【解析】3D打印在牙科技工領域的應用范圍和材料要求

3D打印在技工領域的應用也在不斷地提升，許多制造商都能提供相應的打印設備，其中高能量光照要么通過光固化成型（stereolithography）技術要么通過DLP 技術（Digital Light Processing 數(shù)字光處理）來固化液態(tài)材料。牙科模型、必要的可摘牙齒代型甚至可摘的人工牙齦、鑄造支架熔模、種植導板、墊、個別托盤、暫時性修復體和義齒基托，針對這些應用方面都可以在市場上找到相應的供應商。本文將概述上述應用的范圍，并提出相應的要求，探討可用材料的優(yōu)勢和劣勢，以及牙科技師使用它們可以實現(xiàn)什么樣的修復可能。

自IDS（德國科隆國際口腔展）2015之后，3D打印也在技工領域成為了一個重要的趨勢，但并不是每一個趨勢最后都能達到成功。增材制造（additive manufacturing，對于這一制造技術這其實是比較正確的名稱）技術包含了多個組成部分。首先，必須選擇一個打印機。大多數(shù)情況下，牙科技師所需要的設備較小而不昂貴，并且使用的也都是光固化樹脂材料。下面雖然不是一個完整的列表，但也包含了大部分目前牙科市場上所出現(xiàn)的打印設備：Varseo 打印機（BEGO）、SHERAeco 打印系列（SHERA）、相同構造的D30 和D40（Rapid Shape）、pro3dure-fab 系列（dentona）、相同構造的Kevvox打印機系列、LukaPrint、Objet30和Objet260（Stratasys） 以及Xtreme、Xcede、Ultra 和其他EnvisionTEC 打印機。

其中大部分打印機采用的是DLP技術（Digital Light Processing數(shù)字光處理）。這種處理方式的速度非常快，因為它是對一整個表面進行光照，而不是像傳統(tǒng)的光固化成形技術（stereolithography）那樣采用逐點光照的方式。但是這種方法也存在弱點：一方面，固化的部分懸吊在打印平臺上，最新一層完成的固態(tài)樹脂必須與液槽底面分離并粘接在上一層成型的樹脂層上。在這種情況下產生的力會導致打印結構的缺陷。另一方面，打印區(qū)域的大小以及在這個過程中的分辨率也是有限的。一個較大的打印區(qū)域會造成精度的損失。不過，對于一個技工室而言這個大小還是能夠滿足其需要的。至于模型打印，需要打印機具有較大的打印區(qū)域和其他方法，例如使用Prodways 公司（法國）的設備。

這類技工室專用的小型打印機所使用的光固化材料，將在本文更加詳細地被再次介紹，因為它們是這個系統(tǒng)第二個組成部分。第三個也是最后一個組成部分是過程，這其中除了打印還包括打印件的清潔和后固化過程。

牙科技師所購買的3D打印機并不昂貴，但是它們到底應該用于哪些領域？必須使用什么樣的打印樹脂？如果仔細觀察，就會發(fā)現(xiàn)應用在各個領域的要求有著很大的不同。這也是為什么制造商要提供非常全面的樹脂產品，用于打印模型、甚至帶有可拆卸的模仿牙齦部分、可燃盡的鑄造支架熔模、手術（種植）導板和各種墊、個別托盤、臨時義齒、甚至義齒基托。

這里，首先要區(qū)分醫(yī)療器械產品和技工室材料：作為醫(yī)療器械產品，對于個性化產品需要對材料進行測試和批準。而對此會有相關的規(guī)定，可參閱醫(yī)療器械法和醫(yī)療器械規(guī)定。在上述應用中，只有前兩個是技工室產品。

