綜述：3D打印陶瓷技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

來源：中國實(shí)用口腔科雜志

摘要：全瓷修復(fù)體具有良好的生物相容性、美觀性及力學(xué)性能，備受患者青睞，已成為固定修復(fù)的主流方式。以數(shù)控切削成型為代表的減材制造和失蠟鑄造為代表的等材制造工藝發(fā)展成熟，但仍有不足之處。隨著數(shù)字化時(shí)代的到來，運(yùn)用3D打印技術(shù)制造的烤瓷修復(fù)體、可摘局部義齒、種植導(dǎo)板已應(yīng)用于臨床，而3D打印全瓷修復(fù)體尚處于研究階段。文章將簡(jiǎn)要介紹各種3D打印陶瓷技術(shù)的工作原理、研究現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)其發(fā)展進(jìn)行展望。

陶瓷材料因優(yōu)越的美學(xué)效果、良好的生物相容性及穩(wěn)定的化學(xué)性能等優(yōu)勢(shì)在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展迅速。隨著患者對(duì)修復(fù)體美觀性能要求提高，全瓷嵌體、冠、橋修復(fù)體已經(jīng)成為牙體/牙列缺損修復(fù)主流形式［1］。等材制造全瓷修復(fù)體過程繁瑣、耗時(shí)長、效率低。減材制造全瓷修復(fù)體主要采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制作（computer aided design and computer aided manufacturing，CAD/CAM）技術(shù)，其有2種不同的工作方式：（1）直接磨削完全燒結(jié)的陶瓷塊成型修復(fù)體；（2）磨削胚體放大25% ~ 30%的未完全燒結(jié)的陶瓷塊，再高溫?zé)�結(jié)成型修復(fù)體。前者對(duì)磨削刀具的磨損較大，易產(chǎn)生裂紋等缺陷；后者制作過程繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力［2-3］。隨著數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步，以增材制造理念為主的3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，基于該技術(shù)成型的可摘局部義齒鈦支架、種植導(dǎo)板已應(yīng)用于臨床，運(yùn)用3D打印技術(shù)成型全瓷修復(fù)體尚處于研究階段，本文就3D打印技術(shù)成型全瓷修復(fù)體的相關(guān)研究進(jìn)展做一綜述。

1 3D打印技術(shù)的原理及優(yōu)勢(shì)

3D打印技術(shù)又稱增材制造（additivemanufacturing，AM）技術(shù)或快速成型（rapidprototyping，RP）技術(shù)。3D打印技術(shù)是運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)零件的三維數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)控制下，3D打印機(jī)對(duì)材料進(jìn)行分層制造，逐層累加，最后形成三維實(shí)體零件的方法［4］。與傳統(tǒng)制造和減材制造相比，其具有原材料利用率高、降低生產(chǎn)成本、簡(jiǎn)化制作工序、縮短成型時(shí)間、產(chǎn)品高精度、發(fā)展前景廣闊及個(gè)性化等優(yōu)點(diǎn)［5］，運(yùn)用該技術(shù)可制作傳統(tǒng)制造工藝及減材制造技術(shù)難以生產(chǎn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。目前，運(yùn)用該技術(shù)制作的可摘局部義齒、金屬全冠、種植導(dǎo)板已應(yīng)用于口腔修復(fù)學(xué)領(lǐng)域［6-7］；然而，與相對(duì)成熟的3D打印金屬及高分子材料技術(shù)相比，3D打印技術(shù)在牙科陶瓷修復(fù)體成型領(lǐng)域方面尚處于起步階段［8-9］。

2 光固化快速成型技術(shù)

2. 1   立體光刻技術(shù)（stereo lithography apparatus，SLA）   在20世紀(jì)80年代初期，SLA由國外學(xué)者查爾斯·赫爾（CharlesHull）提出［10］。SLA的成型過程如圖1所示，其利用特定波長與強(qiáng)度的紫外線激光束，依據(jù)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)逐點(diǎn)地照射陶瓷漿料使其固化，由點(diǎn)到線，由線及面，完成一個(gè)層面的打印后，工作臺(tái)下降一層的高度，再重復(fù)上述過程，直至部件初步制作完成；然后將部件置于燒結(jié)爐中進(jìn)行脫脂、燒結(jié)等處理，最終獲得實(shí)體零件［11-12］。

