3D打印（three-dimensional printing），又名增材制造（additive manufacturing）、快速成型（rapid prototyping）、分層制造（layered manufacturing）或實體自由成型（solid freeform fabrication）。其應用的首要條件是三維模型的獲取，可通過口內3D掃描、模型掃描或直接建模而來；對于取模不便者，口內直接掃描獲取三維模型具有優勢。三維模型獲取及進一步優化后，需設置模型擺放位置、方向，增加支撐結構，并設置打印速度、切片分層高度等信息。開始打印后，3D打印機根據切片信息逐層堆積材料制造原型。整個過程的參數設置均會對最終的打印精度產生一定影響。
3D打印屬于CAD/CAM過程中的CAM部分，較減材制作或傳統鑄造等方法，其節約勞動力，經濟效應高；定制化，可以制造任意形狀；沒有中間模型轉換過程，減少誤差來源，也節約模型材料；能一次加工多個部件，節省時間；只用到目標物件所需材料，不浪費多余材料。3D打印在口腔修復中的應用范圍廣，可直接打印修復體，也可打印制作流程的一部分物件如工作模型，蠟型等。本文主要針對修復體的直接打印進行綜述。
一、原理
3D打印發展歷史悠久，從1986年Charles Hull首次提出3D打印的概念至今，不同原理的3D打印接踵而至，鑒于在牙科領域的實踐，筆者將其分為三大類。
1. 基于光固化成型工藝
即光敏固化的液體聚合物在特定范圍內紫外線的照射下逐層固化成型。該工藝由液態原材料固化而來，且光源直徑小，位置準，因而成型后精確度高，能還原細小的表面特征。除此之外，該工藝的特點還有：可以制造透明物件；設備價格高昂；原材料昂貴、局限于光固化材料；需要后期進一步紫外光照射固化。
在口腔修復體中的直接應用主要為暫時修復體的制作。光固化成型工藝可進一步分為
①光固化成型（stereo lithography apparatus，SL/SLA）：成型時，紫外光的照射單位為點，移動形成線，線形成面以完成層狀固化。
②數字光處理（digital light processing，DLP）：成型時，光源經密集排列成面的微反射鏡反射到材料上，直接引起整層材料聚合固化。每一個微反射鏡的方向都可自由移動以控制反射光的路線和方向，從而使得整層的材料可以同時接受光照，較SLA更快。
除此之外，還可以通過在非光固化材料（如陶瓷）中添加光固化粘接劑以達到光照成型的目的。其打印完成后需要去除粘接劑，這將增加物體的孔隙率，降低機械性能。另外，對于氧化鋯陶瓷來說，若出現光固化介質固化不完全則需要額外的熱聚合過程，這將導致氧化鋯的低溫退化效應更加明顯。
2. 基于激光成型工藝
其本質是特定范圍的激光燒結或融化粉末狀的材料顆粒，逐層固化，層與層之間互相粘結成型，需要惰性氣體屏蔽。該工藝相對其他工藝能達到較高的致密度；較昂貴；存在遇熱變形的傾向；加工精度低，需要進一步修整拋光，后續加工復雜。金屬支架、金屬基底冠、種植體等主要由該工藝制作。
激光成型工藝可進一步分為：
①選擇性激光燒結（selected laser sintering，SLS）：加熱后，目標材料直接形成顆粒間粘接或由額外添加的低熔點粘接劑（如高分子聚合物、低熔點金屬）實現高熔點目標材料的粘接，力學性能較差。未固化的粉末可以起支柱作用因而無需額外添加支柱。適用于陶瓷，金屬，高分子聚合物，蠟。
②選擇性激光熔化（selected laser melting，SLM）：加熱后，粉末完全熔化，分層成型。因其要求達到粉末的完全熔融，故需要較高的激光密度，同時不需要間接粘接劑，致密度可近100%。應用時需要足夠的支撐結構利于成型及傳熱，支撐結構的不足夠將導致倒凹結構的崩塌或產生熱集中導致的卷曲變形。整個過程溫度變化大，速度快，產生應力大，應用于陶瓷時，易造成裂隙。主要適用于金屬。在制造斜度/曲度大的部分時容易產生較大誤差。
