3D打印（three-dimensional printing），又名增材制造（additive manufacturing）、快速成型（rapid prototyping）、分層制造（layered manufacturing）或?qū)嶓w自由成型（solid freeform fabrication）。其應(yīng)用的首要條件是三維模型的獲取，可通過口內(nèi)3D掃描、模型掃描或直接建模而來；對于取模不便者，口內(nèi)直接掃描獲取三維模型具有優(yōu)勢。三維模型獲取及進(jìn)一步優(yōu)化后，需設(shè)置模型擺放位置、方向，增加支撐結(jié)構(gòu)，并設(shè)置打印速度、切片分層高度等信息。開始打印后，3D打印機(jī)根據(jù)切片信息逐層堆積材料制造原型。整個(gè)過程的參數(shù)設(shè)置均會對最終的打印精度產(chǎn)生一定影響。
3D打印屬于CAD/CAM過程中的CAM部分，較減材制作或傳統(tǒng)鑄造等方法，其節(jié)約勞動力，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)高；定制化，可以制造任意形狀；沒有中間模型轉(zhuǎn)換過程，減少誤差來源，也節(jié)約模型材料；能一次加工多個(gè)部件，節(jié)省時(shí)間；只用到目標(biāo)物件所需材料，不浪費(fèi)多余材料。3D打印在口腔修復(fù)中的應(yīng)用范圍廣，可直接打印修復(fù)體，也可打印制作流程的一部分物件如工作模型，蠟型等。本文主要針對修復(fù)體的直接打印進(jìn)行綜述。
一、原理
3D打印發(fā)展歷史悠久，從1986年Charles Hull首次提出3D打印的概念至今，不同原理的3D打印接踵而至，鑒于在牙科領(lǐng)域的實(shí)踐，筆者將其分為三大類。
1. 基于光固化成型工藝
即光敏固化的液體聚合物在特定范圍內(nèi)紫外線的照射下逐層固化成型。該工藝由液態(tài)原材料固化而來，且光源直徑小，位置準(zhǔn)，因而成型后精確度高，能還原細(xì)小的表面特征。除此之外，該工藝的特點(diǎn)還有：可以制造透明物件；設(shè)備價(jià)格高昂；原材料昂貴、局限于光固化材料；需要后期進(jìn)一步紫外光照射固化。
在口腔修復(fù)體中的直接應(yīng)用主要為暫時(shí)修復(fù)體的制作。光固化成型工藝可進(jìn)一步分為
①光固化成型（stereo lithography apparatus，SL/SLA）：成型時(shí)，紫外光的照射單位為點(diǎn)，移動形成線，線形成面以完成層狀固化。
②數(shù)字光處理（digital light processing，DLP）：成型時(shí)，光源經(jīng)密集排列成面的微反射鏡反射到材料上，直接引起整層材料聚合固化。每一個(gè)微反射鏡的方向都可自由移動以控制反射光的路線和方向，從而使得整層的材料可以同時(shí)接受光照，較SLA更快。
除此之外，還可以通過在非光固化材料（如陶瓷）中添加光固化粘接劑以達(dá)到光照成型的目的。其打印完成后需要去除粘接劑，這將增加物體的孔隙率，降低機(jī)械性能。另外，對于氧化鋯陶瓷來說，若出現(xiàn)光固化介質(zhì)固化不完全則需要額外的熱聚合過程，這將導(dǎo)致氧化鋯的低溫退化效應(yīng)更加明顯。
2. 基于激光成型工藝
其本質(zhì)是特定范圍的激光燒結(jié)或融化粉末狀的材料顆粒，逐層固化，層與層之間互相粘結(jié)成型，需要惰性氣體屏蔽。該工藝相對其他工藝能達(dá)到較高的致密度；較昂貴；存在遇熱變形的傾向；加工精度低，需要進(jìn)一步修整拋光，后續(xù)加工復(fù)雜。金屬支架、金屬基底冠、種植體等主要由該工藝制作。
激光成型工藝可進(jìn)一步分為：
①選擇性激光燒結(jié)（selected laser sintering，SLS）：加熱后，目標(biāo)材料直接形成顆粒間粘接或由額外添加的低熔點(diǎn)粘接劑（如高分子聚合物、低熔點(diǎn)金屬）實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)目標(biāo)材料的粘接，力學(xué)性能較差。未固化的粉末可以起支柱作用因而無需額外添加支柱。適用于陶瓷，金屬，高分子聚合物，蠟。
