田而慷，王雙成，劉楨，廖文

(1.口腔疾病研究國家重點實驗室 國家口腔疾病臨床醫(yī)學研究中心 四川大學華西口腔醫(yī)院正畸科，成都 610041；2.口腔疾病研究國家重點實驗室 四川大學華西口腔醫(yī)學院，成都 610041)

3D打印技術是一項涉及材料、制造、控制及信息技術等多學科的新興技術，其基本過程包括制作零件的三維數(shù)字模型和三維模型數(shù)據文件的分層切片，將切片文件導入3D打印機，利用軟件控制3D打印設備中的噴頭或激光頭按輪廓信息做掃描運動，在工作臺上成型材料層層堆積黏結，最終獲得三維產品[1-3]。根據打印材料和成型特點的不同，3D打印技術可分為光固化快速成型(stereo lithography appearance，SLA)技術、選擇性激光融化(selective laser melting，SLM)技術、熔融沉積成型(fused deposition modeling，F(xiàn)DM)技術、選擇性激光燒結(selective laser sintering，SLS)技術等[4-7]。隨著3D打印技術的快速發(fā)展，其被廣泛運用于模型制造和工業(yè)設計，由于該技術有操作簡便、制造精度高、原料種類繁多等特點[8-9]，可以根據臨床口腔中的復雜情況選擇合理的打印方式來輔助治療，因此被廣泛應用于口腔醫(yī)學領域[10]?？谇徽强谇会t(yī)學領域的重要組成部分，其對精度和個性化要求較高，因此3D打印技術在口腔正畸中的應用為口腔正畸治療中舒適度低、個性化程度低及托槽制作技術要求高等問題提供了有效的解決方法。目前，3D打印技術已被用于制作石膏模型以及個性化正畸托槽等[10-12]。現(xiàn)就3D打印技術在口腔正畸托槽制作中的應用現(xiàn)狀予以綜述。

1 可應用于口腔正畸的3D打印技術類型

3D打印技術運用于正畸托槽的制作，通過專用口腔螺旋CT掃描獲得患者的牙列三維模型，利用三維設計軟件(如Mimics軟件和Hyper Works軟件)進行正畸托槽設計，得到托槽的CAD數(shù)據，再將CAD數(shù)據轉化成STL格式文件，利用分層切片軟件對其進行切片處理，導入3D打印設備，最后打印出成品[13-14]。目前，可應用于口腔正畸的3D打印技術包括SLA、SLS與SLM[2，6，15]。

1.1SLA技術 SLA技術常用于樹脂排牙模型和唇側托槽的制作[2，16]。SLA技術以液體光敏樹脂為原料，通過使用紫外線束選擇性固化光敏原料，由計算機控制系統(tǒng)控制，將特定波長和強度的激光束聚集在液體光敏樹脂表面，經掃描輻照逐層固化，直至形成固體模型[2，16]；紫外光固化可以在人工光下工作，而不會在漿料制備過程中引起聚合[17]。SLA技術制作流程見圖1。

圖1 光固化快速成型技術制作流程

隨著3D打印技術的進步，SLA技術逐步向面曝光快速成型技術、噴射固化成型技術等發(fā)展[18-19]。其中，與SLA技術不同，面曝光快速成型技術去除了X-Y運動控制子系統(tǒng)，只留下Z軸方向運動結構[2，20]。噴射固化成型技術使用陣列式噴頭，在壓力作用下通過計算機控制噴嘴工作腔里的光敏樹脂，將其噴射到指定位置形成液滴，并立即使用紫外線固化，形成所需零件[18，21]。

SLA技術成型速度較快，有分辨率高和成型范圍大的優(yōu)點，加工精度能達到0.1 mm；其產物表面質量較好，是理想的熔模精密鑄造模型，可制作結構十分復雜的模型，但SLA只能選擇光固化樹脂為材料，強度中等[13-14]。SLA技術在加工精度方面的特點使其在制作排牙模型及精度要求較高的唇側托槽中廣泛應用，但SLA技術的選材限制使產品的力學性能受到一定影響。