③直接金屬激光燒結（direct metal laser melting，DMLS）：是SLS的一種，SLS主要用于非金屬，DMLS主要用于金屬。雖從說法上是燒結，但實際上多數時候，金屬粉末已經完全熔化，類似于SLM。其與SLM的不同在于DMLS技術使用材料都為不同金屬組成的混合物，各成分在燒結（熔化）過程中相互補償，有利于保證制作精度，不需要昂貴復雜的后處理工藝。而SLM技術使用材料主要為單一組分的粉末。
④電子束熔化（electron beam melting，EBM）：與SLM相似，故筆者將其歸于激光成型類別。其用高能電子束替代激光束熔融金屬粉末，功率更高，局部熱應力更小因而需要更少支柱結構導熱；昂貴；可達到很高的致密度，但制件表面粗糙度大，因而適用于加工種植體。
3. 基于直接沉積工藝
直接沉積（direct deposition）技術又叫噴墨（jetting）技術，其本質是噴頭依據分層信息，依照各層形態，形成路線，途中噴出材料，直接冷卻（FDM、MJ）或者在粘接劑的作用下與前一層材料粘接（BJ）或接受光照（PPJ）而固化成型。可加工蠟，線狀高聚物，樹脂，陶瓷等。直接沉積工藝可進一步分為①熔融沉積制造（fused deposition modeling，FDM）：其特點為可同時制造多個部件；若有第2個噴頭，支撐材料可采用與目標物件不同的材料，通過第2個噴頭噴出；表面精準度低，有階梯樣堆疊的結構。②材料噴墨（material jetting，MJ），又叫DOD（drop on demand），thermojet，inkjetprinting：其只能加工蠟或蠟樣物質；支撐材料往往是不同于目標材料的其他材料；可以達到良好的精確度和表面精度。③BJ（binder jetting），又叫3D打印（3D printing）：其可應用于幾乎任何可以被加工成粉末的材料；簡單、經濟；未固化的粉末可提供支柱作用，無需額外支柱結構；機械性能差。④光敏聚合物噴墨成型（photopolymer jetting，PPJ），又叫polyjetting：該技術也可歸屬于光固化成型工藝，其可以制造出平整精細的表面精度；可制造多種材料多色的物件及具有功能梯度的物件（如不同部位硬度不同）。另外，除了單純利用3D打印制作以外，尚有混合3D打印與傳統加工流程的方式。如混合SLM系統與研磨系統以達到良好的加工精度。
二、應用
3D打印在直接制作口腔修復體中的應用較為廣泛，目前主要有光固化樹脂制作暫時修復體、金屬制作金屬支架或金屬基底冠和種植體、陶瓷制作冠修復體。
1. 光固化樹脂
3D打印樹脂材料大都是生物不相容的，不能通過ISO10993-1醫療器械生物學評估，且在細胞毒性，長期穩定性和功能性上都尚且不清楚，因而局限于暫時修復體的應用。Gan等測試了PPJ制作的活動義齒樹脂暫時支架，顯示出良好的準確性，并發現口內直接掃描不如口外掃描石膏模型精確。Lee等3D打印制造的樹脂暫冠在基牙密合性上優于切削制作，尤其是在曲度較大的部分優勢更加明顯，可能與曲度大切削不便有關。Mai等利用PPJ原理制作的樹脂暫冠適合性高于切削制作，尤其在咬合面，這與如前所述PPJ成型精度高有關。由此可見，光固化成型應用于口腔暫時修復體的制作，操作方便，精度高。
2. 金屬
金屬材料目前臨床的應用主要集中在金屬基底冠和可摘局部義齒的金屬支架，多由義齒加工制作生產企業制造，且多采用進口設備。另外，種植體的制作也越來越多。其中，鈷鉻合金（生物相容性好和價格低）及鈦合金或純鈦是應用的熱點。
1）金屬底冠
SLS/SLM技術制作的鈷鉻合金底冠是最常見的應用，后續常規陶瓷燒結形成完整的金瓷修復體。對于3D打印金屬底冠的評價，從金瓷結合、底冠強度、底冠與基牙的密合性進行。金瓷結合：相關體外研究表明，SLS/SLM制造的鈷鉻合金底冠金瓷結合強度與傳統制造無統計學差異，均符合ISO9693標準；也有研究表明激光成型制造的底冠結合強度更大，這可能是因為：①激光成型的底冠結構更精細，帶來結合面各處結合的一致性，②分層加工過程中每層金屬間的微小縫隙和金屬的球化現象造成金瓷界面表面積增大；另外有研究表明：激光燒結的金屬與陶瓷分離模式更接近內聚破壞（cohesive failure）而不是粘接破壞（adhesive failure），也顯示出金瓷結合的更佳。但也有研究顯示破壞模式沒有統計學差異。
