Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова
Высокая точность конструкций при применении 3D-печати в имплантологии
В.А. Иванова, В.В. Борисов, В.В. Платонова, С.Д. Даньшина
Аннотация
3D-печать приветствовалась как технология, которая изменит развитие стоматологии. 3D-печать становится предметом большого интереса в челюстно-лицевой хирургии, ортопедии, эндодонтии, ортодонтии и пародонтологии. Эта технология играет большую роль в лечении стоматологических заболеваний, и с развитием технологий 3D-визуализации и моделирования, таких как конуснолучевая компьютерная томография и интраоральное сканирование, а также с относительно долгой историей использования технологий CAD/CAM в стоматологии, она будет приобретать все большее значение. Использование 3D-печати включает в себя производство фрезерованных направляющих для зубных имплантатов, производство физических моделей для ортопедической стоматологии, ортодонтии и хирургии, производство зубных, краниомаксиллофациальных и ортопедических имплантатов, а также изготовление шаблонов и каркасов для имплантации и реставрации зубов.
Трехмерное производство обладает большим количеством преимуществ: улучшение качества лечения, развитие персонализированной медицины, высокая скорость предоставления услуги, что делает 3D-печать неотделимой частью будущей стоматологии. В данной статье рассматривается точность конструкции при использовании 3D-печати. Также обсуждается зависимость точности моделей, изготовленных с помощью трехмерной печати, от ряда факторов, таких как метод 3D-печати, настройки 3D-принтера, используемая программа печати.
Ключевые слова: SD-печать, стоматологическая модель, SD-принтер, точность, аддитивные технологии.
Abstract
High accuracy of designs when using 3D printing in implantology
V.A. Ivanova, V.V. Borisov, V.V. Platonova, S.D. Danshina
Moscow State Medical University (Sechenov University)
3D printing was hailed as a technology that would change the development of dentistry. 3D printing is becoming a subject of great interest in maxillofacial surgery, prosthodontics, endodontics, orthodontics and periodontics. This technology plays an important role in the treatment of dental diseases, and with the development of 3D imaging and modeling technologies such as cone-beam computed tomography and intraoral scanning, as well as a relatively long history of using CAD/CAM technologies in dentistry, it will become increasingly important.
The use of 3D printing includes the production of milled guides for dental implants, the production of physical models for orthopedic dentistry, orthodontics and surgery, the production of dental, craniomaxillofacial and orthopedic implants, as well as the fabrication of copings and frameworks for implant and dental restorations. Three-dimensional production has many advantages: improving the quality of treatment, developing personalized medicine and providing high-speed services, which make 3D printing an integral part of the future of dentistry. This article discusses the accuracy of the design when using 3D printing. We also discuss the dependence of the accuracy of models, made by using three-dimensional printing on a number of factors, such as the 3D printing method, the 3D printer settings and the printing program.
Keywords: 3D printing, dental model, 3D printer, precision, additive manufacturing.
Медицинские технологии визуализации включают в себя исследования, начиная с рентгеновской радиологии и заканчивая более продвинутыми и усовершенствованными методами медицинской визуализации, такими как компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ) и лазерная оцифровка. Эти новые технологии могут обеспечить детальные трехмерные изображения анатомии области интереса и, следовательно, ценные данные для диагностического и терапевтического применения [Liu, Leu, and Schmitt, 2006; Chan, Misch, and Wang, 2010; Shah and Chong, 2018].
Трехмерная (3D) печать - это новейшая технологическая разработка, которая может сыграть значительную роль в диагностике и лечении статмологических заболеваний [Lee et al., 2015; Shah and Chong, 2018; Oberoi et al., 2018; Tahayeri et al., 2018; Wang, Chen, and Lin, 2019]. Данный метод имеет ряд преимуществ по сравнению с обычной фрезеровкой. 3D-печать позволяет формировать объекты с любой геометрической сложностью, из различных видов соединений, композитов или материалов.
Аддитивные системы изготовления сводят построение сложных объектов к управляемому, простому и относительно быстрому процессу. Эти свойства привели к их широкому применению [Донских, 2017; Лазаренко и др., 2018]. Кроме того, 3D-печать обладает огромным потенциалом для улучшения гигиены полости рта, что подтверждается в различных исследованиях и клиническом лечении [Oberoi et al., 2018].
В последнее время для стоматологического реконструктивного лечения пациентов с челюстно-лицевыми деформациями стали применяться технологии трехмерной печати [Sinn, Cillo, and Miles, 2006; Dawood, Tanner, and Hutchison, 2013; Louvrier et al., 2017]. Распространенное использование 3D-принтеров приводит к переходу от более традиционного клинического процесса к почти исключительно цифровому формату [Kasparova et al., 2013; Визер, Елали, 2017; Brown et al., 2018; Чевычелова, Зубкова, 2019].
