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3D打印在技工领域的应用范围和材料要求 科贸嘉友收录

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人气:-发表时间:2017-08-28 15:11【

3D打印目前在国内的牙科技术领域也成为了一种应用趋势,无论是修复还是正畸都有3D打印的身影。本文除了介绍该技术的应用可能外,还着重探讨了相关材料的优势和劣势,让使用者能够更加客观地认识这一技术应用。增材制造技术,诸如3D打印,在技工领域的应用也在不断地提升。许多制造商都能提供相应的打印设备,其中高能量光照要么通过光固化成型(stereolithography)技术要么通过DLP 技术(Digital Light Processing 数字光处理)来固化液态材料。牙科模型、必要的可摘牙齿代型甚至可摘的人工牙龈、铸造支架熔模、种植导板、垫、个别托盘、暂时性修复体和义齿基托,针对这些应用方面都可以在市场上找到相应的供应商。本文将概述上述应用的范围,并提出相应的要求,探讨可用材料的优势和劣势,以及牙科技师使用它们可以实现什么样的修复可能。

自IDS(德国科隆国际口腔展)2015之后,3D打印也在技工领域成为了一个重要的趋势,但并不是每一个趋势最后都能达到成功。增材制造(additive manufacturing,对于这一制造技术这其实是比较正确的名称)技术包含了多个组成部分。首先,必须选择一个打印机。大多数情况下,牙科技师所需要的设备较小而不昂贵,并且使用的也都是光固化树脂材料。下面虽然不是一个完整的列表,但也包含了大部分目前牙科市场上所出现的打印设备:Varseo 打印机(BEGO)、SHERAeco 打印系列(SHERA)、相同构造的D30 和D40(Rapid Shape)、pro3dure-fab 系列(dentona)、相同构造的Kevvox打印机系列、LukaPrint、Objet30和Objet260(Stratasys) 以及Xtreme、Xcede、Ultra 和其他EnvisionTEC 打印机。

其中大部分打印机采用的是DLP技术(Digital Light Processing数字光处理)。这种处理方式的速度非常快,因为它是对一整个表面进行光照,而不是像传统的光固化成形技术(stereolithography)那样采用逐点光照的方式。但是这种方法也存在弱点:一方面,固化的部分悬吊在打印平台上,最新一层完成的固态树脂必须与液槽底面分离并粘接在上一层成型的树脂层上。在这种情况下产生的力会导致打印结构的缺陷。另一方面,打印区域的大小以及在这个过程中的分辨率也是有限的。一个较大的打印区域会造成精度的损失。不过,对于一个技工室而言这个大小还是能够满足其需要的。至于模型打印,需要打印机具有较大的打印区域和其他方法,例如使用Prodways 公司(法国)的设备。

这类技工室专用的小型打印机所使用的光固化材料,将在本文更加详细地被再次介绍,因为它们是这个系统第二个组成部分。第三个也是最后一个组成部分是过程,这其中除了打印还包括打印件的清洁和后固化过程。

牙科技师所购买的3D打印机并不昂贵,但是它们到底应该用于哪些领域?必须使用什么样的打印树脂?如果仔细观察,就会发现应用在各个领域的要求有着很大的不同。这也是为什么制造商要提供非常全面的树脂产品,用于打印模型、甚至带有可拆卸的模仿牙龈部分、可燃尽的铸造支架熔模、手术(种植)导板和各种垫、个别托盘、临时义齿、甚至义齿基托。

这里,首先要区分医疗器械产品和技工室材料:作为医疗器械产品,对于个性化产品需要对材料进行测试和批准。而对此会有相关的规定,可参阅医疗器械法和医疗器械规定。在上述应用中,只有前两个是技工室产品。

对于患者而言医疗器械产品必须是安全的。因此,临床适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,正确的处理过程与其备受赞赏的应用一样重要。因为生物相容性是基于材料和生物体之间的相互作用。在这些树脂包装瓶上可以看到它们不是不危险的。你会发现几个不同的警告。感叹号代表会存在一般的健康威胁,例如皮肤和眼睛刺激或过敏反应。但有些材料会被认为是对环境有害和有腐蚀性的,甚至是对健康也有损害。在安全数据表中,应该描述危害并建议相应的保护措施。所有的这些危险都由单个组分(通常是单体、低聚物、引发剂和添加剂)所引发。它们应该在安全数据表中被明确提及。

只有当原料通过照射进一步形成聚合物,即复合材料之后,才不会造成危险。为了确保这一点,材料与工艺要一起被批准,这才能够确保临床应用所需的机械性能,这些都应该在产品说明书中被描述。如果牙科技师,无论出于何种原因无法获得相关信息,那么他们就要亲自保证,所应用的方法可以得到更安全的产品。目前,如果不同材料的制造商仅能提供一个安全数据表,但在使用说明书中存在其他的危害,就会违背法规中所规定的,要确保在工作中达到最大的安全性的初衷。


