В связи со стремительным развитием цифровых технологий все большее распространение в производстве приобрела методика 3D-печати. Достижения технологий 3D-печати не обошли стороной и стоматологическую отрасль. В стоматологии 3D-печать используется для изготовления моделей челюстей, моделей зубных рядов, лечебных аппаратов, челюстно-лицевых протезов, хирургических шаблонов, каркасов съемных бюгельных протезов, коронок и мостовидных протезов, абатментов, внутрикостных и субпериостальных имплантатов, каркасов для трансплантатов, биологических тканей (кость). С появлением новых технологий и материалов ассортимент и область применения 3D-печати постоянно увеличиваются.
3D-печать, или аддитивный метод производства трехмерного объекта (от англ. addition — добавление), согласно определению Американского общества по тестированию и материалам (ASTM) — процесс соединения материалов для того, чтобы сделать объект из 3D-данных модели, как правило, слой за слоем [1].
Схема аддитивного производства включает следующие этапы:
1. Подготовка CAD-модели.
2. Создание STL файла.
3. Разделение CAD-модели на слои.
4. 3D-печать.
5. Отделочная обработка.
В последние годы наблюдается резкий рост индустрии 3D-печати. По данным ежегодника «Wohlers report» (2015), общий объем 3D-индустрии в 2014 г. составил 4,1 млрд долларов США, а в 2017 г. — 7,3 млрд долларов США. По прогнозу «Wohlers», этот объем к 2020 г. должен был составить 15,8 млрд долларов США, к 2022 г. — 23,9 млрд, и к 2024 г. — 35,6 млрд долларов США [2]. Отмечено, что объем рынка 3D-печати из металлов в 2018 г. увеличился на 41,9% и продолжил 5-летний темп роста более чем на 40% каждый год. Это связано как с появлением новых технологий и материалов, расширением областей применения 3D-печати, так и со снижением стоимости 3D-принтеров.
Все 3D-принтеры можно разделить на 3 большие группы по возможностям и сферам применения. Пользовательские (домашние) — недорогие (стоимость 500—4000 долларов США) настольные системы 3D-печати, в основном работающие с различными типами ABS- или PLA-пластиков. Профессиональные — надежные 3D-принтеры для решения различных производственных, исследовательских и бизнес-задач. Отличаются высокой стабильностью печати, большим выбором материалов с различными характеристиками. Стоимость таких принтеров составляет 15 тыс. — 150 тыс. долларов США. Промышленные — системы 3D-печати для использования на крупных производственных объектах. Как правило, оснащаются большими камерами печати (50—400 см3). Позволяют работать с различными промышленными материалами (выжигаемыми, сверхпрочными, термостойкими). К этому классу относятся, например, 3D-принтеры по металлу, системы печати песчаных литейных форм и другое оборудование. Стоимость таких принтеров составляет 200 тыс. долларов США и более.
Пионером развития 3D-технологий считается C. Hull [3] (США), который в 1986 г. получил патент на устройство по изготовлению трехмерных объектов методом стереолитографии (SLA). Идея создать такой аппарат пришла к нему в 1983 г., когда он использовал ультрафиолетовый свет для отверждения настольных покрытий [4, 5]. Надо отметить, что 16 июля 1984 г., за 3 нед до подачи документов C. Hull, французские ученые Alain Le Méhauté, Olivier de Witte и Jean-Claude André [6] подали заявку на патент устройства для стереолитографии. Однако французские компании «French General Electric Company» (сейчас «Alcatel-Alsthom») и «CILAS» («The Laser Consortium») решили, что это устройство «не имеет перспектив с точки зрения бизнеса» [5, 6]. C. Hull первый ввел в обиход термин «стереолитография», разработал формат файла STL и получил более 60 патентов США на изобретения в области 3D-печати. В 1986 г. он основал компанию «3D Systems», которая стала одним из лидеров в производстве и разработке 3D-принтеров. Имя Чарльза Халла занесли в списки Национального зала славы изобретателей США.
