3D 打印技術(shù)在口腔種植領(lǐng)域的應用及對牙科工業(yè)發(fā)展的革命性影響
魔猴君 行業(yè)資訊 2116天前
本文介紹了目前3D 打印技術(shù)在數(shù)據(jù)采集、3D 數(shù)據(jù)處理、3D 打印三方面的基本技術(shù)，具體就其在口腔種植領(lǐng)域的應用進行了詳細的舉例。從產(chǎn)業(yè)化進程、口腔臨床管理、口腔醫(yī)療個性化及便捷化、傳統(tǒng)義齒行業(yè)的改變幾個角度論述了3D 打印技術(shù)對牙科工業(yè)發(fā)展的影響。同時，深入思考了3D 打印在口腔種植領(lǐng)域的應用還存在材料、配套設(shè)備、國際化通用標準、知識產(chǎn)權(quán)等方面的瓶頸?？偠灾?，3D 打印技術(shù)將成為口腔種植領(lǐng)域影響深刻的一項標準技術(shù)。
1．3D 打印技術(shù)概述
（1）數(shù)據(jù)采集
三維數(shù)據(jù)的采集是模型制作的重要一步。在醫(yī)學領(lǐng)域隨著計算機斷層掃描和核磁共振技術(shù)的發(fā)展，放射學診斷變得創(chuàng)傷更小，診斷也更精確，而且其高分辨率的三維圖像數(shù)據(jù)在數(shù)秒內(nèi)就可以獲得，成為理想的三維數(shù)據(jù)獲取手段。
（2）數(shù)據(jù)處理
將獲得的數(shù)據(jù)導入三維重建軟件。以CT 掃描出來的數(shù)據(jù)為例，將CT 掃描的DICOM格式的數(shù)據(jù)導入軟件，構(gòu)建出形態(tài)曲面，重建三維模型。保存數(shù)據(jù)格式為STL 格式。STL 格式的數(shù)據(jù)是3D 打印機所識別的數(shù)據(jù)，最終3D 打印機將模型打印出來。
（3）3D 打印
3D 打印目前主要的技術(shù)形式有：
①光固化成型（Stereolithography Appearance，SLA），是使用光聚合物通過紫外激光照射來固化成型。
②選擇性激光燒結(jié)（Selective Lasersintering，SLS），是用小顆粒的熱塑性材料（包括尼龍等聚合物，青銅合金、鈦合金等金屬，以及陶瓷和玻璃）粉末用高功率激光來融合（如EOS GmbH，Munich，德國。?
③熔融沉積成型 ?Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM?，是噴出熔融的熱塑性材料或共晶金屬粉末，立即使其凝固（如Stratasys Inc，EdenPrairie，MN，美國）。
④分層實體制造?LaminatedObject Manufacturing，LOM?，是使用膠水把紙張或塑料膜粘在一起，然后用激光塑形（如CubicTechnologies，Torrance，CA，美國）。
⑤噴墨打印技術(shù)，是將不同種類的細粉末打出來以后，涂上粘接劑，然后打印下一層 ? 如 Z Corporation，Bur‐lington，MA，美國 ?。噴墨打印技術(shù)還可以通過同時打印活體細胞和生物材料來構(gòu)建一個含有不同組織的三維生物支架，甚至活體器官。
3D 打印技術(shù)最突出的優(yōu)點是無需機械加工或模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的物體，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本，從而實現(xiàn)定制化生產(chǎn)。
2．3D 打印技術(shù)在口腔種植領(lǐng)域的應用
牙齒缺失了怎么辦？目前的主要診療技術(shù)包括：“鑲牙“和“種牙”?！拌傃馈笔菍⑷饼X臨近的牙齒進行磨削，以此為基，將假牙做成牙套固定于此，由于假牙“懸空無基”，會逐漸損壞臨近牙齒?！胺N牙”是國內(nèi)外最先進的牙齒修復方式，首先將具有高度生物相容性和物理機械性能的種植體植入到缺牙部位的牙槽骨內(nèi)，經(jīng)過3‐6個月的骨整合期，種植體與牙槽骨牢固地結(jié)合在一起，再在種植體上
接一顆“人造”牙。
