作者：张杰，山西医科大学口腔医学院口腔医院；李风兰，山西医科大学附属山西省人民医院口腔修复科
随着数字化技术的发展，计算机辅助设计/计算机辅助制作(computer aided design and computer aided manufacturing， CAD/CAM)在口腔领域的应用范围也在不断拓展，其加工形式主要分为增材制造与减材制造。增材制造又称3D打印，是一种逐层制造物体的技术，与减材制造相比有节省材料、加工时间短、能够制作复杂立体结构等优势，其基本工艺包括立体光固化(vat photopolymerization)、材料喷射(material jetting)、粘接剂喷射(binder jetting)、粉末床熔融(powder bed fusion)、材料挤出(material extrusion)、定向能量沉积(direction energy deposition)与薄材层叠(sheet lamination)。在口腔修复领域中，立体光固化是应用最广泛的3D打印技术。
1. 立体光固化技术原理
立体光固化打印技术最早可以追溯到1980 年，日本Hideo Kodama博士开发了一种利用紫外光使聚合物在三维空间聚合成型的方法。1986 年美国Charles W.Hu博士将类似方法申请专利，并首次将其命名为立体光刻(stereolithography， SLA)。目前立体光固化打印最常用的技术主要包括立体光刻和数字光处理(digital light processing， DLP)两种。
SLA是最早也是发展最成熟的立体光固化技术。其原理是紫外线激光束按照目标物体的分层截面信息对液态树脂进行光照，由点及线、由线及面的照射曝光每一层的图形，使材料发生聚合反应。在固化完一层后，打印平台上升或下降一定的距离(一般为15～150 μm)，然后在已经固化好的材料表面铺平新的一层液态材料再次进行光照，如此反复叠加直至目标物体制造完成。
SLA打印有自上而下与自下而上两种平台运动方向，前者多见于工业打印机，在打印过程中光源从上往下投射，需要始终保证材料液面没过打印模型；而后者在口腔临床工作中则更为常见，打印机工作时光源自下向上投射，只需要槽底有一定厚度的液面就可以保证打印顺利完成。平台自下而上运动的打印机有节省材料、层厚易控制等优点，是牙科桌面光固化打印机最普遍采取的形式。
与SLA不同的是， DLP使用数字微镜器件(digital micromirror device， DMD)实现光源投照。这种以投影方式实现整层结构固化的技术，显著节约了目标物体的打印时间。但由于DMD组件成本较高，有学者使用液晶面板将其加以替代，可实现相似的“面曝光”效果，称为液晶显示(liquid crystal display， LCD)技术。尽管LCD能大幅缩减打印机的成本，但因曝光亮度不足、散热性差、掩膜光透性等局限性，LCD打印机的耐用性不佳，目前口腔领域中相关的文献报道较少。
2. 立体光固化打印流程
立体光固化打印的基本流程包括数据采集、数据处理与加工制造。
2.1 数据采集
临床上使用直接在患者口内扫描或间接在体外扫描印模、石膏模型方法取得患者牙列印模。数据采集完成后数字模型通常会被保存为标准三角语言(standard triangle language， STL)格式， STL也是增材制造中模型数据的通用格式。
2.2 数据处理
数据处理包括使用设计软件进行修复体的虚拟设计，以及在切片软件中设置打印参数，对模型进行层切。常用的设计软件主要包括专业牙科软件、商业建模软件、免费开源软件三类。以3Shape为代表的专业软件可利用其自身的修复体数据库辅助操作者进行数值化、流程化的修复体设计，具有可视、精准、高效等优势。然而，专业软件流程化的程序也限制了修复体的个性化设计。因此，许多学者尝试使用Geomagic Studio等商业建模软件进行特殊结构的设计，但此类软件存在售价高昂等问题。