下面将介绍各种应用情况,并详解在处理后必须要达到何种材料特性。

牙科模型

一个打印模型(图1)必须提供如同常规石膏模型一样的功能:它必须高精确度地反映患者的口腔状况。此外,根据目前模型的用途,它需要在压膜时能够承受住一定的温度。有些用于制作冠和桥修复体的模型还带有可拆卸的单颗牙齿代型。这些代型需要单独打印,在应用时能够非常精确地复位。而这样的精度首先依赖于打印机的质量,其次还受到树脂的粘度和反应性,以及打印过程的影响。除了精度外,对于热稳定性没有更高的要求。对于一些用户来说颜色也是非常重要的。大多数的颜色位于象牙和浅米色色调之间,但也有灰色材料。另外,足够的不透明度也很重要,以便可以看清楚表面的细节。

SHERA提供了两种材料,一种用于快速打印正畸模型(SHERAprint-model fast);另一种用于打印满足美学要求的模型(SHERAprint-model plus)。这两种材料在组成成分方面也有所不同。类似的还有NextDent的两种模型材料—NextDent Model 和NextDent Model Ortho。其中后者是一种比较不精确的材料,主要被推荐用于真空铸造中。Dreve公司同样也提供了两种树脂。然而,它们之间差异却表现在其他方面:一种用于光波长为405nm 的打印机,另一种树脂则在365nm 波长的光照下固化。

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牙龈模拟

在牙科技工室的模型上牙龈模拟部分(图2)也被称作是人工牙龈,可以以最好的方式来模拟牙龈。对此,打印材料不仅要具有相当的弹性,而且还要能够被修剪。为了确保牙齿就位,它必须具有良好的抗拉强度,同时也要有足够的撕裂强度。这是两个完全不同的性质:

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抗拉强度或者断裂伸长率以百分比形式来表示,代表了拉伸程度,也就是在何种程度下材料开始断裂。而撕裂强度代表了一种相反的力,是指单位面积上所需要的进一步破坏切口样品的力。断裂伸长率需要拉伸材料,使得牙齿能够就位并在开口处稳固就位。但是,如果该材料出现了裂纹,那么撕裂强度就要阻止人工牙龈被完全撕断。对于这种牙齿代型对牙科模型和人工牙龈产生的压力,Dreve ProDiMed GmbH 获得了一项专利(EP2499990,US8506297 和JP2012196456),因此如果使用Dreve 的材料,就需要申请许可。


铸造支架熔模

这里将要讨论的是最后一个技工室产品— 铸造支架的熔模(图3) 。同样的,如同牙科模型一样,这也是一个非常普遍的应用。这种方法以类似的方式长期以来被应用在首饰制作中:在获取患者的口内情况后,在电脑上进行支架的设计,然后再打印出来。去除支撑部分后,将树脂熔模包埋。

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在用熔融的金属进行铸造时,树脂熔模在短时间内被燃尽无残留。在这里,形成较大量的气体,这可能会导致在浇铸材料内出现裂缝,所以也同样需要用金属填充。在最坏的情况下,整个过程必须被重复进行。因此,对于材料也就提出了非常不同的要求:要尽可能地降低在聚合过程中产生的收缩,因为这会使树脂件产生应力,并造成复合材料熔模的变形(图4)。不过这可以通过巧妙地利用支撑结构来抵消。

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该材料的可熔融行为必须是已知的 – 残留物或气体的形成与熔融金属接触是不可接受的。并且,该材料还必须有足够的强度,以避免在包埋时发生变形。精度是所有牙科应用的基本要求。BEGO 推出的材料VarseoWax CAD/Cast 具有很高的生坯强度。因此,可以不需要进行后固化,这提供了节省时间的优势。尽管如此,还是建议进行后固化。此外,所使用的包埋材料还要与这种打印树脂相匹配。


种植导板

在这里所描述的一系列应用中所涉及的首先是医疗器械产品,它被归为I 类产品,因为它要与机体相接触,因此该材料的生物相容性是必要的。

在使用过程中,要不能产生有害的成分,例如未反应的单体或者引发剂进入到患者的唾液内或黏膜上。如果在聚合时,(后)光固化时间过短,使用了错误的波长或者光固化设备(后固化)的功率过小,都会造成聚合不充分,进而产生上述危害。然而,光照时间过长,却可能根据树脂组成成分的反应而导致变形,特别是很多种植导板都需要覆盖整个牙弓,这也意味着相对就会产生更大的变形。

