【解析】3D打印在牙科技工領(lǐng)域的應(yīng)用范圍和材料要求

3D打印在技工領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷地提升,，許多制造商都能提供相應(yīng)的打印設(shè)備,，其中高能量光照要么通過光固化成型（stereolithography）技術(shù)要么通過DLP 技術(shù)（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(dǎo)板,、墊,、個別托盤、暫時性修復(fù)體和義齒基托,，針對這些應(yīng)用方面都可以在市場上找到相應(yīng)的供應(yīng)商,。本文將概述上述應(yīng)用的范圍，并提出相應(yīng)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(fù)可能。

自IDS（德國科隆國際口腔展）2015之后,，3D打印也在技工領(lǐng)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(dá)到成功,。增材制造（additive manufacturing,，對于這一制造技術(shù)這其實是比較正確的名稱）技術(shù)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(shè)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(shè)備：Varseo 打印機（BEGO）、SHERAeco 打印系列（SHERA）,、相同構(gòu)造的D30 和D40（Rapid Shape）,、pro3dure-fab 系列（dentona）、相同構(gòu)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(shù)（Digital Light Processing數(shù)字光處理）。這種處理方式的速度非�,？�,，因為它是對一整個表面進(jìn)行光照，而不是像傳統(tǒng)的光固化成形技術(shù)（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(chǎn)生的力會導(dǎo)致打印結(jié)構(gòu)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(shè)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(xì)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(yīng)該用于哪些領(lǐng)域,？必須使用什么樣的打印樹脂？如果仔細(xì)觀察，就會發(fā)現(xiàn)應(yīng)用在各個領(lǐng)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(chǎn)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(shù)（種植）導(dǎo)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(chǎn)品和技工室材料：作為醫(yī)療器械產(chǎn)品,，對于個性化產(chǎn)品需要對材料進(jìn)行測試和批準(zhǔn)。而對此會有相關(guān)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(yīng)用中，只有前兩個是技工室產(chǎn)品,。

對于患者而言醫(yī)療器械產(chǎn)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(yīng)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(yīng),。但有些材料會被認(rèn)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(yīng)該描述危害并建議相應(yīng)的保護(hù)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(yīng)該在安全數(shù)據(jù)表中被明確提及。

只有當(dāng)原料通過照射進(jìn)一步形成聚合物,，即復(fù)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(zhǔn),，這才能夠確保臨床應(yīng)用所需的機械性能，這些都應(yīng)該在產(chǎn)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(guān)信息，那么他們就要親自保證,，所應(yīng)用的方法可以得到更安全的產(chǎn)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(dá)到最大的安全性的初衷,。

下面將介紹各種應(yīng)用情況,，并詳解在處理后必須要達(dá)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(fù)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(yīng)用時能夠非常精確地復(fù)位,。而這樣的精度首先依賴于打印機的質(zhì)量,，其次還受到樹脂的粘度和反應(yīng)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(diào)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(xì)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(xué)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(dāng)?shù)膹椥�,，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(zhì)：

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(jìn)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)用,。這種方法以類似的方式長期以來被應(yīng)用在首飾制作中：在獲取患者的口內(nèi)情況后,，在電腦上進(jìn)行支架的設(shè)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(jìn)行鑄造時,，樹脂熔模在短時間內(nèi)被燃盡無殘留,。在這里,，形成較大量的氣體，這可能會導(dǎo)致在澆鑄材料內(nèi)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(fù)進(jìn)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(chǎn)生的收縮，因為這會使樹脂件產(chǎn)生應(yīng)力,，并造成復(fù)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jìn)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(jìn)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(dǎo)板

在這里所描述的一系列應(yīng)用中所涉及的首先是醫(yī)療器械產(chǎn)品，它被歸為I 類產(chǎn)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(chǎn)生有害的成分,，例如未反應(yīng)的單體或者引發(fā)劑進(jìn)入到患者的唾液內(nèi)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(shè)備（后固化）的功率過小，都會造成聚合不充分,，進(jìn)而產(chǎn)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(yīng)而導(dǎo)致變形,，特別是很多種植導(dǎo)板都需要覆蓋整個牙弓,，這也意味著相對就會產(chǎn)生更大的變形。

