层厚对3D打印临时冠精度的影响研究

张杰 林欣芳 杨雲夫 李风兰

临时冠是固定修复治疗中的过渡修复体,具有保护基牙、稳定牙位、维持软组织等重要作用[1]。聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)是传统用于制作临时冠的材料,其优点是成本低、生物相容性好[2],但该材料存在聚合收缩与放热等问题,可能导致临时冠不密合并影响基牙健康。传统方法常使用PMMA在患者口内直接制作临时修复体,存在患者体验感差、修复质量依赖医师经验等问题。

随着数字化技术的发展,计算机辅助设计和计算机辅助制造(computer-aided design and computer-aided manufacturing,CAD/CAM)技术可用于设计制作临时修复体[3]。相较于传统手工方法,数字化加工技术具有较高的加工精度和误差控制能力,其主要分为减材与增材制造两类。减材制造通过数控刀具切削块状材料来制作目标物体,其优点在于精度高,然而该方法也存在如材料浪费、无法制作复杂结构、加工效率低等问题。增材制造是一种基于堆叠成型原理的数字化加工技术,其可成型任意三维结构,也被称为3D打印技术[4]。数字光处理(digital light processing,DLP)作为口腔临床中常用的3D打印技术,其工作原理是投影光对液态树脂进行逐层固化,因此DLP加工时间不受修复体数量影响,可实现高效率的修复体批量制作[5]。目前DLP技术已在口腔临床中有广泛应用。

临时冠的适合性可分为内部与边缘适合性,其适合性不佳可能导致继发龋与软组织炎症等问题。因此为保证修复治疗效果,利用3D打印技术制作的临时冠需要有良好的精度。据文献报道,打印参数可直接影响3D打印精度[6],其中构建角度与层厚是打印前必须被手动设置的重要参数[7]。构建角度指打印模型与平台间的角度,其可影响物体表面的曲率。而层厚则代表打印中每层的厚度,当层厚增大,打印时间会相应缩短[8]。在层叠加过程中,层与层的边界间产生的类台阶结构影响物体表面形态,该现象被称为3D打印的台阶效应[9]。以往的研究主要报道了构建角度对3D打印临时冠精度的影响[10-11],但缺少关于层厚对DLP打印临时冠精度的影响研究。因此,本研究拟评价不同层厚(50、100 μm)对DLP打印临时冠内表面、内部区域、边缘区域精度的影响,为临床应用DLP打印临时冠时的参数选择提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料和设备

DLP 3D打印机(Pro95,Sprintray公司,美国);超声清洗机(JP020-S,深圳洁盟技术股份有限公司);临时冠树脂材料(Varseosmile Temp,Bego公司,德国);喷砂材料(Cobra)、喷砂机(Basic Master)(Renfert公司,德国);后固化机(Otoflash G171,Nk-Optic公司,英国);模型扫描仪(Ceramill Map 600,Amann Girrbach公司,德国);扫描成像粉(Easyscan,Alphadent公司,韩国);牙科CAD软件(Dental System,3Shape公司,丹麦);三维软件(Geomagic Wrap,3D System公司,美国)。

1.2 方法

1.2.1 获取数据设计临时冠

对标准下颌石膏模型的右下第一磨牙进行基牙预备,预备标准为宽1 mm的浅凹形肩台,面功能尖磨除1.5 mm,非功能尖磨除1.0 mm,轴面聚合角为2°～6°。用校准后的模型扫描仪扫描石膏模型并获得完整基牙数据,之后将其导出并保存为STL格式文件。将基牙STL导入牙科CAD软件并设计临时冠,之后临时冠STL文件作为参考模型被导出并保存(图1)。

1.2.2 制作临时冠 将参考模型的STL文件导入与DLP打印机配套的切片软件,并在软件中将临时冠模型调整至材料厂商推荐的180°构建角度,然后根据打印软件默认支撑参数生成支撑(图2)。在软件中通过复制得到10 个带有支撑的临时冠,然后将所有临时冠按1 cm间隔排列于打印平台中央位置。将层厚设置为50、100 μm并分别保存两种层厚的切片数据。记录软件显示的打印层数和打印时间。将DLP打印机校准后分别打印50、100 μm层厚临时冠(n=10)。打印结束后用铲刀将临时冠从打印平台移除,并将其分别在超声清洁机的循环溶剂与清洁溶剂中进行3 min与2 min超声清洗(溶剂为96%无水乙醇)。保留临时冠的支撑结构。根据材料厂商要求,待临时冠自然晾干后,在喷砂机中用小于1.5 bar压强与50 μm直径砂粒对临时冠表面喷砂直至白色粉末层消失,喷砂过程中枪头与表面距离1 cm并保持45°[12],之后用压缩空气处理临时冠表面。最后用后固化机对临时冠进行两轮共3 000 次光照,并在中途将临时冠上下翻转。经过后处理的临时冠被储存在室温避光条件下。