Визуализация результатов лечения делает его перспективным клиническим инструментом [Moser, Santander, and Quast, 2018]. Его повышенное использование в значительной степени объясняется тем, что он может обеспечить индивидуальный подход в течение короткого периода времени, что соответствует цели индивидуализированной медицины, где каждый пациент требует конкретного, индивидуального, терапевтического подхода [Dodziuk, 2016' Коровкина, 2018]. Поскольку одной из целей современной медицины является внедрение персонализированной помощи, технология 3D-печати должна применяться для поддержки таких методов, поскольку она может обеспечить конкретный подход для каждого пациента за короткий период времени с минимальными затратами и с сохранением высокого качества обслуживания [Дьяченко и др., 2015; Choi and Kim, 2015].
Как мы видим, движущая сила прогресса в области 3D-печати для медицины и стоматологии заключается в возможности индивидуализации продукции, экономии на мелкомасштабных производствах, упрощении обмена и обработки данных изображений пациентов и модернизации образования [Oberoi et al., 2018]. По мере развития знаний, аспирантские программы должны рассмотреть возможность внедрения 3D-печати в свои учебные программы [Anderson, Wealleans, and Ray, 2018]. Очень важно, чтобы клиницисты и технические специалисты были знакомы с преимуществами и недостатками автоматизированного производства, поскольку эти процедуры продолжают развиваться и становятся неотъемлемой частью стоматологии [Abduo, Lyons, and Bennamoun, 2014].
Особый интерес вызывает точность 3D-печати, что подтверждается ростом числа публикаций на эту тему. Точность технологии 3D-печати имеет большое значение для клинических применений [Wang et al., 2015; Ishida and Miyasaka, 2016; Jeong, Lee, and Lee 2018; Kalman 2018]. Компьютеры теперь используются для создания точно детализированных моделей, которые могут быть оценены с разных точек зрения в процессе, известном как автоматизированное проектирование (САПР). Для материализации виртуальных объектов с помощью САПР был разработан процесс автоматизированного производства (CAM). Чтобы преобразовать виртуальный файл в реальный объект, CAM работает с помощью машины, подключенной к компьютеру, аналогично принтеру или периферийному устройству [Nayar, Bhuminathan, and Bhat, 2015]. Производство CAD/CAM является более точным, чем технология использования литьевых восков, так как она основана на минимальном вмешательстве человека [Зотова, Вдовенко, 2015]. Автоматизированные производственные процедуры, несомненно, изменят многие аспекты стоматологии в будущем, особенно в отношении простоты лечения и времени производства [Salmi et al., 2013; Дьяченко и др., 2015]. Также абатменты и каркасы имплантатов CAD/CAM лучше подходят, чем обычные литые компоненты. Спроектированная поверхность имплантата имеет преимущество в плавной обработке с определенными характеристиками, что облегчает запись точной геометрии с минимальными неровностями [Abduo and Lyons, 2013].
На сегодняшний день наличие трехмерных (3D) настольных принтеров позволяет экономически эффективно производить направляющие для сверл в зуботехнических лабораториях, что способствует широкому внедрению данной технологии в имплантологию [Chen et al., 2014; Лазаренко и др., 2018; Kalman, 2018]. Современные исследования показывают высокую точность изготовленных направляющих, что устраняет внешние факторы, существующие в рабочем процессе управляемой хирургии [Neumeister, Schulz, and Glodecki, 2017].
Кроме того, 3D-печать стала неотъемлемой частью и ортопедической стоматологии благодаря своей точности [Шустова, Шустов, 2016]. Использование метода фрезерования с использованием системы CAD/CAM и метода аддитивного производства 3D-печати для изготовления зубных протезов неуклонно развивается, привлекая большой интерес в области стоматологии [Аствацатрян, Гажва, 2017; Jeong, Lee, and Lee, 2018]. Зубной оттиск - это негативный отпечаток структуры полости рта, используемый для изготовления зубного протеза или реставрации [Митин и др., 2019]. Точное измерение имеет решающее значение для изготовления зубных реставраций с адекватной подгонкой. Несоответствие имплантата протезу по неточному вычислению приводит к механическим и биологическим осложнениям [Rhee et al., 2015]. В прошлом, используя традиционный метод, оттиск получали путем заливки полужесткого материала в стоматологический оттискный лоток, который затем затвердевал. Эта процедура была неудобна для пациентов, и точность измерений существенно зависела от уровня мастерства и техники практикующих.