②選擇性激光熔化（selected laser melting，SLM）：加熱后，粉末完全熔化，分層成型。因其要求達(dá)到粉末的完全熔融，故需要較高的激光密度，同時(shí)不需要間接粘接劑，致密度可近100%。應(yīng)用時(shí)需要足夠的支撐結(jié)構(gòu)利于成型及傳熱，支撐結(jié)構(gòu)的不足夠?qū)?dǎo)致倒凹結(jié)構(gòu)的崩塌或產(chǎn)生熱集中導(dǎo)致的卷曲變形。整個(gè)過程溫度變化大，速度快，產(chǎn)生應(yīng)力大，應(yīng)用于陶瓷時(shí)，易造成裂隙。主要適用于金屬。在制造斜度/曲度大的部分時(shí)容易產(chǎn)生較大誤差。
③直接金屬激光燒結(jié)（direct metal laser melting，DMLS）：是SLS的一種，SLS主要用于非金屬，DMLS主要用于金屬。雖從說法上是燒結(jié)，但實(shí)際上多數(shù)時(shí)候，金屬粉末已經(jīng)完全熔化，類似于SLM。其與SLM的不同在于DMLS技術(shù)使用材料都為不同金屬組成的混合物，各成分在燒結(jié)（熔化）過程中相互補(bǔ)償，有利于保證制作精度，不需要昂貴復(fù)雜的后處理工藝。而SLM技術(shù)使用材料主要為單一組分的粉末。
④電子束熔化（electron beam melting，EBM）：與SLM相似，故筆者將其歸于激光成型類別。其用高能電子束替代激光束熔融金屬粉末，功率更高，局部熱應(yīng)力更小因而需要更少支柱結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱；昂貴；可達(dá)到很高的致密度，但制件表面粗糙度大，因而適用于加工種植體。
3. 基于直接沉積工藝
直接沉積（direct deposition）技術(shù)又叫噴墨（jetting）技術(shù)，其本質(zhì)是噴頭依據(jù)分層信息，依照各層形態(tài)，形成路線，途中噴出材料，直接冷卻（FDM、MJ）或者在粘接劑的作用下與前一層材料粘接（BJ）或接受光照（PPJ）而固化成型?？杉庸は?，線狀高聚物，樹脂，陶瓷等。直接沉積工藝可進(jìn)一步分為①熔融沉積制造（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）：其特點(diǎn)為可同時(shí)制造多個(gè)部件；若有第2個(gè)噴頭，支撐材料可采用與目標(biāo)物件不同的材料，通過第2個(gè)噴頭噴出；表面精準(zhǔn)度低，有階梯樣堆疊的結(jié)構(gòu)。②材料噴墨（material jetting，MJ），又叫DOD（drop on demand），thermojet，inkjetprinting：其只能加工蠟或蠟樣物質(zhì)；支撐材料往往是不同于目標(biāo)材料的其他材料；可以達(dá)到良好的精確度和表面精度。③BJ（binder jetting），又叫3D打?。?D printing）：其可應(yīng)用于幾乎任何可以被加工成粉末的材料；簡單、經(jīng)濟(jì)；未固化的粉末可提供支柱作用，無需額外支柱結(jié)構(gòu)；機(jī)械性能差。④光敏聚合物噴墨成型（photopolymer jetting，PPJ），又叫polyjetting：該技術(shù)也可歸屬于光固化成型工藝，其可以制造出平整精細(xì)的表面精度；可制造多種材料多色的物件及具有功能梯度的物件（如不同部位硬度不同）。另外，除了單純利用3D打印制作以外，尚有混合3D打印與傳統(tǒng)加工流程的方式。如混合SLM系統(tǒng)與研磨系統(tǒng)以達(dá)到良好的加工精度。
二、應(yīng)用
3D打印在直接制作口腔修復(fù)體中的應(yīng)用較為廣泛，目前主要有光固化樹脂制作暫時(shí)修復(fù)體、金屬制作金屬支架或金屬基底冠和種植體、陶瓷制作冠修復(fù)體。
1. 光固化樹脂
3D打印樹脂材料大都是生物不相容的，不能通過ISO10993-1醫(yī)療器械生物學(xué)評估，且在細(xì)胞毒性，長期穩(wěn)定性和功能性上都尚且不清楚，因而局限于暫時(shí)修復(fù)體的應(yīng)用。Gan等測試了PPJ制作的活動義齒樹脂暫時(shí)支架，顯示出良好的準(zhǔn)確性，并發(fā)現(xiàn)口內(nèi)直接掃描不如口外掃描石膏模型精確。Lee等3D打印制造的樹脂暫冠在基牙密合性上優(yōu)于切削制作，尤其是在曲度較大的部分優(yōu)勢更加明顯，可能與曲度大切削不便有關(guān)。Mai等利用PPJ原理制作的樹脂暫冠適合性高于切削制作，尤其在咬合面，這與如前所述PPJ成型精度高有關(guān)。由此可見，光固化成型應(yīng)用于口腔暫時(shí)修復(fù)體的制作，操作方便，精度高。
