3D打印在口腔美学修复中的应用

Abstract

3D打印技术可完成结构复杂物体的打印，在口腔修复领域已有一定应用，未来有望替代大部分传统修复技术。在口腔美学修复中如何保证分析设计阶段初设的轮廓外形与颜色等与患者得到的最终修复体一致，一直是困扰口腔医师和技师的难题。3D打印的蜡型、树脂冠桥等可用于美学修复的美学分析和设计结果的输出预告，一对一地传递并指导最终修复体的设计和制作。3D打印的目标修复体导板（TRSguide）既为美学修复制定了可预览的修复蓝图，让口腔医师和技师能检测患者重建的口腔功能和美学的相关信息；又能指导实施符合牙体保存和活髓保护理念的理想牙预备，做到真正的全程精准与微创。这些新的数字化技术进展使得美学修复焕然一新。本文对3D打印在口腔美学修复中的应用进行介绍。

3D打印也称增材制造（additive manufacturing）技术，是利用计算机辅助设计（computer aided design，CAD）软件或逆向工程重建三维数字模型，并将其分割为层切数据文件，在3D打印设备上按每层数据进行材料的逐层叠加[1]，最终形成物体实体的一种分层制造技术。20世纪90年代3D打印技术开始应用于医疗领域复杂模型的制作[2]–[3]。目前3D打印技术也逐步应用于口腔医学领域，按照成型方式分类主要包括立体光固化成型（stereolithography，SLA）、选择性激光熔覆（selective laser melting，SLM）、熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）和喷墨打印[4]，用于制作种植导板、修复体熔模蜡型、活动和固定义齿金属支架、颌面部修复体以及全口义齿等[5]。口腔美学修复路径可分为前期的分析设计阶段和后期的临床实施阶段[6]–[7]。采用SLA技术打印蜡型或树脂冠桥等进行美学要素的分析、查找、设计并制定相应的治疗计划，明确美学修复方案。临床实施中通过3D打印的TRS导板开展精准牙体预备，有利于精准的量形控制，检测指导最终修复体数字化设计及实体转化，完成整个精准修复过程。

1. 3D打印在美学分析和设计阶段的临床应用路径

在口腔修复过程中，目标修复体空间（target restoration space，TRS）是拟定的修复后各种修复体所占据的最小空间[8]。TRS导板是指在医—患—技三方确认的美学设计方案后，使用硅橡胶、牙科透明膜片或者3D打印等方法制备TRS导板，用于空间分析设计、牙体制备、种植手术及修复体制作等。因此，美学分析和设计阶段的目的在于医师与患者、技师需共同根据生物学、材料学和美学等影响因素完成目标修复体空间的设计，并将虚拟设计的TRS蓝图通过不同阶段的实体预告技术准确地传递到临床实施阶段。充分的交流和沟通依赖于美学修复治疗的美学修复预告，传统的预告技术包含三个阶段：一级预告为数字美齿设计；二级预告为美学诊断蜡型；三级预告为口内诊断饰面[9]。按照数字化程度与TRS传递的精准性可将口腔修复治疗美学分析和设计阶段分为传统美学分析和设计、半数字化美学分析和设计、全数字化美学分析和设计，每种临床路径如图1所示，下面将进行详细阐述。

图 1. 3种口腔修复治疗美学分析和设计路径.

Fig 1 Three kinds of esthetic analysis and design pathway of oral prosthetic treatment

1.1. 传统美学分析和设计

传统美学分析和设计路径通过美学修复预告，医师、技师和患者在可视的基础上共同参与治疗计划的制定。患者初诊时采集面部和口内照片，并根据患者自身情况，结合美学、功能等需求制定TRS，并将所采集二维影像信息用于一级预告中的数字化美学分析设计（图2A）[8]。根据一级预告中数字化美学分析设计的目标修复体形态手工制作反映未来修复体空间的美学诊断蜡型，完成二级预告（图2B）。根据已经做好的美学诊断蜡型翻制TRS导板，进行口内诊断饰面制作，完成三级预告（图2C）。

图 2. 传统美学分析和设计的三级预告技术.

Fig 2 Three-level preview technic for conventional esthetic analysis and design

A：数字化美学分析设计；B：美学诊断蜡型；C：口内诊断饰面。

传统的美学分析和设计路径，只需要照片收集和数字化美学分析工具即可以完成一级美学预告技术，操作简单，在临床使用广泛，技术成熟，成本较低[10]。但同时也存在着一些缺点，首先，由于一级美学预告技术需要将面部照片和口内照片进行匹配，以完成二者信息的结合，综合进行面部和口内美学分析，但二者的拍摄角度要求一致，操作难度大[11]–[12]。再者一级美学预告所得的二维美学分析设计结果很难准确地转化为二级美学预告技术中的三维蜡型[9]，这将增加传递TRS信息的误差，影响最终修复效果。最后，手工制作美学诊断蜡型需要技术娴熟的技师来完成且需要大量制作时间[9]。