口腔種植技術(shù)發(fā)展，雖然在核心技術(shù)上逐漸得到突破和應用，但依然需要有高技術(shù)水平、操作經(jīng)驗豐富的醫(yī)師進行數(shù)小時的仔細工作，需要進行診斷、麻醉、種植體選擇、牙模灌注、臨時冠設(shè)計制作、假牙修飾裝配等高強度工作。這也就是目前口腔種植“高價格、高風險”的主要原因。3D打印技術(shù)在口腔種植領(lǐng)域的應用，就是將口腔掃描、口腔圖像處理和三維打印技術(shù)整合起來。采用“圖像數(shù)字化采集重構(gòu)、CAD/CAM 專業(yè)設(shè)計、標準化3D 打印制造、規(guī)范化種植治療”等技術(shù)系統(tǒng)集成。最終達到可在術(shù)前通過電腦看到術(shù)后的效果，只需在手術(shù)前，將患者口腔CBCT 斷層掃描精確數(shù)據(jù)輸入到特定的設(shè)計軟件環(huán)境，在三維基礎(chǔ)上設(shè)計種植體植入位置，選擇合適種植體類型，然后按照導航模板施術(shù), 植入義齒種植體和修復體，并按患者的需求進行人性化修飾?？煽朔?D 掃描影像重疊容易造成醫(yī)生誤判等問題，降低了醫(yī)生由于技藝和經(jīng)驗不足的風險，減少了醫(yī)師的工作負荷，提高診療“安全性”，在數(shù)字化資源共享下，實現(xiàn)“經(jīng)濟化”診療。
2.1 圖像數(shù)據(jù)采集
使用印模材對患者進行口腔取模，取模后注入石膏塑出石膏模型，使用三維掃描儀對塑出的石膏模型進行掃描，獲取牙齒表面的圖像。同時使用口腔錐形CT 對患者進行拍片掃描。獲取一個口腔內(nèi)部的三維圖像，此圖像能直觀地看到下顎神經(jīng)的走向、牙齒及牙槽骨的結(jié)構(gòu)情況。
2.2 數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)處理（ 圖像重構(gòu)、CAD/CAM）使用三維圖像處理軟件，對通過取模掃描獲取的牙齒外部圖像和口腔CT 拍片得到的牙齒內(nèi)部圖像進行圖像重組, 從而得到一個數(shù)據(jù)圖像，它包含了牙齒內(nèi)部情況及表面的紋理結(jié)構(gòu)，一般稱之為數(shù)字化全息圖。在全息圖中，醫(yī)生可以進行種植體的選擇與設(shè)計，來擬定手術(shù)方案。
2.3 打印
3D 打印設(shè)計完成后，電腦可以自動設(shè)計出導航模板。通過3D 打印機實現(xiàn)導航模板、個性化基臺和臨時冠的打印，從而實現(xiàn)一天即刻種植。
2.4 目前已成熟的牙科三維打印領(lǐng)域
（1）種植導航模板：種植導航模板在當前更好的美觀效果、成本節(jié)約以及CAD/CAM 技術(shù)進步等因素的共同推動下，特別在三維打印技術(shù)的支持下，得到爆發(fā)式的增長。三維技術(shù)下的種植導航模板，能夠精確捕捉可植體位置和方向，從而確保種植的出色進行。牙科三維數(shù)字化系統(tǒng)，已可實現(xiàn)集種植手術(shù)規(guī)劃、修復體設(shè)計、手術(shù)導板于一體的三維設(shè)計，大幅提高成本效益, 從而減少周轉(zhuǎn)時間，
為牙醫(yī)和技工所開創(chuàng)新的業(yè)務機會。
（2）牙齒模型：得益于高清攝像頭、3 軸運動、全新LED 技術(shù)，牙模掃描不僅擁有超凡速度和高度精確，紋理掃描能夠增強表面細節(jié)的可視性，能夠捕獲表示不同設(shè)計細節(jié)的彩色標記，自適應掃描還能輔助達成自然咬合的目的。展望未來，印模掃描很可能會成為三維掃描的標準方法，掃描石膏模型可能將會過時。
（3） 義齒： 使用特定的CAD
軟件可以實現(xiàn)義齒三維打印設(shè)計，包括牙基底、牙冠、牙橋、牙罩冠、牙貼面、
牙鑲嵌等。當前的三維解決方案已經(jīng)可以確保完美的匹配，從而減少了手動干預和精加工，實現(xiàn)高效、具備完美密合性的義齒加工。針對復雜的臨床案例，創(chuàng)建復雜的內(nèi)外冠結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)空間、功能和美學的最佳效果。
（4）正畸產(chǎn)品：運用具備成本效益的常用矯治器CAD 設(shè)計軟件，
