選擇性激光熔覆(SLM)鈦合金可摘局部義齒支架的適合性研究

劉一帆 王偉娜 于海 馬瑞 吳冰 高勃

可摘局部義齒(removable partial denture, RPD)金屬支架的適合性能較好的反映該修復體制作的精密程度，是臨床評價該修復體質量及臨床效果的重要指標。選擇性激光熔覆(selective laser melting， SLM)是以增材制造技術為基礎，近年來新興的一種先進的金屬快速成型技術[1]，當前國內外鮮見SLM技術制作的鈦合金RPD支架的適合性的相關研究報道，本實驗應用“印模法”和三維光學測量法對SLM技術制作的鈦合金RPD支架的適合性進行研究，初步評價SLM技術制作鈦合金RPD支架的可行性。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

DMG加成型硅橡膠印模材料(DMG，德國)；GC而至硅橡膠輕體(GC，日本)；超硬石膏(湖北貝諾齒科材料有限公司)； 3Shape Dental System軟件及D810掃描儀(3Shape，丹麥)；遮光劑(Dentaco，德國)；選擇性激光熔覆機M280及Ti- 6Al- 4V鈦合金粉末(EOS，德國)；Materialise Magics軟件(MATERIALISE，比利時)。

1.2 實驗方法

1.2.1 原始模型的獲取 選取2016～04于第四軍醫大學口腔修復科就診的1 名肯氏Ⅲ類牙列缺損患者(圖 1)，其15、16牙缺失，14牙經樹脂帽恢復后作為覆蓋基牙，13、17、23牙近中預備合支托窩，常規制備導平面，24-25-26-27為烤瓷聯冠，因27牙遠中崩瓷，僅做少量預備。該患者已經臨床常規方式完成可摘局部義齒修復，以其工作模型作為原始模型(圖 2)，使用硅橡膠印模翻制7副超硬石膏模型。

1.2.2 RPD支架的設計與制作 通過掃描儀獲取石膏模型的三維形貌數據并重建為數字化模型，使用3Shape設計軟件在其上完成RPD支架的CAD設計(此處缺牙區為全金屬基托設計，以便于在其上添加人工預備體，用于后續研究,圖 3)，保存CAD設計為STL(STereo Lithography)格式文件，隨后將其導入到Magics軟件中添加支撐并離散分層，最后使用選擇性激光熔覆機制作出相應的RPD鈦合金支架(圖 4)。手動去除支撐物，隨后進行熱處理，將支架緩慢升溫至800 ℃，保溫4 h，使用氬氣進行冷卻，最后按技工室常規流程對RPD支架進行手動粗打磨、精細打磨、拋光，其中對支架組織面只進行少量的打磨和拋光(圖 5)，并使其完全就位于石膏模型上。

1.2.3 “復模法”制取間隙硅橡膠薄膜 將支架的組織面涂布少量石蠟油，用氣槍輕吹使其均勻分布，將硅橡膠輕體注射到石膏模型上的相應位置，手動將支架完全復位于模型上，再將重量約3 kg的金屬塊置于支架腭板上，加載約30 N壓力直至輕體完全凝固，用手術刀片仔細去除支架邊緣以外的輕體并取下支架，使輕體薄膜完全粘附于模型上(圖 6)。

圖 1 患者上頜情況 圖 2 工作模型 圖 3 計算機輔助設計RPD支架

圖 4 SLM制作RPD支架 圖 5 處理后的RPD支架 圖 6 間隙的硅橡膠輕體薄膜

1.2.4 RPD支架的適合性評價 將上述石膏模型表面均勻噴布一層遮光劑，放入掃描儀中掃描獲取其數字化模型，保存為STL文件A；仔細去除石膏模型表面的輕體薄膜后再次進行掃描，保存為STL文件B，前后2 次操作在同一工作臺上的相同位置完成。將每個支架獲取的2 個文件分別導入Geomagic Qualify 13.0軟件，通過最佳擬合算法對齊，裁剪腭板大連接體部分進行3D偏差分析(平均值、標準差、RMS偏差)。將數據導入軟件，根據其來源于文件A、B分為2 大組分別進行聯合處理，進行總體3D偏差分析。

2 結 果

肉眼觀察發現RPD支架適合性良好，支架完全就位于石膏模型，其組織面與模型貼合，無明顯翹動(圖 7)。從Geomagic Qualify軟件求得的3D偏差圖可看出，腭板大連接體的絕大部分區域為黃色向橙色漸變，由右側的彩虹圖可知，其偏差主要介于0.15～0.30 mm之間(圖 8)。通過軟件可以統計出7個支架的個別和總體3D偏差數據(表 1)，其總體偏差為(0.221 9±0.07) mm。

