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2020年10月28日至10月31日，第二十四屆中國國際口腔器具展覽會暨學(xué)術(shù)研討會(上?？谇徽笵enTech China)將在上海世博展覽館舉辦。預(yù)登記現(xiàn)已開啟，點(diǎn)擊進(jìn)入！
牙科行業(yè)的3D打印近年來始終是熱點(diǎn)專題，2020年上海口腔展上亦將有眾多廠商推出該行業(yè)的制品。6月份博主精選了《世界牙科技術(shù)》的3D打印機(jī)及打印材料的文案，頗受好評，這期咱們精選這篇文案的第二部分，期盼您對3D打印在牙科中的最新應(yīng)用有進(jìn)一步的認(rèn)識。
”作者:
Irfan Ahmad 博士 (英國)Fahad Ahmed Al-Harbi 教授 (英國)
本文原載于《世界牙科技術(shù)》2020年第8期《CAD/CAM?？返?3-18頁。
如今，海量的打印技術(shù)和材料被用于修復(fù)體制作。針對牙醫(yī)和技工室而言，重點(diǎn)的問題在于判斷是不是值得購買以及哪種設(shè)備能夠滿足自己的需要。本文介紹了各樣打印技術(shù)以及它們的配套材料，并討論了它們在臨床上和技工室運(yùn)用時的優(yōu)缺點(diǎn)。本文分為兩部分內(nèi)容刊登：第1部分介紹用于牙科的3D打印技術(shù)（專家論壇 | 3D打印機(jī)及打印材料（I）），本文為第二部分，介紹3D打印機(jī)特性，關(guān)聯(lián)的3D打印材料，以及所有技術(shù)和材料應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：增材制造，3D 打印，打印材料
打印機(jī)的特性下面討論在決定購買某特定3D打印機(jī)類型時應(yīng)該思慮的有些原因。按照再現(xiàn)精度（分辨率和粗糙度）、CAD和幾何形狀、打印空間體積、支撐結(jié)構(gòu)、打印速度、易用性、后處理和成本等幾個重點(diǎn)方面，來評定和比較各樣增材制造技術(shù)。
再現(xiàn)精度（分辨率和粗糙度）
3D打印要重視的一個重點(diǎn)問題是，CAD軟件設(shè)計對象實(shí)現(xiàn)時的精度或分辨率。分辨率和精度會受到初始掃描（口內(nèi)/口外掃描或數(shù)字體層掃描數(shù)據(jù)）、CAD設(shè)計（幾何繁雜度）、用于生成G代碼的STL數(shù)據(jù)切片（分層處理）和3D打印機(jī)原始分辨率的影響。簡而言之，打印機(jī)的分辨率指的是層厚度，它以DPI（每英寸點(diǎn)數(shù)）標(biāo)定。250dpi的標(biāo)準(zhǔn)分辨率對應(yīng)于100μm的精度，而1600dpi的打印機(jī)可得到16μm的精度。當(dāng)然，在3D打印中，必須思慮三個維度，即由x和y軸定義的二維平面，它與z軸一起形成一個三維對象。因此呢，除了z軸分辨率以外，打印分辨率還由x/y軸分辨率定義。大都數(shù)制造商一般供給給定的z軸或垂直分辨率（以μm為單位），由于它暗示層的厚度并且易于確定。因此呢，層厚度和垂直分辨率是能夠互換的術(shù)語，并且表達(dá)的是同一個意思。x/y軸或水平分辨率一樣重要。它必須在光學(xué)或掃描電子顯微鏡下確定，且一般在打印機(jī)規(guī)格中未指定（圖11）。水平分辨率類似于2D激光打印機(jī)。激光3D打印機(jī)的水平分辨率受激光點(diǎn)直徑的限制（在SLA打印機(jī)約為140μm）。另外，分辨率還取決于打印材料的特性（粉末顆粒的體積，倘若運(yùn)用BJ技術(shù)則取決于粘結(jié)劑）和物體的幾何形狀。