3D 打印技術(shù)可以輕松定制所有類型的矯治器，包括夜用咬合板、固位器、個性化帶環(huán)、牙合板、擴弓期、生物調(diào)節(jié)器、雙牙合板等。在矯治器上還可根據(jù)不同患者, 創(chuàng)建恒定量的偏移、添加ID 標簽以進行身份識別。定制化的設(shè)計，更加以人為本，給患者帶來創(chuàng)新科技的就醫(yī)體驗。
3D 打印技術(shù)的應用使口腔種植手術(shù)由傳統(tǒng)的純經(jīng)驗方式向數(shù)字化和精確化發(fā)展。通過3D 打印技術(shù)的應用，可以優(yōu)化和簡化行醫(yī)治療過程，細化專業(yè)分工，將原來需要高水平牙醫(yī)的診斷工作，分工于標準儀器設(shè)備完成，保證了準確性；將原來需要高水平高技能牙醫(yī)進行的鉆孔定位工作，分工于導航模板，在導航下鉆孔，
保證了安全；將原來需要牙醫(yī)進行義齒灌模、制模、打磨拋光等輔助工作，分工于設(shè)計中心設(shè)計、3D 打印機制造，保證了產(chǎn)品制造的質(zhì)量。牙醫(yī)只需要做一個植入體的縫合手術(shù)，余下的工作將都由專業(yè)設(shè)備和儀器、技工和助理完成。大大降低了技術(shù)難度和技術(shù)風險，提高了牙醫(yī)的工作效率。
3．3D 打印技術(shù)對牙科工業(yè)發(fā)展的革命性影響
隨著3D 打印技術(shù)在口腔種植領(lǐng)域的應用, 不僅給我們觀念帶來變革,同時對于口腔臨床也會帶來顛覆性的發(fā)展。以口腔CBCT 診斷技術(shù)、椅旁數(shù)字化印模采集技術(shù)、CAD/CAM 修復設(shè)計與3D 打印加工技術(shù)為代表的數(shù)字化口腔醫(yī)學技術(shù)時代已經(jīng)到來。牙科工業(yè)即將迎來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的數(shù)字化時代，整個牙科工業(yè)將產(chǎn)生顛覆性的變革。
（1）將推動口腔數(shù)字解決系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化進程。以3D 打印為契機，將實現(xiàn)和推動口腔數(shù)字解決系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化進程，對傳統(tǒng)產(chǎn)品的更新?lián)Q代和新產(chǎn)品研發(fā)產(chǎn)生革命性影響。3D 打印技術(shù)為基礎(chǔ)的技術(shù)革命可預見隨之而來的新型的配套設(shè)備的研發(fā)（如口腔掃描儀）、新生物材料的產(chǎn)生、齒科臨床再生牙技術(shù)的革新等，各種設(shè)備與技術(shù)不斷產(chǎn)生、結(jié)合進而形成一體化診療手段，帶來口腔種植全新的
風貌。包括產(chǎn)業(yè)前端：數(shù)字化的牙科綜合治療機，數(shù)字化的牙科影像設(shè)備；中端：信息化的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)字影像資料的存儲和管理，CAD/CAM軟件；末端：3D 打印制造技術(shù)，改變傳統(tǒng)的制造作業(yè)流程。
（2）推動口腔臨床的數(shù)字化管理。隨著牙科數(shù)字化設(shè)備的快速普及，牙科醫(yī)療機構(gòu)進入數(shù)字化時代，必將推動口腔臨床的數(shù)字化管理，從而促進數(shù)字化管理產(chǎn)品和應用的出現(xiàn)。通過數(shù)字信息化管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)遠程診斷，幫助醫(yī)生精準、及時治療患者，改善醫(yī)患溝通，有效提升口腔醫(yī)療的技術(shù)水平；可以將預約管理、病歷管理、收費管理、材料管理、牙片管理等管理要素高效、綜合的統(tǒng)籌起來，真正將先進設(shè)備資源轉(zhuǎn)化為真正的經(jīng)營效益和服務品質(zhì)。