對于患者而言醫(yī)療器械產品必須是安全的。因此，臨床適用性和生物相容性是必需的。然而，后者不是材料的性能。此外，正確的處理過程與其備受贊賞的應用一樣重要。因為生物相容性是基于材料和生物體之間的相互作用。在這些樹脂包裝瓶上可以看到它們不是不危險的。你會發(fā)現(xiàn)幾個不同的警告。感嘆號代表會存在一般的健康威脅，例如皮膚和眼睛刺激或過敏反應。但有些材料會被認為是對環(huán)境有害和有腐蝕性的，甚至是對健康也有損害。在安全數(shù)據(jù)表中，應該描述危害并建議相應的保護措施。所有的這些危險都由單個組分（通常是單體、低聚物、引發(fā)劑和添加劑）所引發(fā)。它們應該在安全數(shù)據(jù)表中被明確提及。

只有當原料通過照射進一步形成聚合物，即復合材料之后，才不會造成危險。為了確保這一點，材料與工藝要一起被批準，這才能夠確保臨床應用所需的機械性能，這些都應該在產品說明書中被描述。如果牙科技師，無論出于何種原因無法獲得相關信息，那么他們就要親自保證，所應用的方法可以得到更安全的產品。目前，如果不同材料的制造商僅能提供一個安全數(shù)據(jù)表，但在使用說明書中存在其他的危害，就會違背法規(guī)中所規(guī)定的，要確保在工作中達到最大的安全性的初衷。

下面將介紹各種應用情況，并詳解在處理后必須要達到何種材料特性。

牙科模型
一個打印模型（圖1）必須提供如同常規(guī)石膏模型一樣的功能：它必須高精確度地反映患者的口腔狀況。此外，根據(jù)目前模型的用途，它需要在壓膜時能夠承受住一定的溫度。有些用于制作冠和橋修復體的模型還帶有可拆卸的單顆牙齒代型。這些代型需要單獨打印，在應用時能夠非常精確地復位。而這樣的精度首先依賴于打印機的質量，其次還受到樹脂的粘度和反應性，以及打印過程的影響。除了精度外，對于熱穩(wěn)定性沒有更高的要求。對于一些用戶來說顏色也是非常重要的。大多數(shù)的顏色位于象牙和淺米色色調之間，但也有灰色材料。另外，足夠的不透明度也很重要，以便可以看清楚表面的細節(jié)。

SHERA提供了兩種材料，一種用于快速打印正畸模型（SHERAprint-model fast）；另一種用于打印滿足美學要求的模型（SHERAprint-model plus）。這兩種材料在組成成分方面也有所不同。類似的還有NextDent的兩種模型材料—NextDent Model 和NextDent Model Ortho。其中后者是一種比較不精確的材料，主要被推薦用于真空鑄造中。Dreve公司同樣也提供了兩種樹脂。然而，它們之間差異卻表現(xiàn)在其他方面：一種用于光波長為405nm 的打印機，另一種樹脂則在365nm 波長的光照下固化。

牙齦模擬
在牙科技工室的模型上牙齦模擬部分（圖2）也被稱作是人工牙齦，可以以最好的方式來模擬牙齦。對此，打印材料不僅要具有相當?shù)膹椥裕�而且還要能夠被修剪。為了確保牙齒就位，它必須具有良好的抗拉強度，同時也要有足夠的撕裂強度。這是兩個完全不同的性質：

抗拉強度或者斷裂伸長率以百分比形式來表示，代表了拉伸程度，也就是在何種程度下材料開始斷裂。而撕裂強度代表了一種相反的力，是指單位面積上所需要的進一步破壞切口樣品的力。斷裂伸長率需要拉伸材料，使得牙齒能夠就位并在開口處穩(wěn)固就位。但是，如果該材料出現(xiàn)了裂紋，那么撕裂強度就要阻止人工牙齦被完全撕斷。對于這種牙齒代型對牙科模型和人工牙齦產生的壓力，Dreve ProDiMed GmbH 獲得了一項專利（EP2499990，US8506297 和JP2012196456），因此如果使用Dreve 的材料，就需要申請許可。

鑄造支架熔模

這里將要討論的是最后一個技工室產品— 鑄造支架的熔模（圖3） 。同樣的，如同牙科模型一樣，這也是一個非常普遍的應用。這種方法以類似的方式長期以來被應用在首飾制作中：在獲取患者的口內情況后，在電腦上進行支架的設計，然后再打印出來。去除支撐部分后，將樹脂熔模包埋。