SLA是目前研究最為深入、最具有臨床應(yīng)用潛能的一種3D打印技術(shù)，其發(fā)展較為成熟，原材料利用率高，整體成型過程穩(wěn)定，可以打印出具有細(xì)小特征的高性能陶瓷件，燒結(jié)后可得到高致密度的陶瓷部件，理論密度可達(dá)99%［12］。Jiang等［13］用SLA制作氧化鋯陶瓷試件，彎曲強(qiáng)度達(dá)到了539.1 MPa，該強(qiáng)度能夠滿足大部分固定修復(fù)義齒的要求。Zhou等［14］研究表明，運(yùn)用SLA制作的氧化鋯陶瓷試件的密度達(dá)到99.3%，彎曲強(qiáng)度為1154 MPa，成型精度為40 μm，可以滿足臨床需求。有部分學(xué)者運(yùn)用Geomagic Qualify軟件和硅橡膠復(fù)制法對(duì)切削及SLA打印的氧化鋯全瓷冠精度及適合性進(jìn)行比較，三維偏差分析及體視顯微鏡測(cè)量結(jié)果表明，SLA成型的氧化鋯全瓷冠的精度和適合性符合臨床要求［15-16］。

綜上所述，SLA打印的牙科陶瓷修復(fù)體具有表面質(zhì)量佳、高密度、高精度及力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)。然而，該技術(shù)成型陶瓷部件尚需支撐設(shè)計(jì)，且需要再燒結(jié)等后處理，制作成本較高。盡管SLA仍然存在一些待解決的問題，但就其目前的研究狀況而言，其制作的氧化鋯全瓷修復(fù)體有望應(yīng)用于臨床并進(jìn)行深入研究。

2. 2 數(shù)字光處理技術(shù)（digitallight procession，DLP）

DLP是由Nakamoto等［17］在1996年通過實(shí)體掩模提出的，是SLA的一個(gè)分支，兩者原理基本相同；不同的是DLP運(yùn)用數(shù)字顯微鏡元件裝置，使用面光源［18-19］。見圖2。

DLP可用于制造具備高分辨率及復(fù)雜形狀的陶瓷零件。Osman等［20］用DLP制作個(gè)性化氧化鋯全瓷種植體，使用掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀和共聚焦顯微鏡分析陶瓷表面形貌、晶相結(jié)構(gòu)和表面粗糙度，發(fā)現(xiàn)其表面存在0.196~ 3.3 μm的裂紋和氣孔，晶相為典型的釔穩(wěn)定四方相氧化鋯（Y-TZP），打印精度均方根（RMS）值為0.1 mm，抗彎強(qiáng)度接近傳統(tǒng)生產(chǎn)的陶瓷。結(jié)果表明，運(yùn)用DLP制作的氧化鋯種植體具有足夠的尺寸精度及力學(xué)性能；然而，其仍存在裂紋及氣孔等缺陷，尚需要進(jìn)一步優(yōu)化打印工藝參數(shù)，改善打印部件的微觀結(jié)構(gòu)。Baumgartner等［21］使用DLP打印出符合密度要求、孔隙率低的二硅酸玻璃陶瓷單冠，其機(jī)械性能及美觀性能滿足口腔修復(fù)學(xué)的臨床需求，但陶瓷漿料的沉降穩(wěn)定性及數(shù)字光處理陶瓷制作工藝的簡(jiǎn)化尚需要進(jìn)一步研究。

近幾年，奧地利維也納LITHOZ公司將DLP商業(yè)化，并稱為LCM（lithography based ceramic manufacturing）［22］。Borlaf等［23］運(yùn)用該公司CeraFab 7500型陶瓷3D打印機(jī)制備氧化鋯陶瓷試件，研究結(jié)果顯示其制備的陶瓷燒結(jié)件的相對(duì)密度可達(dá)到99.1%。Schweiger等［24］使用LCM制作了氧化鋯全瓷冠（圖3），并進(jìn)行染色上釉；結(jié)果表明，與數(shù)控銑削相比，其制作的冠邊緣菲薄且咬合面窩溝點(diǎn)隙清晰，降低了微裂紋發(fā)生率。

總而言之，DLP具有成型速度快、打印精度高且力學(xué)性能良好等優(yōu)點(diǎn)，但仍然面臨分層、微裂紋等問題，陶瓷漿料的制備、成型工藝參數(shù)優(yōu)化及陶瓷生坯脫脂燒結(jié)后處理等需要進(jìn)行深入研究，使用DLP制作氧化鋯全瓷修復(fù)體值得嘗試。

