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2020年10月28日至10月31日，第二十四届中国国际口腔器具展览会暨学术研讨会(上海口腔展DenTech China)将在上海世博展览馆举办。预登记现已开启，点击进入！
牙科行业的3D打印近年来始终是热点专题，2020年上海口腔展上亦将有众多厂商推出该行业的制品。6月份博主精选了《世界牙科技术》的3D打印机及打印材料的文案，颇受好评，这期咱们精选这篇文案的第二部分，期盼您对3D打印在牙科中的最新应用有进一步的认识。
”作者:
Irfan Ahmad 博士 (英国)Fahad Ahmed Al-Harbi 教授 (英国)
本文原载于《世界牙科技术》2020年第8期《CAD/CAM专刊》第13-18页。
如今，海量的打印技术和材料被用于修复体制作。针对牙医和技工室而言，重点的问题在于判断是不是值得购买以及哪种设备能够满足自己的需要。本文介绍了各样打印技术以及它们的配套材料，并讨论了它们在临床上和技工室运用时的优缺点。本文分为两部分内容刊登：第1部分介绍用于牙科的3D打印技术（专家论坛 | 3D打印机及打印材料（I）），本文为第二部分，介绍3D打印机特性，关联的3D打印材料，以及所有技术和材料应用的优缺点。
关键词：增材制造，3D 打印，打印材料
打印机的特性下面讨论在决定购买某特定3D打印机类型时应该思虑的有些原因。按照再现精度（分辨率和粗糙度）、CAD和几何形状、打印空间体积、支撑结构、打印速度、易用性、后处理和成本等几个重点方面，来评定和比较各样增材制造技术。
再现精度（分辨率和粗糙度）
3D打印要重视的一个重点问题是，CAD软件设计对象实现时的精度或分辨率。分辨率和精度会受到初始扫描（口内/口外扫描或数字体层扫描数据）、CAD设计（几何繁杂度）、用于生成G代码的STL数据切片（分层处理）和3D打印机原始分辨率的影响。简而言之，打印机的分辨率指的是层厚度，它以DPI（每英寸点数）标定。250dpi的标准分辨率对应于100μm的精度，而1600dpi的打印机可得到16μm的精度。当然，在3D打印中，必须思虑三个维度，即由x和y轴定义的二维平面，它与z轴一起形成一个三维对象。因此呢，除了z轴分辨率以外，打印分辨率还由x/y轴分辨率定义。大都数制造商一般供给给定的z轴或垂直分辨率（以µm为单位），由于它暗示层的厚度并且易于确定。因此呢，层厚度和垂直分辨率是能够互换的术语，并且表达的是同一个意思。x/y轴或水平分辨率一样重要。它必须在光学或扫描电子显微镜下确定，且一般在打印机规格中未指定（图11）。水平分辨率类似于2D激光打印机。激光3D打印机的水平分辨率受激光点直径的限制（在SLA打印机约为140μm）。另外，分辨率还取决于打印材料的特性（粉末颗粒的体积，倘若运用BJ技术则取决于粘结剂）和物体的几何形状。在某些状况下，较低的垂直分辨率（较厚的层厚度）能够加强打印质量。例如，当打印对象的垂直边缘和对角线边缘比较锋利时，就不需要精细的垂直分辨率，况且这会减慢打印过程。相比之下，拥有许多曲线、精细细节和倒凹的较小打印对象（少于200层）则需要更高的垂直分辨率，尽管打印时间更长。图11：一台3D打印机的分辨率，能够区分为沿x和y轴的水平分辨率（蓝色平面）和沿z轴的垂直分辨率（ 红色箭头），后者与层厚度相同。
因为给出的值一般与垂直分辨率相关，因此呢以下说到的分辨率亦指的是z轴分辨率。最流行的3D打印技术是SLA，它采用多光子光刻技术，能够达到小于1μm的分辨率，展示极其精细的细节。SLA的分辨率取决于激光光斑直径和光敏材料的光谱吸收。而在DLP技术中，分辨率则取决于投影图像的像素大小。SLS技术的分辨率受粉末粒度的影响：粉末越细，分辨率越高，表面越光滑。运用SLS能够打印分辨率为1至150μm的物体，然则其表面看起来要比SLA物体粗糙有些。FDM技术可供给100至400μm的较低分辨率，但价格非常便宜。因此呢，从财务方向来看，它适合于制功效于演示和宣传的一次性样品等。
物体表示的光滑程度取决于其表面的粗糙度（Ra）。Ra值少于1μm时，表面会显出光滑。细菌粘附的极限值是Ra 0.2μm，而青年恒牙的牙釉质Ra值则在0.3到0.5μm范围内。材料喷射打印技术[ MJ，亦叫作为PolyJet Printing（PJ），或Multi-Jet Modeling（MJM）] 可实现最小的Ra值或最佳的纹理，其粗糙度范围为0.47μm或更小。光滑表面需要略低的分辨率，通常在20至100μm范围内，尽管SLA的分辨率最高达到1μm以下，但质地略显粗糙。BJ技术的分辨率约为170μm，但这取决于打印材料的粉末粒度和粘合（粘结剂）材料。一个BJ打印件初看会比较粗糙，但经过后期处理后可大大降低粗糙度。当然，用于工业用途的所有3D打印机类型都比台式机拥有更高的分辨率。表1比较了区别打印工艺的分辨率和粗糙度。