在某些狀況下，較低的垂直分辨率（較厚的層厚度）能夠加強(qiáng)打印質(zhì)量。例如，當(dāng)打印對象的垂直邊緣和對角線邊緣比較鋒利時，就不需要精細(xì)的垂直分辨率，況且這會減慢打印過程。相比之下，擁有許多曲線、精細(xì)細(xì)節(jié)和倒凹的較小打印對象（少于200層）則需要更高的垂直分辨率，盡管打印時間更長。圖11：一臺3D打印機(jī)的分辨率，能夠區(qū)分為沿x和y軸的水平分辨率（藍(lán)色平面）和沿z軸的垂直分辨率（ 紅色箭頭），后者與層厚度相同。
因為給出的值一般與垂直分辨率相關(guān)，因此呢以下說到的分辨率亦指的是z軸分辨率。最流行的3D打印技術(shù)是SLA，它采用多光子光刻技術(shù)，能夠達(dá)到小于1μm的分辨率，展示極其精細(xì)的細(xì)節(jié)。SLA的分辨率取決于激光光斑直徑和光敏材料的光譜吸收。而在DLP技術(shù)中，分辨率則取決于投影圖像的像素大小。SLS技術(shù)的分辨率受粉末粒度的影響：粉末越細(xì)，分辨率越高，表面越光滑。運(yùn)用SLS能夠打印分辨率為1至150μm的物體，然則其表面看起來要比SLA物體粗糙有些。FDM技術(shù)可供給100至400μm的較低分辨率，但價格非常便宜。因此呢，從財務(wù)方向來看，它適合于制功效于演示和宣傳的一次性樣品等。
物體表示的光滑程度取決于其表面的粗糙度（Ra）。Ra值少于1μm時，表面會顯出光滑。細(xì)菌粘附的極限值是Ra 0.2μm，而青年恒牙的牙釉質(zhì)Ra值則在0.3到0.5μm范圍內(nèi)。材料噴射打印技術(shù)[ MJ，亦叫作為PolyJet Printing（PJ），或Multi-Jet Modeling（MJM）] 可實(shí)現(xiàn)最小的Ra值或最佳的紋理，其粗糙度范圍為0.47μm或更小。光滑表面需要略低的分辨率，通常在20至100μm范圍內(nèi)，盡管SLA的分辨率最高達(dá)到1μm以下，但質(zhì)地略顯粗糙。BJ技術(shù)的分辨率約為170μm，但這取決于打印材料的粉末粒度和粘合（粘結(jié)劑）材料。一個BJ打印件初看會比較粗糙，但經(jīng)過后期處理后可大大降低粗糙度。當(dāng)然，用于工業(yè)用途的所有3D打印機(jī)類型都比臺式機(jī)擁有更高的分辨率。表1比較了區(qū)別打印工藝的分辨率和粗糙度。
表1：區(qū)別3D打印技術(shù)的分辨率和粗糙度。
CAD和幾何形狀
CAD軟件中的設(shè)計必須思慮到所采用的打印技術(shù)。區(qū)別的3D打印過程在可復(fù)制的幾何繁雜性方面會受到某些限制。因此呢，在設(shè)計過程中，必須按照打印機(jī)的功能來設(shè)計打印對象，以保證能夠?qū)崿F(xiàn)目的。另外，還要將特定的CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合打印的3D文件格式及隨后的G-Code-Slice設(shè)計細(xì)節(jié)，此過程中亦許會導(dǎo)致關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的丟失或改變，而影響打印物體的真實(shí)再現(xiàn)。一個STL文件基本上是以（眾多）三角形來定義一個3D物體，非常適合SLA或DLP之類的技術(shù)，并能夠再現(xiàn)精細(xì)的構(gòu)造細(xì)節(jié)。然則，STL數(shù)據(jù)并不是精確切片的良好起點(diǎn)，并且經(jīng)常會在三角形的交點(diǎn)處產(chǎn)生“洞”，從而影響重現(xiàn)精度（reproduced accuracy）。