問題,且產生的廢棄物遠低于熱塑性工藝,更環保[16]。根據隱形矯治器的特性及其對材料性能的要求,以透明樹脂為原料的光聚合3D打印是最佳選擇。Boyer等[14]和Edelmann等[17]使用Dental LT和Grey V4制作隱形矯治器,證實了可通過 3D 打印直接制作不同厚度的隱形矯治器,但成品相較設計模型厚度增加,且在前牙功能面存在過度堆積區。這無疑影響其臨床應用。顯然,通過3D打印直接制造隱形矯治器在技術上可行,但缺少符合要求的打印材料,打印軟件也有待改進。不過,Lee等[18]發現,光聚合樹脂制造商Graphy公司最新研發的名為TC-85的新型3D打印生物相容材料,相較于非交聯型聚合物的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PETG),擁有更強的柔韌性、更大的彈性范圍、更慢的力衰減、更好的形狀記憶性且在高溫下仍具有幾何穩定性,用于制作隱形矯治器有更好的適配性和顯著優勢,但還需進一步研究其力學性能并進行臨床試驗。除了材料的突破,3D打印設備的研究也有所進展。Tsolakis等[19]的研究顯示,Graphy公司最新推出的名為Tera Harz的3D打印設備能使光固化樹脂聚合更完全,或可解決3D打印隱形矯治器厚度增加的問題。因此,3D打印直接制作隱形矯治器正逐漸成為可能,但使用各類熱塑性材料在模型上壓膜仍是目前制成隱形矯治器的主要方法。

2.2.2 透明保持器

佩戴保持器是預防正畸治療后復發的一個重要因素。在眾多保持器中,透明保持器因其美觀、對發音影響小、異物感輕等優點受到青睞。與隱形矯治器相同,透明保持器目前也只能在石膏模型或3D打印模型上壓膜制作。目前市場上沒有可用于直接3D打印透明保持器的樹脂,Cole等[20]使用Dental LT制作透明保持器,但材料的不合適使其與傳統真空成型保持器和商用保持器相比偏差大。學界沒有明確透明保持器的臨床可接受誤差范圍,大多研究者都以隱形矯治器為參照,選擇0.25 mm作為標準[21]。對利用SLA、DLP、cDLP和PolyJet四種3D打印技術制作的透明保持器,研究顯示其總體誤差均小于0.25 mm,但在前牙區,3D打印的保持器與參考模型差異很大[20]。

因此,要通過3D打印制作精準的透明保持器,新材料的出現或打印材料的改進必不可少。EnvisionTEC公司宣布一種可用于保持器的新型樹脂E-Ortholign正在研發[22]。一旦通過監管程序,將推動3D打印透明保持器的臨床驗證與應用。

2.3 間接粘接托盤

因具有定位托槽準確性高、椅旁時間短、患者舒適度高、減少唾液污染等優點,間接粘接托盤被廣泛應用于口腔臨床。與傳統制作不同,數字間接粘接通過掃描獲得數據重建三維數字模型,并在模型上定位托槽,設計轉印托盤,無需物理模型作為中介,直接打印獲得成品托盤。3D打印制作減少了傳統制作過程中的弓絲彎制環節,使托槽基座在臨床粘接前不接觸黏合劑,降低了粘接失敗風險,減少了托槽調整次數且便于向患者展示3D治療計劃[23]。Plattner等[24]發現雖然數字化間接粘接托盤的總制造時間高于傳統托盤,但技術人員操作時間明顯縮短。因此,當考慮人員成本時,3D打印是一種更好的選擇。

3D打印間接粘接托盤體外放置托槽的準確性已得到初步研究證實[6,25]。但同期一項臨床研究發現3D打印間接粘接托盤放置的托槽在角度方面(轉矩角、軸傾角和旋轉)存在一定不足,造成這一結果的原因還需進一步研究[26]。相較于傳統制作方法,3D打印間接粘接托盤已表現出一定優勢,但還需更多的臨床研究進行完善,以確保其口內轉移托槽的準確性。

2.4 咬合板

咬合板的傳統生產方式復雜且耗時,但隨著計算機輔助設計/計算機輔助制造(CAD/CAM)技術的引入,結合銑削工藝實現了咬合板制作的自動化。與之相比,3D打印制作不僅能創建更復雜的模型結構和滿足個性化定制要求,而且耗材少效率高。Grymak等[27]和Marcel等[28]的體外研究表明3D打印咬合板不會破壞牙釉質,其精度和安全性也得到了驗證。CAM-銑削和傳統咬合板常用聚甲基丙烯酸樹脂(PMMA)制作,主要缺點是殘留單體的毒性,包括致突變性、遺傳毒性、細胞毒性、胚胎毒性[29]。SLA咬合板內的殘留單體可以經短時間的后沖洗去除[30];3D打印咬合板生物相容性較好,生理狀態下無細胞毒性[29]。

