[Аннотация] Технология быстрого прототипирования основана на компьютерном описании геометрии объекта, его структуры и состояния соединений, автоматически и быстро материализует проектные идеи в прототипы с определенной структурой и функцией или непосредственно изготавливает детали, что может сократить время преобразования от CAD модели к физической модели более чем на 80%, и играет важную роль в области стоматологии в помощи диагностики, планирования, моделирования операции и лечения. Он играет важную роль в диагностике, планировании, моделировании и лечении в области стоматологии. В данной статье представлен обзор последних исследований и разработок некоторых из наиболее зрелых методов быстрого прототипирования, используемых в различных областях стоматологии.
[В статье представлен обзор последних исследований и разработок в нескольких наиболее известных методах быстрого прототипирования, используемых в различных областях стоматологии.
Технология быстрого прототипирования производства (RPMT), также известная как быстрое прототипирование и производство точно в срок, зародилась в Японии в 1980-х годах [1] и вскоре распространилась в США и Западной Европе, что сделало ее главным прорывом в области производственных технологий за последние 20 лет. В 1990 году РПМТ начали использовать в медицине [2], а в стоматологии его стали применять примерно в 1992 году, когда Клейн и другие [3] отметили, что быстрые и точные характеристики РПМТ будут очень полезны в медицине, включая стоматологию, после сравнения с традиционной технологией токарной обработки.
1. разработка РПМТ [4, 5]
RPMT был разработан с использованием технологии CAD/CAM, технологии ЧПУ, технологии лазерной обработки, технологии материалов, и тесно связан с машиностроением, технологией контроля, электроникой и информационными технологиями, и может быть объединен со специальными методами обработки, такими как гальванопластика, дуговое напыление, плазменное напыление, плазменное формование расплава, заливка, точное литье и EDM. В 1980-х годах американская 3D System была единственной компанией, производящей оборудование для быстрого прототипирования, а к концу 96-го года в мире было установлено более 1400 комплектов, при этом прямой экономический доход от РПМТ в 1998 году составил 1 миллиард долларов США [6]. В Китае первая статья на эту тему была опубликована в 93 году [7], а в 94 году была создана Группа быстрого прототипирования, возглавляемая Университетом Цинхуа. По мере интенсификации исследований в области РПМТ быстро развивалось его применение в различных областях. В настоящее время самая высокая точность может составлять 0,001 мм, толщина слоя ±0,005 мм, а максимальный размер формируемых деталей может составлять 800 мм×1600 мм×500 мм (например, SSM-1600 университета Цинхуа) со скоростью от нескольких часов до десятков часов на деталь при использовании специализированного формовочного оборудования.
2 . Классификация РПМТ и соответствующие характеристики[4-7]
С постоянным совершенствованием этой технологии ученые изготовили множество устройств РПМТ с различными принципами и структурами, что привело к увеличению точности и скорости, и, соответственно, глубина и широта применения РПМТ в медицинской сфере также увеличилась. РПМТ обычно классифицируется по принципам производственного процесса, и ниже представлены несколько наиболее зрелых технологий, которые были применены в стоматологической сфере.
(1) Аппарат для стереолитографии (SLA) также известен как фоточувствительное отверждение жидкой фазы, стереолитография, стереоскопическое моделирование и так далее. Эта технология является наиболее зрелой, наиболее применяемой. Метод SLA позволяет изготавливать тонкие прототипы с хорошим качеством поверхности и непосредственно производить пластиковые детали. Детали в основном прозрачные. Также можно
SLA также может использоваться для микрофабрикования, и Технологический институт Кюсю в Японии изготовил модели размером около 50 мкм. Недостатки заключаются в том, что SLA подходит только для моделей in vitro, на которых сложнее получить микроструктуры с биологической активностью; при формовании происходят изменения объема, что затрудняет контроль; оборудование SLA дороже, а стоимость светочувствительной смолы выше. В последние годы некоторые виды отечественного оборудования, такие как SLA-машины серии LPS и CPS Сианьского университета Цзяотун и разработка соответствующей фоточувствительной смолы, привели к значительному снижению стоимости деталей.
(2) Производство ламинированных объектов (Laminated Object Manufacturing, LOM). Этот метод позволяет изготавливать большие прототипы, при этом оборудование и формовочные материалы стоят недорого, внутренние напряжения и искажения в формованной модели отсутствуют, точность высокая, прочность и жесткость высокая, а сроки изготовления короткие. По сравнению с SLA, он больше подходит для производства сложных поверхностей свободной формы, поскольку не требует поддержки. Недостатком является то, что атмосферостойкость и прочность склеивания материала тесно связаны с выбранной подложкой и типом клея; требуется время для разделения лома.