表1：区别3D打印技术的分辨率和粗糙度。
CAD和几何形状
CAD软件中的设计必须思虑到所采用的打印技术。区别的3D打印过程在可复制的几何繁杂性方面会受到某些限制。因此呢，在设计过程中，必须按照打印机的功能来设计打印对象，以保证能够实现目的。另外，还要将特定的CAD数据转换为适合打印的3D文件格式及随后的G-Code-Slice设计细节，此过程中亦许会导致关联数据的丢失或改变，而影响打印物体的真实再现。一个STL文件基本上是以（众多）三角形来定义一个3D物体，非常适合SLA或DLP之类的技术，并能够再现精细的构造细节。然则，STL数据并不是精确切片的良好起点，并且经常会在三角形的交点处产生“洞”，从而影响重现精度（reproduced accuracy）。为认识决这一问题，3D Systems在1994年引入了单层单元（Single-Level-Cell，SLC）格式，该格式“修复”了在三角形之间进行切片时显现的空白区域。尽管存在以上缺点，STL格式本身比SLC更为精确，即使能够运用SLC格式打印结构，亦必须将SLC数据转回STL以实现高分辨率和精细表面细节的再现。此过程由专用软件执行，该软件将SLC格式转换为STL文件，而后分层切片以进行打印。打印空间体积打印空间体积对应于打印对象的最大理学体积。打印空间的体积亦会影响上文说到过的水平分辨率。区别的打印机其打印空间体积各不相同，然则大都数台式设备的空间均准许一次打印多个模型。
支撑结构在需要支撑结构的打印技术（例如SLA或DLP）中，打印对象的体积精度受支撑厚度和物体在打印空间内方位的影响（图12和13）。这针对间接修复体，例如冠和桥尤其重要。针对这些打印对象，结果表示，在SLA技术中以120°方向的理想定位和较薄的支撑，或在DLP打印中以135°的理想取向能够达到最大的适合精度。图12：SLA打印对象需要一个支撑结构，该结构在打印后被分离并清除。
图13：类似于SLA技术，DLP的打印物体亦需要一个支撑结构。
打印速度打印速度取决于打印技术和参数，例如分辨率、打印对象的体积和在打印空间内的物体方位及材料。例如，在打印空间内更水平的定向或与支撑结构的接触面较小，会加强打印速度并改善表面状况。因为依赖于多个变量，因此呢很难确定哪个3D打印技术最快，并且给出的速度一般会产生误导。倘若需求高分辨率、大表面面积和低粗糙度、精细的细节或繁杂的几何形状等，都会增多打印时间。另一，许多材料亦需要额外的时间进行准备过程，例如加热或分配，这会增多全部过程所需的时间。另外，每一个打印对象的运行时间还应包含处理G代码的时间和后续处理的时间。基本上，针对打印速度的时间分为（短于）半天、全天和24小时周期。
易用性3D打印机的操作并不比激光或喷墨打印机繁杂。3D打印的过程一般包含在打印机软件中打开和切片3D数据，选取材料及颜色并指定层厚度。而后如有必要，由软件生成一个支撑结构，其定位和横截面调节到所需值。参数设置大约需要非常钟，一旦起始打印，其余过程将是全自动的。打印机表示屏表示所选参数、所需打印时间以及直到完作为止的剩余时间（图14）。
图14：打印机屏幕表示打印所需时间和选取的打印参数:3小时30分钟471层/0.05mm灰色V2/43mL
关联阅读 后处理后处理取决于所运用的技术，并且应按照制造商的说明针对相应的打印过程进行后处理（图15）。此刻，许多基于SLA技术的新型打印机都集成为了用于后聚合的UV光固化箱。例如，当在SLA技术中运用混合复合树脂（hybrid composite）时，要将打印对象用乙醇清洗1分钟，而后UV光固化30分钟（图16） ；而针对DLP打印件，为完成此过程，可运用打磨机分离支撑结构，用压缩空气去除未聚合的残留材料，之后进行UV（365nm波长）聚合。
图15：分离前的SLA打印模型。
图16：SLA打印对象的后处理包含：与支撑结构分离，用酒精清洁和UV光固化（可看到在上唇和下唇的背面，有两个或三个细小的凸柱结构，对比图12）。
倘若运用的3D打印技术需要支撑结构，则应在保证稳定性的同期让支撑结构尽可能薄，以利于分离。MJ工艺运用凝胶状的水溶性支撑结构，该结构能够被清洗掉，因此呢打印出来的物体无需做进一步的处理。然则，针对几何形状繁杂的打印对象，去掉支撑结构和后处理，需要海量的时间，乃至可能需要几天时间。SLS工艺的缺点是，需要进行海量的后处理才可从打印对象上去除未烧结的粉末。为了消除残留的粉末，SLA和SLS都要进行非常多的后续操作，相比之下，FDM则需要最少的后处理。不外正如前面说到的，FDM分辨率较低，并且运用便宜的FDM设备打印，完成的打印件在层间的表面上会表示出体素线。这些伪影能够经过化学、加热或打磨和上釉部分地消除，再或运用价格昂贵的打印机和热塑性材料亦能够消除。表2比较了各样3D打印技术的后处理状况。