在用熔融的金屬進行鑄造時，樹脂熔模在短時間內被燃盡無殘留。在這里，形成較大量的氣體，這可能會導致在澆鑄材料內出現(xiàn)裂縫，所以也同樣需要用金屬填充。在最壞的情況下，整個過程必須被重復進行。因此，對于材料也就提出了非常不同的要求：要盡可能地降低在聚合過程中產生的收縮，因為這會使樹脂件產生應力，并造成復合材料熔模的變形（圖4）。不過這可以通過巧妙地利用支撐結構來抵消。

該材料的可熔融行為必須是已知的 – 殘留物或氣體的形成與熔融金屬接觸是不可接受的。并且，該材料還必須有足夠的強度，以避免在包埋時發(fā)生變形。精度是所有牙科應用的基本要求。BEGO 推出的材料VarseoWax CAD/Cast 具有很高的生坯強度。因此，可以不需要進行后固化，這提供了節(jié)省時間的優(yōu)勢。盡管如此，還是建議進行后固化。此外，所使用的包埋材料還要與這種打印樹脂相匹配。

種植導板

在這里所描述的一系列應用中所涉及的首先是醫(yī)療器械產品，它被歸為I 類產品，因為它要與機體相接觸，因此該材料的生物相容性是必要的。

在使用過程中，要不能產生有害的成分，例如未反應的單體或者引發(fā)劑進入到患者的唾液內或黏膜上。如果在聚合時，（后）光固化時間過短，使用了錯誤的波長或者光固化設備（后固化）的功率過小，都會造成聚合不充分，進而產生上述危害。然而，光照時間過長，卻可能根據(jù)樹脂組成成分的反應而導致變形，特別是很多種植導板都需要覆蓋整個牙弓，這也意味著相對就會產生更大的變形。

這類材料應當是透明的，以便于外科醫(yī)生能夠更好地觀察手術部位（圖5）。另一方面，通常還是希望能夠與牙齒和牙齦形成一定的顏色對比，例如：SHERAprint-sg 和NextDent SG 為橙色（ 在這種情況下，它們可能是由相同的材料制成）（圖6 中的導板圖片由Dreve 提供）以及BEGO Wax Surgical Guide（蠟外科導板）呈藍色。這些材料必須足夠硬，以便能夠牢固地固位在牙齒和頜骨上，以及固定住引導預備鉆的套環(huán)。這方面的應用對機械性能的要求并不是很高。引導環(huán)需要很高的精度，因為偏差可能會導致種植體與預備的種植床不吻合3。而這恰恰是可以通過導板避免的。因此，該導板在患者口內就位要穩(wěn)定而無晃動。而且種植導板的引導環(huán)也不能晃動。因此，所需要的孔要盡量小，盡管通過手操作會意味著更多的付出。導板能夠達到的精度由打印機、打印過程和樹脂來決定。

使用種植導板時可能會接觸到血液。因此它們最好是無菌的。為了這個目的，在放入引導環(huán)之后，要進行消毒或滅菌。如果采用蒸汽滅菌法，可能會產生熱應力，這可導致變形，也會造成機械性能的變化。而用環(huán)氧乙烷（EO）進行消毒時，如果還存在自由雙鍵，在某些情況下有毒氣體會與材料結合。由此會影響到材料的特性。因此，如果用EO 滅菌就必須要確保，可能被合成材料吸收的環(huán)氧乙烷在使用前要被釋放出來，而這需要一個較長時間的存放。通過β- 或者γ 射線進行的放射滅菌法，可持續(xù)地影響所有的合成材料（除了PEEK 和PPS），因為通過高能量輻射可以使鍵斷開或者重新連接。這通常會導致脆裂，也會影響精度和生物相容性。因此，建議最好用乙醇進行消毒—快速、高效、無害。