3 選擇性激光燒結(jié)/熔化技術(shù)

3. 1  選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（selective laser sintering，SLS）   

SLS是在成型平面上均勻地平鋪一層一定厚度的陶瓷粉末材料，在計(jì)算機(jī)的控制下，按照截面輪廓，利用激光束熔化陶瓷粉末中的粘接劑，對(duì)粉末層進(jìn)行燒結(jié)。當(dāng)該層掃描完畢后，將平臺(tái)下移一層，重復(fù)上述步驟，最終制成陶瓷生坯［25-26］。見圖4。再通過去除粘接劑、殘余粉末、再次燒結(jié)等后處理，方可獲得最終陶瓷試件。

查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)可知，由于陶瓷材料熔點(diǎn)較高，SLS激光器功率較低，致使陶瓷粉末需要粘接劑輔助成型，并進(jìn)行后處理獲得零件，加工步驟繁瑣［27］。部分國外學(xué)者通過改變陶瓷粉末組成、選擇性激光燒結(jié)參數(shù)、后處理等方法提高陶瓷試件密度，最終將SLS制作的陶瓷試件密度提高到92%［28-29］。Chen等［30］以3Y-TZP/MgO/環(huán)氧樹脂復(fù)合粉末為原材料，采用SLS制作陶瓷生胚，結(jié)合冷等靜壓技術(shù)致密，1500 ℃燒結(jié)，獲得抗彎強(qiáng)度為（279.5 ± 10.5）MPa且相對(duì)密度為（86.65 ± 0.20）%的陶瓷試件；同時(shí)，使用該技術(shù)制作了全瓷冠。Ferrage等［31］通過實(shí)驗(yàn)確定一定的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)密度為96.5%、良好精度及機(jī)械強(qiáng)度的氧化鋯陶瓷試件的重復(fù)制造。

綜上，SLS具有無需支撐系統(tǒng)、成型速度快、原材料利用率高且可使用材料廣泛等優(yōu)點(diǎn)；然而，其最終的成品強(qiáng)度低且致密度欠佳，需要通過浸滲、等靜壓、高溫煅燒等后處理工藝提高其致密度及強(qiáng)度。目前，該技術(shù)后處理工藝尚處于研究發(fā)展階段，不夠成熟，嚴(yán)重影響該技術(shù)進(jìn)一步的研究及應(yīng)用。

3. 2 選擇性激光熔化技術(shù)（selectivelaser melting，SLM）   

SLM的工作原理與SLS相似，但其成型材料為不添加任何粘接劑的單一陶瓷粉體，采用Nd∶YAG激光束直接高溫?zé)�熔陶瓷粉體實(shí)現(xiàn)陶瓷的固化成型，無需后續(xù)致密化處理［32］。見圖5。

SLM制作口腔全瓷修復(fù)體具有一定的潛能和優(yōu)勢(shì)：高功率CO2激光器產(chǎn)生的高能量密度致使陶瓷粉末實(shí)現(xiàn)液相燒結(jié)，速熔速凝的加工方式細(xì)化陶瓷晶粒，提高陶瓷零件力學(xué)性能。然而，世界范圍內(nèi)關(guān)于SLM制作口腔全瓷修復(fù)體的研究尚存在眾多急需解決的問題。Hagedorn等［32］利用SLM制備了Al2O3/ZrO2三單位全瓷固定橋的基底支架，發(fā)現(xiàn)該試件內(nèi)外表面存在大量的微裂紋且粘粉現(xiàn)象嚴(yán)重，力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果差，遠(yuǎn)低于采用數(shù)控切削制備的全瓷固定橋修復(fù)體。Jan等［33］利用SLM技術(shù)制備ZrO2/Al2O3全瓷固定橋，未經(jīng)過燒結(jié)和后處理工藝，密度已經(jīng)幾乎可達(dá)到100%、抗彎強(qiáng)度為500 MPa；但固定橋表面質(zhì)量欠佳，粗糙度較大，精度較差。Liu等［34］研究了不同掃描速度、激光功率及預(yù)熱溫度對(duì)制備氧化鋯陶瓷樣品微觀結(jié)構(gòu)、密度、收縮變形的影響，結(jié)果表明，Nd∶YAG激光器在10 mm范圍內(nèi)高溫預(yù)熱至1500、2000、2500 ℃時(shí)，將陶瓷樣品的相對(duì)密度提高至84% ~ 91%。