Основные методы 3D-печати
Согласно ISO/ASTM52900-15 и ГОСТ Р 57558-2017 [7], 3D-печать (аддитивное производство) подразделяется на 7 категорий:
1. экструзия материала (Material extrusion): FDM;
2. фотополимеризация (Photopolymerization): VAT, SLA, DLP, SDLP;
3. синтез на подложке (Powder bed fusion): SLS, DMLS, SLM, MJF, EBM;
4. струйное нанесение материала (Material jetting): MJ, NPJ, DOD;
5. струйное нанесение связующего (Binder jetting): BJ;
6. листовая ламинация (Sheet lamination): LOM, SL;
7. прямой подвод энергии и материала (Directed energy deposition): DED, LENS, EBAM.
Технологии 3D-печати из металла
Для 3D-печати из металлов и сплавов в основном используется метод синтеза на подложке (Powder bed fusion). Лазерный луч спекает тонкий слой порошка на рабочей платформе, затем она слегка опускается, а соседняя платформа с порошком приподнимается, и с нее механическая рука сметает новый слой порошка на рабочую платформу (см. рисунок).
Схема метода синтеза на подложке. Рабочая платформа (порошковое ложе).
Технология SLS — селективное лазерное спекание (Selective laser sintering)
Принцип действия. Технология SLS была создана Carl Deckard во время его работы в университете штата Техас в Остине. В 1997 г. он получил патент на аппарат для частичной лазерной синтерезации (US 5597589 A «Apparatus for producing parts by selective sintering») [8]. В технологии SLS происходит частичное спекание лазером металлокомпозитного порошка (частица металлического порошка 100 мкм), затвердевает полимерное связующее. Затем деталь помещают в печь при температурах, превышающих 900 °C, где полимерное связующее сгорает [1, 9]. Права на использование этого патента и развитие технологии SLS получила компания «3D Systems» (США), затем она поделилась своими правами на этот патент с компанией «EOS» (Германия).
Технология DMLS — прямое металлическое лазерное спекание (Direct metal laser sintering)
Принцип действия. В технологии DMLS под действием мощного лазерного луча происходит полное спекание частиц металлического порошка (размер частиц 20—40 мкм). Исключение полимерного связующего позволяет избежать стадий выгорания и инфильтрации и дает металлическую деталь с плотностью 95% по сравнению с плотностью примерно 70% при SLS. Дополнительным преимуществом процесса DMLS по сравнению с SLS является более высокое разрешение деталей из-за использования более тонких слоев, благодаря меньшему диаметру частиц порошка. Эта возможность позволяет создавать более сложные формы деталей. Могут использоваться порошки металлов и различных сплавов [1, 9].
Технология SLM — селективное лазерное наплавление (Selective laser melting)
Принцип действия. Технология SLM схожа с технологией DMLS, но в ней используется более высокая мощность лазерного луча. SLM нагревает металлический порошок до его полного расплавления (до жидкого состояния). DMLS не плавит металлический порошок, поэтому требуется меньше энергии. Спекание нагревает частицы настолько, что их поверхности свариваются друг с другом. Поскольку он не плавит металлический порошок, DMLS работает с металлическими сплавами, в то время как SLM лучше всего работает с чистыми металлами [1, 9].
Аддитивное производство с применением сплавов металлов используют в стоматологии для изготовления каркасов несъемных и съемных зубных протезов [10], дентальных имплантатов, челюстно-лицевых имплантатов и шаблонов. В качестве сплавов применяют кобальтохромовые сплавы и сплавы на основе титана.
Характеристики изделий, произведенных методом 3D-печати
Научные исследования установили, что металлические каркасы из кобальтохромовых сплавов, изготовленные методом 3D-печати, отличаются по своим физико-химическим свойствам от каркасов, полученных методом литья или фрезерования.
Y. Al Jabbari и соавт. (2014) [11] изучали свойства кобальтохромовых образцов, изготовленных методом литья, фрезерованием и методом 3D-печати SLM. При изучении рентгеновских снимков образцов обнаружено, что внутренние поры содержались во всех отлитых образцах и не наблюдались в группах, изготовленных фрезерованием, и напечатанных образцах. Три образца из каждой группы также изучались под электронным микроскопом, оснащенным установкой для рентгеновского микроанализа. Во всех образцах обнаружены небольшие сферические поры, но самое большое количество пор обнаружено в образце, полученном методом литья. У всех образцов также была измерена твердость по Виккерсу, наиболее высокое значение которой имелось в группе, полученной методом SLM.