近年来，随着Meshmixer等免费开源软件被发掘，其也被逐渐应用于导板、义齿等的个性化设计中。切片软件则是一种设定三维模型每一层的厚度并将其均匀切割成多层二维形状的应用程序，后续3D打印机会根据每层相应的二维形状规划光源投射策略来选择性固化材料。同时切片软件还负责对打印参数进行设置，重要的打印参数包括层厚、打印角度、支撑形态及密度等，这些参数的设置会影响最终打印精度。
2.3 加工制造
以平台自下而上运动的打印机为例，打印机开始工作后平台下降至离树脂槽底一个层厚的距离，槽底下方的光源对平台与树脂槽底之间的树脂进行光照固化，之后打印平台上升并带着固化完成的树脂从槽底的离型膜分离，液态树脂迅速流动并覆盖离型膜；之后平台再次下降，新一层的液态树脂被光照固化并与上一层连接在一起，如此重复直至目标物件打印完成。
打印完成的实体模型需要经过一系列的后处理流程，包括表面残留材料的清洗、后固化、去除支撑以及打磨抛光等。各厂商对各自机器兼容的树脂材料均有相应推荐的后处理流程。在不同生产商的推荐里，最常见的清洗策略是先使用循环用溶剂超声清洗3分钟后再用清洁溶剂超声清洗2 min， 96%
3. 立体光固化打印材料
紫外光敏树脂，又称UV树脂，是立体光固化打印使用的材料，其组成为预聚物(低聚物)、光引发剂、活性稀释物、填料与染料等添加剂，其中光引发剂经过光照后降解为阳离子或者自由基来激活预聚物聚合。预聚物主要分为两类：自由基聚合的丙烯酸或甲基丙烯酸树脂以及阳离子聚合的环氧或乙烯基醚树脂，自由基型材料可选择范围较广，在口腔临床工作中最为常用。添加剂可以改善材料性能，是材料研究的重点内容。添加不同的填料可以改变材料的机械性能，染料则常用于控制固化深度，防止材料因过度固化影响精度。目前光敏树脂有模型、导板、牙龈胶、基托、临时修复体、陶瓷混合树脂等各类材料，可以适用于各种口腔临床工作。
4. 立体光固化技术在口腔修复中的应用
4.1 牙列模型
目前临床上基于扫描数据打印固定修复模型的方法最为常用，其制作的模型与传统石膏模型精度无异，在可重复性方面则显著优于传统方法。而对于具有特殊结构的种植模型，通过软件设计后打印的牙龈结构不仅能够更加方便的地恢复缺失牙部位的牙龈形态，而且更加美观。
Jin等通过对种植模型结构、窝洞偏移量与打印层厚对模型上替代体位置精度的影响研究，发现窝洞在0.04 mm与0.06 mm偏移量组下的替代体位置角度、深度以及线性偏差显著低于0.08 mm偏移量组； 100 μm层厚打印模型取得了显著优于50 μm层厚打印模型的替代体位置精度；同时， 1.5 mm壁厚的壳装模型上替代体位置较实心模型更为准确。虽然目前3D打印牙列模型已能够满足各项临床使用需求，但其制作成本仍然高于传统灌注石膏方式，打印一定厚度的壳状模型是有效减少材料消耗的方法。
4.2 种植导板
种植修复目前已成为缺失牙主要的治疗方式。自由手种植多依赖医生的临床经验，对于年轻医生来说无疑是巨大的挑战。而种植导板的使用能够限制种植手机在术中的操作范围，有效减少因自由手操作不稳定造成的误差。在Abduo等开展的一项研究中，14 名新手医生分别使用静态导板、动态导航、自由手种植方式在无牙颌模型上进行种植手术，术后结果显示，引导种植下的植体位置比自由手种植更加准确，其中静态导板引导下的植体位置比动态导航更为准确。得益于导板对钻针运动的限制，医生在术前可以充分利用患者现有的骨量来规划植体的位置，从而避免一些额外的骨增量手术，并减少治疗周期与费用。此外，导板引导下的种植手术也可通过不翻瓣的方式来减少创伤。