1.2. 半数字化美学分析和设计

数字化口腔技术已经能够进行口内和面部美学信息获取，以及集美学分析设计、美学诊断蜡型设计于一体的数字化美学方案设计[13]。通过3D打印技术将美学分析和设计的数字化结果转化为实体，作为美学修复预告和精准实施的重要手段，减少模型制取和美学诊断蜡型手工制作等步骤，有效减少了翻制模型及手工制作蜡型时造成的TRS传递误差，有效提高诊疗效率和患者舒适度。

半数字化美学分析和设计过程将数字化美学诊断蜡型设计技术和3D打印技术引入分析设计过程中。患者初诊采集面部和口内照片（图3A），扫描石膏模型并将颌位关系转移到虚拟架上，结合患者的面部信息直接在软件中进行美学分析设计、美学诊断蜡型设计，进行一级预告（图3B、C）。3D打印设计好的美学诊断模型，用于二级预告（图3D）。在3D打印的美学诊断模型上制作TRS导板，进行口内诊断饰面制作，完成三级预告。

图 3. 半数字化美学分析和设计路径临床实施图.

Fig 3 Clinical implementation of semi-digital aesthetic analysis and design pathway

A：患者初诊采集面部和口内照片；B：将颌位关系转移到虚拟架上；C：进行数字化美学诊断蜡型设计；D：打印设计的美学诊断模型。

半数字化美学分析和设计路径将传统一级预告的分析设计、二级预告的美学诊断蜡型制作整合为一次性的数字化设计步骤。整个美学分析和设计阶段分为数字化设计和3D打印两步，简化了美学分析和设计的步骤，缩短了医生和技师的操作时间。但过程中仍需进行口内印模制取和翻制石膏模型，患者舒适度未得到改善。在数字化设计拟合过程中，将二维的患者面部照与三维的模型数据进行拟合，同样存在传递TRS过程的误差，因此难度较大且不准确。

1.3. 全数字化美学分析和设计

全数字化美学分析和设计路径在半数字化路径的基础上用口内扫描和面部扫描数据代替模型收集和照片收集步骤。患者初诊时口内扫描制取数字化模型，面部扫描采集面部和唇齿关系等信息（图4A、B）。然后将面部扫描数据直接与患者的数字化模型数据进行拟合，根据患者的三维形貌和咬合关系等信息进行美学诊断蜡型设计，完成一级预告（图4C）。3D打印设计好的美学诊断模型，用于二级预告（图4D）。在3D打印的美学诊断模型上制作TRS导板，进行口内诊断饰面制作，完成三级预告。

图 4. 全数字化美学分析和设计路径临床实施图.

Fig 4 Clinical implementation of digital aesthetic analysis and design pathway

A：口内扫描制取数字化模型；B：面部扫描；C：进行美学诊断蜡型设计；D：打印设计的美学诊断模型。

全数字化美学分析和设计路径直接运用数字化方式采集患者口内和面部信息，简化了操作步骤，缩短了操作时间，完全避免了由于翻制模型及手工制作蜡型所导致的TRS传递误差，大大提高了TRS信息传递的准确性及患者的舒适度。数字化设计将三维的面部扫描数据和口内扫描数据进行拟合，过程简单，结果准确可靠[14]–[15]。但全数字化过程还不能进行患者颌位关系转移，对于涉及咬合改变的情况还无法准确进行咬合设计。

传统路径成本较低、方法成熟，虽然很难做到精准的设计和临床实施，但可以让初学者快速进行口腔美学修复操作。数字化路径设计准确，但前期投入的设备和软件成本较高，目前还很难广泛地应用于修复临床。不管哪种美学分析和设计路径，都要根据临床实际情况进行方法的选择，医技患充分沟通用最合适的方式进行修复治疗。

2. 3D打印在口腔美学修复临床实施阶段的应用

在口腔美学修复的后期临床实施阶段，医师常需进行不可逆的有创操作，以完成牙体预备或种植体植入。由于牙体预备的目标与实质是在人体最硬的器官上获得与所选修复体材料及工艺准确适合的TRS[16]，同时技师根据美学分析和设计结果制作最终修复体，因此数字化技术的应用为美学分析和设计结果如实地传递至最终修复体提供了有效的解决方案。

2.1. 3D打印TRS导板在牙体制备中的应用

TRS导板可用硅橡胶、牙科透明膜片或者3D打印等方法进行制备。用于备牙时，TRS导板也可叫备牙导板。

传统的方式是使用硅橡胶翻制美学诊断蜡型，获得硅橡胶备牙导板，该方法简便但硅橡胶不透明，无法精确测量备牙导板到基牙之间的距离且临床操作复杂。牙科透明膜片制作备牙导板是将美学诊断蜡型翻制成石膏模型，压膜而成，制作过程稍复杂。3D打印制作备牙导板可以直接在数字化美学诊断蜡型的基础上设计数字化导板，再通过SLA技术打印出备牙导板，方法简便（图5）。在专业设计软件中导入分析设计阶段完成的美学诊断蜡型数据（图5A），在此数据上直接进行“抽壳”操作，将备牙导板的厚度设置为0.8 mm（图5B），只保留需要进行牙体预备的几个牙位完成TRS备牙导板设计（图5C），最后3D打印TRS备牙导板，并指导口内牙体预备（图5D）。

图 5. 3D打印制作TRS备牙导板过程图.