1.2SLS技術 SLS技術是一種通過選擇性凝固各種細粉體制造物理模型的技術[22]，可用于制作排牙模型，便于后續(xù)制作唇側托槽和隱形矯治器[16]。SLS技術使用二氧化碳或Nd:YAG激光束掃描連續(xù)的粉末材料層，將粉末材料逐層燒結固化，最終形成固體模型[16]。其基本原理為將三維模型進行分層切片處理，發(fā)送到激光燒結設備，將工作室中的預熱溫度升高到預定值并保持其不變，由鋪粉滾筒在建造平臺上鋪布粉末，由計算機系統(tǒng)控制激光束對粉末進行掃描燒結，一層燒結完成后，工作臺下降單層厚度，再次鋪上粉末進行下一層燒結，重復以上過程直至零件燒結完成[22-25]。SLS技術對材料的處理方法使其選擇材料范圍更廣，可以根據不同需求選擇力學性能相對最合適的材料制作正畸托槽，但SLS技術中對粉末的部分熔融的燒結處理使其尺寸穩(wěn)定性較SLA技術稍差，因此精度低于SLA技術，故不適用于制作精度要求高的唇側托槽，而適用于制作排牙模型。此外，SLS技術還有成本較高的缺點[16]。

1.3SLM技術 SLM技術是在SLS技術的基礎上發(fā)展起來的一種直接成型金屬零件的快速制造方法[26-27]。這兩種工藝的區(qū)別主要在于前者是通過部分熔融的方式連接粉末，后者則完全熔化[24]。與SLS系統(tǒng)不同，SLM的建造平臺是由一個具有調整垂直軸能力的制造活塞驅動，該活塞旁有一個可以垂直調整的送粉活塞，工作時，送粉活塞上升，鋪粉滾筒將粉末鋪到構建平臺上，激光束將粉末局部熔化或全部熔化，一層完成后，制造活塞后退，同時送粉活塞上升，再次填充構建平臺，重復以上過程，直到零件完成[28]。

SLM技術可以快速、小批量制造復雜的零件，且不受零件的幾何形狀限制，縮短產品開發(fā)周期和制造周期。與傳統(tǒng)工藝相比，經過SLM技術成型的零件晶粒細小，組織均勻，力學性能優(yōu)異，不易產生偏析、氣孔、變形等缺陷[28]，這大大減少了零件的應力集中，從而提升了零件的使用壽命。此外，經過優(yōu)化的SLM技術還能改善懸垂面成型能力、槽溝尺寸精度和托槽致密度[26]，能夠較好地匹配個性化程度較高的舌側托槽。

2 3D打印正畸托槽的制作流程及其臨床特性

利用3D打印技術可以直接或間接制作唇側托槽、舌側托槽及隱形矯治器，與傳統(tǒng)的托槽制作方法需要先制作患者口內石膏模型不同，個性化3D打印托槽在術前數(shù)字化設計模擬，實現(xiàn)計算機模擬治療代替手工制作石膏模型，從而降低生產成本，縮短模型修改時間[3]。傳統(tǒng)托槽制作對操作者專業(yè)知識要求高，而3D打印技術降低了對操作人員專業(yè)水平的要求[29]。同時，利用不同的3D打印技術可以滿足不同類型托槽制作時的重點要求，因此3D打印在正畸托槽的制作中應用廣泛。

2.1唇側托槽 Krey等[29]提出了通過數(shù)字化流程，運用個性化3D打印唇側樹脂托槽系統(tǒng)來進行矯治：首先使用FreeCAD 0.16 軟件初步設計托槽，然后用Omnicam Ortho進行3D掃描，獲得口腔內部的數(shù)字化模型，再將所需要的CAD數(shù)據導入Onyx Ceph 3D Lab進行虛擬排牙，創(chuàng)建理想咬合模型并對初步設計的托槽進行數(shù)字化、個性化調整，之后將數(shù)據導入制造平臺Netfabb Professional 6.5進行數(shù)據處理、校準與備份，最后使用SHERAe-co-print 30 3D打印機，采用面曝光快速成型技術3D打印托槽。結果顯示，經過3個月的治療后，正畸結果與理想咬合模型對比相差不大，且患者對治療效果滿意。雖然通過此系統(tǒng)實現(xiàn)了個性化定制，但也存在一些問題，如打印過程中形成的銳利邊緣會造成患者不適及牙齦發(fā)炎；托槽翼過大邊緣容易彎曲變形或出現(xiàn)裂紋等[29-30]。因此，利用3D打印唇側托槽的材料與技術還需要進一步改進。

