3D打印技術(shù)在口腔醫(yī)學中的應用

楊江　鄭玲玲　許松

【摘? 要】本文通過對3D打印技術(shù)的背景、技術(shù)分類及基本原理進行介紹和分析，并闡述了3D打印技術(shù)在口腔醫(yī)學領(lǐng)域的應用和發(fā)展狀況。該技術(shù)與傳統(tǒng)的機械加工技術(shù)制造存在較大的差異，隨著該技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，必將在口腔醫(yī)學、精密制造等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

【關(guān)鍵詞】3D打印技術(shù);口腔醫(yī)學;應用

引言

隨著科學技術(shù)與經(jīng)濟的飛速進步和發(fā)展，誕生了許多前沿技術(shù)，3D打印技術(shù)就是其中之一。3D打印技術(shù)，亦稱“增材制造（Additive Manufacturing）”，是基于數(shù)字模型文件，通過借助于信息技術(shù)、精密機械來完成制造和加工，從而滿足工業(yè)的需求。

3D打印的主要過程如下：通過計算機輔助設(shè)計軟件建立目標物體的三維模型，并對目標模型進行分層設(shè)計，再將其模型輸入值打印設(shè)備中，通過一層一層的疊加，實現(xiàn)了現(xiàn)實三維的“打印”。該打印技術(shù)與傳統(tǒng)的機械加工技術(shù)有著顯著的區(qū)別，傳統(tǒng)的機械加工技術(shù)，屬于冷加工，主要采用切削的方式制造出于圖紙一致的零件，對于復雜的零部件存在一定的局限性，而3D打印技術(shù)可以有效的避免這個缺陷，尤其是難以加工或者復雜的零件，3D打印技術(shù)的先進性就可以凸顯出來，此技術(shù)能夠廣泛地應用于醫(yī)療、智能生活，精密儀器等行業(yè)。

1. 3D打印技術(shù)的基本概述

1.1 3D打印技術(shù)的概述

3D打印的成型方式有很多，例如分層實體制造（LOM）、聚合物噴射成型（Po1y Jet）、立體光國化成型（SLA）等等。根據(jù)不同的需求選擇相應的成型方式，以此能夠達到明顯的效果和目的。

對于3D打印的材料選擇也有很多種，例如：粉末材料、塊體材料、液態(tài)材料和絲狀材料;而材料可以有金屬和非金屬以及高分子等材料，同樣也是根據(jù)不同的行業(yè)需求，應用的場所來選擇合適的材料。

1.2 3D打印的基本原理

3D打印的過程可以分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和3D打印等步驟，具體每一個步驟分析如下：

（1）數(shù)據(jù)采集

對于目標物體的打印，首選需要對三維物體的數(shù)據(jù)進行采集，采集的方式有很多，主要有軟件設(shè)計、光學掃描、機械式掃描和放射學掃描等多種方法，通過軟件對實際物體的模型進行采集，包括物體的尺寸、方位、形狀等特征。其中，光學掃描的方法是利用三維激光掃描、投影光柵測量等方式對實際物體進行掃描，對于簡單的三維物體具有較高的掃描速率和較好的精度，但是對于復雜的三維物體，由于投影區(qū)域存在一定的重合，使其激光掃描儀采集數(shù)據(jù)時存在一定的盲區(qū)，從而導致掃描數(shù)據(jù)存在較大的偏差，因此該方法一般適用于模型相對簡單的物體。機械式掃描是根據(jù)機械探針來獲取物體所占空間的大小，隨著機械探針的自由度增加，達到三維物體盲區(qū)的減小，該方法掃描精度高，但是掃描速率較低，價格成本也偏高，主要在復雜的模型中應用。

在醫(yī)學口腔領(lǐng)域中，隨著計算機技術(shù)的不斷進步，通過斷層掃描和核磁共振技術(shù)開始在醫(yī)學中應用，使得3D打印技術(shù)越來越先進，準確度也越來越高，尤其是放射學診斷技術(shù)，能夠得到高分辨率的三維圖像數(shù)據(jù)，使得在數(shù)秒內(nèi)就可以獲得理想的三維數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理

通過第一步獲取的三維數(shù)據(jù)直接導入至三維重建軟件，達到重建三維物體的真實效果，整個過程都需要依靠高性能的計算機來處理數(shù)據(jù)。不妨以CT掃描出來的數(shù)據(jù)為例進行說明，將CT掃描的DICOM格式的數(shù)據(jù)導入軟件Mimics中，此時軟件讀取DICOM格式的數(shù)據(jù)，通過設(shè)置不同密度組織的閾值，構(gòu)建出形態(tài)曲面，達到重建真實物體的三維模型。