M. Lucchetti и соавт. (2015) [12] изучали коррозионную устойчивость кобальтохромовых дисков, изготовленных методом литья, фрезерования и SLM. Установлено, что независимо от способа получения все образцы продемонстрировали хорошую устойчивость к коррозии: самой низкой коррозионной устойчивостью в кислой среде обладают сплавы, полученные методом литья.
L. Zeng и соавт. (2014) [13] исследовали физические свойства образцов кобальтохромового сплава, изготовленных традиционным способом литья и методом SLM, до и после обжига с керамикой. Установлено, что SLM-образцы имеют более гомогенную структуру и сохраняют ее после обжига с керамикой. Тестером твердости была изучена твердость по Виккерсу в каждой группе до и после обжига с керамикой, и обнаружено, что у SLM-образцов твердость значительно выше, чем у отлитых образцов. Кроме того, методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и изучением pH раствора доказано, что образцы, полученные разными методами, обладают хорошей, схожей коррозионной устойчивостью.
X. Ren и соавт. (2016) [14] провели испытания прочности соединения керамики с металлом на балках из отлитого обычным способом сплава и изготовленных на SLM принтере после повторных обжигов керамики. Группа SLM продемонстрировала наиболее высокую силу соединения керамики с металлом после всех вариантов обжигов, значительно превысив требования стандарта ISO. Значительные различия в силе соединения керамики с металлом между двумя группами с преимуществом SLM обнаружены только после 5 и 7 обжигов.
В исследовании M. Revilla-León и соавт. (2020) [15] изучали химический состав, шероховатость поверхности и силу сцепления с керамикой металлических дисков, изготовленных методом фрезерования (контроль) и на 4 различных SLM принтерах. Полученные образцы всех 4 групп, изготовленные методом SLM, отличались от контроля и различались между собой по весовому и атомарному процентам химических элементов. Поверхность всех четырех видов образцов, полученных на 3D-принтерах, оказалась в 2—3 раза более шероховатой, чем поверхность фрезерованных образцов. Однако сила сцепления с керамикой у всех образцов была примерно одинаковой.
S. Jang и соавт. (2015) [16] изучали механические свойства образцов из трех видов кобальтохромовых сплавов, изготовленных попарно методом литья и одной из трех новых технологий: фрезерованием, фрезерованием мягкого сплава и быстрым прототипированием по технологии SLM. В результате установлено, что во всех группах образцы соответствовали стандарту ISO для стоматологических реставраций. Однако наиболее высокий предел текучести был в группе прототипирования.
Точность каркасов несъемных протезов, изготовленных методом 3D-печати
В исследовании K. Quante и соавт. (2008) [17] изучали краевое и внутреннее прилегание одиночных металлокерамических коронок с каркасом, изготовленным по технологии SLM. Каркасы коронок были изготовлены из кобальтохромового порошка и из порошка золотоплатинового сплава. Величина краевого зазора до обжига керамики у каркасов из кобальтохромового сплава была выше, чем у каркасов из золотоплатинового сплава. После обжига керамики краевой зазор увеличился в обеих группах.
В исследовании in vitro A. Örtorp и соавт. (2011) [18] изучали среднее значение прилегания каркасов из кобальтохромового сплава мостовидного протеза протяженностью 3 единицы на боковых зубах. Было выделено 4 группы по методу изготовления каркаса: литье по восковой форме, литье по отфрезерованной восковой форме, фрезерование металла, прямое лазерное спекание металла DMLS. Наиболее плотное прилегание для всех точек измерений получено в группе с технологией DMLS. В остальных группах результаты оказались хуже, расположившись в следующем порядке возрастания краевого зазора: литье по отфрезерованной восковой форме, литье по восковой форме, фрезерование металла.
D. Xu и соавт. (2014) [19] исследовали краевое прилегание одиночных металлических каркасов in vitro, изготовленных двумя технологиями: методом литья и SLM. Краевое прилегание литых каркасов оказалось значительно хуже, чем изготовленных на 3D-принтере.
