|
来源：中国实用口腔科杂志
摘要：全瓷修复体具有良好的生物相容性、美观性及力学性能，备受患者青睐，已成为固定修复的主流方式。以数控切削成型为代表的减材制造和失蜡铸造为代表的等材制造工艺发展成熟，但仍有不足之处。随着数字化时代的到来，运用3D打印技术制造的烤瓷修复体、可摘局部义齿、种植导板已应用于临床，而3D打印全瓷修复体尚处于研究阶段。文章将简要介绍各种3D打印陶瓷技术的工作原理、研究现状及优缺点，并对其发展进行展望。
陶瓷材料因优越的美学效果、良好的生物相容性及稳定的化学性能等优势在口腔医学领域发展迅速。随着患者对修复体美观性能要求提高，全瓷嵌体、冠、桥修复体已经成为牙体/牙列缺损修复主流形式［1］。等材制造全瓷修复体过程繁琐、耗时长、效率低。减材制造全瓷修复体主要采用计算机辅助设计与计算机辅助制作（computer aided design and computer aided manufacturing，CAD/CAM）技术，其有2种不同的工作方式：（1）直接磨削完全烧结的陶瓷块成型修复体；（2）磨削胚体放大25% ~ 30%的未完全烧结的陶瓷块，再高温烧结成型修复体。前者对磨削刀具的磨损较大，易产生裂纹等缺陷；后者制作过程繁琐，费时费力［2-3］。随着数字化技术的进步，以增材制造理念为主的3D打印技术发展迅速，基于该技术成型的可摘局部义齿钛支架、种植导板已应用于临床，运用3D打印技术成型全瓷修复体尚处于研究阶段，本文就3D打印技术成型全瓷修复体的相关研究进展做一综述。
1 3D打印技术的原理及优势
3D打印技术又称增材制造（additivemanufacturing，AM）技术或快速成型（rapidprototyping，RP）技术。3D打印技术是运用计算机辅助设计零件的三维数据，在计算机控制下，3D打印机对材料进行分层制造，逐层累加，最后形成三维实体零件的方法［4］。与传统制造和减材制造相比，其具有原材料利用率高、降低生产成本、简化制作工序、缩短成型时间、产品高精度、发展前景广阔及个性化等优点［5］，运用该技术可制作传统制造工艺及减材制造技术难以生产的复杂结构产品，具有较高的经济效益。目前，运用该技术制作的可摘局部义齿、金属全冠、种植导板已应用于口腔修复学领域［6-7］；然而，与相对成熟的3D打印金属及高分子材料技术相比，3D打印技术在牙科陶瓷修复体成型领域方面尚处于起步阶段［8-9］。
2 光固化快速成型技术
2. 1 立体光刻技术（stereo lithography apparatus，SLA） 在20世纪80年代初期，SLA由国外学者查尔斯·赫尔（CharlesHull）提出［10］。SLA的成型过程如图1所示，其利用特定波长与强度的紫外线激光束，依据计算机设计逐点地照射陶瓷浆料使其固化，由点到线，由线及面，完成一个层面的打印后，工作台下降一层的高度，再重复上述过程，直至部件初步制作完成；然后将部件置于烧结炉中进行脱脂、烧结等处理，最终获得实体零件［11-12］。
SLA是目前研究最为深入、最具有临床应用潜能的一种3D打印技术，其发展较为成熟，原材料利用率高，整体成型过程稳定，可以打印出具有细小特征的高性能陶瓷件，烧结后可得到高致密度的陶瓷部件，理论密度可达99%［12］。Jiang等［13］用SLA制作氧化锆陶瓷试件，弯曲强度达到了539.1 MPa，该强度能够满足大部分固定修复义齿的要求。Zhou等［14］研究表明，运用SLA制作的氧化锆陶瓷试件的密度达到99.3%，弯曲强度为1154 MPa，成型精度为40 μm，可以满足临床需求。有部分学者运用Geomagic Qualify软件和硅橡胶复制法对切削及SLA打印的氧化锆全瓷冠精度及适合性进行比较，三维偏差分析及体视显微镜测量结果表明，SLA成型的氧化锆全瓷冠的精度和适合性符合临床要求［15-16］。
综上所述，SLA打印的牙科陶瓷修复体具有表面质量佳、高密度、高精度及力学性能优良等特点。然而，该技术成型陶瓷部件尚需支撑设计，且需要再烧结等后处理，制作成本较高。尽管SLA仍然存在一些待解决的问题，但就其目前的研究状况而言，其制作的氧化锆全瓷修复体有望应用于临床并进行深入研究。
