Технология быстрого прототипирования производства (RPMT), также известная как быстрое прототипирование и производство точно в срок, зародилась в Японии в 1980-х годах и вскоре распространилась в США и Западной Европе, став главным прорывом в технологии производства за последние 20 лет. В 1990 году РПМТ начал использоваться в области медицины, а примерно в 1992 году — в области стоматологии, когда Клейн и др. отметили, что быстрые и точные характеристики РПМТ будут полезны в области медицины, включая стоматологию, после сравнения с традиционной технологией токарной обработки, что подтвердилось в быстром развитии РПМТ.
1 Развитие РПМТ
RPMT разработан с использованием CAD/CAM технологии, технологии ЧПУ, технологии лазерной обработки, технологии материалов и машиностроения, технологии контроля, электроники и информационных технологий тесно связаны, и могут быть объединены со специальными методами обработки, такими как гальванопластика, дуговое напыление, плазменное напыление, плазменное формирование расплава, заливка, точное литье и EDM. В 1980-х годах американская 3D System была единственной компанией, производящей оборудование для быстрого прототипирования, а к концу 1996 года в мире было установлено более 1400 комплектов, при этом прямой экономический доход от РПМТ в 1998 году достиг 1 миллиарда долларов США. Первая отечественная статья о РПМТ была опубликована в 1993 году, а в 1994 году была создана Группа быстрого прототипирования, возглавляемая Университетом Цинхуа, и по мере углубления исследований в области РПМТ быстро началось его применение в различных областях. В настоящее время самая высокая точность может достигать 0,001 мм, толщина слоя ±0,005 мм, а максимальный размер формуемых деталей может достигать 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
По мере совершенствования этой технологии ученые создали разнообразное оборудование для РПМТ, отличающееся по принципу действия и структуре, что привело к повышению точности и скорости, и, соответственно, к увеличению глубины и широты применения РПМТ в медицинской сфере. РПМТ обычно классифицируется по принципу производственного процесса, и ниже описаны несколько наиболее зрелых технологий, которые были применены в стоматологии.
(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. Метод SLA также может использоваться для миниатюрного производства, и Технологический институт Кюсю в Японии изготовил модели размером около 50 мкм. Недостатком является то, что метод SLA применим только для изготовления моделей in vitro, сложнее генерировать микроструктуры с биологической активностью; происходят объемные изменения при формовании, повышается сложность контроля; оборудование SLA дороже, стоимость фоточувствительной 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 получения негомогенных и пористых структур, для укладки и формирования функциональных градиентных материалов и имеет потенциал стать основным технологическим методом для приготовления биоинженерных скаффолдов (укладка и формирование тонкоструктурированной струи). 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 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.
3.1 Применение в области ортопедической стоматологии
В других областях стоматологии РПМТ также бросает вызов традиционным процессам. Метод RPMT использовался для создания трехмерной модели коронки пациента, альвеолярной кости и т.д., на основе которой был разработан, изготовлен и подогнан протез. Дизайн литого канала был оптимизирован с помощью коммерческого программного обеспечения до начала 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 использовали технологию TDP для приготовления глиноземистой керамической формы для литья порошка взамен традиционной гипсовой формы, поскольку она обладает более высокой прочностью и может быть нагрета до нескольких сотен градусов для сокращения времени сушки. В Китае Гао Бо и др. использовали метод LOM для изготовления полной модели зуба с хорошим геометрическим сходством, что заложило основу для дальнейшего применения лазерного спеченного металла или керамического порошка для прямого изготовления реставраций полости рта.
3.2 Применение в области имплантологии полости рта
При изготовлении протезов на имплантатах такие методы визуализации, как КТ, оказывают большую помощь в тщательном хирургическом планировании, а применение РПМТ в стоматологии делает эти цифровые изображения еще более полезными: Sarment et al. обнаружили, что когда операция по имплантации проводилась только на основе изображений КТ, разница между предоперационным и послеоперационным планом составляла в среднем 1,5 мм в точке вживления альвеолярного гребня и 2,1 мм в верхушке внутрикостного имплантата; in Sader et al. использовали визуализацию RPMT для прогнозирования челюстно-лицевого профиля после поднятия верхнечелюстной пазухи и установки имплантатов у 23 пациентов с тяжелой атрофией верхнечелюстной альвеолярной кости и для руководства операцией, в результате чего все пациенты остались довольны результатом.
3.3 Применение в области эндодонтии и ортодонтии
Kim et al. сообщили о пациенте, проходившем эндодонтическое лечение по поводу гипотиреоза в течение 1 года, у которого были обнаружены множественные боковые парапротезные инвазивные резорбции корней, и который быстро уточнил место и область возникновения после изготовления набора зубов с использованием RPMT. Lee et al. использовали RPMT для создания модели донорского зуба, а затем взяли донорский зуб для трансплантации после измерения реципиентной области на предмет пригодности, что позволило сократить оперативное время и получить хорошие пародонтальные мембраны в общей сложности у 22 трансплантированных зубов.
РПМТ также нашел применение в ортодонтии. Например, Wiechmann D и др. использовали RPMT для создания индивидуальных ортодонтических брекетов для пациентов, уменьшая размер брекетов для удобства пациента и снижая частоту случайной потери брекетов.
3.4 Применение в области челюстно-лицевой хирургии
Такие технологии, как SLA, LOM, SLS, FDM и TDP, были использованы в этой области и сыграли важную роль в диагностике (переломы, анкилозы суставов и даже непроходимые зубы), планировании, моделировании операций и лечении. Например, Qiu Mingguo и др. использовали метод LOM для создания физической бумажной модели височной кости, которая может быть использована для предоперационного проектирования сложных нейрохирургических операций на ухе и для моделирования хирургических операций.
Для решения проблемы замещения твердыми тканями больших дефектов (например, 14,7 см х 12,0 см) в костной ткани черепно-лицевой области, вызванных врожденными дефектами, травмой, декомпрессией после краниэктомии, инфекцией и т.д. Создание индивидуальных псевдопротезов методом LOM (например, Ono et al., который восстановил большие и сложные дефекты челюсти с помощью НА-керамики у 9 пациентов) или FDM (например, Eppley et al., который провел реконструкцию черепа у 13 пациентов) может значительно сэкономить операционное время и облучение пациента, уменьшить интраоперационные и послеоперационные осложнения и сократить пребывание пациента в больнице. Статистические данные показали, что применение RPMT увеличивает процент правильной диагностики на 29,60%, точность операции на 36,23% и операционное время на 17,63%, позволяя выполнять сложные ортопедические операции за одну операцию, которые можно было сделать только за несколько операций.
РПМТ также недавно стал основным компонентом эшафотов для переноса клеток в тканевой инженерии, что, несомненно, является чрезвычайно важным аспектом тканевой инженерии. «Дефектная «черепная кость» с определенной пористостью затем использовалась в качестве скаффолда вместе с фибриновым клеем и имплантировалась в тело после 3 дней совместной культуры с остеобластами. Аналогичные эксперименты были проведены в Университете Цинхуа в Китае, где полимолочная кислота (PLA) с молекулярным весом, близким к 100 000, была соединена с HA, коллагеном и BMP для получения пористого цилиндра диаметром и высотой 5 мм по технологии TMF.
4 Outlook
РПМТ 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, металлический или керамический порошок, фольга, шелк и т.д.); производственный процесс не сопровождается вибрацией и шумом и по существу Нет обрезков, это экологически чистая технология производства, теоретически коэффициент использования сырья может достигать 100% и т.д. Именно поэтому в настоящее время она развивается в области стоматологии за рубежом и имеет большое будущее и огромные возможности для развития.