立體列印一口好牙

 
2017/07/05 鄭匡善 | 《醫學物理》(Medical Physics)期刊資深副編輯     843
 

結合數位印模與立體列印技術,使得缺損牙齒的鑲補變得更加簡便迅捷,臨床所需時間可由數周縮短為數天乃至立刻可得。

 

  「蝦米,假牙可以用印表機印出來裝!?別呼嚨俺書讀得少!」

  「百分百實話!絕不忽悠!沒聽過現在當紅的立體印表機嗎?」

  「那玩意?不就印印小孩兒玩的公仔跟一些珠寶首飾嗎!」

  「天呀!別整天看電視!偶爾上上網膜拜孤狗大神吧!」

 

確實,立體列印技術開始進入消費者生活時,基於價格與安全考量,多半限於以塑膠為原料,使消費者能設計與印出各種以自己或親友為藍本的個性化玩偶。也有利用立體印表機善於印製個性化產品的特性,以更高階的機種設計與製作各種個人化首飾或飾品。

 

隨著立體列印技術與各種新材料的開發,這種熱門技術已深入牙科的臨床應用。以往修補牙齒必須多次回牙科門診,且耗時數天乃至數月的情形,可在引入相應的牙科立體列印系統後得到顯著改進。單顆牙齒的單純補綴,可縮短到十多分鐘就能印出為患者定製的成品供牙醫現場補綴用。

 

牙科立體列印技術的種類

 

立體列印技術脫胎於快速成型技術,以由下而上一層一層逐步累加材料的方式製造成品。目前常見適於牙科應用的立體列印技術,以技術特徵來分略可分成3種。

 

第1種是把絲狀的材料饋入立體印表機,以各種熱源加熱成膏狀,再透過噴頭擠出在工作平台上進行構型。就好像傳統蛋糕師傅把鮮奶油擠在蛋糕表面,逐漸把鮮奶油累積成各種立體的花樣。

 

第2種是把工作平台沉在特殊材質的液體中,從噴頭射出特殊波段的光束照射使液體硬化。完成一層的構型之後,工作平台下沉一段距離讓液體補充過來,再重複先前光照構型的步驟,如此反覆直到最終成品完成。

 

最後一種與第2種相似,只是用特殊材質的粉末替代液體。噴頭可以用噴射黏著劑黏著粉末構型,也可以是射出高能量光束燒結粉末為固體構型。一層構型完成之後,工作平台下沉一段距離重新補上新的粉末供黏結或燒結,如此反覆直到最終成品完成。

 

各種材料的列印技術

 

鑲補牙齒的材料包括塑膠(或高分子材料)、金屬與陶瓷材料,因而製作這些牙科裝置的立體印表機要能夠使用這些材料為印製的原料,並能滿足牙科的特別需求。

 

能夠處理高分子材料的立體列印技術最多。立體光雕技術利用波長320~370奈米的紫外光波段雷射,在紫外光照射下,以可固化的高分子材料進行加工製造。選擇性雷射燒結技術使用波長9.4~10.6微米,屬於紅外光波段的二氧化碳雷射照射材料加工製造。熔融沉積成型技術則把高分子細絲拉出來通過加熱器融化,再從噴嘴擠壓熔融的塑料流體到載物平台上,以在平台上建構設計的外形。

 

能處理金屬材料的立體印表機,主要使用各種不同的雷射能源,以及特別的噴墨列印技術。例如,選擇性雷射熔化技術利用光束的聚焦直徑約100微米的高能量雷射,融化金屬或合金粉末進行加工製造。雷射淨形加工技術則利用雷射融化饋入的金屬粉末或細絲,再把熔融的金屬流體以噴嘴噴射在載物平台上製造產品。立體(噴墨)列印技術則以噴嘴把液態黏著劑噴向預先鋪好的粉末層,使粉末黏著成產品。

 

目前能處理陶瓷材料的立體列印技術較少,主要是立體噴墨列印類的技術。

 

牙科立體列印技術

 

立體印表機賴以印製的設計圖來自牙科光學造影資料,例如對患者口腔患部拍攝的X光電腦斷層影像。因此,採用牙科立體列印系統製造各種牙科裝置,首先就可免除傳統工法需先對患者口腔印模取樣的工序。

 

