口腔材料与口腔数字化技术.pdf

Chin J Dent Mater Dev 2023年第32卷第3期153口腔材料器械杂志基金项目：国家重点研发计划(编号：2022YFC2405401)；国家自然科学基金(编号：82071171、82271039)通信作者：王勇，Email:专家笔谈口腔材料与口腔数字化技术Dental materials and dental digital technology王勇（北京大学口腔医学院口腔医院口腔医学数字化研究中心；口腔修复教研室国家口腔医学中心；国家口腔疾病临床医学研究中心；口腔生物材料和数字诊疗装备国家工程研究中心；国家卫生健康委口腔医学计算机应用工程技术研究中心口腔数字医学北京市重点实验室，北京100081)【关键词】口腔材料数字化技术数控切削3D 打印DOI：10.11752/j.kqcl.2023.03.01口腔临床数字化技术日益成熟和普及，对口腔临床诊疗的质量、效率提供了有益支撑，一定程度地降低对临床经验的依赖，可为年轻医生的快速成长提供技术支撑和帮助，助力我国基层口腔诊疗的技术同质化。与此同时，数字化技术辅助下的口腔椅旁诊疗也逐渐成为可能，可减少患者就诊次数，提供更友好的诊疗体验1。随着数字化技术与口腔医学的深入结合，基于数控切削和 3D 打印技术制作各类口腔假体及辅助治疗装置，已成为口腔医学数字化技术的重要应用领域，应运而生的各种新型“口腔数字化材料”也备受口腔医生关注，成为口腔材料学的重要发展方向之一。从材料成型角度口腔材料可分为非定形材料（如印模材料、充填材料、骨粉、粘接剂等）、预成形材料（如正畸托槽、种植体、人工牙等）以及定制式成形材料（包括铸造、手工弯制、切削加工、3D 打印加工等）。其中，与口腔数字化技术相关的材料一般是指定制式成形材料中的数控切削加工（也称减法技工、减材制造）材料和 3D打印加工（也称增材制造、快速成型）材料，按材料类型也可分为金属类材料、树脂类（高分子化合物）材料、陶瓷类材料等。通常来说工业批量预成的材料（块、盘等），其材料更均质、力学性能优于铸造工艺。3D打印技术，原材料利用率高，环境友好，有批量生产的优势，尤其适合形状复杂的成形加工，其力学性能与铸造相当，已成为工业制造领域的重点技术之一。下面结合数字化技术相关的材料种类和加工方式从两个维度进行阐述，系统梳理口腔数字化材料的分类，介绍各类型相关材料的力学特性和数字化加工工艺特点，以期为数字化技术相关材料的临床应用及适应证选择提供指导。文献报道，人类牙齿牙釉质和牙本质的主要力学性能如表 1 所示，口腔各类修复材料从仿生的角度来看，应与天然牙齿组织性能接近，从而避免应力中断（遮蔽），达到应力连续合理分布2-3。1口腔数字化陶瓷类材料口腔数字化陶瓷类材料目前主要以切削和磨削加工（数控 Numerical Control）为主。可切削口Chin J Dent Mater Dev 2023年第32卷第3期154口腔材料器械杂志腔陶瓷材料主要有长石质瓷、玻璃陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、玻璃渗透复合陶瓷等。长石质瓷、玻璃陶瓷材料属于玻璃基陶瓷，半透明性、美观性好，能模仿牙釉质和牙本质的光学特性，多用于前牙美学修复。多层色乃至立体构建的预成色瓷块，使切削完成的全解剖形态修复体具有良好的美观性，可在一定程度上简化或取代传统手工上饰瓷的工艺步骤。但玻璃基陶瓷抗断裂能力较低、脆性较高，临床使用时应严格掌握适应证。以氧化锆为代表的高度致密多晶金属氧化物陶瓷发展迅速，可直接加工出解剖形态的全氧化锆（full contour zirconia 或 monolithic）单一材料构成的修复体，具有鲜明的技术特点。口腔 CAD/CAM 系统加工氧化锆修复体有两种方法：一是切削完全烧结氧化锆；二是切削预烧结氧化锆，之后进行二次终烧结。上述两种工艺技术各有长处：完全烧结氧化锆质硬，直接切削加工成本很高；预烧结氧化锆切削效率高，二次烧结时通常会有20%左右的材料收缩，后者是目前主流的工艺技术。氧化锆陶瓷材料强度高，通过调整钇的含量可提高其半透性，用于制作高透明修复体，如磨牙区全解剖冠桥修复及种植上部结构（支架、基底、修复体等）。