SLS/SLM制作的金屬底冠與陶瓷之間的金瓷結合是否高于傳統制造尚且沒有十分確切的答案，但值得肯定的是，其金瓷結合能力不亞于傳統制造底冠。底冠強度：相關體外研究表明，激光成型制造的鈷鉻合金/鎳鉻合金底冠強度高于傳統鑄造，這與快速冷卻、結構致密無缺陷有關。但也有研究者指出，SLS制造底冠的層間縫隙和金屬的球化現象會導致底冠斷裂強度明顯降低，但仍符合臨床應用。Tulga等的研究表明退火會影響金瓷結合，且在不同制造原理有不同效應。金屬底冠與基牙的密合性：金屬底冠與基牙的密合性尤其是邊緣密合性是衡量固定修復成功的重要指標，約10%的修復失敗由邊緣適合性不佳導致；除此，密合性不好也可能引發繼發齲、牙周病、牙髓炎、牙髓壞死等。通常底冠與基牙的距離低于120μm被認為臨床可接受。
Kim等的體外實驗發現SLS制造的鈷鉻合金底冠的基臺密合性較減材制作低，但高于傳統鑄造，臨床可接受。另外的研究也得出相似結論。而Ucar等的研究卻發現SLS制造的鈷鉻合金密合性低于傳統鑄造。進一步的研究還發現，對于牙的不同面，咬合面的密合性較差，軸面和邊緣密合性較好。Dikova等還報道3D打印的蠟型失蠟鑄造的密合性高于直接SLM制造的鈷鉻合金底冠，這可能是由于前者有兩次體積收縮而后者只有一次體積收縮。研究結論的不同與密合性測試方法、基臺形狀、原理的不同都有關系，因而可以認為，恰當的原理、計算機輔助設計、參數設定能夠達到良好的基牙密合性。
2）可摘局部義齒金屬支架
可摘局部義齒制作的3D打印發展較固定修復慢，主要是因為結構的復雜多變和精巧及CAD軟件的開發困難。目前臨床的應用主要集中在用SLM制造的金屬支架。Williams等2006年首次報道了SLM制造的鈷鉻合金支架臨床案例，在準確性，合適度及功能上與傳統加工方式媲美，但費用較高、時間較長，有望隨著技術的進步而改進。葉頁等采用SLM技術制作的鈦合金基托形態、適合性、微觀結構均可滿足臨床要求，且微觀結構比傳統加工方式更具優勢；同時，還指出EBM技術成型的基托適合性、微觀結構方面均有欠缺，無法臨床應用。
Wu等的體內實驗中，SLM制造的鈦合金支架顯示出較好的臨床效果。Bibb等的研究表明SLM制作的鈷鉻合金支架的合適性從臨床的角度來說是可嘉的，且卡環在使用過程中也不會產生變形。另外的研究則顯示出不同的結論：Ye等的體內實驗中，SLM技術制造的鈷鉻合金金屬支架適合性較傳統制作較差，但符合臨床應用要求。Nakata等采用結合研磨系統的SLS系統制作鈷鉻合金卡環，較傳統鑄造卡環，其表面更為光滑，固位作用無差異，且隨時間推移固位作用下降更慢，但其對基牙的適合性較差，可能由于角度太大研磨不到位所致，但也在臨床接受范圍內。
而Arnold等的研究發現3D打印RPD的基牙合適性低于傳統失蠟鑄造和切削制造，并且不在臨床可接受范圍內。這可能由于切削制造的表面精度更佳、3D打印支撐結構拆除會降低表面精確度、以及材料的本身尺寸穩定性的原因。對于局部可摘義齒，其卡環的精細制作還有待提高。
3）全口修復
Kanazawa等利用SLM技術制造了全口義齒的鈦合金支架，相比于傳統制造顯示出更高的硬度和致密度（與快速冷卻和晶相組成相關）。Wu等利用激光快速成型制造出純鈦基托板，顯示出良好的適合性。鈦合金具有輕巧、舒適、生物相容性好、高強度的優點，尤其適用于對普通金屬過敏的患者，但由于高熔點和氣孔率，其在傳統鑄造上有較大的困難，3D打印工藝的出現有望解決這一問題。
4）種植體