美化牙齒顏色的牙面美容貼片是以陶瓷為原料,因此結合數位影像掃描儀與立體噴墨列印機,就可把患者修整後牙齒的立體數位資訊傳遞到立體印表機列印出來。目前的技術只要十多分鐘就可完成,患者不需先回家等待幾天,讓牙醫師自己或委託牙體技術所用傳統方式慢慢打造。

 

牙齒可能因為齲齒或遭到諸如車禍的外力撞擊,需以人工牙冠修補缺損。人工牙冠結構比較複雜,且即使是所謂的全瓷牙冠,除使用陶瓷材質外,在內冠的某些部分也會用到金屬材質。現有工業等級的立體印表機不乏已經使用多噴頭設計,以同時印製由多種材質構成的立體物件。

 

目前美國已有搭配數位影像印模的立體印表機,能在15分鐘內以多墨水噴頭專利技術印出專為患者定製的高分子材質人工牙冠。根據廠商的使用手冊,成品誤差程度在0.1~0.2%,甚至優於傳統工法製造的。

 

德國的一款立體印牙系統則採用以選擇性雷射燒結技術所開發的直接金屬雷射燒結技術,能夠利用各種金屬和陶瓷材料印製人工牙冠。這種技術更有利於牙體技術所快速製造多量的人工牙冠,製造效率大約是傳統工法的22.5倍。而且,每次製造剩下來的粉末原料可以回收再使用,不但環保也降低業者的營業成本。

 

經修整過的牙齒必須有足夠體積和強度支撐才能安裝人工牙冠,如果殘缺的齒體不足或根本已經掉落,就需採用人工牙冠 – 牙橋療法。人工牙冠 –牙橋的體積大於單獨的人工牙冠,而且人工牙冠和牙橋之間的連接也需小心處理,使它具有足夠的強度而能在患者正常咀嚼時不會斷裂。特別是有些牙橋的橋體具有多個假牙,在製造上必然比製造單個人工牙冠費時。

 

即便如此,前述美國和德國公司的立體印牙系統還是能夠處理。以德國的為例,使用這個系統的牙體製造所在收到牙醫診所傳來患者口腔的三維數位資料後,48小時內就可印出誤差±20微米的人工牙冠 ─ 牙橋金屬結構部分。在經過簡單的拋光工序之後,就可以在其外表塗布與燒製陶瓷材料以仿真牙外表的最終工序。品質和速度都遠超過傳統脫蠟製模工法。

 

倘缺牙數較多,比較傳統且經濟的方式是安裝活動式假牙。活動式假牙的體積更大、結構更為複雜,在製造方面也更有挑戰性。前述的美國和德國系統雖然也能印製活動式假牙,但僅限於活動式局部假牙。然而,美國另一家公司的立體印牙系統連活動式全口假牙也能印製或修復。這系統結合了光學印模和立體光雕技術,從牙醫師取得患者的口腔立體數位資料之後,1天之內就能完成一副活動式全口假牙和相應的假牙底板,傳統工法則需要幾天甚至幾個星期才能完成。

 

立體印牙的挑戰

 

除了上述的各種鑲補牙齒的治療技術外,還有一種更新更複雜的技術– 植牙。植牙系統包括最底部的人工牙根、最上面的人工牙冠、連接前兩者的假牙–牙根連結體。

 

植牙療法一般用於牙齒因為疾病或外力衝擊,缺損嚴重而無法採用較簡單且侵襲性較小的人工牙冠時,或者用於補充牙齒已脫落空缺時。倘仍有殘存牙齒,牙醫師需先把它拔除,之後切開患者的齒槽骨,在齒槽骨植入人工牙根,等3~6個月齒槽骨和人工牙根結合良好之後,再逐步接上其他部分。

 

對於立體列印來說,植牙系統各部件在製造上最有挑戰性的當屬人工牙根。人工牙根最基本而重要的功能就是把全系統牢牢地附著在齒槽骨上,並且承受咀嚼食物時的咬合力道。因此,除了本身強度足夠以外,根體外表的螺紋也要有強度「咬住」齒槽骨,以免系統脫落。此外,現代高級的人工牙根都經過表面特殊處理,以加速齒槽骨癒合並與之結合,因此人工牙根表面要有足夠的粗糙度或者說細緻的紋理。以上種種利用立體列印技術印出人工牙根都相當有挑戰性,目前各國學術界和業界仍在研究階段。