結構設計對三維打印樹脂牙列模型尺寸穩定性的影響

趙艷芳,辛海濤,李 愷,羅慧聞,盧國徽,吳玉祿

隨著口腔數字化技術的發展,使用口內掃描技術獲取患者牙列信息,將其導入數字化建模軟件中創建牙列模型,隨后打印樹脂模型逐漸成為臨床患者牙列模型制取的常規方式。相比傳統石膏模型,三維打印樹脂模型具有強度高,耐磨性好,易于復制等優點。研究結果表明,三維打印樹脂牙列模型準確性較好,可應用于臨床[1-2]。目前牙科三維打印樹脂模型較常用的是立體光固化技術(stero lithography apparatus, SLA)、數字化光處理技術(digital light procession, DLP)[3-4]。SLA技術采用液態光敏樹脂進行逐點掃描固化,由點到線再到面的方式成型。DLP技術采用數字光處理器照射光固化樹脂,直接以面疊加方式成型,因此DLP打印技術比SLA效率更高[5-6]。DLP打印技術還具有簡便性等優勢。臨床上推薦使用實心樹脂牙列模型設計,有時為了節省時間和降低成本也會采用空心模型設計[7]。然而,較少有學者關注結構設計對三維打印樹脂牙列模型尺寸穩定性的影響。本研究采用DLP打印技術,通過評估馬蹄形實心、馬蹄形空心模型設計對三維打印牙列模型遠期尺寸穩定性的影響,為臨床三維打印樹脂牙列模型的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要實驗材料與設備

上頜完整牙列標準石膏模型(日進齒科材料有限公司,中國),牙科模型樹脂(GV-Model 1,維視醫療信息科技有限公司,中國)。桌面光固化三維打印機(Wisdom1,維視醫療信息科技有限公司,中國);3Shape D900模型掃描儀(3Shape 公司,丹麥);3Shape Dental System(3Shape公司,丹麥); Geomagic Studio 2014(Geomagic,美國);Skymen超聲波振蕩器(潔盟,中國);數據統計分析軟件SPSS 25.0(IBM公司,美國)。

1.2 不同結構類型的牙列模型的設計與打印

將上頜標準牙列石膏模型使用3Shape D900模型掃描儀進行掃描,獲得標準數字牙列模型(“.stl”格式),其文件導入到3Shape Dental System設計軟件,設計兩組不同結構類型的數字化模型:馬蹄形實心模型、馬蹄形空心模型(圖1)。將Wisdom1三維打印機校準后,使用牙科模型樹脂材料,每組打印5個樹脂牙列模型,打印層厚為0.05 mm,打印方向180°,共打印10個牙列模型。模型打印完成后,按照打印機說明操作的方法,將打印模型放入超聲波振蕩器進行28 ℃以內清洗3 min。然后用壓縮空氣吹干模型,放入波長為405 mm的LED光源隔水光固化機,時間控制在10 min,去除支撐,并對支撐點進行打磨和拋光。打印完成的模型保存在20 ℃、50%濕度的條件下,同時避免陽光直射。

1.3 不同結構設計的上頜牙列模型的偏差分析

將打印完成的10個牙列模型分別在第1、2、3、5、7、14、21、28天,使用3Shape D900模型掃描儀對模型進行掃描,得到的數據以“.stl”格式保存,并導入到Geomagic Studio 2014軟件,在多邊形階段,相應的原始設計模型作為參考, 選擇左右中切牙的近

A:馬蹄實心模型牙合面;B:馬蹄實心模型底座設計;C:馬蹄空心模型牙合面;D:馬蹄空心模型底座設計。

圖1 不同結構類型的上頜牙列數字模型
Fig.1 Digital models of maxillary dentition with two structural designs

中切點、兩側尖牙牙尖,左右第一磨牙的近舌、遠頰尖共8個參考點,在掃描后的數字模型也選擇相同的8個參考點,設計模型與打印模型掃描數據依次進行多點對齊、最佳擬合對齊。為了消除基底變形引起的偏差影響,使用同一三維平面對各數字模型進行裁剪,以刪除模型基底到牙齦邊緣的頂端區域。將裁剪后剩余的牙列部分進行最佳擬合對齊,最后進行偏差分析,獲得配準后設計的標準牙列模型和打印模型偏差的均方根值(root mean square, RMS),表示兩者的平均三維偏差。同時生成表示偏差分布的色階圖。