2. 金屬
金屬材料目前臨床的應(yīng)用主要集中在金屬基底冠和可摘局部義齒的金屬支架，多由義齒加工制作生產(chǎn)企業(yè)制造，且多采用進(jìn)口設(shè)備。另外，種植體的制作也越來越多。其中，鈷鉻合金（生物相容性好和價(jià)格低）及鈦合金或純鈦是應(yīng)用的熱點(diǎn)。
1）金屬底冠
SLS/SLM技術(shù)制作的鈷鉻合金底冠是最常見的應(yīng)用，后續(xù)常規(guī)陶瓷燒結(jié)形成完整的金瓷修復(fù)體。對于3D打印金屬底冠的評價(jià)，從金瓷結(jié)合、底冠強(qiáng)度、底冠與基牙的密合性進(jìn)行。金瓷結(jié)合：相關(guān)體外研究表明，SLS/SLM制造的鈷鉻合金底冠金瓷結(jié)合強(qiáng)度與傳統(tǒng)制造無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，均符合ISO9693標(biāo)準(zhǔn)；也有研究表明激光成型制造的底冠結(jié)合強(qiáng)度更大，這可能是因?yàn)椋孩偌す獬尚偷牡坠诮Y(jié)構(gòu)更精細(xì)，帶來結(jié)合面各處結(jié)合的一致性，②分層加工過程中每層金屬間的微小縫隙和金屬的球化現(xiàn)象造成金瓷界面表面積增大；另外有研究表明：激光燒結(jié)的金屬與陶瓷分離模式更接近內(nèi)聚破壞（cohesive failure）而不是粘接破壞（adhesive failure），也顯示出金瓷結(jié)合的更佳。但也有研究顯示破壞模式?jīng)]有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
SLS/SLM制作的金屬底冠與陶瓷之間的金瓷結(jié)合是否高于傳統(tǒng)制造尚且沒有十分確切的答案，但值得肯定的是，其金瓷結(jié)合能力不亞于傳統(tǒng)制造底冠。底冠強(qiáng)度：相關(guān)體外研究表明，激光成型制造的鈷鉻合金/鎳鉻合金底冠強(qiáng)度高于傳統(tǒng)鑄造，這與快速冷卻、結(jié)構(gòu)致密無缺陷有關(guān)。但也有研究者指出，SLS制造底冠的層間縫隙和金屬的球化現(xiàn)象會導(dǎo)致底冠斷裂強(qiáng)度明顯降低，但仍符合臨床應(yīng)用。Tulga等的研究表明退火會影響金瓷結(jié)合，且在不同制造原理有不同效應(yīng)。金屬底冠與基牙的密合性：金屬底冠與基牙的密合性尤其是邊緣密合性是衡量固定修復(fù)成功的重要指標(biāo)，約10%的修復(fù)失敗由邊緣適合性不佳導(dǎo)致；除此，密合性不好也可能引發(fā)繼發(fā)齲、牙周病、牙髓炎、牙髓壞死等。通常底冠與基牙的距離低于120μm被認(rèn)為臨床可接受。
Kim等的體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SLS制造的鈷鉻合金底冠的基臺密合性較減材制作低，但高于傳統(tǒng)鑄造，臨床可接受。另外的研究也得出相似結(jié)論。而Ucar等的研究卻發(fā)現(xiàn)SLS制造的鈷鉻合金密合性低于傳統(tǒng)鑄造。進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)，對于牙的不同面，咬合面的密合性較差，軸面和邊緣密合性較好。Dikova等還報(bào)道3D打印的蠟型失蠟鑄造的密合性高于直接SLM制造的鈷鉻合金底冠，這可能是由于前者有兩次體積收縮而后者只有一次體積收縮。研究結(jié)論的不同與密合性測試方法、基臺形狀、原理的不同都有關(guān)系，因而可以認(rèn)為，恰當(dāng)?shù)脑?、?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)定能夠達(dá)到良好的基牙密合性。
2）可摘局部義齒金屬支架