（3）口腔醫(yī)療的個性化和便捷化。牙種植技術(shù)和3D 打印技術(shù)的結(jié)合，將給種植的個性化設(shè)計和便捷化帶來革命性的提升，通過將圖像信息和CAD/CAM 圖像處理系統(tǒng)的結(jié)合，通過3D 打印機能快速打印出種植導航模板，最終輸出合乎設(shè)計要求的產(chǎn)品，大大提高了種植牙的成活率。
（4）傳統(tǒng)義齒行業(yè)的顛覆性改變。傳統(tǒng)義齒行業(yè)是一個勞動和技術(shù)雙密集體行業(yè)，一次制作過程粉塵多，勞動強度大，但義齒制作又是一門藝術(shù)，每個人的每顆牙齒都是不一樣的，稍微一絲的偏差，患者都不能接受，是一項對操作者有著很高要求的工作。長期以來，我國牙科技師難于培養(yǎng)和留用。3D 打印速度快，精度高，既節(jié)約了時間和勞動量，而且個性化強，將打破義齒行業(yè)的瓶頸，顛覆整個行業(yè)的商業(yè)模式。
4．3D 打印應用瓶頸與思考
3D 打印技術(shù)在口腔種植領(lǐng)域的應用仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰(zhàn)：
（1）3D 打印材料的研制及對應的加工工藝
研究目前口腔種植用3D 打印材料品種有限，成型材料多采用化學聚合物，成型品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患。常用的有光固化樹脂材料和金屬（鈦）粉可供選擇，樹脂材料只能作為臨時冠和導航板，若用此作為最終的義齒加工材料，還需要結(jié)合氧化鋯陶瓷數(shù)控加工技術(shù)和烤瓷燒結(jié)的情況。因此，需要研究可用于種植體、甚至種植牙整體的3D 打印材料，包括開展氧化鋁、氧化鋯、生物陶瓷粉等骨質(zhì)打印材料，同時研究對應加工工藝，最終解決種植體（包括義齒等）的經(jīng)濟化制備技術(shù)。
（2）口腔數(shù)字化圖像采集設(shè)備和3D 打印設(shè)備的研究
口腔數(shù)字化圖像采集設(shè)備和3D打印設(shè)備是3D 打印實現(xiàn)的關(guān)鍵設(shè)備。但是長期以來，這些設(shè)備的核心技術(shù)都由國外專業(yè)公司壟斷，價格昂貴，難以普及。國內(nèi)雖然目前也有一些相關(guān)產(chǎn)品，但是精度、速度和效率都還不盡人意。對于我國口腔臨床來說，3D 打印技術(shù)還是高端、前沿的技術(shù)，現(xiàn)有3D 打印技術(shù)的普遍應用面臨成本問題，亟需研究開發(fā)國產(chǎn)的高端數(shù)字化圖像采集設(shè)備和3D 打印設(shè)備，從而帶動醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，為3D 打印技術(shù)的普遍應用奠定基礎(chǔ)。
（3）設(shè)備接口的通用化和軟件協(xié)議的標準化問題
目前，國內(nèi)開發(fā)商開發(fā)的CAD/CAM 軟件，3D 打印設(shè)備，他們的軟硬件接口都不統(tǒng)一，軟件協(xié)議也沒有標準，導致不同品牌產(chǎn)品之間的通用性很差，會阻礙行業(yè)未來的發(fā)展。國際上來看，發(fā)達國家已經(jīng)開始為3D 打印技術(shù)的通用化制定
標準。ISO/TC106 最近成立了“ 第九分技術(shù)委員會牙科計算機輔助設(shè)計/ 計算機輔助制造（CAD/CAM）系統(tǒng)”（SC 9 Plenary Dental CAD/CAMSystems），目前正在組織制修訂的標準有如下：
第2 工作組正在制定：《牙科學—CAD/CAM 系統(tǒng)工序術(shù)語》，簡介：用于牙科CAD/CAM 系統(tǒng)的制造商提供的產(chǎn)品描述和使用說明的單獨系統(tǒng)部件和程序的術(shù)語和命名都不盡相同，因此，造成牙科醫(yī)生和牙科技師的困惑。為了消除這些歧義，決定起草關(guān)于牙科CAD/CAM 系統(tǒng)工序術(shù)語的國際標準。為了闡明CAD/CAM
系統(tǒng)操作過程的邏輯順序，在附錄A中包含了工序的流程圖表。
第3 工作組正在修定：《ISO12836 牙科學—間接牙體修復CAD/CAM 系統(tǒng)的數(shù)字設(shè)備—評估準確性的測試方法》，簡介：全球牙科CAD/CAM 系統(tǒng)的應用正在不斷
