CC BY
188
"Medical & pharmaceutical journal "Pulse" | "Медико-фармацевтический журнал "Пульс"
УДК 339.35
http://dx.doi.org/10.26787/nydha-2686-6838-2020-22-10-15-18
OVERVIEW OF 3D PRINTING TECHNOLOGIES IN DENTISTRY
Ertesyan A.R., Sadykov M.I., Nesterov A.M.
Samara State Medical University, Samara, Russian Federation
ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЙ 3D - ПЕЧАТИ В СТОМАТОЛОГИИ Эртесян А.Р., Садыков М.И., Нестеров А.М.
ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Самара, Российская Федерация
Аннотация. Сегодня, в век высоких скоростей и научных открытий, люди пытаются всеми силами ускорить процесс разработки и выхода в свет нового товара. Один из таких путей - использование техники быстрого прототипирования (быстрое создание прототипа разрабатываемого оборудования для проведения над ним серии тестов или его доработки до окончательного изделия). Вначале для изготовления прототипов использовались классические методы (точение, фрезерование, штамповка), однако это было неудобно по целому ряду причин (такое производство заготовок генерирует большое число отходов, работа должна выполняться квалифицированным персоналом). Поэтому в 80 годах прошлого века появились альтернатива - объект изготавливается не «разом» (из заготовки путем изменения её формы), а послойно (причем, используются достаточно необычные материалы -металлические и пластиковые порошки, различные виды глины, полимеры, чувствительные к свету), после чего слои скрепляются между собой. Данный обзор посвящен распространенным технологиям 3Б-печати используемых в стоматологии. Представлены технологии и схемы 3D-печати. Ключевые слова: аддитивные технологии, 3D - печать, лазерная стереолитография, моделирование методом наплавления, селективное лазерное спекание, метод многоструйного моделирования, струйное нанесение фотополимеров, CJP технология 3d-печати. Abstract. Today, in an age of high speeds and scientific discoveries, people are trying with all their might to speed up the process of developing and publishing a new product. One of these ways is the use of rapid prototyping technique (rapid creation of a prototype of the equipment being developed to conduct a series of tests on it or to refine it to the final product). In the beginning, classical methods (turning, milling, stamping) were used to make prototypes, but this was inconvenient for a number of reasons (such production of blanks generates a large amount of waste, the work must be performed by qualified personnel). Therefore, in the 80s of the last century, an alternative appeared - the object is not made "at once " (from a workpiece by changing its shape), but layer by layer (moreover, rather unusual materials are used - metal and plastic powders, various types of clay, polymers sensitive to light), after which the layers are held together. This review focuses on common 3D printing technologies used in dentistry. Technologies and schemes of 3D printing are presented. Keywords: additive technologies, 3D printing, stereolithogra-phy - SLA, fused deposition modeling - FDM, selective laser sintering - SLS, multi jet modeling - MJM, PolyJet, color jet printing - CJP.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК [1] Chen, J., Zhang, Z., Chen, X. Design and manufacture of customized dental implants by using reverse engineering and selective laser melting technology / J. Chen, Z. Zhang, X. Chen // J Prosthet Dent. - 2017. -Vol. 112. - P. 1088-1095. [2] Dawood, A., Marti, M. B., Sauret-Jackson, V., Darwood, A. 3D Printing in Dentistry / A. Dawood, M. B. Marti, V. Sauret-Jackson, A. Darwood // British Dental Journal. - 2015. - Vol. 219 (11). - P. 521-525. REFERENCES [1] Chen, J., Zhang, Z., Chen, X. Design and manufacture of customized dental implants by using reverse engineering and selective laser melting technology / J. Chen, Z. Zhang, X. Chen // J Prosthet Dent. - 2017. - Vol. 112. - P. 1088-1095. [2] Dawood, A., Marti, M. B., Sauret-Jackson, V., Darwood, A. 3D Printing in Dentistry / A. Dawood, M. B. Marti, V. Sauret-Jackson, A.
"Medical & pharmaceutical Journal "Pulse" I "Медико-фармацевтический журнал "Пульс"
[3] Helena, N. C., Benjamin, M. Wu. Recent advances in 3D printing of biomaterials / N. C. Helena, M. Wu. Benjamin // Journal of Biological Engineering. -
2015. - Vol. 9. - P. 4 - 9.
[4] Liu, Q., Leu, M. C., Schmitt, S. M. Rapid prototyping in dentistry: technology and application / Q. Liu, M. C. Leu, S. M. Schmitt // Int J Adv Manuf Technol. -
2016. - Vol. 29. - P. 317 - 325.
[5] Melchels, F. P., Feijen, J., Grijpma, D. W. A review on stereolithography and its applications in biomedical engineering / F. P. Melchels, J. Feijen, D. W. Grijpma // Biomaterials. - 2018. - Vol. 31. - P. 21 - 30.
[6] Noort, R. The future of dental devices is digital / R. Noort // Dent Mater. - 2017. - Vol. 28. - P. 3 - 12.
[7] Pattanayak, D. K., Fukuda, A., Matsushita, T. Bioac-tive Ti metal analogous to human cancellous bone: fabrication by selective laser melting and chemical treatments / D. K. Pattanayak, A. Fukuda, T. Matsushita // Acta Biomater. - 2017. - Vol. 7. - P. 1398 -1406.
[8] Subburaj, K., Nair, C., Rajesh, S., Meshram, S. M., Ravi, B. Rapid development of auricular prosthesis using CAD and rapid prototyping technologies / K. Subburaj, C. Nair, S. Rajesh, S. M. Meshram, B. Ravi // Int J Oral Maxillofac Surg. - 2017. - Vol. 36 (10). -P. 938 - 943.
