綜述：3D打印陶瓷技術在口腔醫(yī)學領域的研究進展

來源：中國實用口腔科雜志

摘要：全瓷修復體具有良好的生物相容性、美觀性及力學性能，備受患者青睞，已成為固定修復的主流方式。以數控切削成型為代表的減材制造和失蠟鑄造為代表的等材制造工藝發(fā)展成熟，但仍有不足之處。隨著數字化時代的到來，運用3D打印技術制造的烤瓷修復體、可摘局部義齒、種植導板已應用于臨床，而3D打印全瓷修復體尚處于研究階段。文章將簡要介紹各種3D打印陶瓷技術的工作原理、研究現狀及優(yōu)缺點，并對其發(fā)展進行展望。

陶瓷材料因優(yōu)越的美學效果、良好的生物相容性及穩(wěn)定的化學性能等優(yōu)勢在口腔醫(yī)學領域發(fā)展迅速。隨著患者對修復體美觀性能要求提高，全瓷嵌體、冠、橋修復體已經成為牙體/牙列缺損修復主流形式［1］。等材制造全瓷修復體過程繁瑣、耗時長、效率低。減材制造全瓷修復體主要采用計算機輔助設計與計算機輔助制作（computer aided design and computer aided manufacturing，CAD/CAM）技術，其有2種不同的工作方式：（1）直接磨削完全燒結的陶瓷塊成型修復體；（2）磨削胚體放大25% ~ 30%的未完全燒結的陶瓷塊，再高溫燒結成型修復體。前者對磨削刀具的磨損較大，易產生裂紋等缺陷；后者制作過程繁瑣，費時費力［2-3］。隨著數字化技術的進步，以增材制造理念為主的3D打印技術發(fā)展迅速，基于該技術成型的可摘局部義齒鈦支架、種植導板已應用于臨床，運用3D打印技術成型全瓷修復體尚處于研究階段，本文就3D打印技術成型全瓷修復體的相關研究進展做一綜述。

1 3D打印技術的原理及優(yōu)勢

3D打印技術又稱增材制造（additivemanufacturing，AM）技術或快速成型（rapidprototyping，RP）技術。3D打印技術是運用計算機輔助設計零件的三維數據，在計算機控制下，3D打印機對材料進行分層制造，逐層累加，最后形成三維實體零件的方法［4］。與傳統(tǒng)制造和減材制造相比，其具有原材料利用率高、降低生產成本、簡化制作工序、縮短成型時間、產品高精度、發(fā)展前景廣闊及個性化等優(yōu)點［5］，運用該技術可制作傳統(tǒng)制造工藝及減材制造技術難以生產的復雜結構產品，具有較高的經濟效益。目前，運用該技術制作的可摘局部義齒、金屬全冠、種植導板已應用于口腔修復學領域［6-7］；然而，與相對成熟的3D打印金屬及高分子材料技術相比，3D打印技術在牙科陶瓷修復體成型領域方面尚處于起步階段［8-9］。

2 光固化快速成型技術

2. 1   立體光刻技術（stereo lithography apparatus，SLA）   在20世紀80年代初期，SLA由國外學者查爾斯·赫爾（CharlesHull）提出［10］。SLA的成型過程如圖1所示，其利用特定波長與強度的紫外線激光束，依據計算機設計逐點地照射陶瓷漿料使其固化，由點到線，由線及面，完成一個層面的打印后，工作臺下降一層的高度，再重復上述過程，直至部件初步制作完成；然后將部件置于燒結爐中進行脫脂、燒結等處理，最終獲得實體零件［11-12］。

SLA是目前研究最為深入、最具有臨床應用潛能的一種3D打印技術，其發(fā)展較為成熟，原材料利用率高，整體成型過程穩(wěn)定，可以打印出具有細小特征的高性能陶瓷件，燒結后可得到高致密度的陶瓷部件，理論密度可達99%［12］。Jiang等［13］用SLA制作氧化鋯陶瓷試件，彎曲強度達到了539.1 MPa，該強度能夠滿足大部分固定修復義齒的要求。Zhou等［14］研究表明，運用SLA制作的氧化鋯陶瓷試件的密度達到99.3%，彎曲強度為1154 MPa，成型精度為40 μm，可以滿足臨床需求。有部分學者運用Geomagic Qualify軟件和硅橡膠復制法對切削及SLA打印的氧化鋯全瓷冠精度及適合性進行比較，三維偏差分析及體視顯微鏡測量結果表明，SLA成型的氧化鋯全瓷冠的精度和適合性符合臨床要求［15-16］。

綜上所述，SLA打印的牙科陶瓷修復體具有表面質量佳、高密度、高精度及力學性能優(yōu)良等特點。然而，該技術成型陶瓷部件尚需支撐設計，且需要再燒結等后處理，制作成本較高。盡管SLA仍然存在一些待解決的問題，但就其目前的研究狀況而言，其制作的氧化鋯全瓷修復體有望應用于臨床并進行深入研究。