SLM無需支撐結(jié)構(gòu)且對(duì)原材料利用率高，但其成品表面粗糙、質(zhì)量差、精度不佳，且存在粘粉及微裂紋等問題。分析可知，CO2激光束進(jìn)行局部熱輸入將產(chǎn)生較高溫度梯度，致使局部應(yīng)力較大，易產(chǎn)生微裂紋。目前尚未掌握該技術(shù)制作陶瓷的最佳預(yù)熱和燒結(jié)溫度，且成型工藝及后處理技術(shù)等方面仍存在諸多難以解決的問題，還沒有成為實(shí)際應(yīng)用的方法［35］，該技術(shù)有待進(jìn)一步突破。

4 直接噴墨打印技術(shù)

直接噴墨打印技術(shù)（direct Inkjet printing，DIP）是在計(jì)算機(jī)控制下，采用熱或壓電技術(shù)，將陶瓷粉末、粘接劑、分散劑、表面活性材料及其他輔助材料混合配置的“陶瓷墨水”，從噴嘴中間斷性地噴射到基板上，形成陶瓷零件生胚，再經(jīng)過脫脂燒結(jié)等后處理最終成型陶瓷試件［36-37］。見圖6。

DIP因其液滴大小及沉積速率的可控性，可以制備高分辨率及高精度產(chǎn)品，最小的成型尺寸僅為幾十微米［38］。Ebert等［39］用DIP制作陶瓷試件和單冠，燒結(jié)后的試件相對(duì)致密度達(dá)96.9%，彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性與冷等靜壓成型的氧化鋯相當(dāng)，但可觀察到冠表面存在孔隙缺陷。Özkol等［40-41］采用DIP制作彎曲強(qiáng)度為763 MPa的陶瓷試件，并對(duì)DIP成型全瓷修復(fù)體的可能性進(jìn)行研究分析，證實(shí)該技術(shù)的精確性可達(dá)到毫米級(jí)別，使用浸漬法可獲得相對(duì)密度為96%的陶瓷試件，抗彎強(qiáng)度可達(dá)到843 MPa；有限元分析研究證實(shí)，DIP全瓷固定橋在咬合狀態(tài)下的最大拉應(yīng)力為340 MPa。2013年，Özkol［42］總結(jié)了氧化鋯基陶瓷漿料的配制方法，生產(chǎn)出相對(duì)密度為97%的氧化鋯全瓷冠修復(fù)體，然而并沒有對(duì)全瓷冠的精度及適合性行進(jìn)一步研究。

綜上，DIP是制造氧化鋯全瓷修復(fù)體的一種有前景的技術(shù)，其制作的全瓷修復(fù)體致密度較高且力學(xué)性能尚可；但該技術(shù)仍存在許多未攻克的技術(shù)難點(diǎn)，包括陶瓷墨水配比參數(shù)不定、穩(wěn)定性不佳、噴嘴易發(fā)生堵塞等問題，尚需進(jìn)一步完善。

5 小結(jié)與展望

3D打印技術(shù)所體現(xiàn)的增材制造理念與傳統(tǒng)方式完全不同，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型、一體化制造、降低成本和縮短工藝周期方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，基于口腔全瓷修復(fù)體制作的SLA，展現(xiàn)出巨大的臨床應(yīng)用潛力，運(yùn)用該技術(shù)制作口腔全瓷修復(fù)體的研究處于體外試驗(yàn)階段，尚未有臨床試驗(yàn)的報(bào)道。雖然已有學(xué)者用國外設(shè)備和材料進(jìn)行了立體光固化成型氧化鋯全瓷修復(fù)體的可行性研究，并對(duì)其成型精度與適合性進(jìn)行分析，但以臨床應(yīng)用為方向的工藝探索仍存在許多問題亟需解決。這些問題包括：改進(jìn)光固化快速成型算法及文件格式；優(yōu)化工藝參數(shù)，避免熱效應(yīng)引起的變形，進(jìn)一步提高打印速度與打印精度；解決支撐設(shè)計(jì)問題，避免去除時(shí)損傷零件；優(yōu)化脫脂燒結(jié)工藝，解決致密度不足、尺寸偏差等問題；縮短后處理時(shí)間。隨著3D打印陶瓷制作工藝的發(fā)展及突破，基礎(chǔ)及臨床應(yīng)用研究的深入，3D打印全瓷修復(fù)體有望實(shí)現(xiàn)臨床標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用，改變傳統(tǒng)的全瓷修復(fù)體制作模式。