為認(rèn)識決這一問題，3D Systems在1994年引入了單層單元（Single-Level-Cell，SLC）格式，該格式“修復(fù)”了在三角形之間進(jìn)行切片時顯現(xiàn)的空白區(qū)域。盡管存在以上缺點(diǎn)，STL格式本身比SLC更為精確，即使能夠運(yùn)用SLC格式打印結(jié)構(gòu)，亦必須將SLC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)回STL以實(shí)現(xiàn)高分辨率和精細(xì)表面細(xì)節(jié)的再現(xiàn)。此過程由專用軟件執(zhí)行，該軟件將SLC格式轉(zhuǎn)換為STL文件，而后分層切片以進(jìn)行打印。打印空間體積打印空間體積對應(yīng)于打印對象的最大理學(xué)體積。打印空間的體積亦會影響上文說到過的水平分辨率。區(qū)別的打印機(jī)其打印空間體積各不相同，然則大都數(shù)臺式設(shè)備的空間均準(zhǔn)許一次打印多個模型。
支撐結(jié)構(gòu)在需要支撐結(jié)構(gòu)的打印技術(shù)（例如SLA或DLP）中，打印對象的體積精度受支撐厚度和物體在打印空間內(nèi)方位的影響（圖12和13）。這針對間接修復(fù)體，例如冠和橋尤其重要。針對這些打印對象，結(jié)果表示，在SLA技術(shù)中以120°方向的理想定位和較薄的支撐，或在DLP打印中以135°的理想取向能夠達(dá)到最大的適合精度。圖12：SLA打印對象需要一個支撐結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在打印后被分離并清除。
圖13：類似于SLA技術(shù)，DLP的打印物體亦需要一個支撐結(jié)構(gòu)。
打印速度打印速度取決于打印技術(shù)和參數(shù)，例如分辨率、打印對象的體積和在打印空間內(nèi)的物體方位及材料。例如，在打印空間內(nèi)更水平的定向或與支撐結(jié)構(gòu)的接觸面較小，會加強(qiáng)打印速度并改善表面狀況。因為依賴于多個變量，因此呢很難確定哪個3D打印技術(shù)最快，并且給出的速度一般會產(chǎn)生誤導(dǎo)。倘若需求高分辨率、大表面面積和低粗糙度、精細(xì)的細(xì)節(jié)或繁雜的幾何形狀等，都會增多打印時間。另一，許多材料亦需要額外的時間進(jìn)行準(zhǔn)備過程，例如加熱或分配，這會增多全部過程所需的時間。另外，每一個打印對象的運(yùn)行時間還應(yīng)包含處理G代碼的時間和后續(xù)處理的時間?；旧?，針對打印速度的時間分為（短于）半天、全天和24小時周期。
易用性3D打印機(jī)的操作并不比激光或噴墨打印機(jī)繁雜。3D打印的過程一般包含在打印機(jī)軟件中打開和切片3D數(shù)據(jù)，選取材料及顏色并指定層厚度。而后如有必要，由軟件生成一個支撐結(jié)構(gòu)，其定位和橫截面調(diào)節(jié)到所需值。參數(shù)設(shè)置大約需要非常鐘，一旦起始打印，其余過程將是全自動的。打印機(jī)表示屏表示所選參數(shù)、所需打印時間以及直到完作為止的剩余時間（圖14）。
圖14：打印機(jī)屏幕表示打印所需時間和選取的打印參數(shù):3小時30分鐘471層/0.05mm灰色V2/43mL