Fig 5 Manufacture of TRS guide by 3D printing

A：导入设计的美学诊断蜡型数据；B：在美学诊断蜡型数据上进行“抽壳”；C：完成TRS备牙导板设计；D：口内试戴TRS备牙导板。

TRS导板的制作过程为美学修复制定了修复蓝图，让口腔医师能全面检测患者的美学相关信息；同时，备牙导板保证了预备体符合目标修复体的空间要求，在保证微创预备的同时为最终修复体的制作和粘接提供了良好的基础。

2.2. 3D打印制作临时修复体

对于进行二次修复或过小牙等完全利用体外TRS的美学修复患者，可将数字化美学分析设计与3D打印技术结合进行美学预告并直接打印临时修复体。具体操作如下：患者初诊时采集面部照片或进行面部扫描，取印模、翻制石膏模型并扫描石膏模型将颌位关系转移到虚拟架上，结合患者面部信息进行数字化美学分析设计目标修复体形态（图6A、B）。3D打印设计好的目标修复体，进行口内预告并可直接作为备牙后的临时修复体使用（图6C、D）。该方法同时完成了美学诊断蜡型、口内预告的美学诊断饰面和备牙后的临时修复体的制作，大大简化了操作步骤，节约了操作时间和资源。

图 6. 3D打印制作临时修复体.

Fig 6 Manufacture of temporary restoration by 3D printing

A：结合患者信息进行数字化美学分析设计；B：完成目标修复体形态设计；C：打印设计的目标修复体；D：目标修复体直接用于临时修复体。

2.3. 3D打印辅助口腔修复体制作

美学修复治疗过程中如何让最终的修复体表达美学分析和设计阶段的美学效果，即最初分析设计所得TRS能准确传递到最终修复体的制作是美学修复的关键步骤。传统的修复体制作流程均为手工制作，包括制作模型或代型、制作底冠蜡型、包埋铸造、上瓷、修整外形和上釉完成。由于手工制作过程不能将美学诊断蜡型与工作模型进行拟合，很难将美学分析和设计结果一对一如实地传递至最终修复体。运用数字化技术制作修复体，首先需通过模型扫描或口内扫描将预备后的牙体表面信息转化为数字化工作模型，再将美学分析和设计阶段已确定好的TRS信息与数字化工作模型重叠，用以指导修复体的设计和制作（图7）。

图 7. 传统制作口腔修复体流程（蓝色框）和数字化技术制作口腔修复体流程（橘色框）.

Fig 7 Restorations production process by conventional method (blue box) and by digital technology (orange box)

目前，应用于美学修复体制作的3D打印技术主要为SLA，比较成熟的工艺流程是用3D打印技术制作底冠蜡型，之后包埋铸造完成修复体制作。具体步骤如图8所示：将美学诊断蜡型与工作模型拟合，指导设计最终修复体；3D打印底冠蜡型；完成修复体制作。3D打印技术辅助修复体制作既可克服传统修复体制作流程中难以用美学分析和设计结果指导最终修复体制作的缺点，又可避免减材制作的加工缺陷，节约制作成本，延长修复体的使用寿命[4],[17]。

图 8. 三维打印辅助的美学修复体制作流程.

Fig 8 3D printing-assisted esthetic rehabilitation process

A：用美学分析和设计结果指导最终修复体设计；B：三维打印制作的底冠蜡型；C：修复体制作完成后的口内试戴效果。

3. 3D打印在口腔美学修复领域应用的局限性和展望

目前3D打印在口腔美学修复领域应用的局限性表现为成本较传统技术高，打印原材料还不多，影响广泛应用。而SLA成型技术所用的材料为树脂和蜡，这两种材料的强度低、颜色与天然牙不匹配，都不适合制作最终修复体，因此目前在美学修复中必须将3D打印技术与传统技术相结合才能达到预期的美学修复效果。学者已开始研发可以直接进行陶瓷打印的3D打印工艺，即用美学分析和设计结果确定最终修复体设计后，直接3D打印完成陶瓷底冠或最终修复体，可使瓷美学修复体的制作过程更加简化和精确。3D打印在口腔美学修复领域将会前途无限。

Funding Statement

[基金项目] 国家重点研发计划项目（2016YFC1102704）；四川大学专业学位案例课程建设项目（2016KCJS127）

Supported by: National Key Research and Development Plan (2016YFC1102704); Sichuan University Professional Degree Case Course Construction Project (2016KCJS127)