1.4 統計學分析

連續資料經正態性檢驗,滿足正態分布,采用均數±標準差表示。采用t檢驗進行組間比較,統計分析使用SPSS統計軟件(IBM SPSS Statistics,版本25.0,IBM Corp,美國),P<0.05認為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 不同結構設計上頜打印模型的偏差分析

本研究運用DLP打印技術,不同結構設計上頜樹脂打印模型隨著時間的推移發生的形變情況是不同的。偏差分析云圖結果顯示,馬蹄實心組打印模型在第1～7天時,大部分區域為綠色,整體精度較高。在第14～28天時,雖然前牙切端及后牙腭側小部分區域為負偏差淺藍色,但大部分區域呈現綠色(圖2)。

圖2 28 d內馬蹄實心組上頜打印模型的偏差云圖Fig.2 3D deviation analysis of the horseshoe-shaped solid models within 28 days

馬蹄空心組偏差云圖顯示,模型打印后第1天,磨牙腭側小部分區域為淺藍色, 這表明空心組牙列模型發生了局部向內收縮,但大部分牙列區域為綠色,整體精度較高。打印第2～7天開始,前牙切端、后牙腭側及牙尖表現為負偏差的淺藍色區域,后牙中央窩表現為正偏差的淺黃色區域。第14～28天,隨著放置時間的延長,牙位越靠后,顏色越深并且范圍逐漸擴大,表明偏差逐漸增大。前牙區域顏色變化不明顯,表明該區域形態較為穩定(圖3)。

圖3 28 d內馬蹄空心組上頜打印模型的偏差云圖Fig.3 3D deviation analysis of the horseshoe-shaped hollow models within 28 days

2.2 不同結構設計上頜打印模型的尺寸穩定性

馬蹄實心組28 d內的偏差范圍為(31.41±4.29)μm到(36.38±3.99)μm,馬蹄空心組28 d內的精度范圍為(57.36±7.66)μm到(97.64±27.14)μm,結果均小于100 μm。說明兩種設計的三維打印樹脂模型精確度均較好,馬蹄實心組的精度優于馬蹄空心組。馬蹄實心組28 d內的精度結果與第1天比均無統計學差異(P>0.05),說明馬蹄實心設計的三維打印樹脂模型尺寸穩定性好;馬蹄空心組第7天開始,精度結果與第1天比存在統計學差異(P<0.05),表明馬蹄空心設計的三維打印樹脂模型,7 d內尺寸穩定性好,7 d后尺寸穩定性下降。隨著存儲時間的延長,馬蹄空心組牙列模型偏差逐漸增大,相比打印完成當天,牙列模型發生明顯收縮與翹曲變形。具體的RMSE值及P見表1。

表1 不同結構設計上頜打印牙列模型隨時間推移的均方根值Tab.1 RMSE value of the dental models made with two structural designs over time μm

3 討 論

三維打印樹脂技術能夠構建幾何形狀復雜的對象,且成型快、精度高[8-9],已應用于口腔醫學的多個領域,如外科模型、種植導板、咬合板、透明矯治器,以及臨時修復體的制作等[10-13]。SLA和DLP是口腔臨床中常用的三維打印技術[3-4],本研究使用了Wisdom1打印設備,屬于DLP打印機。一般來說,DLP技術比SLA技術更高效、更快。這是因為SLA采用動態激光束對液態光敏樹脂進行逐點掃描固化,由點到線再到面的方式成型。而DLP采用數字微鏡裝置(DMD)投影紫外光分層圖像對液態光敏樹脂進行固化,由于投影儀可以一次曝光整個層,直接以面疊加方式成型[14]。

以往研究表明三維打印樹脂牙列模型的精度可能受到各種因素的影響,包括打印機工作環境、打印技術、打印參數設置、打印模型的結構設計及樹脂類型及特性等[15-17]。然而,聚合收縮是光固化打印樹脂的弱點,會導致內部產生內應力,造成打印物件表面不平整,甚至翹曲等問題[15]。由于三維打印樹脂在大多數應用中幾乎都是純樹脂,沒有摻入填料,其收縮率更為顯著。本研究中所用的牙科模型樹脂都是在相同的DLP打印系統和加工條件下打印的,樹脂材料的組成或其性能(流動性、收縮率和機械性能)將影響三維打印樹脂模型的精度。

