許順吉 周嘉陵 顏杉 譚發(fā)兵

制作牙科固定修復體之前,準確的工作模型至關重要[1]。傳統(tǒng)方法是使用彈性印模材料獲得口內印模再灌制石膏模型?？趦热∧５倪^程加之后續(xù)灌制石膏、脫模等操作,使得臨床獲取工作模型的周期較長。牙科石膏的固化膨脹和較差的耐磨性使得其用于制作精密修復體存在一些困難[2-3]。隨著牙科技術的發(fā)展,基于口掃數據的增材制造(additive manufacturing,AM,3D打印)技術為解決上述問題提供了契機。通過掃描儀獲取口內模型或印模數據再打印成模型實物減少了醫(yī)患的椅旁時間,還有利于醫(yī)技線上溝通與修復體質量追溯。同傳統(tǒng)石膏模型一樣,3D打印模型(特別是工作模型)的質量(如表面光滑性和準確度)也會影響修復體制作的精密度以及臨床戴入的適合性[4]。3D打印過程中分層光固化技術以及液態(tài)樹脂材料本身的物理化學性質,3D打印牙科模型在跨越技工室和臨床的多個時間段后的形態(tài)尺寸也可能會發(fā)生變化[5]。

構建角度或位置是3D打印技術中的重要變量,特別是構建角度是3D打印過程初始步驟中的重要參數。正確設置這個參數對于獲得高質量(如表面特征、準確度以及機械性能)的3D打印產品非常重要[6-8]。與工作模型相比,同步打印的牙預備體代型體積更小、耗材更少、排版設計也更靈活,但因部位更重要,表面粗糙度、準確度以及尺寸穩(wěn)定性要求也更高。目前有關不同構建角度對3D打印牙預備體代型這一關鍵部位表面粗糙度、準確度(包括正確度和精密度)以及不同時間段尺寸穩(wěn)定性的詳細研究信息較少。因此,本研究擬通過構建標準牙預備體代型參考數據,分析評價0°、45°以及90° 3種構建角度牙預備體代型的表面粗糙度、準確度(正確度和精密度)及尺寸穩(wěn)定性情況,為優(yōu)化其臨床應用提供參考數據。本研究假設不同構建角度對牙預備體代型的表面粗糙度、準確度及尺寸穩(wěn)定性的影響均無差異。

1 材料與方法

1.1 材料和設備

右下頜第一恒磨牙環(huán)氧樹脂模型(1 倍尺寸,重慶晶美義齒制作有限公司);Objet 3D打印機(Eden260VS Dental Advantage)、牙科模型樹脂材料(MED670 VeroDent)、支撐材料(Support SUP705B)、高壓水槍清潔設備(Objet WaterJet No.2017-040685)(Stratasys公司,以色列);模型掃描儀(E4,3shape公司,丹麥);形態(tài)輪廓顯微系統(tǒng)(VK-X150 K,Keyence 公司,日本);三維分析軟件(Wrap 2015,Geomagic 公司,美國)。

1.2 方法

1.2.1 獲取牙預備體參考數據 在技工室將右下頜第一恒磨牙環(huán)氧樹脂模型制備成標準牙預備體代型(代型下設置底座以保證后續(xù)統(tǒng)一掃描位置和配準范圍)(圖1)。規(guī)格尺寸如下:預備體邊緣為連續(xù)的1.0 mm寬的深凹形肩臺,聚合度6°,自功能尖以下預備1.5～2 mm,窩溝處預備約1.5 mm,軸面預備1.2～1.5 mm(圖2)。形態(tài)輪廓顯微系統(tǒng)測量代型表面粗糙度后(Sa=1.40±0.23) μm,Sa表示相對于表面的平均面,各點高度差的絕對值平均值),采用模型掃描儀[根據廠家信息,藍色LED光源,2 個500 萬像素攝像頭,掃描正確度6.9 μm(ISO)]將其掃描得到清晰、完整的數據(參考數據)并保存三角形語言(standard triangle language,STL)格式。

圖1 樹脂牙預備體代型 圖2牙預備體代型規(guī)格尺寸示意圖Fig 1 Resin tooth prepa-ration die Fig 2 Schematic diagram of size and specifications of the tooth preparation die