2. 2 數字光處理技術（digitallight procession，DLP）

DLP是由Nakamoto等［17］在1996年通過實體掩模提出的，是SLA的一個分支，兩者原理基本相同；不同的是DLP運用數字顯微鏡元件裝置，使用面光源［18-19］。見圖2。

DLP可用于制造具備高分辨率及復雜形狀的陶瓷零件。Osman等［20］用DLP制作個性化氧化鋯全瓷種植體，使用掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀和共聚焦顯微鏡分析陶瓷表面形貌、晶相結構和表面粗糙度，發(fā)現其表面存在0.196~ 3.3 μm的裂紋和氣孔，晶相為典型的釔穩(wěn)定四方相氧化鋯（Y-TZP），打印精度均方根（RMS）值為0.1 mm，抗彎強度接近傳統(tǒng)生產的陶瓷。結果表明，運用DLP制作的氧化鋯種植體具有足夠的尺寸精度及力學性能；然而，其仍存在裂紋及氣孔等缺陷，尚需要進一步優(yōu)化打印工藝參數，改善打印部件的微觀結構。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單冠，其機械性能及美觀性能滿足口腔修復學的臨床需求，但陶瓷漿料的沉降穩(wěn)定性及數字光處理陶瓷制作工藝的簡化尚需要進一步研究。

近幾年，奧地利維也納LITHOZ公司將DLP商業(yè)化，并稱為LCM（lithography based ceramic manufacturing）［22］。Borlaf等［23］運用該公司CeraFab 7500型陶瓷3D打印機制備氧化鋯陶瓷試件，研究結果顯示其制備的陶瓷燒結件的相對密度可達到99.1%。Schweiger等［24］使用LCM制作了氧化鋯全瓷冠（圖3），并進行染色上釉；結果表明，與數控銑削相比，其制作的冠邊緣菲薄且咬合面窩溝點隙清晰，降低了微裂紋發(fā)生率。

總而言之，DLP具有成型速度快、打印精度高且力學性能良好等優(yōu)點，但仍然面臨分層、微裂紋等問題，陶瓷漿料的制備、成型工藝參數優(yōu)化及陶瓷生坯脫脂燒結后處理等需要進行深入研究，使用DLP制作氧化鋯全瓷修復體值得嘗試。

3 選擇性激光燒結/熔化技術

3. 1  選擇性激光燒結技術（selective laser sintering，SLS）   

SLS是在成型平面上均勻地平鋪一層一定厚度的陶瓷粉末材料，在計算機的控制下，按照截面輪廓，利用激光束熔化陶瓷粉末中的粘接劑，對粉末層進行燒結。當該層掃描完畢后，將平臺下移一層，重復上述步驟，最終制成陶瓷生坯［25-26］。見圖4。再通過去除粘接劑、殘余粉末、再次燒結等后處理，方可獲得最終陶瓷試件。

查閱國內外文獻可知，由于陶瓷材料熔點較高，SLS激光器功率較低，致使陶瓷粉末需要粘接劑輔助成型，并進行后處理獲得零件，加工步驟繁瑣［27］。部分國外學者通過改變陶瓷粉末組成、選擇性激光燒結參數、后處理等方法提高陶瓷試件密度，最終將SLS制作的陶瓷試件密度提高到92%［28-29］。Chen等［30］以3Y-TZP/MgO/環(huán)氧樹脂復合粉末為原材料，采用SLS制作陶瓷生胚，結合冷等靜壓技術致密，1500 ℃燒結，獲得抗彎強度為（279.5 ± 10.5）MPa且相對密度為（86.65 ± 0.20）%的陶瓷試件；同時，使用該技術制作了全瓷冠。Ferrage等［31］通過實驗確定一定的參數，實現了相對密度為96.5%、良好精度及機械強度的氧化鋯陶瓷試件的重復制造。

綜上，SLS具有無需支撐系統(tǒng)、成型速度快、原材料利用率高且可使用材料廣泛等優(yōu)點；然而，其最終的成品強度低且致密度欠佳，需要通過浸滲、等靜壓、高溫煅燒等后處理工藝提高其致密度及強度。目前，該技術后處理工藝尚處于研究發(fā)展階段，不夠成熟，嚴重影響該技術進一步的研究及應用。

3. 2 選擇性激光熔化技術（selectivelaser melting，SLM）   

SLM的工作原理與SLS相似，但其成型材料為不添加任何粘接劑的單一陶瓷粉體，采用Nd∶YAG激光束直接高溫燒熔陶瓷粉體實現陶瓷的固化成型，無需后續(xù)致密化處理［32］。見圖5。