而與樹脂相比，陶瓷材料性能更加優(yōu)越，美學優(yōu)勢也更加突出，因此關于如何運用3D打印制作唇側陶瓷托槽的研究越來越多。2019年，Yang等[31]第一次描述了通過3D打印制作個性化陶瓷托槽的工作流程：首先使用TRIOS 3 Basic獲得口腔內部的數(shù)字模型；完成虛擬排牙后，設計與牙的形態(tài)相匹配的個性化托槽；最后，將虛擬模型導出為STL文件；使用面曝光快速成型技術打印機將虛擬模型轉換為蠟型，再進行噴砂、包埋、預熱和壓合工序，然后將托槽剝離、拋光、個性化處理、上釉和燒結，最后將托槽打磨至光滑。與其他商業(yè)陶瓷托槽[32-33]相比，此方法制作的陶瓷托槽顏色更深，與普通正常人類牙齒顏色相近，且經過打磨，托槽表面光滑完整，并無明顯缺陷。大多數(shù)3D打印制作的陶瓷托槽與其他商業(yè)陶瓷托槽[32，34]的摩擦特性、剪切黏結強度比較差異無統(tǒng)計學意義。由于采用了脫蠟工藝，這種陶瓷托槽不需要預先制作模具，制作時間大大縮短。盡管使用面曝光快速成型技術制作陶瓷托槽會導致托槽設計與制作的時間延長，但能夠減少不適感及椅旁時間、治療時間，且能達到更好的治療效果[35-38]。

2.2舌側托槽 與唇側托槽相比，舌側托槽更加美觀[39]，且使用兩種技術的療效類似[40]。但利用傳統(tǒng)制造方式制作舌側托槽存在很多問題，如精密加工困難，與牙齒不能完全貼合；產生異物感、語音障礙等[41]。在使用中，也出現(xiàn)托槽丟失率高，間接再粘技術復雜且不精確，患者的治療時間延長等問題[3]。而結合3D打印技術后，這些情況可以得到大幅度改善。因此，舌側托槽的3D打印技術引起越來越多學者[14,26，41-44]的關注，見表1。

表1 國內外學者對3D打印個性化舌側托槽的研究

3D打印制造的舌側托槽具有如下突出優(yōu)勢：①貼合牙面設計，具有極高的精確性，能夠通過直接粘接將托槽放在預先設計的位置上，避免了傳統(tǒng)舌側托槽需要依賴黏接劑填補的弊端[45]；②托槽基底部擴大，擁有更佳的黏合力；③托槽厚度較低，如Wiechmann等[14]制造的托槽基部厚度僅為0.4 mm，對舌、對發(fā)音時造成的影響較小，同時改善了舒適度；④加工流程簡化、托槽與牙面的距離減小、對牙周的刺激小、不易脫落、操作簡便[13-14，26，41-44，46]。

3D打印定制個性化舌側托槽主要有兩種方法：間接成型和直接成型。兩種方法的區(qū)別在于設計好個性化舌側托槽后，間接成型是在3D打印蠟型后采用傳統(tǒng)鑄造方法制作金屬托槽；而直接成型則是直接3D打印出金屬托槽。其中，通過間接成型技術制作的舌側托槽雖然擁有較好的外形精度，但也存在工序繁瑣、精確性無法保證、托槽的脆弱部件容易變形等弊端。而采用優(yōu)化SLM技術直接制造個性化舌側托槽不僅節(jié)約成本、簡化流程，精確度也能得到提高[26]。