SSM из Университета Цинхуа и серия ZIPPY из Хуачжунского технологического университета являются лучшими моделями LOM. В настоящее время процесс LOM развивается в направлении диверсификации дополнительных материалов (таких как металлические листы, керамические материалы и т.д.).
(3) Выборочное лазерное спекание (SLS). Метод, как правило, не добавляет связующее и не требует последующей обработки, поэтому может формировать высокопрочную модель; не требует поддержки; точность модели высокая (размер частиц менее 0,1 мм до ± 0,01 мм), например, при использовании воскового порошка может быть непосредственно изготовлена восковая форма для точного литья. Ранний метод SLS был сложен для удаления порошка между порами и не подходил для изготовления ячеистых несущих каркасных структур, но развитие SLA теперь позволяет пользователю регулировать внутреннюю микроструктуру (поры и размер пор) спеченного продукта путем управления параметрами. В Китае существуют такие модели, как HRPS-Ι Технологического университета Хуачжун.
(4) Моделирование плавлением (Fused Deposition Modeling, FDM) также известно как метод укладки расплава, экструзия расплава в форму и т.д.. Метод не использует лазер, низкая стоимость, малый размер, быстрая скорость производства, отсутствие загрязнения окружающей среды. Недостатком является относительно низкая точность; также существует вариация объема; метод FDM подходит только для изготовления скаффолдов, в которые в процессе не добавляются активные вещества, такие как факторы роста, из-за необходимости нагрева. В Китае существуют такие модели, как MEM-250 Университета Цинхуа.
(5) трехмерное склеивание распылением (трехмерная печать и склеивание, TDP), также известное как трехмерная печать, метод керамической оболочки. TDP имеет широкий спектр применения, особенно для изготовления керамических форм; он имеет низкую стоимость и очень высокую скорость производства. Он наиболее подходит для создания негомогенных и пористых структур, достижения функционального градиентного формирования стопки материалов и обещает стать основным технологическим методом для приготовления биоинженерных скаффолдов (fine structure spray stack forming) [8]. Основная проблема заключается в том, что точность и шероховатость поверхности немного хуже, а некоторые материалы склонны к деформации и даже растрескиванию.
3. применение РПМТ в области стоматологии
В целом, существует три этапа: первичный этап: биологические твердые модели для диагностики и манипуляций; промежуточный этап (совместимые биологические модели): имплантаты для терапии и реабилитационной инженерии; продвинутый этап (продвинутые биологические модели): искусственные органы («настоящая» кость, которая может участвовать в метаболических процессах). В настоящее время основное внимание уделяется первым двум этапам.
(1) Применение в области ортопедической стоматологии
В других областях стоматологии РПМТ также бросает вызов традиционным процессам. Есть много примеров в области восстановительной стоматологии, когда RPMT использовался для создания трехмерных моделей коронки пациента, альвеолярной кости и т.д., на основе которых был разработан, изготовлен и подогнан протез. Wu et al [10] использовали метод RPMT для изготовления литых титановых коронок и оптимизировали дизайн литого канала с помощью коммерческого программного обеспечения до литья. Он считает, что эта техника имеет большой потенциал для замены традиционных этапов «снятие оттиска и восковой модели». Дж. Грау и др. из Массачусетского технологического института, США, использовали технологию TDP для подготовки глиноземной керамической формы для литья суспензий, чтобы заменить традиционную гипсовую форму, поскольку она обладает более высокой прочностью и может быть нагрета до нескольких сотен градусов для сокращения времени сушки [11]. В Китае Гао Бо и другие [12] использовали метод LOM для изготовления модели целого зуба с хорошим геометрическим подобием, что заложило основу для дальнейшего применения лазерного спекания металлических или керамических порошков для прямого изготовления протезов полости рта.
(2) Применение в области имплантологии полости рта
При изготовлении протезов на имплантатах такие методы визуализации, как КТ, очень помогают в тщательном хирургическом планировании, а применение РПМТ в полости рта делает эти цифровые изображения еще более полезными: Sarment et al [13] обнаружили, что когда хирургия имплантатов проводилась только на основе КТ-изображений, предоперационный план отличался в среднем на 1,5 мм в точке имплантации альвеолярного гребня и на 2,1 мм в вершине внутрикостного имплантата по сравнению с послеоперационным. Эти два значения были уменьшены до 0,9 мм и 1,0 мм, соответственно, когда операция проводилась под руководством модели SLA. Sader et al [14] использовали визуализированную сущность RPMT для прогнозирования контура челюстно-лицевого профиля после поднятия верхнечелюстной пазухи и установки имплантатов у 23 пациентов с тяжелой атрофией верхнечелюстной альвеолярной кости для руководства операцией, и все пациенты были удовлетворены результатами.