牙合墊
牙合墊需要承受很高的咬合力。其中磨牙牙合墊恰屬于要求很高的一種應用。因此，這方面的推廣需要更長的時間，直到真正開發(fā)出適合的材料�？梢韵胂�，利用增材制造技術制作這些墊的市場需求會非常高。因此，曾經采用了種植導板材料來制作墊，當然，結果是令人失望的。除了足夠的強度外，材料的高延展性（>10% 是最小值）以及足夠的沖擊韌性（>15 千焦耳／平方米）也是必不可少的，這些特性可以避免墊的斷裂。銳利的斷緣對患者也是一個高風險的危害。牙合墊的耐磨性尤為重要。由于牙合墊不需要長期戴在口內，所以屬于I類醫(yī)療器械產品。然而，停留時間和由此產生的潛在風險還是要高于種植導板的。出于美觀性的原因，以及為了能夠替代真空壓膜技術，需要所應用材料要能具有很高的透明度。特別是對于患者需要較長時間佩戴的牙合墊，還希望制造商能夠提供一種合適的修補材料，目前這種修補可能性也正處于測試當中。

另外，牙合墊支撐部分的密合性也很重要：牙合墊的組織面是不能被改變的，但是可以對它的外面進行打磨修整。NextDent 除了提供了NextDent Ortho Splint 外，還推出了另一種材料NextDent Ortho Rigid。這種材料不僅硬度大，而且還具備略高的抗沖擊性。但是這種材料像OrthoDentSplint一樣不是無色的。有趣的是，NextDent 的所有材料都被歸為Ⅱa 類產品。IIa 類醫(yī)療器械產品具有中度的潛在風險。在這種情況下，它們就無法像義齒或者牙齒充填物那樣，可以無限制地戴在口內。

對于某些應用來說，柔軟的、高彈性的牙合墊更為適合。在壓膜技術中對此使用了如EVAL等的復合材料。這類材料的彈性模量處于1000MPa的范圍，相反延展性卻為20%。對于這方面的應用，NextDent是唯一的供應商，其提供的材料名稱是NextDent Ortho IBT，它也被申請應用于正畸方面。

個性托盤

針對這方面的應用，幾乎所有的制造商都能夠提供相應的材料。利用增材制造技術制作的這類托盤，可以完成更為復雜的幾何形狀（圖7）。雖然這也涉及到醫(yī)療器械產品，但其要求因與患者的接觸時間短而比較低。如同對種植導板的描述，完全固化對個別托盤來說也尤為重要，因為托盤必須有足夠的硬度，即使印模材料具有很高的粘附力也不會折斷。因此，托盤柄足夠穩(wěn)定的設計是非常重要的。同樣重要的還有硅橡膠（或其他印模材料）對托盤的粘附。當然，它不能留在患者的口腔內。為了避免不必要地延長治療時間，制作時間短也是非常重要的一點。


暫時性修復體

采用增材制造技術加工冠和橋修復體是其在牙科領域的另一個應用。出于節(jié)省時間的原因，大多數(shù)的牙醫(yī)會以傳統(tǒng)方式為患者進行暫時修復。此外，使用高度填充的材料可以不用擔心患者的咀嚼應用，而上文中（ 至少） 大多數(shù)打印機無法處理這類材料。不過，這類產品已經出現(xiàn)在市場上了，例如：SHERAprintcb，NextDent 公司的CEO Rik Jacobs（ 一位知名的牙科3D 打印樹脂制造商）口內的一個冠修復體就是由NextDent 公司生產的MFH 材料（MFH = 微填充混合材料）制成。該修復體是由荷蘭TNO 研究院的打印機打印而成。除了這種MFH 材料，NextDent 還提供了另外一種用于打印臨時冠橋的樹脂NextDent C&B。其機械性能劣于MFH 材料。NextDent C&B 的抗彎強度是85-100Mpa，而NextDent C&B MFH 為100-130Mpa。傳統(tǒng)的材料，例如FixTemp（Dreve）24小時后的抗彎強度是90Mpa，最終的抗彎強度則是120Mpa。不過這類打印材料的耐磨性還沒有給出測定值。根據(jù)制造商的說明，這些材料可以用標準顏色進行染色。但是根據(jù)作者的經驗，染色會影響樹脂的固化，進而也會影響打印件的生物相容性。