關(guān)聯(lián)閱讀 后處理后處理取決于所運(yùn)用的技術(shù)，并且應(yīng)按照制造商的說明針對相應(yīng)的打印過程進(jìn)行后處理（圖15）。此刻，許多基于SLA技術(shù)的新型打印機(jī)都集成為了用于后聚合的UV光固化箱。例如，當(dāng)在SLA技術(shù)中運(yùn)用混合復(fù)合樹脂（hybrid composite）時，要將打印對象用乙醇清洗1分鐘，而后UV光固化30分鐘（圖16） ；而針對DLP打印件，為完成此過程，可運(yùn)用打磨機(jī)分離支撐結(jié)構(gòu)，用壓縮空氣去除未聚合的殘留材料，之后進(jìn)行UV（365nm波長）聚合。
圖15：分離前的SLA打印模型。
圖16：SLA打印對象的后處理包含：與支撐結(jié)構(gòu)分離，用酒精清潔和UV光固化（可看到在上唇和下唇的背面，有兩個或三個細(xì)小的凸柱結(jié)構(gòu)，對比圖12）。
倘若運(yùn)用的3D打印技術(shù)需要支撐結(jié)構(gòu)，則應(yīng)在保證穩(wěn)定性的同期讓支撐結(jié)構(gòu)盡可能薄，以利于分離。MJ工藝運(yùn)用凝膠狀的水溶性支撐結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠被清洗掉，因此呢打印出來的物體無需做進(jìn)一步的處理。然則，針對幾何形狀繁雜的打印對象，去掉支撐結(jié)構(gòu)和后處理，需要海量的時間，乃至可能需要幾天時間。SLS工藝的缺點(diǎn)是，需要進(jìn)行海量的后處理才可從打印對象上去除未燒結(jié)的粉末。為了消除殘留的粉末，SLA和SLS都要進(jìn)行非常多的后續(xù)操作，相比之下，F(xiàn)DM則需要最少的后處理。不外正如前面說到的，F(xiàn)DM分辨率較低，并且運(yùn)用便宜的FDM設(shè)備打印，完成的打印件在層間的表面上會表示出體素線。這些偽影能夠經(jīng)過化學(xué)、加熱或打磨和上釉部分地消除，再或運(yùn)用價格昂貴的打印機(jī)和熱塑性材料亦能夠消除。表2比較了各樣3D打印技術(shù)的后處理狀況。
表2：區(qū)別3D打印技術(shù)的后處理操作。
花費(fèi)3D打印機(jī)的價格一般取決于分辨率、技術(shù)、打印空間的體積和打印速度，種類包含從100美元的臺式打印機(jī)到價格為500,000美元乃至更高的工業(yè)設(shè)備（表3）。其他要思慮的原因還包含耗材和打印材料的成本、設(shè)備的用戶友好性和加工質(zhì)量以及培訓(xùn)課程、支持和守護(hù)等等。
表3：區(qū)別3D打印機(jī)的價格等級。
3D打印材料決策的最后一點(diǎn)是，特定打印機(jī)配套運(yùn)用的一種或多種材料。隨著3D打印在牙科行業(yè)應(yīng)用的連續(xù)增多，需要持續(xù)地引入新的“數(shù)字材料”以滿足相應(yīng)需要。咱們能夠從數(shù)千種擁有區(qū)別機(jī)械、理學(xué)和美學(xué)特性的材料中進(jìn)行選取。針對特定應(yīng)用的材料選取基于三個重點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)：第1，打印技術(shù)；第二，材料特性（準(zhǔn)確性、負(fù)重能力、剛性、彈性、耐化學(xué)性和熱循環(huán)疲勞性、斷裂強(qiáng)度、顏色、透明度、遮色性、美觀性） ；第三，打印對象的生物相容性和是不是能夠滅菌。某些3D打印技術(shù)僅限于運(yùn)用特定的材料類別。例如，SLA需要光固化樹脂，而SLM僅適用于金屬。另一，有些專利的品牌材料的材料化學(xué)性質(zhì)，始終被視為工業(yè)奧密而被守護(hù)起來。這就造成為了，很難在區(qū)別材料類別之間進(jìn)行比較。增材制造的材料大致可分為聚合物材料或熱塑性塑料、金屬、紙（木材）和陶瓷（圖17）。