1.2.3 获取临时冠扫描数据 用扫描成像粉从距离10 cm处对临时冠表面均匀喷涂,然后用蓝丁胶通过支撑部分将临时冠固定于扫描仪平台。用模型扫描仪获取所有临时冠的三维模型后将其作为实验模型保存为STL文件。

1.2.4 数据处理与分析

1.2.4.1 临时冠扫描模型的编辑与配准 将临时冠的参考与实验模型STL文件导入三维软件。首先手动删除实验模型的支撑部分以避免其影响后续模型之间的配准,然后用手动注册功能将其与参考模型初步配准至同一位置,之后用全局注册功能将所有实验与参考模型进行基于相同选择区域的最终配准。分离参考模型的内表面、内部区域、边缘区域,并在内部与边缘区域周围建立曲线,用于后续分离实验模型的相应区域。最后用3D偏差分析功能对参考与实验模型的内表面、内部区域、边缘区域进行精度分析。

1.2.4.2 不同层厚打印临时冠的正确度分析 在三维软件中分别以参考模型的内表面、内部区域、边缘区域为参考对象,以实验模型的对应区域为测试对象,执行3D偏差分析后获得参考与测试对象间不同区域的偏差,结果以均方根(root mean square,RMS)值和颜色偏差图表示(n=10)。计算出的RMS值代表临时冠的正确度,RMS值越大,正确度越低。颜色偏差图被分为15 段颜色,图中不同颜色代表测试对象相较于参考对象的偏差,其中绿色为可接受偏差(差异在名义值范围内),红色为正偏差(测试对象在参考对象外侧),蓝色为负偏差(测试对象在参考对象内侧)。参考之前的研究[3],临界值被设定为±100 μm,名义值被设定为±50 μm。

1.2.4.3 不同层厚打印临时冠的精密度分析 精密度代表重复打印间的差异,其比较方法为同组内临时冠模型相互比较。具体比较步骤为:手动删除实验数据的支撑部分,对不同层厚组内临时冠模型按照1～10编号,然后将模型2、3、4、5、6、7、8、9、10与位置固定的模型1进行配准后,用曲线分离不同区域并进行3D偏差分析;将模型3、4、5、6、7、8、9、10与位置固定的模型2进行配准后,用曲线分离不同区域并进行3D偏差分析;按此规律完成组内所有模型间的相互比较后,每组可得到45 个RMS值。此处计算得到的RMS值代表临时冠的精密度,RMS值越大,精密度越低。

1.3 统计学处理

用SPSS 26.0软件对实验数据进行统计分析。经检验,数据满足正态分布以及方差齐性。用独立样本t检验分析层厚对临时冠不同区域精度(正确度和精密度)的影响,检验水准α=0.05。

2 结 果

2.1 不同层厚打印临时冠的正确度

图3 不同层厚打印临时冠内表面正确度的颜色偏差图Fig 3 Colormaps of the trueness of the intaglio surface of temporary crowns printed with different layer thicknesses

2.2 台阶效应

如图4所示,50 μm层厚3D打印的样本台阶效应小于100 μm层厚的样本。

图4 不同层厚下3D打印的台阶效应示意图Fig 4 Schematic diagram of the step effect of 3D printing with different layer thicknesses

2.3 不同层厚打印临时冠的精密度

表2显示100 μm层厚组内表面精密度优于50 μm层厚组,差异有统计学意义(P<0.05)。

2.4 不同层厚打印临时冠所需层数与时间

表3显示,100 μm层厚组打印临时冠所需层数与时间约为50 μm层厚组的一半。

3 讨 论

精度可分为正确度和精密度两项指标[13]。3D打印的正确度指实际打印物体与设计物体模型间的差异,而精密度则指重复打印同一物体间的差异。精度的主要评价方法有二维线性评价与三维评价[14]。二维线性评价需人工在模型上选点并测量距离,其中选点多依靠表面特征,因此存在人工误差[15]。而三维评价法则是一种通过迭代最近点算法将参考模型与扫描获得的测试模型在分析软件中配准后分析两者间三维偏差的方法[16]。相较于线性评价,该方法的分析区域更为全面且可在不破坏测试模型的情况下完成精度评价。在三维评价法中,配准方法会对分析结果产生影响[17]。O' Toole比较了手动注册、基于选择区域的全局注册、最佳拟合三种方法配准模型的精度,结果显示全局注册的配准误差最小[17]。本研究采用基于相同选择区域的全局注册方法配准实验与参考对象[18],并用预先建立的曲线将所有STL数据进行均一化处理,减少了配准以及精度分析中可能产生的误差。