这类材料应当是透明的,以便于外科医生能够更好地观察手术部位(图5)。另一方面,通常还是希望能够与牙齿和牙龈形成一定的颜色对比,例如:SHERAprint-sg 和NextDent SG 为橙色( 在这种情况下,它们可能是由相同的材料制成)(图6 中的导板图片由Dreve 提供)以及BEGO Wax Surgical Guide(蜡外科导板)呈蓝色。这些材料必须足够硬,以便能够牢固地固位在牙齿和颌骨上,以及固定住引导预备钻的套环。这方面的应用对机械性能的要求并不是很高。引导环需要很高的精度,因为偏差可能会导致种植体与预备的种植床不吻合3。而这恰恰是可以通过导板避免的。因此,该导板在患者口内就位要稳定而无晃动。而且种植导板的引导环也不能晃动。因此,所需要的孔要尽量小,尽管通过手操作会意味着更多的付出。导板能够达到的精度由打印机、打印过程和树脂来决定。

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使用种植导板时可能会接触到血液。因此它们最好是无菌的。为了这个目的,在放入引导环之后,要进行消毒或灭菌。如果采用蒸汽灭菌法,可能会产生热应力,这可导致变形,也会造成机械性能的变化。而用环氧乙烷(EO)进行消毒时,如果还存在自由双键,在某些情况下有毒气体会与材料结合。由此会影响到材料的特性。因此,如果用EO 灭菌就必须要确保,可能被合成材料吸收的环氧乙烷在使用前要被释放出来,而这需要一个较长时间的存放。通过β- 或者γ 射线进行的放射灭菌法,可持续地影响所有的合成材料(除了PEEK 和PPS),因为通过高能量辐射可以使键断开或者重新连接。这通常会导致脆裂,也会影响精度和生物相容性。因此,建议最好用乙醇进行消毒—快速、高效、无害。


垫需要承受很高的咬合力。其中磨牙垫恰属于要求很高的一种应用。因此,这方面的推广需要更长的时间,直到真正开发出适合的材料。可以想像,利用增材制造技术制作这些垫的市场需求会非常高。因此,曾经采用了种植导板材料来制作垫,当然,结果是令人失望的。除了足够的强度外,材料的高延展性(>10% 是最小值)以及足够的冲击韧性(>15 千焦耳/平方米)也是必不可少的,这些特性可以避免垫的断裂。锐利的断缘对患者也是一个高风险的危害。

垫的耐磨性尤为重要。由于垫不需要长期戴在口内,所以属于I类医疗器械产品。然而,停留时间和由此产生的潜在风险还是要高于种植导板的。出于美观性的原因,以及为了能够替代真空压膜技术,需要所应用材料要能具有很高的透明度。特别是对于患者需要较长时间佩戴的垫,还希望制造商能够提供一种合适的修补材料,目前这种修补可能性也正处于测试当中。

另外,垫支撑部分的密合性也很重要:垫的组织面是不能被改变的,但是可以对它的外面进行打磨修整。NextDent 除了提供了NextDent Ortho Splint 外,还推出了另一种材料NextDent Ortho Rigid。这种材料不仅硬度大,而且还具备略高的抗冲击性。但是这种材料像OrthoDentSplint一样不是无色的。有趣的是,NextDent 的所有材料都被归为Ⅱa 类产品。IIa 类医疗器械产品具有中度的潜在风险。在这种情况下,它们就无法像义齿或者牙齿充填物那样,可以无限制地戴在口内。

对于某些应用来说,柔软的、高弹性的垫更为适合。在压膜技术中对此使用了如EVAL等的复合材料。这类材料的弹性模量处于1000MPa的范围,相反延展性却为20%。对于这方面的应用,NextDent是唯一的供应商,其提供的材料名称是NextDent Ortho IBT,它也被申请应用于正畸方面。


个性托盘

针对这方面的应用,几乎所有的制造商都能够提供相应的材料。利用增材制造技术制作的这类托盘,可以完成更为复杂的几何形状(图7)。虽然这也涉及到医疗器械产品,但其要求因与患者的接触时间短而比较低。如同对种植导板的描述,完全固化对个别托盘来说也尤为重要,因为托盘必须有足够的硬度,即使印模材料具有很高的粘附力也不会折断。因此,托盘柄足够稳定的设计是非常重要的。同样重要的还有硅橡胶(或其他印模材料)对托盘的粘附。当然,它不能留在患者的口腔内。为了避免不必要地延长治疗时间,制作时间短也是非常重要的一点。