(3) Применение в области эндодонтии и ортодонтии
Kim et al [15] сообщили о пациенте, который лечился в эндодонтии с гипотиреозом в течение 1 года, у которого были обнаружены множественные боковые парапротезные инвазивные резорбции корней, место и область, где это произошло, были быстро выяснены после того, как ему изготовили набор зубов с помощью RPMT. Поддержание здоровых активных клеток в пародонте играет очень важную роль в успехе аутотрансплантации зубов, поэтому сокращение времени манипуляций in vitro имеет большое значение. Lee et al [16] использовали RPMT для создания модели донорского зуба, а затем взяли донорский зуб для трансплантации после соответствующего сравнения реципиентной области, что позволило сократить оперативное время и пересадить в общей сложности 22 зуба с хорошим пародонтом.
РПМТ также нашел применение в ортодонтии. Например, Wiechmann D et al [17] использовали RPMT для создания индивидуальных ортодонтических брекетов для пациентов, уменьшая размер брекетов для удобства пациента и снижая частоту случайной потери брекетов.
① Приложения в области челюстно-лицевой хирургии
SLA, LOM, SLS, FDM, TDP и другие технологии были использованы в этой области и сыграли важную роль в помощи при диагностике (переломы, анкилозы суставов и даже непроходимые зубы), планировании, моделировании операций и лечении. Например, Qiu Mingguo et al [18] использовали метод LOM для создания физической бумажной модели височной кости, которая может быть использована для предоперационного проектирования сложных нейрохирургических операций на ухе, а также для симуляции хирургических операций.
Для решения проблемы замещения твердыми тканями больших дефектов (например, 14,7 см × 12,0 см [19]) в костной ткани черепно-лицевой области, вызванных врожденными дефектами, травмой, декомпрессией после краниэктомии, инфекцией и другими факторами. Создание индивидуализированных псевдореплантатов с помощью LOM (например, Ono et al [20] использовали HA керамику для восстановления больших и сложных дефектов челюсти у девяти пациентов) или FDM (например, Eppley et al [20] провели реконструкцию черепа у тринадцати пациентов) может значительно сэкономить операционное время и облучение пациента, уменьшить интраоперационные и послеоперационные осложнения и сократить больничные дни пациентов. Были проведены статистические исследования [21]: применение RPMT увеличило процент правильной диагностики на 29,60%, операционную точность на 36,23% и операционное время на 17,63%, что позволило выполнять сложные ортопедические процедуры, которые могли быть выполнены только за одну операцию, через несколько операций.
РПМТ также недавно стал основной частью клеточного несущего скаффолда в тканевой инженерии, что, несомненно, является чрезвычайно важным аспектом тканевой инженерии. Шанц и другие [22] создали дефект диаметром 15 мм в черепе новозеландского белого кролика, а затем использовали деградирующий поликапролактон (PCL) в качестве сырья для «воспроизведения» дефекта с помощью устройства FDM. «Дефект был «воспроизведен» с определенной пористостью и использован в качестве скаффолда вместе с фибриновым клеем, который сокультивировали с остеобластами в течение 3 дней, а затем имплантировали in vivo. Через 3 месяца морфология хорошо восстановилась, при этом прочность кости составляла 60% от нормальной, а выход — 85-90% от нормального. Подобные эксперименты также проводились в Университете Цинхуа в Китае [23], где полимолочная кислота (PLA) с молекулярным весом, близким к 100 000, была соединена с HA, коллагеном и BMP для получения пористых цилиндров диаметром и высотой 5 мм по технологии TMF, которые были помещены в лучевой дефект у собак и оказались значительно полезными для заживления костной ткани.
4. Outlook
RPMT особенно подходит для прямого производства небольших партий, сложных (например, рифленых, выпуклых плеч, полых, вложенных и т.д.), фасонных изделий; оборудование с различными принципами процесса легко модулируется и взаимозаменяемо; возможны услуги удаленного производства с помощью Интернета; доступен широкий спектр материалов (например, смола, пластик, бумага, парафин, пленка, металлические или керамические порошки, фольга, шелк и т.д.); процесс производства не сопровождается вибрацией и шумом, и в основном Нет никаких обрезков, это экологически чистая технология производства, теоретически коэффициент использования сырья может достигать 100% и т.д. Именно поэтому в настоящее время он разрабатывается в области стоматологии за рубежом и имеет большие перспективы и возможности для развития.
Ссылки
1. Кодама. Отображение трехмерной информации на физически сформированную модель, Trans. -241.