可摘局部義齒制作的3D打印發(fā)展較固定修復(fù)慢，主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜多變和精巧及CAD軟件的開發(fā)困難。目前臨床的應(yīng)用主要集中在用SLM制造的金屬支架。Williams等2006年首次報(bào)道了SLM制造的鈷鉻合金支架臨床案例，在準(zhǔn)確性，合適度及功能上與傳統(tǒng)加工方式媲美，但費(fèi)用較高、時(shí)間較長，有望隨著技術(shù)的進(jìn)步而改進(jìn)。葉頁等采用SLM技術(shù)制作的鈦合金基托形態(tài)、適合性、微觀結(jié)構(gòu)均可滿足臨床要求，且微觀結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)加工方式更具優(yōu)勢；同時(shí)，還指出EBM技術(shù)成型的基托適合性、微觀結(jié)構(gòu)方面均有欠缺，無法臨床應(yīng)用。
Wu等的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，SLM制造的鈦合金支架顯示出較好的臨床效果。Bibb等的研究表明SLM制作的鈷鉻合金支架的合適性從臨床的角度來說是可嘉的，且卡環(huán)在使用過程中也不會產(chǎn)生變形。另外的研究則顯示出不同的結(jié)論：Ye等的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，SLM技術(shù)制造的鈷鉻合金金屬支架適合性較傳統(tǒng)制作較差，但符合臨床應(yīng)用要求。Nakata等采用結(jié)合研磨系統(tǒng)的SLS系統(tǒng)制作鈷鉻合金卡環(huán)，較傳統(tǒng)鑄造卡環(huán)，其表面更為光滑，固位作用無差異，且隨時(shí)間推移固位作用下降更慢，但其對基牙的適合性較差，可能由于角度太大研磨不到位所致，但也在臨床接受范圍內(nèi)。
而Arnold等的研究發(fā)現(xiàn)3D打印RPD的基牙合適性低于傳統(tǒng)失蠟鑄造和切削制造，并且不在臨床可接受范圍內(nèi)。這可能由于切削制造的表面精度更佳、3D打印支撐結(jié)構(gòu)拆除會降低表面精確度、以及材料的本身尺寸穩(wěn)定性的原因。對于局部可摘義齒，其卡環(huán)的精細(xì)制作還有待提高。
3）全口修復(fù)
Kanazawa等利用SLM技術(shù)制造了全口義齒的鈦合金支架，相比于傳統(tǒng)制造顯示出更高的硬度和致密度（與快速冷卻和晶相組成相關(guān)）。Wu等利用激光快速成型制造出純鈦基托板，顯示出良好的適合性。鈦合金具有輕巧、舒適、生物相容性好、高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于對普通金屬過敏的患者，但由于高熔點(diǎn)和氣孔率，其在傳統(tǒng)鑄造上有較大的困難，3D打印工藝的出現(xiàn)有望解決這一問題。
4）種植體
種植體表面的孔隙有利于刺激新骨形成。3D打印過程中，通過調(diào)整材料粉末的大小，層厚，媒介氣體，激光的直徑等參數(shù)，可以調(diào)整每層的孔隙率因而能對整個(gè)種植體的孔隙率進(jìn)行控制，包括大小、分布，制造完成后無需進(jìn)一步加工。Mangano等的研究表明，DMLS制作的種植體擁有致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及高的孔隙率，有利于纖維網(wǎng)的形成、細(xì)胞的聚集、成骨細(xì)胞的分化；另外的體外實(shí)驗(yàn)研究也表明，3D打印制造的鈦種植體的表面孔洞形態(tài)有利于種植體獲得纖維蛋白，招募骨母細(xì)胞；Witek等的動物研究表明SLS制造的鈦種植體能在早期提供更大的表面積以供血凝塊附著，其一周種植體的脫落扭矩及種植體骨結(jié)合率大于常規(guī)制作酸蝕/噴砂處理的種植體；Qian等利用3D打印技術(shù)及后續(xù)的燒結(jié)制造出鈦和羥磷灰石復(fù)合體及功能梯度的種植體，能促進(jìn)成骨及加速愈合；Mangano等的5年回顧性臨床研究表明，DMLS制造的鈦種植體表面的孔隙結(jié)構(gòu)有利于良好的骨整合；Tunchel等的3年回顧性研究表明制作的鈦合金種植體有很高的臨床成功率。如此看出，3D打印制作的種植體在骨結(jié)合及機(jī)械性能方面都具有很高的臨床應(yīng)用價(jià)值。
3. 陶瓷