目前临床上应用的种植导板常采用光固化打印技术制作，其制作精度主要受到包括打印工艺、打印角度等多种因素影响。Wegmüller等发现3D打印机原理对种植导板表面精度有较大影响，虽然不同原理打印的导板均能顺利就位于模型，但材料挤出和和SLA打印的导板获得了比熔丝制造(fused filament fabrication， FFF)和DLP打印导板更好的精度。
Tahir等使用DLP打印机在0°(水平)、 45°、 90°(垂直)3 种打印方向制作并测量了种植导板的内表面精度，各组正确度与准确度结果分别为：0°组(100.7 μm、 69.1 μm)， 45°组(114 μm、 77.3 μm)， 90°组(120.3 μm、 82.4 μm)， DLP打印种植导板在0°即面向下时取得了最好的内表面精度。种植导板的制作需要经过模型数据的获取与配准、数字化设计与打印来获得。在此过程中， CT阈值的分割、配准方法的选择、打印参数的设置等均会影响导板的开孔位置与完成精度，并影响植体最终的植入位置。因此，需要综合考虑影响导板制作的因素，减少因设计制作过程造成的误差，从而提高种植手术的成功率。
4.3 修复体蜡型
失蜡铸造工艺是口腔修复的重要技术，包括手工雕蜡、包埋、熔模、脱蜡、金属铸造等步骤。传统失蜡技术涉及复杂的手工工作，不仅耗时长，而且在蜡模包埋过程中易产生变形，影响修复体的质量。立体光固化技术在数字化蜡型设计完成后直接打印蜡型，极大地减小了手工操作的难度与误差。目前临床上打印蜡型主要应用于可摘义齿金属支架与固定义齿基底冠的制作。
Williams等首次在临床上应用光固化打印技术制作了支架蜡型，经过包埋脱蜡与铸造形成可摘义齿金属支架，在患者口内成功试戴并取得了满意的临床效果。Shamseddine等分别制作了切削和打印的全冠蜡型，用于压铸二硅酸锂冠，结果显示两种方法制作牙冠的边缘、轴面以及面间隙无显著性差异，均能满足临床使用要求。近年来随着金属打印技术的日趋成熟以及成本的逐渐降低，蜡型打印再铸造的应用已经逐渐减少。
4.4 全口义齿
牙列缺失是口腔的常见疾病，全口义齿目前仍是无牙颌患者修复的重要方式。传统的全口义齿修复需要经过五次就诊，临床操作步骤繁琐，而数字化全口义齿可以缩短就诊次数为2～3 次，提高患者就诊体验。有学者发现切削制造的全口义齿比传统制造的义齿其基托有更好的准确性，但存在组织面倒凹区加工困难等问题。3D打印的优点在于不受结构限制，能够更加自由地进行义齿设计。
一项体外研究表明，光固化打印与切削的义齿基托适合性相当，能够满足临床使用。材料改性是打印基托的另一优势， Gad等发现氧化硅纳米颗粒改性后的基托树脂机械性能显著提升，优于传统热塑性树脂； Totu等在光固化聚甲基丙烯酸甲酯材料中加入氧化钛颗粒，成功抑制了假丝酵母菌株的生长。然而，由于立体光固化技术目前无法同时进行两种材料的打印，基托与牙需分别打印后再行装配，需要为打印的树脂牙预留0.2 mm的间隙来弥补装配产生的误差，或使用导板辅助粘接成品牙。
4.5 阻塞器
上颌骨缺损是上颌骨肿瘤切除后的并发症，术后上颌阻塞器修复是封闭口鼻腔交通、减轻瘢痕挛缩对容貌影响、提高患者生活质量的有效方法。由于上颌阻塞器力臂较长且缺少支持组织，需要制作中空式或者开放式阻塞器来减轻重量。传统方法制作中空阻塞器是一项比较复杂的技术，需分别制作腭部的封闭部分与缺损腔的支持部分，然后使用树脂粘接。由于加工方法的限制，阻塞器的中空结构无法被切削制造。而3D打印依托数字化技术，可轻松完成空心阻塞器的设计与打印，有效减少阻塞器的重量，简化操作步骤。