種植體表面的孔隙有利于刺激新骨形成。3D打印過程中，通過調整材料粉末的大小，層厚，媒介氣體，激光的直徑等參數，可以調整每層的孔隙率因而能對整個種植體的孔隙率進行控制，包括大小、分布，制造完成后無需進一步加工。Mangano等的研究表明，DMLS制作的種植體擁有致密的網狀結構及高的孔隙率，有利于纖維網的形成、細胞的聚集、成骨細胞的分化；另外的體外實驗研究也表明，3D打印制造的鈦種植體的表面孔洞形態有利于種植體獲得纖維蛋白，招募骨母細胞；Witek等的動物研究表明SLS制造的鈦種植體能在早期提供更大的表面積以供血凝塊附著，其一周種植體的脫落扭矩及種植體骨結合率大于常規制作酸蝕/噴砂處理的種植體；Qian等利用3D打印技術及后續的燒結制造出鈦和羥磷灰石復合體及功能梯度的種植體，能促進成骨及加速愈合；Mangano等的5年回顧性臨床研究表明，DMLS制造的鈦種植體表面的孔隙結構有利于良好的骨整合；Tunchel等的3年回顧性研究表明制作的鈦合金種植體有很高的臨床成功率。如此看出，3D打印制作的種植體在骨結合及機械性能方面都具有很高的臨床應用價值。
3. 陶瓷
高分子聚合物和金屬的3D打印已經相對成熟，相反，陶瓷材料的3D打印一直是研究的難點，其應用尚處于起步期。陶瓷材料高熔點、高硬度、高脆性，不易加工，故目前3D打印多對陶瓷素胚成型而后需要進一步燒結。SLA，SLS，SLM，3DP，直接噴墨打印等可應用于陶瓷材料的制造。前四者的成品均有孔隙率高的問題，后者能達到較高的致密度。
3D打印制造陶瓷存在諸多難點：陶瓷墨水流體性能的控制；打印過程中噴頭堵塞問題的預防與解決；多聚粘接體或高的剪切場帶來的殘余應力將導致材料在不同方向上的收縮；臺階樣粗糙的表面將降低制造的準確性，并由于該表面形狀產生的應力集中將導致整體的強度的下降；孔隙率高，致密度不夠。3D打印過程中陶瓷粉漿的組成、流體性質、擠出參數和噴嘴高度的適當調整對于形狀和力學性能保證有至關重要的作用。
粉漿的組成可包括光敏引發劑、聚合單體、稀釋劑的選擇（SLA原理）。合適的流體性質保證陶瓷粉漿的順利擠出和即刻固化；而流體性質的調節可以通過調節陶瓷粒度、干物質含量，pH值（不同pH值下黏度不同，且剪切稀釋作用的大小不同），有機無機物的比例。噴頭高度過低會導致粉漿超密堆積而向側方溢出，噴頭高度過高會造成層與層之間出現微小縫隙，均會影響精確度及力學性能。
陶瓷的后續燒結溫度和時間亦是重要的參數，足夠的溫度和時間有利于形成光滑的表面及高的內部致密度；溫度過高或時間過長則會導致陶瓷黏性降低，產生形變。燒結過程會造成一定的收縮，收縮率是均衡可重復的，有利于尺寸穩定性的保證；燒結過程可有望消除臺階樣的粗糙表面。
Dehurtevent等利用SLA技術制造氧化鋁底冠，結構致密，機械性能良好。并且指出粉漿中較陶瓷高粒度，較高干物質比例更為合適。Ebert等利用直接噴墨技術打印出氧化鋯陶瓷冠并后續燒結，微觀結構致密，力學強度堪比冷等靜壓成型的氧化釔增韌氧化鋯。其借助了特殊的超聲清潔和剝離設備防止堵頭；速干裝置加速粉漿固化保證精確度。Osman等利用DLP技術制造了氧化鋯種植體，打印過程借助光固化材料成型，打印完成后去除光固化材料再最終燒結成型，得到良好的打印精確度，力學性能堪比傳統制造的氧化鋯；但觀察到細微的內部裂紋，可能與光固化介質中溶劑的蒸發、陶瓷比例的不足有關。Tian等利用SLS制作飾面瓷，調節恰當的參數得到了致密的結構。陶瓷的直接3D打印有望實現，但仍然需要完善研究以形成完善的應用流程。
三、總結
3D打印技術在口腔修復體的直接制作中具有相當大的價值，其克服了諸多傳統鑄造和切削制造帶來的難題，但也存在較多應用的問題，3D打印層與層之間的連接如何達到層內部的連接效果、修復體如何達到適當的機械性能及精準度，以及如何達到更高的時間經濟效應、開發私人可操作的小型設備，實現陶瓷打印的臨床應用，都是接下來研究需要關注的問題。
廣州黑格科技集團Heygears Tech Group位于廣州開發區科技園區加速器，是一家以3D打印技術與應用為核心，具備國際領先的3D打印技術、設備、產品、服務的科技智造集團。
編輯： 陸美鳳
