綜述：3D打印在齒科應(yīng)用中的幾種工藝

導(dǎo)讀：三維（3D）打印技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)數(shù)字模型來自動創(chuàng)建個(gè)性化的三維物體的先進(jìn)制造技術(shù)。近30年來，它們已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、設(shè)計(jì)、工程和制造領(lǐng)域。三維打印在工藝工程方面有很多優(yōu)勢，在牙科方面的應(yīng)用包括 在牙科的應(yīng)用范圍從修復(fù)學(xué)、口腔和頜面外科、口腔種植學(xué)到正畸學(xué)、牙髓學(xué)和牙周病學(xué)。

近日，南極熊獲悉，來自山東第一醫(yī)科大學(xué)的田樂一等人發(fā)表了一篇關(guān)于3D打印技術(shù)的實(shí)用和科學(xué)概述，它較為全面地介紹了當(dāng)前的3D打印技術(shù)，包括粉末床熔融、光聚合成型和熔融沉積建模等。此外，它還介紹了影響3D打印指標(biāo)的各種因素，如機(jī)械性能和精度。性能和精度。最后一節(jié)對3D打印在牙科的臨床應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，包括 制造工作模型以及在修復(fù)學(xué)、口腔頜面外科和口腔種植學(xué)領(lǐng)域的主要應(yīng)用。三維打印技術(shù)具有材料利用率高和能夠制造單一復(fù)雜幾何形狀的優(yōu)勢。然而，它們也有成本高和后期處理費(fèi)時(shí)的缺點(diǎn)。新材料和新技術(shù)的開發(fā)將是3D打印在牙科領(lǐng)域的未來趨勢，但不可否認(rèn)的是 3D打印將有一個(gè)光明的未來。

論文要點(diǎn)

1）介紹了目前的3D打印技術(shù)，包括粉末床熔合（powder bed fusion，PBF）, 聚合成型技術(shù)（photopolymerizationmolding), 熔融沉積成型（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）

2）介紹了影響3D打印指標(biāo)的不同因素：例如機(jī)械性質(zhì)、精度等；

3）3D打印在齒科中的臨床應(yīng)用總結(jié)，包括工作模型制作、在假牙修復(fù)、口腔、頜鼻甲骨手術(shù)、口腔移植等領(lǐng)域的主要應(yīng)用。

圖：三維（3D）技術(shù)的示意圖。(a) 數(shù)字光處理。(b) 立體光刻技術(shù)。(c) 熔融沉積建模。

根據(jù)不同的工作原理，3D打印可以分為3類：粉末床熔合PBF、聚合成型技術(shù)(光固化)、熔融沉積成型FDM。

表1：3D打印技術(shù)的材料和主要優(yōu)勢。該表顯示了三種3D打印技術(shù)及其分類、材料和主要優(yōu)勢

2.1 粉末床熔融 (PBF)

任何可以被激光輻射燒結(jié)或熔融并且能冷卻固體化的的粉末材料，都適合于激光燒結(jié)或熔融技術(shù)。根據(jù)能量源和粉末材料，PBF可分為下列打印技術(shù)：selective laser melting(SLM),selective laser sintering (SLS), electron beam melting (EBM), directmetal laser sintering (DMLS)。所有這些技術(shù)都是利用熱來融化粉末材料。在齒科，PBF技術(shù)用來制作所有種類的金屬產(chǎn)品。而且，PBF技術(shù)可以用來制作陶瓷修復(fù)體.

SLS和DMLS的操作環(huán)境溫度并沒有達(dá)到材料的熔點(diǎn), 金屬粉末是部分融化的，這就導(dǎo)致形成多孔結(jié)構(gòu)和粗糙的表面。而在SLM過程中，粉末材料在熔點(diǎn)溫度下直接融化。不同于SLM，EBM是利用電子束來融化材料。而且，這兩項(xiàng)技術(shù)都是在純化的惰性氣體氬氣中徹底融化金屬材料。

PBF技術(shù)流程：首先利用滾筒將粉末基材從材料池帶到構(gòu)建平臺上；然后，激光或電子束根據(jù)CAD文件定義的橫截面構(gòu)造選擇性地融化粉末粒子；構(gòu)建平臺依據(jù)打印層的厚度大小下降。依此循環(huán)，直到最終物體成型。

2.2 光固化

光固化技術(shù)包括主要3種SLA, DLP(digital light processing), 和PJ (photo jet). SLA和DLP的打印過程可分為3個(gè)獨(dú)立的過程，曝光、構(gòu)建平臺、樹脂填充。

SLA技術(shù)中，構(gòu)建平臺有2種控制方式：platform-top-down 和 platform-bottom-upapproach.