學者研究發現,在材料特性和磨損情況上,3D打印的咬合板與CAM-銑削和傳統制作的咬合板相比,仍存在差異。Berli等[31]發現相對于熱成型和銑削樹脂,SLA樹脂具有較低的抗彎強度和硬度、較高的吸水性、更易老化。與銑削和傳統材料相比,3D打印材料耐磨性更低[27]。打印機參數設置和構建角度均會對咬合板機械性能產生影響,構建角度對不同3D打印材料耐磨性的影響不盡相同,制作過程中需根據材料進行調整[27]。考慮到粗糙度和拋光后光澤度,45°為材料Dental Clear和Free Print2.0的最佳構建角度[32]。咬合板制作完成后,要注意控制后沖洗時間,沖洗時間過長會使咬合板抗彎強度降低[29],影響臨床應用。3D打印咬合板優勢明顯,但尚需更佳的打印材料并改進設計與制作工藝,以提高產品性能。

2.5 微型種植體導板

在正畸治療中,支抗控制是關鍵一環,而通過植入和移除微型種植體已成為臨床上控制支抗的重要方法。但因植入環境復雜,不準確的植入定位會導致穿孔或脫落,常需微型種植體導板輔助,以提高植入成功率和植后穩定性,并避免對相鄰正常結構的損傷。結合CBCT與口內或光學掃描圖像,可通過3D打印制備微型種植體導板,而且還可根據需要在設計時添加特殊結構以方便使用[33]。3D打印導板輔助植入的準確性在臨床研究中已得到證實[33-34]。

需要注意的是,在植入過程中,導板會與血液接觸,術前需滅菌或消毒處理。Pop等[35]比較了消毒(4% gigasept)和高溫滅菌對DLP和SLA正畸微型種植體導板機械性能的影響,推薦使用消毒的方式進行術前處理。

2.6 下頜前伸類口腔矯治器

持續正壓通氣(CPAP)是治療阻塞性睡眠呼吸暫停(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome,OSAHS)的金標準,但部分患者不易接受。對輕中度OSAHS患者或不能耐受CPAP治療者,下頜前伸類口腔矯治器(mandibular advancement device,MAD)是一種有效的替代療法。MAD傳統制作的關鍵是取模、記錄前移距離和垂直開口量并將這些記錄轉移到牙合架上,取模會給患者帶來不適,印模材料、石膏材料和丙烯酸樹脂之間尺寸變化的不一致會導致成品的不匹配[36],咬合關系記錄或轉移時的微小偏差更會導致制作失敗。采用3D打印制作MAD則不存在上述問題,并能實現個性化精確設計,減少椅旁時間和操作步驟。

Piskin等[37]用口內掃描儀獲取數字化牙弓與頜間關系,將數據傳輸到虛擬牙合架后,使用軟件中的正畸模塊進行虛擬設計,最后以丙烯酸樹脂為原料,通過3D打印制作MAD并獲得良好療效。Lee等[38]通過3D打印個性化定制了CPAP口鼻面罩與MAD結合的組合矯治器,使患者舒適度和療效均得到提高。

2.7 擴弓裝置

上頜橫向發育不足(maxillary transverse deficiency,MTD)是一種臨床常見的錯牙合畸形,上頜擴弓是治療MTD的經濟有效的方法。近年來隨著微種植釘輔助快速擴弓(miniscrew assisted rapid palatal expansion,MARPE)和手術輔助快速擴弓(surgically assisted rapid palatal expansion,SARPE)技術的發展,上頜擴弓適用人群不再有嚴格的年齡限制,醫生可根據患者的年齡、骨骼發育水平、CBCT觀察到的腭中縫成熟程度采取不同的擴弓方式[39]。通過口內掃描、CBCT、CAD/CAM結合SLM設計,3D打印制作擴弓裝置,包括MARPE和Hyrax矯治器,在治療中取得了良好的擴弓效果[40-42];Cozzani等[43]制作的適用于乳牙列和混合牙列的改良Haas型矯治器(HIRME),無需取模且黏固簡單。全數字化流程提高了患者舒適度、減少實驗室時間[41],而且使得醫生可設計制作個性化的連接體和更加合適的帶環[43],以提供更好的治療。由于技術限制,擴弓器尚未通過3D打印的方式制作,而是在SLM擴弓器金屬支架制作完成后,將成品擴弓器焊接至支架上。還需進一步研究,以實現制作全程數字化。

3 結 語

近幾年的國內外研究表明,與數字化緊密結合的3D打印技術以其顯著優勢在口腔正畸領域中的應用正悄然興起,其中3D打印牙頜正畸模型、微型種植體導板、下頜前伸類口腔矯治器、咬合板已成功用于臨床,新材料的出現使3D直接打印制作隱形矯治器不再遙遠。但仍有一些問題尚需進一步研究或驗證,如確保間接粘接托盤口內轉移托槽的準確性、可用于3D打印透明保持器的新型樹脂、擴弓器的3D打印,其中材料研發是亟待解決的難題。此外口腔3D打印技術也需完善提高,如改進SLA、DLP打印后處理方式,提高SLM、FDM打印成品的性能,降低PolyJet打印的成本。隨著應用研究的深入、3D打印技術的提高、打印材料的迭代升級及成本的降低,3D打印在口腔正畸領域的應用必將更為深入廣泛,也必將帶來口腔正畸器械制作的全面變革。