張昀，趙紅梅，陳鑫琳，李婷婷，姬忠瑩

(1.蘭州市口腔醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤滑國家重點實驗室， 甘肅 蘭州 730000；3.煙臺中科先進材料與綠色化工產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，山東 煙臺 264000)

0 引言

在數(shù)字化治療與精準(zhǔn)治療的大背景下，“3D數(shù)字化口腔正畸”作為一種全新數(shù)字化矯正技術(shù)，通過繼承傳統(tǒng)牙頜畸形矯治理念，結(jié)合計算機輔助三維診斷、個性化設(shè)計以及數(shù)字化成型技術(shù)，獲得了比傳統(tǒng)正畸技術(shù)更為精準(zhǔn)、效果更加自然以及矯正時間更短等效果，因此也受到了越來越多的關(guān)注。而3D打印技術(shù)，作為“3D數(shù)字化口腔正畸”中的關(guān)鍵一步，已經(jīng)在數(shù)字化設(shè)計、快速制備成型等領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢。因此，將快速發(fā)展的3D打印新技術(shù)應(yīng)用于口腔正畸臨床研究中，成為近年來口腔正畸學(xué)的研究熱點[1-4]。

3D打印，也稱增材制造，是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，以金屬、陶瓷或聚合物等為打印材料，通過層層疊加來實現(xiàn)構(gòu)筑復(fù)雜三維實體的一種快速成型技術(shù)[5-6]。目前，作為典型的數(shù)字化三維技術(shù)之一，3D打印技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，如口腔頜面外科學(xué)、假牙修復(fù)學(xué)、口腔正畸學(xué)、牙髓學(xué)以及牙周病學(xué)等[2,7-9]。而在口腔正畸學(xué)領(lǐng)域，利用增材制造這種特殊的加工方式，使其特適合于口腔中牙齒的復(fù)雜、多曲面外形，進而根據(jù)患者口中不同的情況進行個性化定制，最終實現(xiàn)臨床的個性化診療和精準(zhǔn)醫(yī)療[10-11]。因此，本文將以3D打印技術(shù)在口腔正畸學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究為基礎(chǔ)，著重介紹可用于口腔正畸治療的3D打印成型技術(shù)、3D打印新材料以及實際研究應(yīng)用。

1 口腔正畸用3D打印成型技術(shù)與材料

隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，多種成型技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于口腔正畸領(lǐng)域，比較典型的有：

(1)光固化3D打印技術(shù)，包括數(shù)字化光處理成型(Digital Light Processing, DLP)和立體光固化成型(Stereo Lithography Appearance, SLA)[12-13]；

(2)選擇性激光融化/選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(Selective Laser Melting, SLM; Selective Laser Sintering, SLS)[14-15]，熔融沉積成型技術(shù)(Fused Deposition Modelling, FDM)[16]和噴墨打印成型技術(shù)(Inkjet Printing)[17-18]等。不同的成型技術(shù)各有優(yōu)缺點，通過結(jié)合不同的打印材料為基礎(chǔ)，能夠適用于不同的臨床口腔醫(yī)療領(lǐng)域，如表1所示。

表1 不同3D打印成型方式、使用材料及其在口腔領(lǐng)域的應(yīng)用比較

可以看出，盡管FDM成型發(fā)展較早較成熟，可打印的材料較多，但由于成型方式自身的局限性，其在口腔醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用十分有限。而基于另外三種成型方式的光敏樹脂材料、金屬與陶瓷材料，均具有很好的應(yīng)用前景。全球領(lǐng)先的3D打印機制造商Stratasys公司推出了一款專門用于口腔正畸的噴墨3D打印機 Object30 Orthodesk，取得了較好的應(yīng)用效果[18]。同時，該公司推出的Makerbot Replicator 2FDM打印機(Stratasys Ltd., Eden Prairie, MI)被認(rèn)為能夠用來打印制造口腔的支撐架和矯正器。

需要指出的是，與不同3D打印成型技術(shù)相匹配的3D打印材料同樣是影響3D效果與實際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。目前，3D打印口腔正畸領(lǐng)域常用的材料有ABS塑料、環(huán)氧樹脂、聚乳酸、尼龍、銀、鐵、鈦、光敏樹脂、紅蠟樹脂以及聚碳酸酯等[19-22]。但總體而言，隨著3D打印技術(shù)與口腔正畸學(xué)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的光敏樹脂、熱塑性聚合物如PLA、ABS以及其他常規(guī)金屬與陶瓷材料已經(jīng)越來越難以滿足實際應(yīng)用的苛刻要求。在發(fā)展各種3D打印新技術(shù)的基礎(chǔ)上，如何將設(shè)備與新材料結(jié)合起來，共同拓展3D打印在口腔正畸領(lǐng)域的實際應(yīng)用，是未來發(fā)展的方向。