另外不同的口腔治療項目,三維打印的樹脂牙列模型在達到精度要求的前提下,還需要在一定時間內保持尺寸的穩定性。如固定義齒修復時,牙列模型需要使用1～2周制作修復體,而正畸治療過程中,牙列模型需要更長時間保持形狀穩定[16-17]。因此,研究三維打印樹脂牙列模型的尺寸穩定性對口腔臨床工作具有重要意義。

本研究通過對不同結構設計的三維打印樹脂模型進行偏差分析,評估了馬蹄實心、馬蹄空心設計的上頜打印模型28 d內的形變情況。結果顯示兩種結構設計的三維打印牙列模型28 d內偏差小于100 μm,均能滿足臨床需求[7,18]。這與李志文等[16]研究的結果一致,其評估SLA技術三維打印馬蹄實心牙列模型的尺寸穩定性,第28天時不同單位牙列模型的三維偏差均未超過0.1 mm。然而,李志文報道在第28天時,牙列模型相對于打印完成當天發生了明顯形變(P<0.05)。這與本研究中馬蹄實心組28 d內的精度結果與第1天比均無統計學差異(P>0.05),其長期穩定性良好的研究結果不同,原因可能是本研究中三維打印機設備及其參數設置,三維打印樹脂的類型等因素與其不同。

馬蹄空心組偏差云圖顯示,在打印后第1天后牙腭側已經出現負偏差的淺藍色,表示后牙腭側出現收縮。這可能是因為光固化樹脂材料的特性,可聚合單體樹脂在光聚合過程中可能會發生收縮,并影響整體精度[19]。從第2天開始,馬蹄空心模型前牙切端、后牙腭側及牙尖出現淺藍色區域,表示負偏差,而后牙窩溝區為表示正偏差的淺黃色。形變方向相反的原因是樹脂固化過程中的向心聚合收縮特性[20],以及這兩個區域的形態特征共同決定的。雖然牙尖及后牙腭側與窩溝內都是凹面,但收縮方向相反。先前的研究[21-22]也對這種現象做出了類似的解釋。隨著時間的推移牙列樹脂模型尺寸會持續發生變化,其原因在于高濃度的光引發劑允許光敏樹脂在紫外線照射下快速固化,但也會導致初始固化后殘留大量的引發劑,從而需要后聚合以促進固化過程的完成[23]。馬蹄空心模型隨著放置時間的延長,后牙區由淺藍逐漸為深藍,淺黃色到深褐色,前牙區域顏色變化不明顯,形態較為穩定,原因可能是后牙區缺乏橫向桿支撐結構,導致后牙區域形變最大[24]。然而,偏差云圖中顯示的顏色是設置光譜的效果,只代表偏差變化的大致趨勢,不能代表確切的偏差數值。

本研究中馬蹄空心設計的三維打印樹脂模型,第7天開始其尺寸穩定性下降,馬蹄實心牙列模型具有良好的長期穩定性。導致空心、實心樹脂打印模型尺寸穩定性不同的原因,可能是由于可聚合單體樹脂聚合反應發生時會出現收縮的固有現象[15]。樹脂模型發生聚合收縮時內部無任何支撐與填充結構,與實心牙列模型相比,空心結構的牙列模型對收縮和變形的抵抗力較弱[25]。參考國外研究關于中空模型厚度的設計為2～3 mm[7,25-26],本項研究馬蹄空心模型結構設計厚度為2.5 mm,是按照Wisdom1打印機廠家推薦參數設置的,后續尚需研究中空模型厚度對打印樹脂牙列模型精度的影響。

本研究局限性是將側重點放在不同結構設計對上頜牙列模型的尺寸穩定性的影響,因此僅使用了單一類型的三維打印機、光固化設備和光聚合物樹脂。三維打印技術、樹脂材料類型、后固化時間、打印后儲存時間和儲存條件等因素均可能影響打印樹脂模型尺寸精度和穩定性[17,27],未來的研究應側重于如何提高樹脂打印牙列模型尺寸穩定性。

本研究分析了DLP技術打印的馬蹄實心、空心設計的樹脂牙列模型的尺寸穩定性,第28天馬蹄實心、空心設計的樹脂偏差均未超過0.1 mm,均能滿足臨床需求。馬蹄實心結構設計的打印模型長期穩定性良好,馬蹄空心牙列模型7 d內尺寸穩定性好,隨著時間推移,形變逐漸增大。馬蹄實心設計的樹脂打印模型具有優勢。

利益沖突:所有作者聲明不存在利益沖突。