1.2.2 3D打印牙預備體代型的制作 將牙預備體代型參考數據導入Objet Studio排版軟件中。保持代型底座與構造板平面平行(定義為90°角構建組),然后分別順時針旋轉45°和90°(牙預備體頰面面向構造板平面,舌面背離構造板平面,近遠中面垂直于構造面)得到45°和0°構建組。每組20 個,3 組共計60 個數據均居于構造板的中心位置,不同角度相間排成6 行,每行10 個樣本(圖3)。網格模式下3 組牙預備體代型(去除底座后)“懸垂區(qū)域”的投影面積見圖4。投影網格中每格面積1 mm2, 90°組、45°組、0°組在構造板上的投影面積(圖4中紅色區(qū)域)分別約為31 mm2、68 mm2、107 mm2。然后按照 Objet 3D打印機操作指南,清理打印頭和滾筒表面,檢查紫外線燈,設置軟件切片厚度為16 μm,同時在構造版與代型最底部(16 μm×31 層=0.496 mm)和頂部(16 μm×100 層=1.6 mm)分別設置支撐保護(軟件切片時本身并不顯示支撐結構)。最后選用配套牙科模型樹脂材料在高質量模式下打印得到代型實物。隨后將3 組代型樣本從構造板上剝離并去除大量支撐材料。根據廠家用戶指南推薦的后處理方法,采用配套的高壓水槍清潔設備沖洗代型直到無過多支撐材料殘留,再使用1%的苛性鈉(氫氧化鈉)溶液浸泡模型30 min,然后使用高壓水槍對代型表面進行徹底沖洗。最后得到0°、45°以及90° 3組牙預備體代型實物(圖5),保存在室溫避光環(huán)境下備用。

圖3 構造板上牙預備體代型排列示意圖Fig 3 Schematic diagram of the arrangement of the tooth preparation dies on the construction plate

圖4 3 組牙預備體代型“懸垂區(qū)域”投影示意圖Fig 4 Projection of the overhang area of the 3 groups of tooth preparation dies

圖5 完成后處理的3組牙預備體代型實物Fig 5 The actual tooth preparation dies after post-processing of the 3 groups

1.2.3 牙預備體代型表面粗糙度分析 每組隨機選取5 個代型樣本采用形態(tài)輪廓顯微系統(tǒng)分析牙預備體的三維形貌和粗糙度。先隨機選擇代型4 個軸面(包含牙預備體和立柱部分,不含底座部分)和面中4 個面積大小約500 μm×700 μm典型區(qū)域(牙預備體或立柱部分各包括2 個區(qū)域)進行圖像掃描,然后將采集的原始三維圖像通過基準面矯正(表面起伏消除)、自動消除噪點和濾鏡處理得到放大400 倍的表面三維形貌圖像,最后分析圖像的粗糙度Sa(Sa表示相對于表面的平均面,各點高度差的絕對值平均值)值。

1.2.4 獲取牙預備體代型掃描測試數據 采用E4模型掃描儀將3 組剩余的牙預備體代型(每組15 個)掃描得到測試數據并保存為STL格式。為確保每個測試數據的掃描條件一致,掃描前先對掃描儀進行校準,然后用橡皮泥將牙預備體固定在掃描盤十字交叉點上,每組預備體體放置方向保持相同且底座與掃描盤保持緊貼。參考以往研究[9-10]選擇的觀察時間段,本研究獲取了牙預備體代型打印當天(第0天)及第1、3、7、14、28天共計6 個時間點的測試數據,所有測試數據截除底座部分后用于后續(xù)軟件最佳擬合配準。

1.2.5 牙預備體代型的準確度及尺寸穩(wěn)定性分析 將3 組截除底座的牙預備體代型測試數據導入三維分析軟件中與截除底座的參考數據進行最佳擬合配準(圖6)。配準結果以顏色偏差圖和均方根誤差(root mean square error,RMSE)表示。顏色偏差圖設置25 個顏色帶,最大臨界值:1.0 mm;最大名義值:0.05 mm;最小名義值:-0.05 mm;最小臨界值:-1.0 mm,綠色區(qū)域代表可接受的偏差,位置在參考模型的±0.05 mm(50 μm)以內[1]。RMSE的計算公式為:

