楊慧芳，趙建江，王勇

北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院 口腔醫(yī)院口腔醫(yī)學(xué)數(shù)字化研究中心，口腔數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)和材料國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，衛(wèi)生部口腔醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心 北京 100081

3D打印技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

楊慧芳，趙建江，王勇

北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院 口腔醫(yī)院口腔醫(yī)學(xué)數(shù)字化研究中心，口腔數(shù)字化醫(yī)療技術(shù)和材料國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，衛(wèi)生部口腔醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心 北京 100081

本文介紹了3D打印技術(shù)的背景、技術(shù)分類(lèi)及特點(diǎn)，并闡述了3D打印技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究及發(fā)展?fàn)顩r。該技術(shù)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)制造模式的缺陷，將會(huì)成為數(shù)字化口腔醫(yī)學(xué)發(fā)展進(jìn)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

3D打?。挥?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；口腔修復(fù)；口腔種植；口腔正畸

3D打 ?。?D printing）， 又 稱(chēng) 增 材 制 造（Additive Manufacturing，AM），屬于快速成型（Rapid Prototyping，RP）技術(shù)的一種，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，依托于信息技術(shù)、精密機(jī)械以及材料科學(xué)等多學(xué)科發(fā)展起來(lái)的尖端技術(shù)，主要通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）軟件或逆向工程重建三維設(shè)計(jì)模型，然后對(duì)模型進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，在3D打印機(jī)上實(shí)現(xiàn)“打印”疊加，最終整體成形[1]。3D打印與傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)不同，傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)主要采用切削方式（即減材工藝）實(shí)現(xiàn)，多應(yīng)用于模具制造、工業(yè)制造等領(lǐng)域，現(xiàn)在，對(duì)于難以用機(jī)械加工技術(shù)制作或機(jī)械加工制造成本高的產(chǎn)品，可以利用3D打印技術(shù)來(lái)制作。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，3D打印技術(shù)迅速發(fā)展并展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)，其在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要為頜面外科、修復(fù)科、正畸科等。

1 3D打印技術(shù)分類(lèi)及特點(diǎn)

1.1 選擇性激光熔化成型（S elective Laser Melting，SLM）技術(shù)

該技術(shù)是采用高能量激光（如二氧化碳激光）從底層的3D切片進(jìn)行金屬粉末融合，單層完成后，工作艙平臺(tái)沿著垂直于工作平面的軸下移，在已熔化后凝結(jié)成小球部分的金屬粉末上再鋪上薄薄的一層粉末材料進(jìn)行加工，如此往復(fù)，直到材料整體成型。該過(guò)程發(fā)生時(shí)需要氮?dú)饣驓鍤庵圃煲粋€(gè)保護(hù)環(huán)境。成型后對(duì)打印后的實(shí)體處理需要使用機(jī)械加工、放電加工或切削加工工具等，是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程[3]。該技術(shù)還處于初級(jí)階段，現(xiàn)在主要用于快速成型和小批量的金屬物品（如航天航空、醫(yī)療整形）的相關(guān)部件制造，是一種相對(duì)較新的技術(shù)[4]。

1.2 選擇性激光燒結(jié)成型（Selective Laser Sintering，SLS）技術(shù)

該技術(shù)是使用高功率激光器（如二氧化碳激光）作為能源來(lái)燒結(jié)粉末（如金屬、陶瓷、熱塑性或玻璃粉末等）材料。激光選擇性的融合，通過(guò)3D數(shù)據(jù)文件，在各截面利用激光加工，然后工作艙下降，新材料進(jìn)行鋪粉，激光再加工，如此往復(fù)，直到材料成型。該成型方法具有制造工藝簡(jiǎn)單、柔性度高、材料選擇范圍廣、材料利用率高及成型速度快等優(yōu)點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于鑄造業(yè)。SLS技術(shù)是一個(gè)新的制造領(lǐng)域，在許多方面還不夠完善，如制造的三維零件普遍存在強(qiáng)度不高、精度較低及表面質(zhì)量較差等問(wèn)題。SLS工藝過(guò)程中涉及到很多參數(shù)（如材料的物理與化學(xué)性質(zhì)、激光參數(shù)和燒結(jié)工藝參數(shù)等），這些參數(shù)影響著零件的燒結(jié)過(guò)程、成型精度和質(zhì)量。零件在成型過(guò)程中，由于各種材料因素、工藝因素等的影響，可能使燒結(jié)成品產(chǎn)生各種冶金缺陷（如裂紋、變形、氣孔、組織不均勻等）[5]。

1.3 直接金屬燒結(jié)成型（Direct Metal Laser Sintering，DMLS）技術(shù)