此外，EnvisionTec 公司提供的一種微混合填充材料E-Dent 也用于暫時性修復體的制作。使用這種材料還可以打印貼面。它共有三種顏色可供選擇—A1、A2和A3。填料含量高達約50%（重量比）。因此，有一個特殊的體素逐體素的打印方法，其詳細描述見于使用說明書。在數(shù)據(jù)表中所列出的有關NextDent C&BMFH 的機械性能，還需要進一步明確，并且達到對用于常規(guī)加工的材料所提出的要求。′



義齒基托

在義齒制作方面如果引入增材制造技術（圖8）也會帶來這樣的問題：按照作者的觀點，如果義齒排牙也能夠通過數(shù)字化達到所要求的質量，那么才能真正實現(xiàn)義齒發(fā)展的提速（圖9）。因為目前打印的義齒，還需要配套的人工牙，當然最重要的還是，患者能夠用他的義齒吃飯和說話。但是需要明確制作過程，以及這種材料可以完成什么應用。

首先，生物相容性必須保證一個長期性，也就是義齒可以佩戴很多年。如果析出有爭議的成分，那么這種產品是不能被接受的。但是打印件的優(yōu)點是，從一開始就不包含有甲基丙烯酸甲酯。這種傳統(tǒng)義齒材料的原料含有一種已知的過敏原，很多人都會出現(xiàn)過敏反應。此外，與傳統(tǒng)加工方法相比，這種增材制造技術所產生的收縮也較低。

這些新材料的機械性能必須特別檢查清楚。如果合成材料滿足ISO 20795-1 的機械性能要求（彈性模量>2000Mpa，抗彎強度>65Mpa），但經驗表明還不能確定，在其跌落或修理時是否會折斷。此外，斷裂伸長率（最小10%）和沖擊韌性（>15 千焦耳／平方米，更好的20 千焦耳／平方米）也是有意義的參數(shù)。

另外，義齒的美觀性也是非常重要的，基托的顏色和表面質量對此起到很重要的作用。如果佩戴的舒適度不夠，患者就會不愿意使用義齒。必要時需要對義齒進行重襯，而這要求確保襯墊材料與義齒基托之間形成良好的連接。然而，硅樹脂與硬塑之間的連接也并不簡單：通常需要基于甲基丙烯酸甲酯的粘合劑才能完成粘接。用于增材制造技術的樹脂，一般MMA基的要少于PMMA 基的合成材料。

總結

增材制造技術的潛力已在技工中得到確認。個性化的產品能以極高的精度和脫離個人技能的前提下在短時間內即可加工完成。目前市場上由不同制造商生產的樹脂已經可以在8個不同的領域得到應用。然而，它們尚不能在所有情況下都能達到完全的信服度。因此可以預期，在未來幾年內產品范圍仍會在不斷地被改進和擴展。

目前由市場上的銷售商提供給用戶的文件和支持存在很大的不同。顯然，在互聯(lián)網(wǎng)所能獲取的相關產品文件中，有些只是針對所用材料的安全數(shù)據(jù)表。產品說明書的細節(jié)深度也有很大的不同。盡管用戶可能讀到的是多達8頁的內容，那也未必真正是他們想要了解的信息。

返回到我們的第一個問題，增材制造技術是否能夠讓牙科技師更成功：其貢獻應該是多方面的。每個牙科技工室必須考慮是否自己有足夠加工數(shù)量，以判斷是否值得購買一臺打印機和用于清潔和后固化的設備。另外也不要忘記，對于員工培訓和建立必要的經驗所需要的時間。然而，這些投資可能會為自己的技工室打開更多的可能性，并且提前嘗試一些新的技術。選擇正確的打印機及配套的材料是決定因素，因此在這方面投入的時間和精力不能吝惜。
來源：世界牙科技術
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