與此同時，將處理的數(shù)據(jù)保存為STL格式，處理之后即為真實物體的三角形的“碎片”，處理的數(shù)據(jù)越多得到三角形“碎片”越多，如果每塊三角形“碎片”越小，將使得重建模型越精細，圖形越平滑的拼接出來，將所有的數(shù)據(jù)處理完成后，將其碎片在三維重建模型中進行拼接，驗證其是否與實際物體一直，如果正確，可以將其打印出來。

（3）3D打印

3D打印是將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過多次處理后，從而進行打印。其打印實體模型，屬于快速成型技術(shù)。關(guān)于3D打印的制造方法可以分為很多種，例如：光固化成型、選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積成型、分層實體制造和噴墨打印技術(shù)等。

其中，光固化成型是使用光聚合物通過紫外激光照射來固化;選擇性激光燒結(jié)是用小顆粒的熱塑性材料粉末用高功率激光來融合;熔融沉積成型是噴出熔融的熱塑性材料或共晶金屬粉末，立即使其凝固;分層實體制造是使用膠水把紙張或塑料膜粘在一起，然后用激光塑形。

2. 3D打印技術(shù)在口腔醫(yī)學中的應用與發(fā)展

3D打印技術(shù)在口腔醫(yī)學中可以用于打印頜面缺損部位修復體、手術(shù)個性化導板、手術(shù)固定裝置等。3D打印技術(shù)可以將復雜的金屬零件進行制造和加工，再將其植入硬組織中，達到非常理想的效果，例如：口腔頜面部的缺損，可以通過3D打印技術(shù)將頜骨、下頜骨、眼眶骨、鼻骨、耳骨等實際物體進行打印，與真實物體接近等。具體可以在口腔修復、口腔種植、口腔正畸等方面得到極大的應用，現(xiàn)將各個部分進行闡述如下：

（1）3D打印技術(shù)在口腔修復領(lǐng)域的應用與發(fā)展

3D打印技術(shù)在口腔修復中主要是制造不同的修復體，通過選擇理想的材料去制造接近真實物體的修復體，從而滿足人們口腔的需求。該方式與計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）技術(shù)有著巨大的不同，CAD/CAM主要是以材料的切削達到真實物體的效果，這種方式會浪費材料，對加工的精度要求較高，成本也比較昂貴。而3D打印是在計算機軟件對真實物體的掃描，對數(shù)據(jù)經(jīng)過多次的處理，達到修復體的目的，可以對復雜、批量的修復體進行制造和加工。

（2）3D打印技術(shù)在口腔種植領(lǐng)域的應用與發(fā)展

3D打印技術(shù)在口腔種植領(lǐng)域中可用于種植外科導板的制作，具有操作簡便、定位精準等優(yōu)點?？谇坏姆N植牙也可以通過3D打印技術(shù)來進行生產(chǎn)和制造，種植牙是指以植入骨組織的下部結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)來支持、固位上部牙修復體的缺牙修復方式，為了進一步提高種植牙的尺寸、植入位置和角度，就不得不將制造的精度做出一定的要求。而3D打印剛好可以滿足這一需求，能夠打印出具有個性化設(shè)計特征的種植導板。

（3）3D打印技術(shù)在口腔正畸領(lǐng)域的應用與發(fā)展

3D打印技術(shù)在口腔正畸領(lǐng)域中可用于打印個性化舌側(cè)托槽。由于口腔的發(fā)育受著外界條件的限制和制約，會存在畸形的生產(chǎn)，此時需要正畸治療，也就是依靠各種矯正裝置來調(diào)整面部骨骼、牙齒以及頜面部的神經(jīng)及肌肉之間的協(xié)調(diào)性，最終使患者的口頜系統(tǒng)平衡、穩(wěn)定和美觀。因此對于3D技術(shù)的出現(xiàn)，能夠有效地制造出科學合理的修復體，達到矯正的目的。

3.總結(jié)

隨著3D打印技術(shù)的進步和發(fā)展，后期不僅僅可以用醫(yī)學，在精密儀器、特種零部件上也可以應用，制造個性化、特殊化的產(chǎn)品，最大限度地發(fā)揮材料的特性。該技術(shù)具有方便、快捷、原材料利用率高，能夠滿足復雜的個性化要求，并快速制作出成品。

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基金項目：

重慶市科學技術(shù)局新型高端研發(fā)機構(gòu)專項[CSTC2018（C）XXYFJG0004]

作者簡介：

楊江，男，1985-06-08，貴州，苗族，本科，中級工程師，研究方向：3D打印醫(yī)療器械研發(fā)。

鄭玲玲，女，1997-03-25，重慶，漢，本科，初級工程師，研究方向：3D打印醫(yī)療器械研發(fā)。

許松，男，1976-10-03，江蘇，漢，碩士，中級工程師，研究方向：數(shù)字化設(shè)計與拓撲優(yōu)化。

（作者單位：重慶工港致慧增材制造技術(shù)研究院有限公司）