該技術(shù)的軟件設(shè)計(jì)部分同SLS技術(shù)的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)一致。燒結(jié)過(guò)程通過(guò)使用高能量的激光束依據(jù)3D模型數(shù)據(jù)，直接將金屬粉末燒結(jié)成密度較高的零部件。DMLS技術(shù)優(yōu)點(diǎn)如下：① 能快速制造出功能性金屬零件原型和金屬模具，大幅縮短生產(chǎn)周期和削減生產(chǎn)成本；② 制作工藝精度高，能實(shí)現(xiàn)零件的精密成形。但是，DMLS技術(shù)的精確成形有較大難度，不同的金屬粉末（如鈷-鉻粉末、鈦粉末、鈦合金粉末、鋁合金粉末等）的化學(xué)組分、物理性質(zhì)等因素不同，因此，工藝參數(shù)（如激光參數(shù)、鋪粉厚度、保護(hù)氣體、粉末預(yù)熱床等）也有差異。DMLS屬于SLS中的特殊燒結(jié)技術(shù)，技術(shù)細(xì)節(jié)不同。同一種原材料生產(chǎn)性能不同的零件（如多孔性的透氣鋼、耐腐蝕的不銹鋼、組織致密的模具鋼等）所使用的工藝參數(shù)也不同。該技術(shù)一般不需要或很少需要爐中熱處理和金屬二次熔浸輔助工藝手段，與SLS技術(shù)相比，DMLS不需要昂貴及耗時(shí)的后處理工藝步驟[6]。

1.4 熔融沉積制造成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）技術(shù)

該技術(shù)又被稱(chēng)為熔絲成型、絲狀材料選擇性熔覆或熔積成型技術(shù)，是通過(guò)融化材料并將其再固化成型來(lái)實(shí)現(xiàn)的。材料（如熱塑性塑料、非晶系金屬、可食用材料等）經(jīng)高溫融化成液態(tài)，經(jīng)過(guò)噴嘴擠壓成許多球狀小顆粒，顆粒在噴出遇冷后立即固化，固化的小顆粒按照模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為切片數(shù)據(jù)排列，最終形成實(shí)物[7]。噴嘴可以在水平和垂直方向上移動(dòng)。目前FDM技術(shù)非常靈活，可以用于制作精度要求不高的成品。該技術(shù)的缺陷是，打印過(guò)程受溫度和支撐力影響不能打印弧度較大的成品。目前所用的材料有丙烯睛-丁二烯-苯乙烯、聚乳酸、聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯乙烯等。

1.5 立體光刻成型（Stereolithography，SLA）技術(shù)

該技術(shù)是計(jì)算機(jī)控制紫外光對(duì)光敏樹(shù)脂為原料的固液交界表面進(jìn)行掃描，被掃描區(qū)域的樹(shù)脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個(gè)薄層。材料（液體樹(shù)脂）是放在一個(gè)經(jīng)過(guò)定位校準(zhǔn)的平臺(tái)上，光從盛有液體材料的下側(cè)穿出，成品放在液體上側(cè)，通過(guò)向上移動(dòng)固定好的成品，每次移動(dòng)的距離為一個(gè)層厚的距離，以便固化好的樹(shù)脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹(shù)脂，然后用光進(jìn)行掃描加工，如此反復(fù)，直到整個(gè)成品制造完畢[8]。該過(guò)程是利用光聚合反應(yīng)完成的，一般采用紫外光，光斑直徑<0.15 mm。成品打印完成后，取下成品，并將其完全浸沒(méi)在相關(guān)化學(xué)浴中，并用超聲波清洗劑輕微振動(dòng)，去掉表面的原料液，之后放入紫外線(xiàn)烘箱中進(jìn)行光固化。該過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)是成品表面光潔度高，成品的支撐容易移除。

2 3D打印在口腔醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 3D打印技術(shù)在口腔頜面外科領(lǐng)域的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在口腔頜面外科領(lǐng)域中可以用于打印頜面缺損部位修復(fù)體、手術(shù)個(gè)性化導(dǎo)板、手術(shù)固定裝置等。金屬3D打印技術(shù)促進(jìn)了硬組織外科植入手術(shù)的設(shè)計(jì)和制造，如口腔頜面部缺損可以利用3D打印上頜骨、下頜骨、眼眶骨、鼻骨、耳骨等修復(fù)體；顴骨骨折錯(cuò)位愈合手術(shù)可以利用3D打印的個(gè)性化導(dǎo)板進(jìn)行定位；頜面部創(chuàng)傷修復(fù)手術(shù)可以利用3D打印的鈦板固定相關(guān)贗附體等[9]。該過(guò)程先對(duì)頜面部骨折或外傷的患者進(jìn)行CT掃描，掃描后將獲得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為DICOM格式，然后導(dǎo)入Mimics軟件中，利用分割及重建等功能，設(shè)計(jì)出三維解剖模型。將設(shè)計(jì)好的三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入3D打印處理軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用3D打印設(shè)備制作出人體骨骼部件成品，整個(gè)過(guò)程不需要任何膠水或粘結(jié)劑[10]。