G. Pompa и соавт. (2015) [20] изучали in vitro краевое прилегание каркасов одиночных коронок и мостовидных протезов из 4 единиц в боковом отделе зубных рядов, изготовленных тремя различными технологиями: методом литья из никель-хромового сплава, технологией SLM из кобальтохромового порошка и фрезерованием из диоксида циркония. Наилучшее краевое прилегание получили в группе каркасов из кобальтохромового сплава, напечатанных на 3D-принтере; в группе литых коронок краевое прилегание было несколько хуже, но лучше, чем в группе отфрезерованных коронок из оксида циркония.
L. Zeng и соавт. (2018) [21] исследовали краевое прилегание двух групп одиночных кобальтохромовых каркасов, изготовленных методом литья и методом SLM. Краевой зазор был значительно меньше в группе SLM по сравнению с группой литых каркасов.
N. Kaleli и соавт. (2019) [22] изучали краевое и внутреннее прилегание к отпрепарированной культе нижнего первого моляра одиночных металлических каркасов, изготовленных тремя различными способами: методом литья из кобальтохромового сплава, методом 3D-печати на 3D-принтере SLM с толщиной слоя кобальтохромового порошка в 25 мкм, методом 3D-печати на том же принтере и с тем же порошком, но с толщиной слоя порошка в 50 мкм. Наихудшее среднее краевое и внутреннее прилегание обнаружено в группе каркасов, изготовленных методом литья. В то же время в группах каркасов, изготовленных методом 3D-печати, но с разной толщиной кобальтохромового порошка, краевое и внутреннее прилегание не различались между собой. Авторы исследования сделали вывод, что кобальтохромовые каркасы, изготовленные на 3D-принтере, отвечают клиническим требованиям, и при изготовлении массивных каркасов можно использовать в 3D-принтере слой порошка 50 мкм.
В исследовании M. Hong и соавт. (2019) [23] изучали краевое прилегание и пористость 3 групп каркасов из кобальтохромового (Co-Cr) сплава: в одной группе каркасы изготавливали методом литья, а в других двух — методом лазерного спекания в 3D-принтере, причем в одной группе при мощности лазера 100 Вт, а в другой группе при мощности лазера 200 Вт. Результаты показали, что наихудшее краевое прилегание и высокая пористость до и после облицовки оказались у каркасов в группе спекания при мощности лазера 100 Вт.
A. Al Maaz и соавт. (2019) [24] изучали краевое прилегание и пористость каркасов одиночных коронок, изготовленных методом SLM из трех различных сплавов (Co-Cr — кобальтохромового, Au-Pd-Ag — золотосодержащего, Co-Pd-Cr — кобальтопалладиевого) на культях с тремя различными формами уступа (плечевой 90° шириной 1 мм, глубокий закругленный уступ шириной 1 мм и закругленный уступ шириной 0,5 мм). Наилучшее краевое прилегание было в группе каркасов, изготовленных из кобальтохромового сплава с препарированием на образцах глубокого закругленного уступа.
В исследовании N. Kaleli и Ç. Ural (2020) [25] оценивали точность внутреннего прилегания 4 групп одиночных кобальтохромовых каркасов, изготовленных методом литья и методом лазерного спекания с тремя разными скоростями движения лазера (1, 3 и 6 м/с). Наихудшие результаты получены в группе лазерного спекания с максимальной скоростью движения лазера (6 м/с), при этом в остальных группах результаты были примерно одинаковыми.
В исследовании B. Yildirim (2020) [26] изучали краевое прилегание двух групп каркасов металлокерамических коронок с опорой на абатменты имплантатов, изготовленных методом фрезерования и лазерного спекания. Результаты выявили отсутствие статистически значимых различий по краевому зазору между двумя группами каркасов.
В исследовании M. Revilla-León и соавт. (2020) [27] сравнивали краевое прилегание цельных каркасов несъемных металлокерамических протезов полной зубной дуги с опорой на 6 мульти-юнит абатментах имплантатов до и после обжига керамики, изготовленных методом фрезерования и лазерного спекания. Установлено, что нет статистически значимых различий краевого прилегания каркасов между двумя группами.