Jamayet等在牙科软件中为上颌骨缺损患者设计并制作了光固化打印成型的中空上颌阻塞器，患者在佩戴阻塞器后取得了满意的语音效果和缺损腔封闭效果；此外，在中空与实心设计阻塞器的对比中显示，中空设计减少了24%的树脂体积与22.2%的重量。虽然数字化软件可简化阻塞器设计与制作的流程，但目前增材技术在阻塞器制作中的应用仍处于初步阶段，长期修复效果仍还需进一步的临床观察。
4.6 瓷修复体
瓷材料由于其出色的机械性能与外观表现，在口腔领域被广泛应用于全冠、贴面、嵌体等的加工制作中。目前切削制造是瓷修复体主要的加工方式，但在加工中存在材料浪费、刀具磨损、边缘等菲薄区域不易成型等问题，直接影响最终修复体的机械性能与制作效率。3D打印有望解决这些问题，而且与切削陶瓷相比在制作规模与成型速度上有显著优势，具有良好的应用前景。
维也纳理工大学于2006 年开发了基于DLP的陶瓷立体光刻(lithography- based ceramic manufacturing， LCM)技术，该技术通过选择性固化混合有陶瓷颗粒的光敏树脂获得陶瓷生胚，后处理之后脱脂、烧结得到相应的陶瓷制品。目前， LCM已可实现打印氧化铝、氧化锆等陶瓷制品的高精度打印。
Wang等比较了LCM打印氧化铝冠、氧化锆冠与切削氧化锆冠的三维精度，结果显示， CeraFab7500机器打印氧化铝冠的精度(41±11) μm明显优于CSL150打印氧化锆冠(65±6) μm和X- MILL500切削氧化锆冠(72±13) μm。 Baumgartner等首次使用LCM技术打印二硅酸锂玻璃陶瓷，获得了低孔隙率的高密度样品，经过抛光后，试样的弯曲强度最高可达430 MPa。
同时，试样在热处理后的透光率(59.9%)与贴面常用全瓷材料IPS e.max Press(62%)基本一致。LCM打印陶瓷在美学修复体制作方面已表现出极大的潜力，但仍需要解决如陶瓷浆料的制备方法待改进、分层及微裂纹待减少、孔隙率与散射效应待降低、成型工艺待优化等问题。
4.7 临时修复体
CAD/CAM技术目前已被应用于临时修复体的制作中。虽然切削制作的临时冠精度高，但加工时间受修复体数量的影响，通常需要患者二次就诊，椅旁修复难以实现。DLP技术可以一次制作多个临时修复体而不增加打印时间，实现预备后基牙的即刻临时修复。由于光固化技术原理的影响，打印层厚与角度会显著影响打印精度。Osman等的实验结果显示， DLP打印机在135°可以为临时冠提供更理想的表面精度，而Yu等推荐为临时冠选择150°～210°之间的打印角度以获得理想的内表面质量。
Çakmak等的实验结果表明层厚影响3D打印临时冠的边缘质量， 50 μm层厚组边缘质量优于20 μm和100 μm组。通过上述文献回顾可发现，现有研究对不同机器、不同材料推荐的打印参数存在差异。因此，使用打印机前针对不同组合优化打印参数是必不可少的步骤。此外，目前打印树脂的弯曲强度、压缩强度等性能表现仍不及切削树脂，未来需要研制更加先进的材料，以便为打印的临时修复体获得更好的机械性能。
立体光固化打印因其高精度与不受形状限制等独特优势，在口腔医学领域的应用越来越广泛。除上述应用范围外，还可以被用在个别托盘、夜磨牙垫或一些个性化的装置的制作中。由于光固化打印质量受打印参数、后处理程序、打印设备与材料等多种因素的影响，因此，需要针对具体的使用场景优化打印策略。此外，目前光固化打印还存在制作成本较高，材料性能不完善等问题，后续需更深入的研究来解决。相信随着新型打印技术与牙科材料的发展，利用3D打印在椅旁制作永久修复体的场景或许会在未来实现。
来源：张杰,李风兰.立体光固化技术在口腔修复领域的应用[J].实用口腔医学杂志,2024,40(04):574-579.
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