第一種是top-down，構(gòu)建平臺在樹脂池里浸濕，一層樹脂覆蓋構(gòu)建平臺，當(dāng)激光掃描第一層樹脂后，構(gòu)建平臺向下移動，用輥輪滾刷新的一層樹脂添加到上一層上。一直循環(huán)，直到目標(biāo)物體打印完成。

第二種是bottom-up，構(gòu)建平臺浸沒在樹脂池底部，平臺和底部的間隙只有單層樹脂的厚度，光源放在樹脂池的底部，固化后，平臺向上增加一層的距離，樹脂材料由于重力作用能夠完全地填充平臺與底部的間隙。

bottom-up比top-down有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1. 第二種方法樹脂不直接接觸氧氣，固化時(shí)避免氧阻聚的問題；2. 光源放在底部，減少對操作者的潛在傷害；3. 由于重力作用，樹脂可以自動填充。

圖：用數(shù)字光處理技術(shù)在五個(gè)不同的結(jié)構(gòu)角度下制作牙冠，以研究結(jié)構(gòu)角度對產(chǎn)品的影響。施工角度對產(chǎn)品精度的影響

DLP技術(shù)微系統(tǒng)中，包含矩形排列的鏡子，稱為數(shù)字微反射器，每一片反射鏡代表一個(gè)軸，投影圖像的分辨率取決于反射鏡的數(shù)量。微反射器的角度可以獨(dú)立調(diào)整。光源發(fā)射的光被反射器反射，作為單軸投影到待打印的表面。DLP的優(yōu)點(diǎn)是，整個(gè)一層可以通過單個(gè)光源輻射構(gòu)建。每一層可以獨(dú)立于各自層的形狀或軸的數(shù)量而構(gòu)建，構(gòu)建的時(shí)間可以縮短。

PJ的原理是可聚合噴墨打印。在打印過程中，打印頭沿著X/Y軸移動，“墨水”（光聚合物）噴灑在平臺上，紫外光沿著打印頭移動的方向在構(gòu)建表面固化“墨水”，從而完成一層的打印。然后，桌子沿著Z軸下降一層。設(shè)備重復(fù)構(gòu)建循環(huán)，直到完成打印。

這一技術(shù)最大的特點(diǎn)就是，材料選擇廣泛，熱塑性樹脂、陶瓷、氧化鋯膏狀物等。而且，噴墨3D打印可以在同一位置打印不同的材料，從而形成不同性質(zhì)的物體。

2.3 熔融沉積成型 FDM

FDM在齒科行業(yè)是最流行、最便宜的3D打印技術(shù)。絲狀的熱塑性材料在噴嘴處加熱熔化，在計(jì)算機(jī)的控制下，噴嘴和工作臺在X-和Y-方向各自移動，熔化狀態(tài)的材料從噴嘴處擠出，一層一層堆積，冷卻固化成型。

圖：牙冠修復(fù)體的不同表面光滑度反映了三維（3D）打印和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）/計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）技術(shù)的不同精度。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）/計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）技術(shù)的不同精度。(a) 冠修復(fù)體是用三維打印技術(shù)制作的。(b)使用減法制造技術(shù)制作的牙冠修復(fù)體。

圖：數(shù)字設(shè)計(jì)過程和下頜骨定制托盤的構(gòu)建。(a) 標(biāo)準(zhǔn)的下頜骨無牙頜模型。(b) 掃描石膏后的三維（3D）數(shù)字模型。(c) 修剪模型的邊緣區(qū)域。(d) 在模型上添加把手，形成一個(gè) 托盤。(e) 使用熔融沉積模型打印定制的托盤。(f) 托盤和原始石膏高度兼容。

相關(guān)論文信息：Yueyi Tian, ChunXu Chen, XiaotongXu, Jiayin Wang, Xingyu Hou, Kelun Li, Xinyue Lu, HaoYu Shi, Eui-Seok Lee, HengBo Jiang, "A Review of 3D Printing in Dentistry: Technologies, AffectingFactors, and Applications", 2021.

DOI: https://doi.org/10.1155/2021/9950131