2 3D打印技術(shù)在口腔正畸領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 牙頜正畸模型的制作

牙頜正畸模型是研究分析錯合的重要手段[23]。目前，數(shù)字化印模技術(shù)已廣泛應(yīng)用于制備牙頜正畸模型方式。它利用數(shù)字化掃描設(shè)備，將掃描設(shè)備的探頭放入患者的口腔內(nèi)部，對患者的牙體及周圍軟硬組織狀況進行掃描，進而得到數(shù)字化印模[24]。

隨后，利用光固化3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)對數(shù)字掃描模型的實體模型制造，用時較短，效率較高。Camardella等[25]系統(tǒng)介紹了3D打印技術(shù)在口腔正畸學(xué)中的工作流程。

如圖1(a)所示，首先對病人進行口腔掃描，獲得所需要的口腔牙齒模型；然后利用CAD等軟件設(shè)計需要打印的三維模型，并將其分解為很薄的二維截面，形成層層堆積的物理成型方式；最后，利用3D打印機進行數(shù)字化精確成型，獲得所需要的最終樣品。這種數(shù)字化的制作流程有很多優(yōu)點，比如病人數(shù)據(jù)可以數(shù)字化存儲歸檔，可以在任何需要的時候隨時獲得，大大節(jié)約了物理存儲空間。同時，各個過程均為數(shù)字化操作，在保證設(shè)備及軟件正常工作的前提下，能夠大大減小誤差，提高效率。另外，為驗證不同成型技術(shù)在口腔正畸學(xué)領(lǐng)域中的成型精度，Lee等[26]人分別利用FDM打印機與PolyJet打印機制備了牙齒模型進行對比(如圖1(b)所示)。

可以看出，與原來牙齒相比較(如圖1(b)左所示)，PolyJet技術(shù)具有較高的打印精度(如圖1(b)右所示)，表面相對較為光滑，而FDM成型則表面較為粗糙(如圖1(b)所示)，具有明顯的層狀條紋。這是因為這兩種技術(shù)具有不同的層厚打印精度：FDM層厚為0.33 mm，而PolyJet則僅為0.016 mm。Groth等為探索3D打印在口腔正畸領(lǐng)域的實際應(yīng)用，利用光固化3D打印技術(shù)制備了口腔牙齒模型，而后用石膏進行翻模(如圖1(c)所示)，或者直接使用激光焊接技術(shù)，利用其精準(zhǔn)的光點位置與低能量以此來實現(xiàn)模型的扭曲校準(zhǔn)。Nagib等系統(tǒng)研究了3D打印技術(shù)在制備矯正附件如阻生牙等方面的優(yōu)勢。研究表明，3D打印技術(shù)能夠在數(shù)字化口腔治療方面有很大優(yōu)勢，個性化矯正附件的設(shè)計能夠在多個領(lǐng)域獲得推廣，遠(yuǎn)不止單一的阻生牙。因此，在以后的口腔正畸領(lǐng)域中，應(yīng)將3D打印技術(shù)結(jié)合CAD等三維軟件以及口腔頜面錐形束CT(Cone Beam CT, CBCT)等先進技術(shù)，快速推薦數(shù)字化口腔正畸治療。

圖1 口腔牙齒模型

2.2 3D打印正畸手術(shù)導(dǎo)板

在臨床植入微小種植體時，為改變單一參照X線平片、依靠醫(yī)生經(jīng)驗來確定植入點位和角度而產(chǎn)生的誤差，越來越多的醫(yī)生嘗試在使用CBCT定位的情況下，結(jié)合3D打印先進制造技術(shù)，制備三維定位導(dǎo)板來確定微小種植體的植入點位和角度，用以提升微小種植體植入成功率[27-28]。唐睿等利用Formlabs2 3D打印機制備了微小種植體導(dǎo)板[29]，如圖2(a)所示。Shaheen等[30]則使用PolyJet打印機分別打印制備了正頜夾板、手術(shù)導(dǎo)板以及自身牙移植模型(如圖2(b)所示)，進而探索兩種最常用的消毒方式對3D打印的臨床樣品的影響。Hou等報道了一種3D計算機輔助的piezocision導(dǎo)板(computer-assisted piezocision guide, CAPG，如圖2(c)所示)。該導(dǎo)板使用桌面級SLA成型3D打印機制備，為半透明狀態(tài)，具有較好的可視性[31]。Szuhanek等[32]討論了3D打印丙烯酸酯/甲基丙烯酸酯在口腔正畸手術(shù)導(dǎo)板重點的應(yīng)用，指出這兩種材料一般都生物兼容性，抗熱壓以及具有良好的打印精度。相對于著色的材料，制備的透明或半透明手術(shù)導(dǎo)板更具有優(yōu)勢。同時，這兩種材料必須具有一定的機械強度以保證在整個微小種植體定位過程中的穩(wěn)定性。