這類材料應(yīng)當(dāng)是透明的,，以便于外科醫(yī)生能夠更好地觀察手術(shù)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(dǎo)板圖片由Dreve 提供）以及BEGO Wax Surgical Guide（蠟外科導(dǎo)板）呈藍(lán)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(dǎo)預(yù)備鉆的套環(huán)。這方面的應(yīng)用對機械性能的要求并不是很高,。引導(dǎo)環(huán)需要很高的精度,，因為偏差可能會導(dǎo)致種植體與預(yù)備的種植床不吻合3。而這恰恰是可以通過導(dǎo)板避免的,。因此,，該導(dǎo)板在患者口內(nèi)就位要穩(wěn)定而無晃動。而且種植導(dǎo)板的引導(dǎo)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(dǎo)板能夠達(dá)到的精度由打印機,、打印過程和樹脂來決定。

使用種植導(dǎo)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(dǎo)環(huán)之后,，要進(jìn)行消毒或滅菌,。如果采用蒸汽滅菌法，可能會產(chǎn)生熱應(yīng)力,，這可導(dǎo)致變形,，也會造成機械性能的變化。而用環(huán)氧乙烷（EO）進(jìn)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(jié)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(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(yīng)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�,？梢韵胂瘢�利用增材制造技術(shù)制作這些墊的市場需求會非常高,。因此,，曾經(jīng)采用了種植導(dǎo)板材料來制作墊，當(dāng)然,，結(jié)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(fēng)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(nèi),，所以屬于I類醫(yī)療器械產(chǎn)品。然而,，停留時間和由此產(chǎn)生的潛在風(fēng)險還是要高于種植導(dǎo)板的,。出于美觀性的原因，以及為了能夠替代真空壓膜技術(shù),，需要所應(yīng)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(dāng)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(jìn)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(chǎn)品,。IIa 類醫(yī)療器械產(chǎn)品具有中度的潛在風(fēng)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(nèi)。

對于某些應(yīng)用來說,，柔軟的,、高彈性的牙合墊更為適合。在壓膜技術(shù)中對此使用了如EVAL等的復(fù)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(yīng)用,，NextDent是唯一的供應(yīng)商,，其提供的材料名稱是NextDent Ortho IBT，它也被申請應(yīng)用于正畸方面,。

個性托盤

針對這方面的應(yīng)用,，幾乎所有的制造商都能夠提供相應(yīng)的材料。利用增材制造技術(shù)制作的這類托盤,，可以完成更為復(fù)雜的幾何形狀（圖7）,。雖然這也涉及到醫(yī)療器械產(chǎn)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(dǎo)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(shè)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(dāng)然，它不能留在患者的口腔內(nèi),。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(fù)體

采用增材制造技術(shù)加工冠和橋修復(fù)體是其在牙科領(lǐng)域的另一個應(yīng)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(jìn)行暫時修復(fù),。此外，使用高度填充的材料可以不用擔(dān)心患者的咀嚼應(yīng)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(chǎn)品已經(jīng)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(nèi)的一個冠修復(fù)體就是由NextDent 公司生產(chǎn)的MFH 材料（MFH = 微填充混合材料）制成。該修復(fù)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(biāo)準(zhǔn)顏色進(jìn)行染色。但是根據(jù)作者的經(jīng)驗,，染色會影響樹脂的固化，進(jìn)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(fù)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(dá)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(xì)描述見于使用說明書,。在數(shù)據(jù)表中所列出的有關(guān)NextDent C&BMFH 的機械性能,，還需要進(jìn)一步明確，并且達(dá)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(shù)（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(dá)到所要求的質(zhì)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(dāng)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(yīng)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(chǎn)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(yīng),。此外，與傳統(tǒng)加工方法相比,，這種增材制造技術(shù)所產(chǎn)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(jīng)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(zhì)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(jìn)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(shù)的樹脂,，一般MMA基的要少于PMMA 基的合成材料,。

總結(jié)

增材制造技術(shù)的潛力已在技工中得到確認(rèn)。個性化的產(chǎn)品能以極高的精度和脫離個人技能的前提下在短時間內(nèi)即可加工完成,。目前市場上由不同制造商生產(chǎn)的樹脂已經(jīng)可以在8個不同的領(lǐng)域得到應(yīng)用,。然而，它們尚不能在所有情況下都能達(dá)到完全的信服度,。因此可以預(yù)期,，在未來幾年內(nèi)產(chǎn)品范圍仍會在不斷地被改進(jìn)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(guān)產(chǎn)品文件中，有些只是針對所用材料的安全數(shù)據(jù)表,。產(chǎn)品說明書的細(xì)節(jié)深度也有很大的不同,。盡管用戶可能讀到的是多達(dá)8頁的內(nèi)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(shù)是否能夠讓牙科技師更成功：其貢獻(xiàn)應(yīng)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(shè)備,。另外也不要忘記，對于員工培訓(xùn)和建立必要的經(jīng)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(shù),。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(shù)
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