本研究结果显示,50 μm层厚打印临时冠在内表面的正确度优于100 μm,这与之前的研究结论一致[19-20]。在3D打印中,台阶效应被认为是影响打印物体表面形态的主要因素。随着层厚的减小,台阶效应的影响也逐渐减小。然而,在本研究中,100 μm在边缘区域的正确度优于50 μm。本研究的临时冠边缘区域为打印的最后数层,其表面误差代表所有层在垂直方向层叠所累积的误差。在3D打印中,更多数量的层可能带来更大的累计误差[7]。由于100 μm打印临时冠的总层数仅为50 μm的一半,因此100 μm在边缘的正确度更高。根据以往的文献报道,冠修复体的适合性小于100 μm可满足临床使用需求[21]。而在本研究中,50、100 μm层厚打印临时冠在不同区域的正确度均小于60 μm(表1),这代表两种层厚均可被应用于临床。

表1显示了不同层厚打印临时冠内表面、内部区域、边缘区域的正确度。50 μm层厚组临时冠内表面与内部区域的正确度优于100 μm层厚组,但边缘区域的正确度较100 μm层厚组差(P<0.05)。

表1 不同层厚打印临时冠内表面、内部区域、边缘区域的正确度 (n=10, μm)Tab 1 Trueness of the intaglio surface, internal region, and marginal region of temporary crowns printed with different layer thicknesses (n=10, μm)

表2 不同层厚打印临时冠内表面的精密度 (n=10, μm)Tab 2 Precision of the intaglio surface of temporary crowns printed with different layer thicknesses (n=10, μm)

3D打印的精密度代表重复打印的稳定程度。在本研究中,100 μm层厚组临时冠内表面精密度为(21.0±3.5) μm,50 μm组精密度为(26.3±5.2) μm,且两组间差异有统计学意义。Dias发现100 μm层厚打印模型精密度优于50 μm[22],这与本研究的结果类似。树脂材料的聚合收缩被认为是造成打印误差的重要原因[23],而本研究中层数更多的50 μm组增加了累计误差的潜在影响。虽然更大的层厚在表面增加了台阶效应,但也使打印总层数减少(表3)并可能有更好的重复性。在本研究的条件下,虽然不同层厚打印精密度存在差异,但都足以满足临床使用需求。

表3 不同层厚打印临时冠层数与打印时间Tab 3 Number of layers and time consuming of temporary crowns printed with different layer thicknesses

本研究中不同层厚临时冠的颜色偏差图显示,打印临时冠在内表面区域主要表现为正偏差,而在边缘区域则主要为负偏差。Osman等[10]发现打印临时冠上与支撑相邻的内表面会产生正偏差,作者认为平台上未完全固化的树脂结构在液态树脂重力以及平台运动的影响下会在表面产生向支撑反方向的变形。本研究中,临时冠在180°构建角度下打印,颜色偏差图的正偏差主要集中在临时冠内表面的面,与Osman等[10]的结论一致。在DLP打印过程中,光敏液态树脂在离型膜上成型。升降平台带着已完成结构从离型膜脱离过程中,离型膜对打印物体表面施加的力也可能会导致其表面向下变形[24],从而产生正偏差的表现。而狭窄的边缘与材料收缩可能是边缘显示负偏差的原因[25]。

由于较长的就诊时间可能影响患者的就诊体验甚至增加复诊次数,因此在选择治疗方式时,临床操作时间是需要被考虑的重要因素[26]。层厚是影响DLP打印时间的关键打印参数,层厚越大,打印耗时越短。在切片软件对数据处理后,切片数据被导入打印机并开始打印。目前牙科打印机以光固化打印为主,为简化临床操作,与光机、电机相关的参数常被内置于材料选项中而无需操作者另外设置。重要的打印参数如构建角度、层厚、支撑参数在被手动设置并保存后,打印的层数与时间即被确定,这也是本研究直接记录打印层数与时间的原因。本研究结果显示,100 μm层厚打印临时冠所需层数与时间约为50 μm层厚组的一半,可显著提高加工效率。

本研究的局限性在于未分析3D打印临时冠的外表面精度,因而无法评价打印参数对咬合以及邻接关系的影响。多数3D打印支撑结构需被手动去除,在操作中可能会造成表面变形从而影响配准与精度分析结果,因此本研究没有将临时冠外表面纳入评价范围。虽然目前已有可用于打印模型的水洗打印支撑材料,但现有牙科DLP打印机仅能使用单一材料,可水洗支撑材料难以作为修复材料应用。固定修复体的适合性是评价临床效果的重要标准,本研究的另一局限性也在于没有评价打印临时冠的适合性,而在临床应用中适合性的评价需要进一步研究。

综上所述,层厚影响3D打印临时冠的精度。在本研究条件下,50 μm打印临时冠正确度优于100 μm,而100 μm打印临时冠精密度优于50 μm;不同层厚打印临时冠的精度均能满足临床使用要求。综合考虑打印精度与效率,推荐临床使用100 μm层厚参数打印临时冠。