2.2 3D打印技術(shù)在口腔修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在口腔修復(fù)領(lǐng)域中可以用于打印不同的修復(fù)體。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM）技術(shù)多以切削為主，這種方式不但造成材料的浪費(fèi)，也使得制作的修復(fù)體種類(lèi)單一，而且不可以批量生產(chǎn)。快速成型技術(shù)可以基于CAD數(shù)據(jù)，進(jìn)行增材制作，完成口腔修復(fù)領(lǐng)域中的CAM過(guò)程，該過(guò)程可以同時(shí)加工多個(gè)金屬冠[11]。此外，還可以打印不規(guī)則形狀、尺寸和表面粗糙度要求不同的修復(fù)體。

2.3 3D打印技術(shù)在口腔種植領(lǐng)域的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在口腔種植領(lǐng)域中可用于種植外科導(dǎo)板的制作，具有操作簡(jiǎn)便、定位精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。種植牙是指以植入骨組織的下部結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)來(lái)支持、固位上部牙修復(fù)體的缺牙修復(fù)方式。種植牙可以獲得與天然牙功能、結(jié)構(gòu)及外觀十分相似的修復(fù)效果，已經(jīng)成為越來(lái)越多缺牙患者的首選修復(fù)方式[12]。為了精確確定種植體類(lèi)型、尺寸、植入位置和角度，需要設(shè)計(jì)并加工制作種植導(dǎo)板，以將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到實(shí)際手術(shù)中。種植過(guò)程需要先對(duì)患者進(jìn)行CT掃描，然后利用軟件進(jìn)行骨骼、神經(jīng)、血管等組織的三維模型重建，并根據(jù)病人的骨骼及神經(jīng)條件，設(shè)計(jì)種植體種植的位置。模擬測(cè)量種植體與下齒槽神經(jīng)的間距，留出安全距離，模擬演示種植體在牙槽骨的位置，生產(chǎn)種植導(dǎo)板的三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，利用3D打印技術(shù)，打印出具有個(gè)性化設(shè)計(jì)特征的種植導(dǎo)板[13]。

2.4 3D打印技術(shù)在口腔正畸領(lǐng)域的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在口腔正畸領(lǐng)域中可用于打印個(gè)性化舌側(cè)托槽。正畸治療主要是通過(guò)各種矯正裝置來(lái)調(diào)整面部骨骼、牙齒以及頜面部的神經(jīng)及肌肉之間的協(xié)調(diào)性，最終使患者的口頜系統(tǒng)平衡、穩(wěn)定和美觀。通過(guò)錐形束CT（CBCT）掃描儀和牙頜模型掃描儀獲得牙齒數(shù)據(jù)，在CAD軟件上設(shè)計(jì)個(gè)性化舌側(cè)托槽，然后采用SLM技術(shù)打印與患者牙齒的舌側(cè)面精密吻合的舌側(cè)托槽，再通過(guò)轉(zhuǎn)換托盤(pán)直接將托槽粘接在預(yù)先設(shè)計(jì)的位置上[14]。該技術(shù)可以消除傳統(tǒng)舌側(cè)托槽需要依賴(lài)粘接劑厚度補(bǔ)償?shù)谋锥薣15]。

3 結(jié)論

3D打印技術(shù)可以制造個(gè)性化的產(chǎn)品，最大限度地發(fā)揮材料的特性。該過(guò)程方便、快捷、原材料利用率高，能夠滿(mǎn)足口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上復(fù)雜的個(gè)性化要求，并快速制作出成品。但是，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不僅對(duì)原材料的種類(lèi)、成分、特性有一定的要求，還需對(duì)成型過(guò)程中的材料變化有嚴(yán)格的控制，對(duì)材料的物理性能、化學(xué)性能、生物學(xué)性能仍需進(jìn)一步研究。隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字化口腔醫(yī)學(xué)的技術(shù)探索及發(fā)展將成為最有前景的領(lǐng)域之一。

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Application of 3D Printing Technology in Stomatology

YANG Hui-fang, ZHAO Jian-jiang, WANG Yong
Center of Digital Dentistry, Peking University School and Hospital of Stomatology; National Engineering Laboratory for Digital and Material Technology of Stomatology; Research Center of Engineering and Technology for Digital Dentistry, Ministry of Health, Beijing 100081, China

This paper introduced the background, technical classification and characteristics of the 3D(Three Dimensional) printing technology, and described its research and development in the fi eld of dentistry. This technology could make up the shortcomings of the traditional manufacturing model, and would become an important part in the development of digital dentistry.

three dimensional printing; computer-aided design; dental restoration; dental implantation; orthodontics

R78

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.05.019

1674-1633(2015)05-0063-03

2014-12-16

2015-03-13

國(guó)家863計(jì)劃課題（2013AA040801）。

作者郵箱：yhfyanghuifang@126.com。