支撑结构位置对3D打印全口义齿基托适合性的影响

宋世威 李风兰

现代口腔修复工艺随着计算机辅助设计和计算机辅助制造(CAD/CAM)技术的引入而快速发展[1]。继在种植和固定修复领域取得成功后,CAD/CAM技术也开始引领全口义齿制作方式与牙列缺失患者诊疗流程的变革[2]。全口义齿的数字化制作可通过数控切削(CNC)或3D打印分别制作基托与人工牙并将两部分粘接实现;亦可通过切削双色树脂盘完成全口义齿的一体化制作而无需进一步粘接。当前,立体光固化成型3D打印技术制作的全口义齿被证明具有良好的适合性、足够的机械强度和令人满意的临床效果,立体光固化成型在全口义齿制作中的应用日益广泛[3-6]。

数字光处理(DLP)是基托制作中最常用的3D打印技术[7]。DLP使用数字微镜装置(DMD)投影紫外光分层图像对液态光敏材料进行面曝光固化并逐层堆叠成型,在工作平台中放置多个打印任务不会影响打印时间。相较于数控切削以及立体光刻(SLA),DLP显著提高了义齿的制作效率[8-9]。

3D打印中支撑参数的设置决定着切片方向与分层图像,打印机则依据分层图像逐层成型并堆叠完成打印。基于3D打印逐层堆叠的工作原理,不同支撑参数的设置影响打印部件的尺寸精度、表面特性和机械性能[10-11]。既往研究评价了DLP中不同角度的支撑结构对义齿适合性的影响[12],但支撑结构位置对3D打印全口义齿基托适合性的影响尚不清楚。因此,本研究评价不同支撑位置(唇侧、颊侧、后侧、底部)对基托适合性的影响,为DLP制作义齿基托时最佳支撑位置的设置提供依据。零假设是不同的支撑位置不会影响DLP技术打印的全口义齿基托的适合性。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

无牙颌模型(G10-402K-QF,Nissin,日本)、数字光处理桌面打印机(Pro95,SprintRay,美国)、后固化箱(ProCure,SprintRay,美国)、甲基丙烯酸酯义齿基托打印材料(DENTCA BASE Ⅱ,Dentca,美国)、扫描喷粉(Easyscan;韩国)、模型扫描仪(Ceramill Map 600,Amann Girrbach,Austria)、3D打印切片软件(RayWare,SprintRay,美国)、牙科CAD软件(3Shape Dental System, 3Shape,丹麦)、 3D检测软件(Geomagic Control X,3D Systems,美国)。

1.2 义齿基托设计与制作

扫描标准上颌无牙颌模型并重建数字参考模型。依据无牙颌解剖结构的特点及其与全口义齿修复的关系,将该无牙颌模型进一步分为主承托区、副承托区、缓冲区及边缘封闭区。基于该上颌无牙颌模型,使用3Shape Dental System设计了全口义齿。基托部分厚度均匀为2 mm,义齿边缘伸展至黏膜反折处。将基托文件导入切片软件RayWare中,使用“旋转”工具将基托沿X轴、Y轴旋转后生成支撑结构。基托分成唇侧组、颊侧组、后侧组与底部组4 组(n=10),并将层厚设为100 μm进行切片(图1)。由于支撑结构难以在不影响附着区域表面形态的情况下完全去除,本研究排除了组织面生成大量支撑结构的分组。在切片软件中检查打印文件,利用支撑编辑工具去除附着在组织面上的支撑结构,随后记录各组义齿基托所需的打印时间与材料消耗量。将打印文件发送至DLP打印机Pro95后,使用甲基丙烯酸酯DENTCA BASE Ⅱ制作40 个全口义齿基托。后处理过程依据制造商的建议进行:去除支撑结构、 90%异丙醇超声清洗5 min、后固化箱中固化40 min。

图1 不同支撑位置的全口义齿基托Fig 1 Complete denture bases with different supporting position

1.3 数据采集与偏差分析

所有的义齿基托表面喷涂扫描喷粉后,使用Ceramill Map 600模型扫描仪以4 μm的精度进行扫描。将扫描所获取的基托标准三角形语言(standard triangle language,STL)格式文件导入3D检测软件Geomagic ControlX,通过 “最佳拟合”算法将基托扫描数据与上颌参考模型配准。使用“3D比较”分别对基托组织面整体及不同功能分区(主承托区、副承托区、缓冲区及边缘分封闭区)与上颌参考模型进行偏差分析以评价义齿组织面与无牙颌参考模型的适合性。创建偏差色谱图,标称偏差内(偏差小于0.1 mm)的区域显示为绿色,超出标称偏差的区域被分为正偏差(黄色至红色,与参考模型间存在间隙)和负偏差(青色至蓝色,与参考模型间存在挤压),临界偏差设置为1 mm。适合性用均方根误差(root mean square error,RMSE)值表示,RMSE被认为是衡量两个3D数据之间差异的标准化变量[7]。RMSE值越小,测试对象与参考模型一致性越高。其计算公式为:

式中x1,i为上颌参考模型上的测量点,i,x2,i为基托扫描数据上的测量点i,n为每个样本上测量点对总数。

1.4 统计学分析

将测得的RMS值导入统计软件(PRISM,GraphPad)对定量数据进行检验。使用Shapiro-Wilktest检验数据分布的正态性。在0.05的显著性水平上采用Welch's ANOVA test验证支撑结构位置对基托的组织面精度的影响。并使用Dunnett's T3 multiple comparisons test检验各组之间的差异。

2 结 果

2.1 打印时间以及材料消耗

义齿基托在不同支撑结构位置下的打印时间以及光敏树脂消耗量如表1。从底部添加支撑结构的义齿基托所需打印时间最短(44 min),而颊侧组所需打印时间最长,约需139 min;底部支撑组消耗了最多的基托打印材料(23.2 mL),其材料利用率仅为28.9%;而唇侧组需要10.6 mL基托材料,材料利用率最高(63.2%)。

表1 打印时间(min)与材料消耗(mL)Tab 1 Printing time(min) and material consumption(mL)

2.2 义齿基托适合性

支撑位置显著影响(P<0.001)义齿基托的适合性。不同支撑位置组基托适合性、正负偏差及公差内比例(偏差<0.1 mm)(表2),唇侧组展现出最佳的适合性(0.084±0.010) mm,其次依次为底部组(0.114 ± 0.039) mm、后侧组(0.125±0.007) mm与颊侧组(0.142±0.020) mm。唇侧组大部分(77.7%)区域偏差在0.1 mm以下,而颊侧组、后侧组与底部组约1/3区域展现出大于0.1 mm的偏差。

表2 义齿基托组织面整体适合性Tab 2 Intaglio surface adaptation of the denture bases

2.3 局部偏差分布

偏差色谱图(图2)可直观地展现正负偏差在义齿不同区域的分布情况。在唇侧组,正偏差(间隙)主要出现在缓冲区(腭皱)以及副承托区,负偏差(挤压)主要出现在上颌结节区域。在颊侧、后侧、底部3 组中,正偏差主要出现在主承托区的腭穹隆部分, 负偏差区域主要出现在上颌结节以及牙槽嵴顶。此外,颊侧组的偏差分布在中线两侧明显不对称。

图2 参考模型与偏差色谱图Fig 2 Reference cast and deviation color map of the groups

定量分析结果表明唇侧组在主承托区(0.082±0.015) mm、副承托区(0.076±0.016) mm与边缘封闭区(0.092±0.012) mm均表现出最高的适合性(表3)。在缓冲区,唇侧组的适合性最差(0.094±0.023) mm。然而,其公差外区域(30.3%)主要表现为正偏差(间隙),提供了(0.087±0.024) mm的缓冲量。其负偏差区域占比较小,约为2.2%。颊侧组在缓冲区适合性最佳,在副承托区以及边缘封闭区均表现出最差的适合性(图3)。

图3 不同支撑结构位置义齿基托各功能分区适合性的差异Fig 3 Difference in adaptation of functional areas of the denture bases at different supporting structures

3 讨 论

义齿组织面与黏膜的高度贴合可以改善义齿的黏膜支持和固位力并减少压痛点[13]。实现最佳的适合性是全口义齿制作的主要目标之一。然而,3D打印全口义齿基托的适合性与打印参数紧密相关。本研究使用甲基丙烯酸酯义齿基托打印材料以及DLP 3D打印机制作了具有不同支撑位置的全口义齿基托, 并通过3D偏差分析评价了义齿的适合性。Camardella等[14]称使用3D偏差分析比传统的人工测量方法更可靠。基托的复位及偏差分析过程均基于算法进行,可以避免人为操作中复位不准确或义齿在模型上就位不完全等问题对结果造成的影响。同时, 数字模型中所有的点均可以计算在内,以反映义齿与无牙颌模型在义齿边缘范围内的所有区域的偏差[15]。