A. Di Fiore и соавт. (2020) [28] исследовали краевое прилегание мостовидных металлокерамических протезов из 4 единиц до и после обжига керамики с каркасами, изготовленными методом лазерного спекания на 3D-принтере, а также силу сцепления керамики с металлом на плоских образцах, изготовленных методом лазерного спекания. Результаты исследования показали статистически значимое ухудшение краевого прилегания после обжига керамики. Большинство образцов имело достаточную силу сцепления с керамикой.
Срок службы несъемных протезов, изготовленных методом 3D-печати
R. Prabhu и соавт. (2016) [29] изучали in vivo срок службы металлокерамических мостовидных протезов из трех единиц в боковом отделе челюсти с каркасом, изготовленным из кобальтохромового сплава по технологии DMLS. За период наблюдения не зафиксировано ни одного перелома соединения между частями мостовидного протеза. Обнаружено два осложнения в виде периапикальных изменений и кариеса на соседних зубах; срок службы за 5 лет составил 95,5%.
Применение 3D-печати для изготовления каркасов бюгельных протезов и хирургических шаблонов
В статье I. Tregerman и соавт. (2019) [30] проведена сравнительная клиническая оценка качества кобальтохромовых каркасов бюгельных протезов, изготовленных в 9 клинических случаях тремя разными методами:
1) аналоговым — получение оттиска протезного ложа оттискным материалом, отливка гипсовой модели, изготовление каркаса методом литья;
2) аналогово-цифровым — получение оттиска протезного ложа оттискным материалом, отливка гипсовой модели, сканирование рабочей модели лабораторным сканером и изготовление каркаса методом 3D-печати SLM;
3) цифровым — сканирование протезного ложа интраоральным сканером, изготовление каркаса методом 3D-печати SLM.
В результате оценки полученных каркасов клиницистами установлено, что качество каркасов, изготовленных полностью цифровым методом, было лучше, чем у двух других групп, а аналоговый метод оказался точнее, чем аналогово-цифровой.
C. Li и соавт. (2019) [31] исследовали точность и воспроизводимость пластмассовых и металлических хирургических шаблонов, изготовленных аддитивным методом с помощью разных 3D-принтеров, а также их размерную стабильность через 1 мес после изготовления. Установлено, что хирургические шаблоны, изготовленные из пластмассы в принтере PolyJet («Objet Eden260VS»; «Stratasys Ltd»), точнее пластмассовых шаблонов, изготовленных в 3D-SLA-принтере Form2 («Formlabs Inc»), и металлических шаблонов, изготовленных в 3D-принтере ProX DMP 200 («3D Systems Inc»). Через 1 мес после изготовления металлические шаблоны сохранили свою размерную точность, в отличие от шаблонов, изготовленных из пластмассы.
Применение технологии 3D-печати металла для изготовления индивидуальных имплантатов челюстно-лицевой области
Ученые из Мельбурна D. Ackland и соавт. (2017) [32] разработали индивидуализированный дизайн титанового имплантата височно-нижнечелюстного сустава и ветви нижней челюсти, изготавливаемый методом 3D-SLM-печати и названный мельбурнским, который видоизменяется согласно анатомии каждого пациента. Впоследствии авторы увеличили длину и толщину суставного отростка. При симуляции методом конечных элементов каждого индивидуального имплантата установлено, что такие изменения улучшают сопротивление имплантата нагрузке [33]. Для моделирования индивидуальных титановых пористых черепно-челюстно-лицевых имплантатов, изготавливаемых методом 3D-печати, применяют компьютерные программы UG («Siemens PLM Software», Plano, США), SolidWorks («Dassault Systèmes, SOLIDWORKS Corp.», Waltham, США), Magic RP и 3-Matic («Materialise», Leuven, Бельгия), Geomagics («3D system», Rock Hill, США) [34].
E. Wang и соавт. (2020) [35] предложили для этих целей использовать программу EasyImplant.
Применение технологии 3D-печати металла для изготовления дентальных имплантатов
Технология DMLS используется для изготовления экспериментальных цельных (вместе с абатментом для цементной фиксации коронки) дентальных индивидуальных внутрикостных и субпериостальных титановых имплантатов. При помощи 3D-принтера можно изготовить пористые имплантаты с размером пор от 200 до 400 мкм и механическими свойствами (прочность на изгиб, модуль эластичности), соответствующими свойствам костной ткани. Кроме того, применение технологии DMLS позволяет изготовить индивидуальные имплантаты любой формы, экономит время и стоимость расходных материалов [36—43].