表2：区别3D打印技术的后处理操作。
花费3D打印机的价格一般取决于分辨率、技术、打印空间的体积和打印速度，种类包含从100美元的台式打印机到价格为500,000美元乃至更高的工业设备（表3）。其他要思虑的原因还包含耗材和打印材料的成本、设备的用户友好性和加工质量以及培训课程、支持和守护等等。
表3：区别3D打印机的价格等级。
3D打印材料决策的最后一点是，特定打印机配套运用的一种或多种材料。随着3D打印在牙科行业应用的连续增多，需要持续地引入新的“数字材料”以满足相应需要。咱们能够从数千种拥有区别机械、理学和美学特性的材料中进行选取。针对特定应用的材料选取基于三个重点标准：第1，打印技术；第二，材料特性（准确性、负重能力、刚性、弹性、耐化学性和热循环疲劳性、断裂强度、颜色、透明度、遮色性、美观性） ；第三，打印对象的生物相容性和是不是能够灭菌。某些3D打印技术仅限于运用特定的材料类别。例如，SLA需要光固化树脂，而SLM仅适用于金属。另一，有些专利的品牌材料的材料化学性质，始终被视为工业奥密而被守护起来。这就造成为了，很难在区别材料类别之间进行比较。增材制造的材料大致可分为聚合物材料或热塑性塑料、金属、纸（木材）和陶瓷（图17）。
图17：用于口腔行业的区别打印技术的配套材料类别。
聚合物材料拥有各样机械、理学和光学特性，并且有多种颜色选取。针对口腔医学而言，最重要的方面是生物相容性（一种模糊的概念），它指的是一种材料在人体中的适用性。大都数应用于SLA技术中的材料都有潜在毒性，含有刺激成份并且不具备生物相容性。其他问题是原材料的耐用性较差，打印物体可灭菌性不足且材料价格高。日前正在研发新型光敏聚合物材料，以处理医学和口腔医学应用中的这些问题。生物相容性方面，由于要思虑与身体表面接触的连续时间、对机体表面的损伤以及材料与组织内部或种植体的相互功效等问题而变得繁杂。为了标准化，美国药典（United States Pharmacopeia，USP）按照严格的身体科研将聚合物材料分为六类，这些科研包含种植时的急性全身、皮内和毒性测试。尽管USP归类不可替代生物相容性测试，但许多制造商仍运用USP归类对医疗用3D打印材料进行归类。例如，VI级合成材料拥有较低的毒性，并且可能适合种植。除了USP归类外，ISO标准10993为医疗器械供给了进一步的生物学评定。能够打印出拥有生物相容性物体的最佳打印技术可能是FDM，它运用相对便宜的生物相容性材料，如丙烯腈-丁二烯- 苯乙烯共聚物（ABS）、聚乳酸（PLA）、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），聚乙二醇（PEG）、聚酰胺、聚醚醚酮（PEEK）、聚苯乙烯和WaterShed XC 11122（生物相容性标准：ISO 10993-5-体外细胞毒性，ISO 10993-10-刺激性和皮肤致敏性以及USP VI 级）。3D Systems（NextDent）、EnvisionTEC和Stratasys等制造商的MJ (PolyJet, MJM) 技术，供给拥有区别理学和机械性能的各样彩色材料。然则，针对医学和口腔医学方面的应用，其中有些材料仍需要就生物功能和生物相容性做更准确的科研。
针对材料要思虑的另一点是打印对象的可消毒性，尤其是用于手术的物体。最平常的灭菌办法是高温高压灭菌、环氧乙烷（EtO）熏蒸消毒、过氧化氢等离子体灭菌和γ射线照射。能够运用FDM打印的适合无菌应用的工业热塑性塑料包含ULTEM 10十、ULTEM 9085、PC-ISO、尼龙PA、ABSM30i、PPSF/PPSU、PEEK和MED610。然则，能够经受住以上所有灭菌办法的材料仅有PC-ISO、PPSF 和ULTEM 9085。灭菌之前，必定要阅读制造商关于包装、体积变化和表面损害的说明，由于灭菌过程可能会影响手术的精度以及材料性能或适合性。耐热材料，如Freeprintmodel T型 （Detax，德国）不仅能够承受高温高压灭菌器的温度，还适合制作模型用于热塑压膜成型临时修复体、正畸矫治器、板、用于美学冠延长术的导板和美白用的牙套（图18）。
图18：由耐热塑料3D打印的上颌模型（Freeprintmodel T型），适用于热压膜成型