2. 2 数字光处理技术（digitallight procession，DLP）
DLP是由Nakamoto等［17］在1996年通过实体掩模提出的，是SLA的一个分支，两者原理基本相同；不同的是DLP运用数字显微镜元件装置，使用面光源［18-19］。见图2。
DLP可用于制造具备高分辨率及复杂形状的陶瓷零件。Osman等［20］用DLP制作个性化氧化锆全瓷种植体，使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和共聚焦显微镜分析陶瓷表面形貌、晶相结构和表面粗糙度，发现其表面存在0.196~ 3.3 μm的裂纹和气孔，晶相为典型的钇稳定四方相氧化锆（Y-TZP），打印精度均方根（RMS）值为0.1 mm，抗弯强度接近传统生产的陶瓷。结果表明，运用DLP制作的氧化锆种植体具有足够的尺寸精度及力学性能；然而，其仍存在裂纹及气孔等缺陷，尚需要进一步优化打印工艺参数，改善打印部件的微观结构。Baumgartner等［21］使用DLP打印出符合密度要求、孔隙率低的二硅酸玻璃陶瓷单冠，其机械性能及美观性能满足口腔修复学的临床需求，但陶瓷浆料的沉降稳定性及数字光处理陶瓷制作工艺的简化尚需要进一步研究。
近几年，奥地利维也纳LITHOZ公司将DLP商业化，并称为LCM（lithography based ceramic manufacturing）［22］。Borlaf等［23］运用该公司CeraFab 7500型陶瓷3D打印机制备氧化锆陶瓷试件，研究结果显示其制备的陶瓷烧结件的相对密度可达到99.1%。Schweiger等［24］使用LCM制作了氧化锆全瓷冠（图3），并进行染色上釉；结果表明，与数控铣削相比，其制作的冠边缘菲薄且咬合面窝沟点隙清晰，降低了微裂纹发生率。
总而言之，DLP具有成型速度快、打印精度高且力学性能良好等优点，但仍然面临分层、微裂纹等问题，陶瓷浆料的制备、成型工艺参数优化及陶瓷生坯脱脂烧结后处理等需要进行深入研究，使用DLP制作氧化锆全瓷修复体值得尝试。
3 选择性激光烧结/熔化技术
3. 1 选择性激光烧结技术（selective laser sintering，SLS）
SLS是在成型平面上均匀地平铺一层一定厚度的陶瓷粉末材料，在计算机的控制下，按照截面轮廓，利用激光束熔化陶瓷粉末中的粘接剂，对粉末层进行烧结。当该层扫描完毕后，将平台下移一层，重复上述步骤，最终制成陶瓷生坯［25-26］。见图4。再通过去除粘接剂、残余粉末、再次烧结等后处理，方可获得最终陶瓷试件。
查阅国内外文献可知，由于陶瓷材料熔点较高，SLS激光器功率较低，致使陶瓷粉末需要粘接剂辅助成型，并进行后处理获得零件，加工步骤繁琐［27］。部分国外学者通过改变陶瓷粉末组成、选择性激光烧结参数、后处理等方法提高陶瓷试件密度，最终将SLS制作的陶瓷试件密度提高到92%［28-29］。Chen等［30］以3Y-TZP/MgO/环氧树脂复合粉末为原材料，采用SLS制作陶瓷生胚，结合冷等静压技术致密，1500 ℃烧结，获得抗弯强度为（279.5 ± 10.5）MPa且相对密度为（86.65 ± 0.20）%的陶瓷试件；同时，使用该技术制作了全瓷冠。Ferrage等［31］通过实验确定一定的参数，实现了相对密度为96.5%、良好精度及机械强度的氧化锆陶瓷试件的重复制造。
综上，SLS具有无需支撑系统、成型速度快、原材料利用率高且可使用材料广泛等优点；然而，其最终的成品强度低且致密度欠佳，需要通过浸渗、等静压、高温煅烧等后处理工艺提高其致密度及强度。目前，该技术后处理工艺尚处于研究发展阶段，不够成熟，严重影响该技术进一步的研究及应用。
3. 2 选择性激光熔化技术（selectivelaser melting，SLM）
SLM的工作原理与SLS相似，但其成型材料为不添加任何粘接剂的单一陶瓷粉体，采用Nd∶YAG激光束直接高温烧熔陶瓷粉体实现陶瓷的固化成型，无需后续致密化处理［32］。见图5。