Однако прогресс цифровых технологий и внедрение автоматизированного проектирования / автоматизированного производства (CAD/CAM) внесли большие изменения в традиционный способ производства, повышая точность и качество предоставляемых услуг.
Будущие направления исследований должны включать оценку клинических результатов лечения с использованием 3D-печатных объектов [Anderson, Wealleans and Ray, 2018]. Исследование в этой области проводили Zhang H.R.,Yin L.F., Liu Y.L., Yan L.Y., Wang N., Liu G., An X.L., Liu B. [Zhang et al., 2018]. Они построили цифровые стоматологические модели с помощью конусно-лучевой компьютерной томографии (CBCT), создали виртуальную модель с помощью 3D-печати и определили точности 3D-печати стоматологической модели путем сравнения результата с традиционным стоматологическим слепком. Авторы сделали следующее заключение: модели 3D-печати имели более высокую точность по сравнению с традиционными литыми моделями.
Модели 3D-печати FDM (моделирование плавленого осаждения) показывают высокую степень точности. Таким образом, эти модели подходят для клинической практики. Сегодня CAD/CAM является единственным средством производства прочных, безметалловых, имитирующих цвет зуба компонентов в стоматологической практике, включая имплантологию, а также предоставляет возможность изготовления непрямых реставраций [Miyazaki and Hotta, 2011; Abduo and Lyons, 2013]. Метод CAD/CAM использует современные технологии. Сканер оцифровывает подготовленный зуб, и затем каркас или реставрация изготавливается в соответствии с ранее установленной конструкцией. Кроме того, системы CAD/CAM были разработаны для устранения или минимизации потенциальных источников ошибок, присутствующих в традиционных технологиях производства [Martins et al., 2012].
Однако точность SD-печати зависит от ряда критериев. Так, исследования, проведенные Tahayeri A., Morgan M., Fugolin A.P., Bompolaki D., Athirasala A., Pfeifer C.S., Ferracane J.L., Bertassoni L.E. [Tahayeri et al., 2018], доказывают, что ориентация печати и настройка цвета смолы оказывают влияние на точность печати. Установка цвета смолы и толщина слоя печати влияют на интенсивность лазерного луча. Авторы также обнаружили, что толщина слоя SD-печати не оказывает существенного влияния на механические свойства SD-печатных смол.
Для повышения точности SD-печати стоматологических материалов в будущем следует проводить работы с использованием систем SD-печати, позволяющих оптимизировать параметры печати в зависимости от выбранной смолы. Кроме того, в зависимости от метода SD-печати машины и внешних факторов точность варьируется, даже если печатается одна и та же модель автоматизированного проектирования (САПР) [Tahayeri et al., 2018, Kim et al., 2019].
Существует ряд доступных SD-принтеров с возможностью печати различных объектов с использованием разнообразных технологий печати. Наиболее часто используемые SD-принтеры представляют собой твердотельные устройства моделирования плавленого осаждения (FDM), в которых тонкая пластиковая нить используется для укладки слоев для создания пластикового объекта [Милев и др., 2017].
Порошковые SD-принтеры, например, селективное лазерное спекание, используют нейлон или аналогичный термопластичный порошок, который локально расплавляется лазерным лучом. В последнее время были внедрены различные технологии SD-печати на жидкой основе, такие как стереолитографический аппарат (SLA) и цифровая обработка света (DLP), а также PolyJet (фотополимерный струйный). В этих технологиях ультрафиолетовая (УФ) отверждаемая смола полимеризуется с образованием желаемой формы источниками света [Lee et al., 2015]. Kim T., Lee S., Kim G.B., Hong D., Kwon J., Park J.W., Kim N. [Kim et al., 2019] проводили исследование, в котором оценивали различия между моделью САПР и печатными частями с упрощенной направляющей, разработанной на основе направляющей имплантата, и сравнивали точность между тремя типами SD-принтеров. стоматологический трехмерный зубной имплантат
Направляющая имплантата верхней и нижней челюстей, выполненная из сложных анатомических структур, трудно поддается точному измерению. Для точных измерений были разработаны 16 упрощенных направляющих, основанных на направляющих имплантатов верхней и нижней челюстей, которые были изготовлены с использованием следующих трех различных технологий 3D- принтера: фотополимерный струйный (PolyJet), стереолитографический аппарат (SLA) и струйная печать (MJP). Каждая упрощенная направляющая измерялась 4 раза цифровыми штангенциркулями для 20 линейных измерений.