圖6 3D軟件中測試數據與參考數據最佳擬合配準Fig 6 Best-fit-alignment process of reference and test data of the tooth preparation dies in Geomagic software

式中為x1,i牙預備體參考數據上的測量點,i,x2,i為牙預備體測試數據上的測量點i,n為每個樣本上測量點對總數。RMSE值平均值是該樣本計算的代表值。

每個組打印當天測試數據與參考數據之間最佳擬合配準得到的RMSE值代表牙預備體代型的正確度(加工的接近程度),RMSE值越大,表明正確度越低,反之越高;每個組打印當天的測試數據兩兩間最佳擬合配準得到的RMSE值代表牙預備體代型的精密度(加工的可靠性),RMSE值越大,表明精密度越低,反之越高;第1、3、7、14、28與打印當天(第0天)的測試數據最佳擬合配準后的RMSE值代表牙預備體代型的尺寸穩(wěn)定性。RMSE值變化越大,表明尺寸穩(wěn)定性越差,反之越好。

1.3 統(tǒng)計學處理

2 結 果

2.1 牙預備體代型表面粗糙度

圖7顯示了0°、45°以及90°組牙預備體代型表面的典型三維形貌?？傮w上,0°和45°組頰舌面以及90°組面的表面形貌較為相似,呈“階梯”樣形貌,突起和凹陷高低落差較小。而0°和45°組的面、近遠中面,90°組的近遠中面、頰舌面的表面類似,“深長的裂縫”與“高聳的山脊”相間分布,雖方向不同,但高低落差都極大,這一現象得到了表1中粗糙度數據的支持。表1顯示,3 組牙預備體代型不同部位的表面粗糙度值顯著不同(平均值范圍:1.41～18.53 μm),0°和45°組的面與近遠中面,90°組的近遠中面和頰舌面的表面粗糙度遠大于0°和45°組的頰舌面,90°組的面,差異均有顯著統(tǒng)計學意義(P<0.05)。

表1 不同構建角度的牙預備體代型表面粗糙度 (n=5, μm)Tab 1 The surface roughness of different parts of the tooth preparation dies at different build angles (n=5, μm)

2.2 牙預備體代型的準確度

表2顯示,3 組牙預備體代型的正確度顯著不同(P<0.001),RMSE均值范圍24.90～37.23 μm(圖6顯示每個構建角度的絕大部分區(qū)域顯示為可接受的綠色)。正確度的RMSE值由大到小為:0°組>45°組>90°組,兩兩比較差異均具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。精密度方面,3 種角度牙預備體代型的RMSE值(范圍18.46～18.73 μm)相比無顯著差異(P>0.05)。

表2 不同構建角度的牙預備體代型準確度的RMSE值 (正確度n=15,精密度n=105,μm)Tab 2 The RMSE values of tooth preparation dies for the accurcy at different build angles (Trueness,n=15,Precision,n=105,μm)

2.3 牙預備體代型的尺寸穩(wěn)定性

表3顯示,3 個組在第1、3、7、14、28天這5 個時間段間的RMSE值比較均無顯著差異(P>0.05)。3 個組在第1、3、7或14天這4 個時間點中的RMSE值比較也無統(tǒng)計學差異(P>0.05)。雖然在第28天時間點3 個組的RMSE值存在統(tǒng)計學差異(P<0.05),但3 組間的RMSE值差異較小(<3.5 μm)。

表3 不同構建角度的牙預備體代型經歷不同時間后的尺寸穩(wěn)定性(RMSE值) (n=15,μm)Tab 3 Dimension stability (RMSE value) of tooth preparation dies at different build angles after different times (n=15,μm)