高分子聚合物和金屬的3D打印已經(jīng)相對成熟，相反，陶瓷材料的3D打印一直是研究的難點(diǎn)，其應(yīng)用尚處于起步期。陶瓷材料高熔點(diǎn)、高硬度、高脆性，不易加工，故目前3D打印多對陶瓷素胚成型而后需要進(jìn)一步燒結(jié)。SLA，SLS，SLM，3DP，直接噴墨打印等可應(yīng)用于陶瓷材料的制造。前四者的成品均有孔隙率高的問題，后者能達(dá)到較高的致密度。
3D打印制造陶瓷存在諸多難點(diǎn)：陶瓷墨水流體性能的控制；打印過程中噴頭堵塞問題的預(yù)防與解決；多聚粘接體或高的剪切場帶來的殘余應(yīng)力將導(dǎo)致材料在不同方向上的收縮；臺階樣粗糙的表面將降低制造的準(zhǔn)確性，并由于該表面形狀產(chǎn)生的應(yīng)力集中將導(dǎo)致整體的強(qiáng)度的下降；孔隙率高，致密度不夠。3D打印過程中陶瓷粉漿的組成、流體性質(zhì)、擠出參數(shù)和噴嘴高度的適當(dāng)調(diào)整對于形狀和力學(xué)性能保證有至關(guān)重要的作用。
粉漿的組成可包括光敏引發(fā)劑、聚合單體、稀釋劑的選擇（SLA原理）。合適的流體性質(zhì)保證陶瓷粉漿的順利擠出和即刻固化；而流體性質(zhì)的調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)陶瓷粒度、干物質(zhì)含量，pH值（不同pH值下黏度不同，且剪切稀釋作用的大小不同），有機(jī)無機(jī)物的比例。噴頭高度過低會導(dǎo)致粉漿超密堆積而向側(cè)方溢出，噴頭高度過高會造成層與層之間出現(xiàn)微小縫隙，均會影響精確度及力學(xué)性能。
陶瓷的后續(xù)燒結(jié)溫度和時(shí)間亦是重要的參數(shù)，足夠的溫度和時(shí)間有利于形成光滑的表面及高的內(nèi)部致密度；溫度過高或時(shí)間過長則會導(dǎo)致陶瓷黏性降低，產(chǎn)生形變。燒結(jié)過程會造成一定的收縮，收縮率是均衡可重復(fù)的，有利于尺寸穩(wěn)定性的保證；燒結(jié)過程可有望消除臺階樣的粗糙表面。
Dehurtevent等利用SLA技術(shù)制造氧化鋁底冠，結(jié)構(gòu)致密，機(jī)械性能良好。并且指出粉漿中較陶瓷高粒度，較高干物質(zhì)比例更為合適。Ebert等利用直接噴墨技術(shù)打印出氧化鋯陶瓷冠并后續(xù)燒結(jié)，微觀結(jié)構(gòu)致密，力學(xué)強(qiáng)度堪比冷等靜壓成型的氧化釔增韌氧化鋯。其借助了特殊的超聲清潔和剝離設(shè)備防止堵頭；速干裝置加速粉漿固化保證精確度。Osman等利用DLP技術(shù)制造了氧化鋯種植體，打印過程借助光固化材料成型，打印完成后去除光固化材料再最終燒結(jié)成型，得到良好的打印精確度，力學(xué)性能堪比傳統(tǒng)制造的氧化鋯；但觀察到細(xì)微的內(nèi)部裂紋，可能與光固化介質(zhì)中溶劑的蒸發(fā)、陶瓷比例的不足有關(guān)。Tian等利用SLS制作飾面瓷，調(diào)節(jié)恰當(dāng)?shù)膮?shù)得到了致密的結(jié)構(gòu)。陶瓷的直接3D打印有望實(shí)現(xiàn)，但仍然需要完善研究以形成完善的應(yīng)用流程。
三、總結(jié)
3D打印技術(shù)在口腔修復(fù)體的直接制作中具有相當(dāng)大的價(jià)值，其克服了諸多傳統(tǒng)鑄造和切削制造帶來的難題，但也存在較多應(yīng)用的問題，3D打印層與層之間的連接如何達(dá)到層內(nèi)部的連接效果、修復(fù)體如何達(dá)到適當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能及精準(zhǔn)度，以及如何達(dá)到更高的時(shí)間經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、開發(fā)私人可操作的小型設(shè)備，實(shí)現(xiàn)陶瓷打印的臨床應(yīng)用，都是接下來研究需要關(guān)注的問題。
廣州黑格科技集團(tuán)Heygears Tech Group位于廣州開發(fā)區(qū)科技園區(qū)加速器，是一家以3D打印技術(shù)與應(yīng)用為核心，具備國際領(lǐng)先的3D打印技術(shù)、設(shè)備、產(chǎn)品、服務(wù)的科技智造集團(tuán)。
編輯： 陸美鳳