SLM制作口腔全瓷修复体具有一定的潜能和优势：高功率CO2激光器产生的高能量密度致使陶瓷粉末实现液相烧结，速熔速凝的加工方式细化陶瓷晶粒，提高陶瓷零件力学性能。然而，世界范围内关于SLM制作口腔全瓷修复体的研究尚存在众多急需解决的问题。Hagedorn等［32］利用SLM制备了Al2O3/ZrO2三单位全瓷固定桥的基底支架，发现该试件内外表面存在大量的微裂纹且粘粉现象严重，力学性能测试结果差，远低于采用数控切削制备的全瓷固定桥修复体。Jan等［33］利用SLM技术制备ZrO2/Al2O3全瓷固定桥，未经过烧结和后处理工艺，密度已经几乎可达到100%、抗弯强度为500 MPa；但固定桥表面质量欠佳，粗糙度较大，精度较差。Liu等［34］研究了不同扫描速度、激光功率及预热温度对制备氧化锆陶瓷样品微观结构、密度、收缩变形的影响，结果表明，Nd∶YAG激光器在10 mm范围内高温预热至1500、2000、2500 ℃时，将陶瓷样品的相对密度提高至84% ~ 91%。
SLM无需支撑结构且对原材料利用率高，但其成品表面粗糙、质量差、精度不佳，且存在粘粉及微裂纹等问题。分析可知，CO2激光束进行局部热输入将产生较高温度梯度，致使局部应力较大，易产生微裂纹。目前尚未掌握该技术制作陶瓷的最佳预热和烧结温度，且成型工艺及后处理技术等方面仍存在诸多难以解决的问题，还没有成为实际应用的方法［35］，该技术有待进一步突破。
4 直接喷墨打印技术
直接喷墨打印技术（direct Inkjet printing，DIP）是在计算机控制下，采用热或压电技术，将陶瓷粉末、粘接剂、分散剂、表面活性材料及其他辅助材料混合配置的“陶瓷墨水”，从喷嘴中间断性地喷射到基板上，形成陶瓷零件生胚，再经过脱脂烧结等后处理最终成型陶瓷试件［36-37］。见图6。
DIP因其液滴大小及沉积速率的可控性，可以制备高分辨率及高精度产品，最小的成型尺寸仅为几十微米［38］。Ebert等［39］用DIP制作陶瓷试件和单冠，烧结后的试件相对致密度达96.9%，弯曲强度和断裂韧性与冷等静压成型的氧化锆相当，但可观察到冠表面存在孔隙缺陷。Özkol等［40-41］采用DIP制作弯曲强度为763 MPa的陶瓷试件，并对DIP成型全瓷修复体的可能性进行研究分析，证实该技术的精确性可达到毫米级别，使用浸渍法可获得相对密度为96%的陶瓷试件，抗弯强度可达到843 MPa；有限元分析研究证实，DIP全瓷固定桥在咬合状态下的最大拉应力为340 MPa。2013年，Özkol［42］总结了氧化锆基陶瓷浆料的配制方法，生产出相对密度为97%的氧化锆全瓷冠修复体，然而并没有对全瓷冠的精度及适合性行进一步研究。
综上，DIP是制造氧化锆全瓷修复体的一种有前景的技术，其制作的全瓷修复体致密度较高且力学性能尚可；但该技术仍存在许多未攻克的技术难点，包括陶瓷墨水配比参数不定、稳定性不佳、喷嘴易发生堵塞等问题，尚需进一步完善。
5 小结与展望
3D打印技术所体现的增材制造理念与传统方式完全不同，在复杂结构成型、一体化制造、降低成本和缩短工艺周期方面有着独特的优势。目前，基于口腔全瓷修复体制作的SLA，展现出巨大的临床应用潜力，运用该技术制作口腔全瓷修复体的研究处于体外试验阶段，尚未有临床试验的报道。虽然已有学者用国外设备和材料进行了立体光固化成型氧化锆全瓷修复体的可行性研究，并对其成型精度与适合性进行分析，但以临床应用为方向的工艺探索仍存在许多问题亟需解决。这些问题包括：改进光固化快速成型算法及文件格式；优化工艺参数，避免热效应引起的变形，进一步提高打印速度与打印精度；解决支撑设计问题，避免去除时损伤零件；优化脱脂烧结工艺，解决致密度不足、尺寸偏差等问题；缩短后处理时间。随着3D打印陶瓷制作工艺的发展及突破，基础及临床应用研究的深入，3D打印全瓷修复体有望实现临床标准化应用，改变传统的全瓷修复体制作模式。
| 
京公网安备11010802043351