增加。此國際標準指定了3 種評估用于CAD/CAM 系統(tǒng)的牙科數(shù)字設(shè)備準確性的測試方法。此國際標準是基于唯一匹配點云和合成標準鑲嵌語言面（STL 面）為前提的，由此也被認為是掃描物理對象的產(chǎn)品。
第4 工作組正在制定：《牙科學——CAD/CAM 系統(tǒng)的互通性》，
簡介：牙科CAD/CAM 系統(tǒng)的制造商在如何交換的制造信息和三維數(shù)據(jù)上是不同的，這會給系統(tǒng)用戶在數(shù)據(jù)處理、設(shè)計過程和制造過程上造成困難。為了消除這些互通問題，起草標準來促進牙科CAD/CAM 系統(tǒng)之間開放互通。此國際標準基于由OXDIG 團隊創(chuàng)建的開源UDX 標準，UDX 規(guī)范得到開放軟件3.0 版的許可。希望實施此標準的用戶必須從發(fā)證者處獲得開源許可協(xié)議。發(fā)證者將根據(jù)要求授予全球性的，免版稅的，非排他的，可再授權(quán)的許可證。
第5 工作組正在制定：《牙科學——CAD/CAM系統(tǒng)—器械間接修復體的精度— 測
試方法和標記》，
簡介： 牙科CAD/CAM 系統(tǒng)已經(jīng)成功地應用于像鑲嵌物、冠體和架橋的間接牙科修復體制造中。這些修復體精度是其臨床成功的重要關(guān)鍵之一。該文件提供了標準化的測試方法來評估間接利用牙科CAD/CAM 系統(tǒng)的加工精度和這些修復體已評估的精度，以此作為市場信息。
第6 工作組正在制定：《牙科學——可加工種板》
簡介：包括陶瓷、金屬和高分子在內(nèi)的各種板材料正被用于加工系統(tǒng)中各式修復體的制作。雖然所有這些材料可能由不同的化學成分和分子結(jié)構(gòu)組成，但是這些材料的加工和性能都受到獨特而普遍的關(guān)注。這些材料的加工損害、表層下破裂、最小加工厚度和加工精度都受到關(guān)注。
（4）3D 打印技術(shù)應用后帶來的知識產(chǎn)權(quán)保護問題
3D 打印技術(shù)是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)的技術(shù)，也就意味其復制和傳播會變得很容易。數(shù)碼技術(shù)使創(chuàng)新者可以在市場上快速地推出新產(chǎn)品，但同時跟風者也可以利用目前開源的技術(shù)軟件與商業(yè)開發(fā)模式火速地“推陳出新”。這樣，創(chuàng)新者的競爭優(yōu)勢期可能會變得更短，引發(fā)盜版問題的泛濫。知識產(chǎn)權(quán)的擁有者在這個領(lǐng)
域需要更多的法規(guī)保護，例如禁止“打印”受法律保護的、未經(jīng)知識產(chǎn)權(quán)所
有者同意的設(shè)計物品，禁止擅自復制、傳播3D 工業(yè)設(shè)計圖紙、樣例等。
5．結(jié)語
材料單一、個性化定制的特性，使牙科成為最適合3D 打印技術(shù)的一個行業(yè)。也將成為3D 打印廠商最為重視的一個行業(yè)，隨著技術(shù)普及的道路愈走愈寬，普通種植牙科診所擁有牙科專用3D 打印機以及相配套的3D 口腔掃描儀、3D 口腔CT 全景機、3D 圖像處理軟件所形成的整套全數(shù)字化方案也并不是想象。
而對于牙科行業(yè)來說，3D 打印技術(shù)將帶來牙科治療技術(shù)新的變革，一方面，該項技術(shù)帶來了快速便捷、個性化、定制化的種植牙過程，減少了病人的心理負擔，贏得更多中高端客戶的青睞。另一方面，相比傳統(tǒng)種植牙，采用3D 技術(shù)的植牙大大提高了準確率。
同時，時下牙科3D 打印技術(shù)普及的難度和瓶頸也是顯而易見的，整套3D 系統(tǒng)的高昂價格，讓普通醫(yī)院、門診診所望而卻步。但在所有的3D打印技術(shù)面臨的諸多挑戰(zhàn)中，最大的是其打印出的物體如何與身體其他器官尤其是大的組織更好地結(jié)合，比如開發(fā)出生物3D 打印技術(shù)等，一旦克服了這個技術(shù)障礙, 在未來幾十年內(nèi)，3D 打印技術(shù)將成為一項標準技術(shù)。