F. Mangano и соавт. (2014) [36] выполнили обзор научных исследований дентальных титановых имплантатов, сделанных методом 3D-печати: за период с 2005 по 2014 г. отобрано 27 статей. Отмечены успешные биологические результаты изучения свойств имплантатов в опытах на культурах клеток и животных. Опубликовано 7 клинических исследований с краткосрочным наблюдением и невысокого качества (без рандомизации и контрольных групп). Отмечены перспективы применения пористых титановых имплантатов и необходимость их дальнейшего изучения.
L. Dos Santos и соавт. (2020) [44] выполнили исследование шероховатости и смачиваемости поверхности и поверхностной энергии дентальных имплантатов, изготовленных индивидуально по технологии SLM, и сравнили полученные параметры с данными из источников научной литературы для дентальных имплантатов, изготовленных стандартным способом. Установлено, что после 3D-печати дентальные имплантаты значительно превосходят стандартные имплантаты по шероховатости и смачиваемости поверхности, а энергия поверхности у напечатанных имплантатов от 10 до 19% ниже, чем у стандартных имплантатов. Авторы сделали вывод, что дентальные имплантаты, напечатанные на 3D-принтере по технологии SLM, не требуют дополнительной обработки поверхности.
T. Oliveira и A. Reis (2019) [45] выполнили систематический обзор научных исследований, в которых изучалось изготовление дентальных имплантатов методом 3D-печати. Авторы сделали выводы, что, хотя технология 3D-печати титановых дентальных имплантатов является надежной и эффективной альтернативой стандартному методу изготовления имплантатов, отсутствует стандартизация метода изготовления дентального имплантата при помощи 3D-принтера и точно не определены преимущества и недостатки напечатанных имплантатов. Кроме того, высокая стоимость оборудования затрудняет широкое применение этой методики изготовления дентальных имплантатов.
M. Revilla-León и соавт. (2020) [46] опубликовали обзор применения 3D-печати металлов в дентальной имплантологии. Установлено, что 3D-печать металлом применяется для изготовления индивидуализированных титановых дентальных и челюстно-лицевых имплантатов, сеток-каркасов для выполнения костной пластики, каркасов для выполнения оттисков с имплантатов, каркасов для изготовления протезов с опорой на имплантаты. Авторы обзора обратили внимание на недостаточность информации о долгосрочном клиническом функционировании, биологических и механических осложнениях напечатанных металлических имплантатов и ортопедических конструкций.
Заключение
Выявлены следующие преимущества 3D-печати:
— улучшенные свойства готовой продукции. Благодаря послойному построению изделия обладают уникальным набором свойств. Например, детали, созданные на металлическом 3D-принтере, по механическому поведению, плотности, остаточному напряжению и другим свойствам превосходят аналоги, полученные с помощью литья или механической обработки;
— большая экономия сырья. Аддитивная технология представляет собой безотходное производство. При традиционных технологиях, таких как отливка моделей, литье или фрезерование каркасов, отходы составляют значительную часть;
— возможность изготовления изделий со сложной геометрией;
— мобильность производства и ускорение обмена данными;
— все данные между компьютерами передаются через Интернет в течение нескольких минут. Нет задержки, повреждений и потерь во время транспортировки.
В настоящее время в крупных клиниках создаются отделения 3D-печати, оснащенные несколькими различными 3D-принтерами и имеющие в своем штате собственных 3D-дизайнеров и инженеров.
Компьютерное моделирование имплантата для последующей 3D-печати — это сложный и длительный процесс, поэтому он выполняется дизайнерами, хорошо владеющими компьютерным программным обеспечением, в тесном контакте с врачами клиники, которые будут выполнять операцию по установке имплантата.
3D-печать из металлов, применяемая в стоматологии для изготовления коронок и мостовидных протезов, каркасов съемных и несъемных протезов, обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами. Изготовленные методом 3D-печати металлические изделия имеют более высокую точность, меньшую пористость, более высокую твердость, коррозионную устойчивость и прочность соединения с керамикой.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.