3 組牙預備體代型在28 d內的5 個觀察時間點間RMSE最大變化值均小于2 μm(0°組0.98 μm、45°組1.32 μm、90°組0.91 μm)。在第1天內(打印后第1天與當天比較)的RMSE變化值(8.86～10.53 μm)均遠大于后續(xù)時間點間的變化值,但在之后的觀察時間點間3 組牙預備體代型值變化趨勢不完全相同。90°組的RMSE值均隨著時間增加而增加,而0°和45°組的第3、7、14天RMSE值與第1天相比均有所減小。

3 討 論

根據研究結果,不同構建角度的牙預備體代型表面粗糙度和正確度均存在顯著不同,因此本研究拒絕原假設。

牙預備體代型的表面可以從非常光滑(類似鏡面)到非常粗糙(漫反射)。本研究中,0°和45°組牙預備體的面與近遠中面,90°組的近遠中和頰舌面的表面粗糙度遠大于0°和45°組的頰舌面,90°組的面,提示構建角度會對牙預備體不同部位的表面粗糙度產生顯著影響。之前的研究[4,11]表明,打印層的厚度與物體表面的梯度會造成“階梯效應”。有學者將“階梯效應”導致的打印層表面與計算機輔助設計模型表面之間的最大偏差定義為尖點高度(cusp height,CH)[CH=tcos(θ)],CH取決于構建方向(d)、CAD模型表面形成的角度(θ)以及打印層的厚度(t)[12]。本研究中,牙預備體代型的打印層厚(16 μm)是相同的,但0°和45°組的面與近遠中面,90°組的近遠中和頰舌面與構造板平面之間會產生較大的cos(θ)值,從而導致構造表面的尖點高度較高,階梯效應越明顯,表面粗糙度越大。因此,在采用聚合物噴涂打印(polymer jetting printing,PJP)技術成型牙預備體代型時,如果要獲得更光潔的表面,應盡可能將最重要部位的表面與構建平面平行放置,以減少階梯效應對目標表面質量的影響。

之前的研究[10]發(fā)現,3D打印模型表面明顯比銑削光滑,同時通過調整位置、減少懸垂,使用支撐結構以及根據實際要求選擇高分辨率3D打印可以獲得精密度更高的模型。然而,本研究中表面粗糙度與準確度的涵義和評價方法是不同的。本研究中表面粗糙度反映的是物體表面具有的較小間距和微小峰谷的不平度。兩個波峰或兩個波谷之間的距離(波距)很小,屬于微觀幾何誤差,表面粗糙度越小,則表面越光滑;而準確度(包括正確度和精密度)是物體測試數據集與參考數據集在3D分析軟件中最佳擬合配準的RMSE值,反映了物體表面所有點在3D空間中的偏差[13]。因此,在評價和應用兩者的結果結論時應區(qū)別對待,這也是本研究進一步分析牙預備體代型整體三維準確度和尺寸穩(wěn)定性的原因。

根據ISO 5725-1、GB/T 6379.1標準,測試對象的準確度可由正確度和精密度來描述。正確度指測試結果的(算術)平均值與真值或接受參照值之間的一致程度;而精密度指測試結果之間的一致程度。為了驗證測試對象的準確度,RMSE值被廣泛用于定量評估正確度和精密度[10,14-15]。本研究中,90°組牙預備體代型的正確度最好,其次為45°組,0°組最差。之前的研究[16]發(fā)現,物體隨著構建角度變化會出現懸垂區(qū)域,因而必須在物體表面的懸垂區(qū)域添加支撐結構,否則可能會對物體的表面準確度產生不利影響。此外,如果目標對象的打印層數越多,潛在誤差可能隨著添加層的數量增加而增大[13,17]。本研究中,根據不同角度牙預備體代型在構造板上的投影面積可以推算得出0°或45°組的懸垂區(qū)域較90°組更大(圖4),這可能是導致其正確度不如90°組的原因。同時,本研究中45°組(1 220 層)的打印層數多于90°組(1 066 層)和0°組(1 035 層)(圖3中3 組代型高度可見存在明顯不同),這可能在一定程度上增大了45°組的RMSE值,導致其正確度不如90°組。當然打印物體的幾何形態(tài)、打印參數和打印材料在內的其它各種因素也可能導致打印對象不夠準確[18]。 然而本研究中3 組牙預備體代型的正確度RMSE均值范圍均小于50 μm,與臨床觀察到的適合性差異相比,均在可接受范圍內。