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暂时性修复体

采用增材制造技术加工冠和桥修复体是其在牙科领域的另一个应用。出于节省时间的原因,大多数的牙医会以传统方式为患者进行暂时修复。此外,使用高度填充的材料可以不用担心患者的咀嚼应用,而上文中( 至少) 大多数打印机无法处理这类材料。不过,这类产品已经出现在市场上了,例如:SHERAprintcb,NextDent 公司的CEO Rik Jacobs( 一位知名的牙科3D 打印树脂制造商)口内的一个冠修复体就是由NextDent 公司生产的MFH 材料(MFH = 微填充混合材料)制成。该修复体是由荷兰TNO 研究院的打印机打印而成。除了这种MFH 材料,NextDent 还提供了另外一种用于打印临时冠桥的树脂NextDent C&B。其机械性能劣于MFH 材料。NextDent C&B 的抗弯强度是85-100Mpa,而NextDent C&B MFH 为100-130Mpa。传统的材料,例如FixTemp(Dreve)24小时后的抗弯强度是90Mpa,最终的抗弯强度则是120Mpa。不过这类打印材料的耐磨性还没有给出测定值。根据制造商的说明,这些材料可以用标准颜色进行染色。但是根据作者的经验,染色会影响树脂的固化,进而也会影响打印件的生物相容性。

此外,EnvisionTec 公司提供的一种微混合填充材料E-Dent 也用于暂时性修复体的制作。使用这种材料还可以打印贴面。它共有三种颜色可供选择—A1、A2和A3。填料含量高达约50%(重量比)。因此,有一个特殊的体素逐体素的打印方法,其详细描述见于使用说明书。在数据表中所列出的有关NextDent C&BMFH 的机械性能,还需要进一步明确,并且达到对用于常规加工的材料所提出的要求。´


义齿基托

在义齿制作方面如果引入增材制造技术(图8)也会带来这样的问题:按照作者的观点,如果义齿排牙也能够通过数字化达到所要求的质量,那么才能真正实现义齿发展的提速(图9)。因为目前打印的义齿,还需要配套的人工牙,当然最重要的还是,患者能够用他的义齿吃饭和说话。但是需要明确制作过程,以及这种材料可以完成什么应用。

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首先,生物相容性必须保证一个长期性,也就是义齿可以佩戴很多年。如果析出有争议的成分,那么这种产品是不能被接受的。但是打印件的优点是,从一开始就不包含有甲基丙烯酸甲酯。这种传统义齿材料的原料含有一种已知的过敏原,很多人都会出现过敏反应。此外,与传统加工方法相比,这种增材制造技术所产生的收缩也较低。

这些新材料的机械性能必须特别检查清楚。如果合成材料满足ISO 20795-1 的机械性能要求(弹性模量>2000Mpa,抗弯强度>65Mpa),但经验表明还不能确定,在其跌落或修理时是否会折断。此外,断裂伸长率(最小10%)和冲击韧性(>15 千焦耳/平方米,更好的20 千焦耳/平方米)也是有意义的参数。

另外,义齿的美观性也是非常重要的,基托的颜色和表面质量对此起到很重要的作用。如果佩戴的舒适度不够,患者就会不愿意使用义齿。必要时需要对义齿进行重衬,而这要求确保衬垫材料与义齿基托之间形成良好的连接。然而,硅树脂与硬塑之间的连接也并不简单:通常需要基于甲基丙烯酸甲酯的粘合剂才能完成粘接。用于增材制造技术的树脂,一般MMA基的要少于PMMA 基的合成材料。


总结

增材制造技术的潜力已在技工中得到确认。个性化的产品能以极高的精度和脱离个人技能的前提下在短时间内即可加工完成。目前市场上由不同制造商生产的树脂已经可以在8个不同的领域得到应用。然而,它们尚不能在所有情况下都能达到完全的信服度。因此可以预期,在未来几年内产品范围仍会在不断地被改进和扩展。

目前由市场上的销售商提供给用户的文件和支持存在很大的不同。显然,在互联网所能获取的相关产品文件中,有些只是针对所用材料的安全数据表。产品说明书的细节深度也有很大的不同。尽管用户可能读到的是多达8页的内容,那也未必真正是他们想要了解的信息。

返回到我们的第一个问题,增材制造技术是否能够让牙科技师更成功:其贡献应该是多方面的。每个牙科技工室必须考虑是否自己有足够加工数量,以判断是否值得购买一台打印机和用于清洁和后固化的设备。另外也不要忘记,对于员工培训和建立必要的经验所需要的时间。然而,这些投资可能会为自己的技工室打开更多的可能性,并且提前尝试一些新的技术。选择正确的打印机及配套的材料是决定因素,因此在这方面投入的时间和精力不能吝惜。

但是至少对于小型的技工室来说,将这方面的加工委托给服务供应商,会更理性一些。这些加工流程已经得到了优化,因此最多两天时间就可以得到一个高品质的修复体件。


来源: 世界牙科技术

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