圖2 微小種植體導(dǎo)板

簡言之，快速精確制備的3D打印手術(shù)導(dǎo)板在口腔正畸種植體嵌入過程中具有很大的幫助，能夠保證整個手術(shù)過程中的植入點位和角度，提高成功率，減輕病人痛苦。

2.3 隱形正畸矯治器

正畸矯治器是一種治療錯頜畸形的裝置，也可簡稱為矯治器，其主要類型有固定矯治器、隱形矯治器和舌側(cè)矯治器等[33]。與傳統(tǒng)采用金屬矯治器和金屬弓絲的“鐵齒銅牙“的矯治方法相比較，舒適美觀、可自由摘卸的隱形矯治器正逐漸獲得市場認(rèn)可(如圖3(a)所示)[34]。美國Align Technology公司于1998年在全球率先推出隱形矯治器Invisalign(隱適美)，并于2011年進入中國市場。而國內(nèi)企業(yè)中的北京時代天使在2003年推出自主研發(fā)的隱形矯治器，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)在國內(nèi)占據(jù)了很大的市場份額。

隨著數(shù)字化口腔正畸的發(fā)展，隱形正畸矯治器結(jié)合3D打印技術(shù)獲得了越來越多的關(guān)注[34-36]。Kasper指出利用3D打印技術(shù)構(gòu)筑隱形矯治器的基本流程包括：

(1)獲取數(shù)據(jù)；

(2)數(shù)字化設(shè)計處理模型；

(3)模型打印；

(4)制備矯治器四個過程[37]。

基于此，Jindal等利用3D打印技術(shù)成功打印了帶支撐的隱形正畸矯治器(如圖3(b)左所示)，使用異丙醇清洗樣品以出去殘余樹脂，隨后干燥除去異丙醇，最后通過后處理除去支撐，得到所需要的矯治器樣品(如圖3(b)右所示)[38]。段光遠(yuǎn)等通過數(shù)字化處理，使DLP光固化3D打印的模型表面形成橫向紋理，使隱形正畸矯治器更具有隱形和更好附著的特點，從而解決矯治器反光嚴(yán)重和易脫落的技術(shù)難題。如圖3(c)所示，在確保打印精度的前提下，打印出了帶有橫向紋理的模型(如圖3(c)左所示)，隨后在經(jīng)過牙膠片的熱吸塑將紋理轉(zhuǎn)印到隱形矯治器上(如圖3(c)右所示)，實現(xiàn)了矯治器的制作過程中產(chǎn)生紋理或增加藝術(shù)感的效果[39]。

圖3 正畸矯治器

簡言之，相對于隱形矯治器的傳統(tǒng)熱塑制備過程，3D打印技術(shù)已經(jīng)表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢，如快速制備、精確成型以及個性化定制等。但就目前來看，大部分文獻報道的隱形矯治器多是以3D打印技術(shù)為主，而關(guān)于3D打印材料的安全性以及矯治軟件的發(fā)展卻相對緩慢，尤其是關(guān)于打印矯治器的臨床使用研究相對較少。因此，為拓展3D打印技術(shù)在隱形正畸矯治器方面的實際應(yīng)用，應(yīng)結(jié)合材料、臨床醫(yī)學(xué)等，實現(xiàn)多學(xué)科交叉融合創(chuàng)新，推動其在口腔正畸領(lǐng)域的發(fā)展。

3 結(jié)語

3D打印作為先進制造技術(shù)的典型代表之一，已經(jīng)在口腔正畸領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注，也得到了快速的發(fā)展，如黑格科技推出了一套整合成隱形正畸全流程解決方案，加入了牙齦線自動識別、3D打印規(guī)模化生產(chǎn)以及數(shù)據(jù)自動化處理等，能夠以科技革新數(shù)字化升級的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)患者口腔數(shù)據(jù)手機、方案設(shè)計與溝通、牙模生產(chǎn)以及牙套制造等一系列流程，大大提高了效率。

另外，在醫(yī)療3D打印等數(shù)字化技術(shù)的輔助下，口腔正畸患者能夠在戴牙套前看到治療效果、在手術(shù)中更加利用打印導(dǎo)板更加精準(zhǔn)定位。但同時也應(yīng)該注意到，大多數(shù)正畸采用的隱形矯治器均不是直接打印成型，而是通過打印正畸模型來進一步制備隱形牙套，這是因為目前還沒有可長期安全的用于口腔環(huán)境的透明光敏樹脂。因此，在后續(xù)的科學(xué)研究中，安全、可靠、透明的3D打印正畸材料是未來研發(fā)的重點方向，也是急需攻克的難題。