多层色梯度仿生氧化锆陶瓷也取得了较大进展，更加符合口腔生理的需求。氧化锆陶瓷也可用于种植体和基台，以避免钛金属的不足（美观等）4-5。各类牙科陶瓷的主要力学性能如表2 所示。牙科陶瓷材料的 3D 打印加工工艺目前我国已取得初步进展，获得了国家医疗器械注册证，临床应用研究正在进行中（国械注准 20223171660）。牙科陶瓷 3D 打印工艺，原材料利用率近 100%，环境友好且有批量加工的优势，是值得关注的研究方向之一6-13。2口腔数字化复合树脂类材料复合树脂是一种增强型高分子化合物，主要由有机树脂与无机填料组成。近年来，纳米填料的应用形成了纳米陶瓷颗粒增强的新型复合牙科修复树脂材料，对改善复合树脂的性能具有显著效果，各项性能接近玻璃陶瓷，也称为树脂基陶瓷。这种树脂基陶瓷主要分为两类：一类是树脂基质中加入无机填料；另一类是陶瓷网络结构中加入树脂。树脂基陶瓷具有优秀的高负载能力和表 2牙科陶瓷材料的力学性能分类品种材质弹性模量（GPa）弯曲强度（MPa）维氏硬度（GPa）玻璃基陶瓷长石质瓷60-70100-1206.63-7.03白榴石增强58.860.751204.86-6.72二硅酸锂110215-3506.3氧化锆陶瓷氧化锆增强二硅酸锂（琥珀瓷）105.8443.6338.907.60.7预烧结氧化锆200-210600-11002-133D 打印氧化锆160-318200-151910.17-20.98表 1牙釉质和牙本质的力学性能牙体组织弹性模量（GPa）屈服强度（MPa）拉伸强度（MPa）维氏硬度（GPa）牙釉质46-13034410-40.32.94-4.8牙本质12-18.616543-1000.57-0.6Chin J Dent Mater Dev 2023年第32卷第3期155口腔材料器械杂志抗疲劳性，并具有与复合树脂及牙本质近似的弹性模量，切削加工性能优秀，但从医疗器械注册角度，此类材料严格意义上不属于陶瓷，耐磨性也不及真正的陶瓷材料。目前，临床使用的树脂基陶瓷颜色型号与牙科陶瓷材料采用相同标准，又因其力学性能和美学性能与陶瓷材料类似，此类材料的商品名常见为“某某瓷”（如优韧瓷、康瑞瓷等）。用于数控切削加工的可切削复合树脂是一种工业化制作的用于间接修复的预成树脂材料，一般呈长方体树脂块或圆形树脂盘，可切削性能优异，不需要二次烧结加工，不存在聚合收缩问题，性能优于临床光固化聚合成形的材料。复合树脂材料口腔临床可用于各类间接修复体，如嵌体、贴面、牙冠等的椅旁快速制作，也可用于儿童乳牙预成冠（尤其是全麻手术），其磨耗性能远低于陶瓷，与天然牙硬度接近，在临床有其特殊的适应证，如儿童口腔修复、老年口腔修复、过渡修复体等。可用于 3D 打印技术的光固化复合树脂是一种含有光敏材料的复合树脂液体，可用于制作诊断或工作模型、各类树脂修复体（临时义齿、义齿基托等）以及各类手术导板（种植导板、正畸支抗导板、分牙导板、根尖手术定位、取骨导板、咬合板等），材料性能满足临床需要。目前，光固化树脂 3D 打印技术在打印速度和打印精度方面提升显著，以选择性区域透光固化技术（LCD 技术）和连续数字光制造技术（CDLM 技术，Continuous Digital Light Manufacturing）为代表的超高速光固化树脂 3D 打印技术可在 15 min 内完成树脂牙模或导板的椅旁打印制作，为口腔医学多学科（修复、正畸、儿童、种植等）椅旁数字化提供有力支撑14-18。各类牙科复合树脂的主要力学性能如表 3 所示。3口腔数字化金属材料口腔修复用金属材料主要包括医用镍铬合金、钴铬合金、金合金、钛合金以及纯钛等。金属材料的数控切削加工技术较为成熟，加工设备自由度可达 5 轴或 7 轴，加工精度高，可加工较为复杂的表面形态（如个性化种植基台、无牙颌种植修复支架等），目前主要用于冠基底、个性化基台、义齿支架、种植桥架及正畸或儿童间隙保持器等的制作。金属材料的 3D 打印是发展较快的一个重要方向，直接对金属粉末进行加工成形各类口腔修复体或部件，显著优点体现为效率极高、精度较高、稳定性高、材料理化性能好，加工环境友好，远期成本低，有批量加工优势（单次可加工多达 200颗金属牙冠修复体）等。