一項調查研究顯示，舌側矯治器的患者接受度最低[47]，可能是傳統(tǒng)舌側托槽舒適度低、影響發(fā)音、價格相對較高等原因造成。因此，提高舒適感、改善遠期效果、減少并發(fā)癥、減少制作成本對舌側托槽的推廣至關重要，而使用3D打印制作舌側托槽可能解決上述問題。Kwon等[43]研究指出，3D打印技術使對托槽底部凹槽的支撐成為可能，這是傳統(tǒng)方法無法做到的；且將三維模型與錐形束CT掃描或側位頭顱造影結合并利用軟件虛擬設計的杠桿臂矢量方案，經個性化調整后還可用于其他患者的治療，大大縮短了時間，降低人工成本；在林澤等[41]的研究中，對照組采用方絲弓矯正技術進行傳統(tǒng)方法舌側正畸矯正，試驗組使用在意大利NEW-TOM口腔專用螺旋CT、Mimics軟件反求技術和Hyper Works軟件支持下3D打印的舌側托槽進行矯治，結果顯示，試驗組在遠期效果和患者舒適度等方面均明顯優(yōu)于對照組，并發(fā)癥發(fā)生率低于對照組，顯示出良好的治療體驗與效果。

2.3隱形矯治器 個性化隱形矯治器采用透明材質，佩戴美觀[48]，明顯降低不適感，更容易保持牙周組織健康和口腔衛(wèi)生[17]，治療時間和椅側時間更短[49]，且治療效果與傳統(tǒng)矯治器相似[50]。

Lin等[34]首次將3D打印技術與隱形矯治器的制作結合起來，首先用非接觸掃描設備(ATOS光學掃描裝置)掃描石膏模型獲得口腔內部數(shù)字化模型，之后在電腦上進行虛擬排牙并將結果輸出為STL文件，再使用快速成型機(Object Quadra Tempo快速成型機)進行3D打印，最后采用傳統(tǒng)熱壓膜技術制作隱形矯治器。結果顯示，3D打印的隱形矯治器使用1周后，患者的牙齒活動性增加，矯治器更容易貼合牙列，同時不適感減少，牙齒逐漸移動[34]。

但使用傳統(tǒng)熱壓膜技術制作的熱成型隱形矯治器，患者在進食、咬嚼等不同的時間和活動中需要反復取下和佩戴矯治器[51]。此外，由于熱成形過程中材料性能可能發(fā)生顯著變化，如較厚材料的透明度降低[52]、尺寸不準確[53]等，而使用專用材料直接3D打印隱形矯治器可以改善這種狀況[5，53-54]。Prashant等[5]使用牙科LT樹脂(Form Labs，Somerville，MA，USA)制作隱形矯治器，并將其與傳統(tǒng)方式制作的隱形矯治器進行比較，結果顯示，與最終STL文件相比，3D打印制作的矯治器的平均相對差異為2.55%，而傳統(tǒng)熱成型隱形矯治器為4.41%，表明前者的幾何精度更高。且3D打印制作的矯治器在較低位移下具有彈性變形和可逆性，可承受近662 N的最大載荷，低位移2.93 mm；而傳統(tǒng)熱成型隱形矯治器在大位移下具有塑性、不可逆性。這種由3D打印獲得的高屈服強度、高抗載荷、低變形的透明矯治器為傳統(tǒng)矯治器提供了一種更好的替代解決方案。此外，直接3D打印隱形矯治器還具有邊緣更柔軟、矯治器厚度可個性化定制等優(yōu)勢[9]。但同時也存在一些材料顏色不穩(wěn)定等問題[55]，還需要進一步研究不斷改進材料性能。

目前，美國Align公司的隱適美(Invisalign)、國內的北京時代天使公司、上海正雅齒科科技公司等在利用3D打印技術制作隱形矯治器方面均已具備相關自主知識產權的正畸軟件與生產設備，能夠為正畸醫(yī)師提供完整解決方案[2]。

3 小 結

3D打印技術憑借其操作簡便、制造精度高、原料種類繁多等特點[8-9]，在一定程度上滿足了正畸對精度、個性化和舒適程度的要求，被廣泛應用于口腔正畸治療領域[10]。但3D打印技術還存在流程繁雜、邊緣銳利造成不適、對使用人員技術水平要求高和設備費用高昂等問題。同時，個性化舌側托槽制件工藝水平有待提高，打印件的后續(xù)處理以及臨床試驗還有待完善。因此，合適的生物材料的探索、托槽零件數(shù)據庫的構建以及3D打印設備的優(yōu)化與發(fā)展將成為3D打印在口腔正畸學甚至整個口腔醫(yī)學領域的熱點及難點問題。