SLM制作口腔全瓷修復體具有一定的潛能和優(yōu)勢：高功率CO2激光器產生的高能量密度致使陶瓷粉末實現液相燒結，速熔速凝的加工方式細化陶瓷晶粒，提高陶瓷零件力學性能。然而，世界范圍內關于SLM制作口腔全瓷修復體的研究尚存在眾多急需解決的問題。Hagedorn等［32］利用SLM制備了Al2O3/ZrO2三單位全瓷固定橋的基底支架，發(fā)現該試件內外表面存在大量的微裂紋且粘粉現象嚴重，力學性能測試結果差，遠低于采用數控切削制備的全瓷固定橋修復體。Jan等［33］利用SLM技術制備ZrO2/Al2O3全瓷固定橋，未經過燒結和后處理工藝，密度已經幾乎可達到100%、抗彎強度為500 MPa；但固定橋表面質量欠佳，粗糙度較大，精度較差。Liu等［34］研究了不同掃描速度、激光功率及預熱溫度對制備氧化鋯陶瓷樣品微觀結構、密度、收縮變形的影響，結果表明，Nd∶YAG激光器在10 mm范圍內高溫預熱至1500、2000、2500 ℃時，將陶瓷樣品的相對密度提高至84% ~ 91%。

SLM無需支撐結構且對原材料利用率高，但其成品表面粗糙、質量差、精度不佳，且存在粘粉及微裂紋等問題。分析可知，CO2激光束進行局部熱輸入將產生較高溫度梯度，致使局部應力較大，易產生微裂紋。目前尚未掌握該技術制作陶瓷的最佳預熱和燒結溫度，且成型工藝及后處理技術等方面仍存在諸多難以解決的問題，還沒有成為實際應用的方法［35］，該技術有待進一步突破。

4 直接噴墨打印技術

直接噴墨打印技術（direct Inkjet printing，DIP）是在計算機控制下，采用熱或壓電技術，將陶瓷粉末、粘接劑、分散劑、表面活性材料及其他輔助材料混合配置的“陶瓷墨水”，從噴嘴中間斷性地噴射到基板上，形成陶瓷零件生胚，再經過脫脂燒結等后處理最終成型陶瓷試件［36-37］。見圖6。

DIP因其液滴大小及沉積速率的可控性，可以制備高分辨率及高精度產品，最小的成型尺寸僅為幾十微米［38］。Ebert等［39］用DIP制作陶瓷試件和單冠，燒結后的試件相對致密度達96.9%，彎曲強度和斷裂韌性與冷等靜壓成型的氧化鋯相當，但可觀察到冠表面存在孔隙缺陷。Özkol等［40-41］采用DIP制作彎曲強度為763 MPa的陶瓷試件，并對DIP成型全瓷修復體的可能性進行研究分析，證實該技術的精確性可達到毫米級別，使用浸漬法可獲得相對密度為96%的陶瓷試件，抗彎強度可達到843 MPa；有限元分析研究證實，DIP全瓷固定橋在咬合狀態(tài)下的最大拉應力為340 MPa。2013年，Özkol［42］總結了氧化鋯基陶瓷漿料的配制方法，生產出相對密度為97%的氧化鋯全瓷冠修復體，然而并沒有對全瓷冠的精度及適合性行進一步研究。

綜上，DIP是制造氧化鋯全瓷修復體的一種有前景的技術，其制作的全瓷修復體致密度較高且力學性能尚可；但該技術仍存在許多未攻克的技術難點，包括陶瓷墨水配比參數不定、穩(wěn)定性不佳、噴嘴易發(fā)生堵塞等問題，尚需進一步完善。

5 小結與展望

3D打印技術所體現的增材制造理念與傳統(tǒng)方式完全不同，在復雜結構成型、一體化制造、降低成本和縮短工藝周期方面有著獨特的優(yōu)勢。目前，基于口腔全瓷修復體制作的SLA，展現出巨大的臨床應用潛力，運用該技術制作口腔全瓷修復體的研究處于體外試驗階段，尚未有臨床試驗的報道。雖然已有學者用國外設備和材料進行了立體光固化成型氧化鋯全瓷修復體的可行性研究，并對其成型精度與適合性進行分析，但以臨床應用為方向的工藝探索仍存在許多問題亟需解決。這些問題包括：改進光固化快速成型算法及文件格式；優(yōu)化工藝參數，避免熱效應引起的變形，進一步提高打印速度與打印精度；解決支撐設計問題，避免去除時損傷零件；優(yōu)化脫脂燒結工藝，解決致密度不足、尺寸偏差等問題；縮短后處理時間。隨著3D打印陶瓷制作工藝的發(fā)展及突破，基礎及臨床應用研究的深入，3D打印全瓷修復體有望實現臨床標準化應用，改變傳統(tǒng)的全瓷修復體制作模式。