圖17：用于口腔行業(yè)的區(qū)別打印技術(shù)的配套材料類別。
聚合物材料擁有各樣機(jī)械、理學(xué)和光學(xué)特性，并且有多種顏色選取。針對口腔醫(yī)學(xué)而言，最重要的方面是生物相容性（一種模糊的概念），它指的是一種材料在人體中的適用性。大都數(shù)應(yīng)用于SLA技術(shù)中的材料都有潛在毒性，含有刺激成份并且不具備生物相容性。其他問題是原材料的耐用性較差，打印物體可滅菌性不足且材料價格高。日前正在研發(fā)新型光敏聚合物材料，以處理醫(yī)學(xué)和口腔醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的這些問題。生物相容性方面，由于要思慮與身體表面接觸的連續(xù)時間、對機(jī)體表面的損傷以及材料與組織內(nèi)部或種植體的相互功效等問題而變得繁雜。為了標(biāo)準(zhǔn)化，美國藥典（United States Pharmacopeia，USP）按照嚴(yán)格的身體科研將聚合物材料分為六類，這些科研包含種植時的急性全身、皮內(nèi)和毒性測試。盡管USP歸類不可替代生物相容性測試，但許多制造商仍運(yùn)用USP歸類對醫(yī)療用3D打印材料進(jìn)行歸類。例如，VI級合成材料擁有較低的毒性，并且可能適合種植。除了USP歸類外，ISO標(biāo)準(zhǔn)10993為醫(yī)療器械供給了進(jìn)一步的生物學(xué)評定。能夠打印出擁有生物相容性物體的最佳打印技術(shù)可能是FDM，它運(yùn)用相對便宜的生物相容性材料，如丙烯腈-丁二烯- 苯乙烯共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），聚乙二醇（PEG）、聚酰胺、聚醚醚酮（PEEK）、聚苯乙烯和WaterShed XC 11122（生物相容性標(biāo)準(zhǔn)：ISO 10993-5-體外細(xì)胞毒性，ISO 10993-10-刺激性和皮膚致敏性以及USP VI 級）。3D Systems（NextDent）、EnvisionTEC和Stratasys等制造商的MJ (PolyJet, MJM) 技術(shù)，供給擁有區(qū)別理學(xué)和機(jī)械性能的各樣彩色材料。然則，針對醫(yī)學(xué)和口腔醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，其中有些材料仍需要就生物功能和生物相容性做更準(zhǔn)確的科研。
針對材料要思慮的另一點(diǎn)是打印對象的可消毒性，尤其是用于手術(shù)的物體。最平常的滅菌辦法是高溫高壓滅菌、環(huán)氧乙烷（EtO）熏蒸消毒、過氧化氫等離子體滅菌和γ射線照射。能夠運(yùn)用FDM打印的適合無菌應(yīng)用的工業(yè)熱塑性塑料包含ULTEM 10十、ULTEM 9085、PC-ISO、尼龍PA、ABSM30i、PPSF/PPSU、PEEK和MED610。然則，能夠經(jīng)受住以上所有滅菌辦法的材料僅有PC-ISO、PPSF 和ULTEM 9085。滅菌之前，必定要閱讀制造商關(guān)于包裝、體積變化和表面損害的說明，由于滅菌過程可能會影響手術(shù)的精度以及材料性能或適合性。耐熱材料，如Freeprintmodel T型 （Detax，德國）不僅能夠承受高溫高壓滅菌器的溫度，還適合制作模型用于熱塑壓膜成型臨時修復(fù)體、正畸矯治器、板、用于美學(xué)冠延長術(shù)的導(dǎo)板和美白用的牙套（圖18）。
圖18：由耐熱塑料3D打印的上頜模型（Freeprintmodel T型），適用于熱壓膜成型