2, Манкович Н.Дж., Чизман А.М., Стокер Н.Г. Отображение трехмерной анатомии с помощью стереолитографических моделей. J Digit Imaging. 1990 Aug; 3(3): 200 -3.
3. Klein HM, Schneider W, Alzen G, et al. Детская черепно-лицевая хирургия: сравнение фрезерования и стереолитографии для изготовления 3D-моделей. Pediatr Radiol. 1992; 22(6): 458-60.
4. Lu QP. Методы быстрого прототипирования. Пекин: Издательство высшего образования, первое издание, 2001, 3-11.
5. Yan YN. Исследование функциональной интеграции технологии быстрого прототипирования. Китайское машиностроение. 1997, 8(5):13~15
6. Ван Сюфэн, Ло Хунцзе. Технология быстрого прототипирования. Пекин: Издательство легкой промышленности Китая, первое издание, 2001, 117-132
7. Инь Симэнь, Ван Юнь Гань, Хуан Шухуай. Технология быстрого прототипирования — новый инструмент моделирования для 1990-х годов. Китайское машиностроение, 1993, 4(6):25-27
8.Ян Юннянь, Чжан Ренджи, Цуй Фучжай и др. Технология струйного формования для изготовления искусственной кости. Китайское машиностроение. 2000, 11(10):1116-1119.
9, Витковски С., Ланге Р. Стереолитография как аддитивная техника в стоматологии. Schweiz Monatsschr Zahnmed. 2003;113(8):868-84.
10. Wu M, Tinschert J, Augthun M, et al. Применение лазерных измерений, численного моделирования и быстрого прототипирования для титановых стоматологических отливок.Dent Mater. 2001 Mar;17(2):102-8.
11, Джейсон Грау и др. Изготовление алюминиевых форм для шликерного литья с помощью 3D-печати.
12.Gao Bo, Tan Yongsheng, Li Yanmin, et al. Фундаментальные исследования по применению метода лазерного проксимального производства для изготовления протезов полости рта — цельнолитых моделей зубов и челюстей по данным ламинарных измерений методом LOM. Журнал практической стоматологии. 2000(сент), 16(5):341-343.
13, Sarment DP, Sukovic P, Clinthorne N. Точность установки имплантатов с помощью стереолитографического хирургического руководства.Int J Oral Maxillofac Implants.2003 Jul-Aug;18(4):571-7.
14, Sader R, Deppe H, Neff A, et al. Значение прогноза профиля при имплантации атрофичной верхней челюсти.Mund Kiefer Gesichtschir. 1999 May;3 Suppl 1:S48-52.
15, Kim E, Kim KD, Roh BD, et al. Компьютерная томография как средство диагностики экстраканальной инвазивной резорбции.J Endod. 2003 Jul;29(7):463-5.
16, Lee SJ, Jung IY, Lee CY, et al. Клиническое применение компьютерного быстрого прототипирования для трансплантации зубов.Dent Traumatol. 2001 Jun;17(3): 114-9.
17. Вихманн Д. Новая брекет-система для лингвального ортодонтического лечения. часть 1: Теоретические предпосылки и разработка. j Orofac Orthop. 2002 May;63(3 ):234-45.
18. Qiu M G, Zhang S X, Tan L W et al. Применение метода лазерного быстрого формования слоистых твердых материалов для репликации височной кости. Журнал Третьего военно-медицинского университета, 2002, 24(8):910-912.
19, Ono I, Tateshita T, Satou M, et al. Лечение больших сложных дефектов костей черепа с помощью гидроксиапатитовых керамических имплантатов. Plast Reconstr Surg. 1999 Aug;104(2):339-49.
20, Eppley BL, Kilgo M, Coleman JJ 3rd. Реконструкция черепа с помощью сгенерированных на компьютере имплантатов из твердых тканей, подобранных пациентом: Показания, хирургическая техника и долгосрочное наблюдение. Plast Reconstr Surg. 2002 Mar; 109(3): 864-71.
21. D\»Urso PS, Barker TM, Earwaker WJ, et al. Stereolithographic biomodelling in cranio-maxillofacial surgery: a prospective trial. Craniomaxillofac Surg. 1999 Feb;27(1):30-7.
22, Schantz JT, Hutmacher DW, Lam CX, et al. Восстановление дефектов коленной чашечки с помощью индивидуальных тканеинженерных костных трансплантатов II. Оценка клеточной эффективности и эффективности in vivo. эффективность и действенность in vivo.Tissue Eng. 2003;9 Suppl 1:S127-39.
23. Shi YC, Yue XY, Xiong Z, et al. Быстрое изготовление пористого костного каркаса из биоразлагаемого полимера. Journal of Biomedical Engineering.2002 Jun;19(2):348-9