在精密度方面,3 組牙預備體代型的RMSE值無顯著差異,提示本研究獲得的3 組牙預備體代型的可重復性好,可靠性高。但也發(fā)現3 組間的精密度比較結果不同于正確度結果,這與實驗評估時選取的測試和參考對象不同有關。本研究中牙預備體代型的正確度是通過三維軟件將掃描測試數據疊加在唯一參考數據上產生的,而精密度是同組測試數據相互最佳擬合配準生成的。由此可見,本研究中牙預備體代型的正確度與精密度之間并無聯(lián)系,但正確度的顯著性差異結果反映了不同構建角度對PJP技術成型牙預備體代型上述2 個指標的影響是存在明顯差異的。有學者[6]認為,將打印對象放置于高精密度打印中心附近可提高精密度(RMSE值變小),因為這樣的放置可以避免精密度差的平臺邊緣產生。因此,為避免打印放置位置對實驗結果造成影響,本研究選擇了在構造板的中心將不同角度代型樣本相間排列(圖3)。

在尺寸穩(wěn)定性方面,3 組牙預備體在1 d后產生的RMSE值變化幅度均大于后續(xù)時間點間的變化,這表明3D打印組的尺寸變化主要發(fā)生打印完成的1 d內,這一結果與之前研究[10]3D打印義齒基托的結果類似。一般來說,光聚合樹脂在打印后可以保持打印形狀,但剛打印完成的光固化樹脂還沒有完全聚合,表面硬度還不夠,需要通過后固化充分硬化其外表面,以盡可能抑制尺寸變形[10]。以往的許多研究發(fā)現,后固化的時間、設備類型以及峰值波長會對3D打印冠和牙橋材料的轉化程度、顏色或機械性能(如斷裂強度)產生影響[19-21]。與之不同的是,本研究根據用戶指南采用了高壓水沖洗這種后處理方式,可以規(guī)避光固化參數設置對材料的影響。研究發(fā)現3 個組在觀察的5 個時間點間的RMSE值(最大變化值小于2 μm)比較均無顯著差異,表明構建角度對3D打印牙預備體代型尺寸穩(wěn)定性的影響并無差異,說明PJP技術制作的牙預備體代型尺寸穩(wěn)定性是非常好的。

根據大多數文獻報告,固定修復體的邊緣和內部適合性值分別在50～100 μm和100～200 μm之間變化[22-24]。根據ISO 6973:2013標準,Ⅳ型超硬石膏24 h后的線性膨脹率不超過0.18%或再現50 μm寬的凹槽線均是臨床可接受的。因此,與超硬石膏模型相比,本實驗獲得的3 組牙預備體代型的準確度(正確度均值范圍24.90～37.23 μm,精密度范圍為18.46～18.73 μm)以及在28 d的5 個觀察時間段內的尺寸穩(wěn)定性(RMSE最大變化值<2 μm)均能夠滿足臨床需要。需要說明的是,本研究中牙預備體及其邊緣下立柱部分作為一個整體,需要在模型上順利插取并保持穩(wěn)定才能用于制作修復體,因而需要將兩者一起納入準確度分析才能完整評估其實際應用情況。本研究中整個牙預備體代型的準確性能夠滿足臨床需要,因而作為其組成部分的牙預備體(基牙)也是能滿足臨床需求的。然而,本研究只評價了PJP 技術中不同構建角度的牙預備體代型,未來還應對其它3D打印技術(如數字化光處理技術或SLA技術)中不同條件(如設備、牙位)或打印參數(如角度、層厚)對牙預備體代型質量的影響作進一步的研究。

綜上所述,在本實驗條件下不同構建角度對預備體代型的表面粗糙度和正確度有顯著影響,但對精密度和尺寸穩(wěn)定性未見明顯影響。然而,與臨床上觀察到的適合性差異相比,本研究中3組牙預備體代型的準確度(包括正確度和精密度)以及在28 d觀察期內的尺寸變化值均在臨床可接受范圍內,可用于制作固定修復體。