选择性激光熔化（SLM，selective laser melting）是主要的金属 3D 打印技术之一，能加工出非常致密的金属部件，其强度达到甚至超过常规铸造方法生产的部件，目前可用于加工各类手术导板、金属矫治器辅助装置和保持器以及个性化植入部件（如钛网、钛板、人工关节等），发展前景良好19-20。纯钛是适宜口腔修复要求的一种生物相容性金属材料，种植或颌骨修复重建用个性化钛网、钛板多采用 3D 打印工艺制作，如采用切削加工需要考虑加工过程中的散热和氧化。各类牙科金属的主要力学性能如表 4所示。4其他口腔数字化材料传统蜡材定制成专用坯料可用于机械切削加工，混合一定比例的光固化液态材料可用于 3D 打表 3牙科复合树脂的力学性能商品名弹性模量（GPa）屈服强度（MPa）维氏硬度（GPa）Vita enamic 弹性瓷38.11103185.50.683M Lava Ultimate 优韧瓷11.05101.758.351.90.22Vitablocs 瓷立方72.4113-1546.27Chin J Dent Mater Dev 2023年第32卷第3期156口腔材料器械杂志印。加工生成的蜡修复模型与复合树脂材料类似，可用于诊断、方案设计或铸造用模型，通常 CAM技术加工精度和效率高于手工制作。聚醚醚酮（简称 PEEK）是近年来口腔领域备受关注的新型材料，PEEK 材料的特点是耐高温、耐腐蚀、耐磨、耐酸蚀，且具有较优异的切削加工性能，亦可用于 3D 打印。PEEK 树脂是半结晶性聚合物，具有和人体骨组织相近的机械强度和较好的生物相容性，已被用于制作各种骨科植入物（如髋关节、椎间盘、股骨等）。在口腔领域，PEEK 材料已被用于制作义齿、支架、种植桥架、儿童可摘式保持器和咬合板等21-24，目前还需辅助“烤塑”工艺完善色彩色泽。PEEK 材料的主要力学性能如表 5 所示。表 4牙科金属材料的力学性能种类弹性模量（GPa）弯曲强度（MPa）屈服强度（MPa）拉伸强度（MPa）维氏硬度（GPa）镍铬合金145-2031488176255-730400-10002.7-3.95钴铬合金125-218265464460-640520-8803.5-3.9钛合金103-114130227170-830240-8901.2-3.5金合金96.6207-620414-8281.2-2.1表 5PEEK 材料的力学性能材料名称弹性模量（GPa）弯曲强度（MPa）拉伸强度（MPa）维氏硬度（GPa）聚醚醚酮 PEEK3-4174.79-350.68800.25-0.35展望合适的牙科材料直接关系到口腔治疗的美学效果及长期成功率，口腔医生应关注和了解这些常用牙科材料的力学特性和数字化加工工艺特点，以实现最优的临床适应证应用。如个性化可植入金属的 3D 打印、与个体相匹配（如强度、耐磨性等）的个性化陶瓷或树脂修复体、用于表面增强的 3D 打印极薄陶瓷修复体、多色一体化加工材料（如全口义齿、可摘局部义齿等）、面向组织工程的生物活性的生物 3D 打印材料以及与时间相关的4D 生物材料等。相信，随着口腔材料技术和数字化加工技术的不断发展，两者互相促进，以美观、仿生、功能梯度为目标的新型口腔数字化材料将成为发展趋势。参考文献1 Lambert H,Durand J C,Jacquot B,et al.Dental biomaterials for chairside CAD/CAM:state of the artJ.J Adv Prosthodont,2017,9(6):486-495.2 赵信义.口腔材料学 M.第 6 版,北京:人民卫生出版社,2020:1-233.3 林红，邓旭亮.口腔材料学 M.第 3 版,北京:北京大学医学出版社,2023:1-284.4 Zhang Y,Lawn B R.Novel zirconia materials in dentistryJ.J Dent Res,2018,97(2):140-147.5 Sulaiman T A,Delgado A J,Donovan T E.Survival rate of lithium disilicate restorations at 4 years:a retrospective 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