圖 7 RPD支架在模型上就位

圖 8 腭板大連接體的3D偏差圖

表 1 RPD支架的3D偏差數據

3 討 論

隨著CAD/CAM技術在口腔修復領域的引進和不斷發展應用，目前在固定義齒和種植義齒方面，從開始到結束已經實現了完全數字化制造，而活動義齒的制作卻一直沒有得到較大的發展[2]。其中，可摘局部義齒因其復雜的幾何結構和精細的零部件，很難在預制金屬坯塊上建立適合切削機器的附著點[3]，并且在切削加工的過程易產生變形[4]，不是很適合通過CAD/CAM切削制作；同時由于后續繁瑣的組裝加工程序[5]，目前未能實現高效的完全數字化制作。而SLM技術在口腔修復領域的應用，極大的提高了可摘局部義齒的制作效率和加工精度。SLM技術能夠直接加工出擁有倒凹、中空、鏤空等復雜幾何結構的物體；材料利用率高，回收再利用率可達95%[6]；加工修復體的內部致密性好，其密度可達99.8%以上[7]；避免了傳統失蠟鑄造技術的繁瑣流程，減少誤差的產生[8]；通過人工牙和支架一體成型制作，可以徹底摒棄后續的排牙及塑料充填程序，效率極高。

RPD支架良好的適合性對延長其使用壽命是至關重要的，因其能減少菌斑堆積，同時也能讓患者更方便的摘戴，避免這些不良的機械力學和生物因素對患者健康產生影響。目前國際上關于RPD支架的適合性沒有統一的標準，只要支架完全就位，無明顯翹動和間隙即可認為適合性良好，缺乏客觀量化指標[9]。對于鑄造RPD支架的適合性，Rantanen等[10]通過研究發現RPD支架腭板與上腭間的距離在石膏模型上為0.09～0.68 mm，在口內則為0.11～0.93 mm；Diwan等[11]測量了儲存于不同時間段的蠟型鑄造后的RPD支架的適合性，發現最小的間隙距離為(0.29±0.05) mm；Viswambaran等[12]測量了不同儲存時間和支架設計的RPD鑄造基托的適合性，發現最小誤差為(0.19±0.03) mm。本實驗采用“印模法”對RPD支架的適合性進行研究，結果顯示腭板大連接體與軟組織間的間隙為(0.221 9±0.07) mm。綜上，可認為本實驗通過SLM技術制作的鈦合金RPD支架的適合性良好，滿足臨床要求。

造成SLM制作的RPD支架組織面與模型存在間隙的原因是多方面的[13-14]，其中SLM技術的加工精度以及支架組織面的打磨拋光是造成偏差產生的主要原因。陳光霞等[15-16]研究發現SLM制作的鈦合金RPD支架的加工精度為±0.172 mm，表面粗糙度(Ra)為4.11～12.02 μm；而Brudvik等[17]通過實驗發現鑄造金屬支架經技工室粗打磨、精細打磨、電解拋光、預拋光、高度拋光后去除的金屬量最少為0.127 mm。該值是在高度仔細操作的情況下獲得，技工室常規打磨拋光的金屬去除量將比該值大，本實驗對支架組織面僅進行少量的手動打磨、拋光，未進行電解拋光，組織面金屬去除量略大于0.1 mm。

此外，支架的CAD/CAM流程及數據的分析階段均存在著誤差，包括：①模型掃描，光學掃描儀通過掃描獲取模型的三維形貌數據并重建為數字化工作模型，該過程本質上是不斷取近似值的過程，因此必然存在著誤差[18-19]；目前大多數口外光學掃描儀的掃描精度雖已達到5～30 μm，但三維重建后的數字化模型與原始石膏模型之間的誤差將大于該值，以全牙弓模型為甚。此外，遮光劑的使用也將引入新的誤差[20]；②RPD支架CAD設計，3D打印機對STL文件的數據完整性要求較高，由修復體CAD軟件生成的RPD支架數據文件常存在自相交、折射邊、釘狀物、孔洞等錯誤，很難直接用于3D打印，需借助第三方軟件進行完整性修復，該過程會導致原有的修復體形態發生變化，從而產生誤差；③SLM制作RPD支架，以往研究表明，SLM加工過程中激光功率、掃描速度、切片層厚、粉末粒徑等參數對修復體的加工精度均有影響，該加工過程不可避免的導致誤差的產生[21]；④數據的對齊，數據使用最佳擬合算法進行對齊，該算法的本質決定了對齊后的數據與實際情況存在誤差，從而影響了后續的3D偏差分析結果[22]。