定量分析的结果表明具有不同支撑位置的义齿基托适合性存在显著差异。这种差异可能源于 3D打印中的“分离力效应”。立体光固化打印机依据紫外光源位置可分为两种系统:自上而下的曝光系统及自下而上的曝光系统。自下曝光的DLP及立体光刻(SLA)系统体积小巧、填充树脂槽所需的材料少、打印精度高,在口腔医学中广泛应用。然而,自下而上曝光系统中存在分离力效应,该效应可能导致打印部件的形变甚至断裂[16]。基托打印过程中,每一层在固化后都会吸附在树脂槽底部,需要构建平台提供一定的分离力将已初步固化的基托层拉起,在此过程中基托受到一个Z轴方向的拉伸力直至与树脂槽底部完全分离。因此推断在这个力的作用下,不同支撑位置的基托偏差分布模式以及整体适合性产生了差异。尽管研究者尝试采用改善分离模式、增加透氧层等方式来减小这一效应的影响,但这一问题尚未完全解决[17-18]。此外,本研究中不同分组之间也表现出了一些相似之处,负偏差主要出现在上颌结节以及牙槽嵴区域,正偏差主要集中在腭部。这可能是由于3D打印液态光敏树脂材料在光固化过程中向心性的聚合收缩导致的。Unkovskiy等[7]和You等[19]的研究中观察到了相似的情况,并将这一现象归因于聚合收缩。高浓度的光引发剂可以使光敏树脂在短暂的紫外光曝光下快速固化成型,但也导致了初步固化后大量引发剂残留,需要后固化进一步促进聚合反应完成[8]。通过调节打印的参数来最小化聚合收缩与分离力效应对义齿精度的影响可能是一种行之有效的方法。

在适合性的评价中,唇侧组展现出最佳的适合性(0.084±0.010) mm,绝大部分(77.7%)区域偏差在0.1 mm以下。先前的研究表明全口义齿戴入后,黏膜不同区域在最大力下的平均变形量约为0.3 mm[20]。义齿组织面和石膏模型之间的平均偏差在 0.3 mm范围内被认为是可以接受的[21]。本研究中,所有分组的整体适合性(RMSE)都小于这一平均值。然而,单从这一数值评价义齿基托的适合性是不够的。局部小区域超出组织代偿范围的较大偏差无法从整体RMSE值中体现,但在临床使用中可能导致黏膜压痛和固位力下降。此外,无牙颌的解剖学与组织学特点决定了无牙颌不同区域对偏差的耐受不同:腭隆突、切牙乳头、腭中线处需要一定的缓冲(正偏差),而在后腭封闭区施加生理限度内的压力(负偏差)可以提高固位力、减少呕吐反射、防止食物残渣堆积[20,22]。因此需要创建色谱图且将参考模型分割,对基托不同区域的适合性进行评价。在颊侧组、后侧组与底部组的上颌结节处观察到了大于0.3 mm的负偏差(深蓝),这可能会增加黏膜压痛出现的风险;这些分组的义齿基托在后腭区域观察到了较大的正偏差,戴入口内后可能无法形成有效的后缘封闭,导致义齿固位不良;此外,颊侧组的基托组织面的偏差分布模式左右明显不对称,这可能导致义齿在咬合力下的不平衡。上述支撑位置在基托打印时应谨慎选择。相对而言,唇侧组的偏差分布更加符合上颌无牙颌的解剖特点:在后腭部表现出良好的适合性或轻度的负偏差,并在腭隆突、腭中线处具有一定的正偏差以达到缓冲作用。

不同于SLA采用动态激光束对光敏树脂逐点进行固化,DLP采用了DMD投影分层切片图像,可同时固化整层光敏树脂打印材料。因此,DLP中的层间循环时间更短且同时打印多个目标不会增加工作时间[8-9]。打印文件的切片层数是决定DLP打印任务所需时间长短的首要因素。本研究中不同分组基托打印文件的层数不同,所需打印时间亦不同。底部组打印文件为水平摆放,在垂直于X、Y切片平面的Z轴方向上高度最小。固定层厚(100 μm)下,其切片时所得层数最少,需要的打印时间也最短(44 min)。而垂直打印的3 组(唇侧、颊侧与后侧组)所需打印时间相对较长,其中颊侧组所需打印时间最长(139 min)。此外,不同支撑位置的义齿基托在打印中的树脂消耗量亦存在差异。这与支撑结构的长度与数量相关。尽管在底部组所有支撑结构均较短,但其数目最多。因此,底部组在打印中的材料消耗量最高(23.2 mL),约为其他分组的两倍。当义齿基托需要快速制作时,底部添加支撑结构可缩短义齿的打印时间,但会造成材料成本增加。而当时间充足时,在唇侧添加支撑结构可以降低义齿打印的材料成本并提高义齿基托的适合性。

本研究为体外研究,缺乏义齿基托在无牙颌病人口内的试戴与评价,这是其主要不足之处。尽管据报道使用3D偏差分析比传统的人工测量方法更可靠[14], 3D检测软件中义齿基托在上颌模型上的就位仅能代表一种理想的就位状态,可能与临床中实际情况存在差异。本研究仅使用了一种打印机以及义齿基托材料组合,进一步对其他组合进行研究是必要的。

4 总 结

本研究中,在唇侧生成支撑结构的义齿基托具有最高的适合性及更符合无牙颌的解剖生理特点的偏差分布模式,基托制做所消耗的打印材料最少,因此在使用DLP制作义齿基托时,建议支撑设置在基托唇侧。