[9] Xiong, Y., Qian, C., Sun, J. Fabrication of porous titanium implants by three-dimensional printing and sintering at different temperatures / Y. Xiong, C. Qian, J. Sun // Dent Mater. - 2012. - Vol. 31 (5). P. 815 - 820.
[10] Zein, I., Hutmacher, D. W., Tan, K. C., Teoh, S. H. Fused deposition modeling of novel scaffold architectures for tissue engineering applications / I. Zein, D. W. Hutmacher, K. C. Tan, S. H. Teoh // Biomaterials. - 2020. - Vol. 23. - P. 1169 - 1185.
Darwood // British Dental Journal. - 2015. - Vol. 219 (11). - P. 521-525.
[3] Helena, N. C., Benjamin, M. Wu. Recent advances in 3D printing of biomaterials / N. C. Helena, M. Wu. Benjamin // Journal of Biological Engineering. - 2015. - Vol. 9. - P. 4 - 9.
[4] Liu, Q., Leu, M. C., Schmitt, S. M. Rapid prototyping in dentistry: technology and application / Q. Liu, M. C. Leu, S. M. Schmitt // Int J Adv Manuf Technol. - 2016. - Vol. 29. - P. 317 - 325.
[5] Melchels, F. P., Feijen, J., Grijpma, D. W. A review on stereolithography and its applications in biomedical engineering / F. P. Melchels, J. Feijen, D. W. Grijpma // Biomaterials. - 2018. - Vol. 31. -P. 21 - 30.
[6] Noort, R. The future of dental devices is digital / R. Noort // Dent Mater. - 2017. - Vol. 28. - P. 3 -12.
[7] Pattanayak, D. K., Fukuda, A., Matsushita, T. Bio-active Ti metal analogous to human cancellous bone: fabrication by selective laser melting and chemical treatments / D. K. Pattanayak, A. Fukuda, T. Matsushita // Acta Biomater. - 2017. - Vol. 7. -P. 1398 - 1406.
[8] Subburaj, K., Nair, C., Rajesh, S., Meshram, S. M., Ravi, B. Rapid development of auricular prosthesis using CAD and rapid prototyping technologies / K. Subburaj, C. Nair, S. Rajesh, S. M. Meshram, B. Ravi // Int J Oral Maxillofac Surg. - 2017. - Vol. 36 (10). - P. 938 - 943.
[9] Xiong, Y., Qian, C., Sun, J. Fabrication of porous titanium implants by three-dimensional printing and sintering at different temperatures / Y. Xiong, C. Qian, J. Sun // Dent Mater. - 2012. - Vol. 31 (5). P. 815 - 820.
[10] Zein, I., Hutmacher, D. W., Tan, K. C., Teoh, S. H. Fused deposition modeling of novel scaffold architectures for tissue engineering applications / I. Zein, D. W. Hutmacher, K. C. Tan, S. H. Teoh // Biomaterials. - 2020. - Vol. 23. - P. 1169 - 1185.
Author Contributions. Ertesyan A.R. - literature review, writing a text; Sadykov M.I. - literature review, statistical data processing; Nesterov A.M. - processing of materials, research concept and design. Conflict of Interest Statement. The authors declare no conflict of interest.
Ertesyan A.R. - SPIN-ID: 2931-9961; ORCID-ID: 0000-0003-3541-9971 Sadykov M.I. - SPIN-ID: 4206-1902; ORCID-ID: 0000-0003-1986-8996 Nesterov A.M. - SPIN-ID: 2863-4643; ORCID-ID: 0000-0002-4187-4375
Вклад авторов. Эртесян А.Р. - обзор литературы, написание текста; Садыков М.И. - обзор литературы и
обработка материалов; Нестеров А.М. - концепция и дизайн исследования.
Заявление о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Эртесян А.Р. - SPIN-ID:2931-9961; ORCID-ID: 0000-0003-3541-9971 Садыков М.И.-SPIN-ID:4206-1902; ORCID-ID: 0000-0003-1986-8996 Нестеров А.М.- SPIN-ID:2863-4643; ORCID-ID: 0000-0002-4187-4375
"Medical & pharmaceutical journal "Pulse" | "Медико-фармацевтический журнал "Пульс"
3Б-печать была признана прорывной технологией, которая изменит производство. Эта технология используется в различных областях, таких как стоматология, аэрокосмическая, оборонная промышленность, искусство. В последнее время он стал предметом большого интереса к виртуальному хирургическому планированию. Технология имеет особый резонанс в стоматологии.
3Б-печать также известна как аддитивное производство, быстрое изготовление прототипов, многоуровневое производство или изготовление в твердой форме. Это процесс, в котором несколько слоев материала добавляются один за другим под управлением компьютера для создания трехмерного объекта. Ключевой идеей этого инновационного метода является то, что трехмерная модель разрезана на множество тонких слоев, и производственное оборудование использует эти геометрические данные для последовательного построения каждого слоя до тех пор, пока не будет получен конечный желаемый продукт [1, 4]. Процесс SD-печати можно разделить на несколько этапов:
1. Создание и проверка модели объекта. Трехмерная модель создается либо вручную (в одной из систем CAD), либо автоматически с использованием одной из технологий SD-скани-рования (сканирование с использованием структурированного света, сканирование при помощи лазера, сканирование координатно-из-мерительной машиной и т. д.).
2. Деление модели на слои - слои делаются достаточно тонкими (меньше 100 микрометров), чтобы грани объекта получились плавными и для упрощения процесса печати.
3. Печать объекта - полученный набор слоев загружается в 3D-принтер, который послойно создает объект. Разные технологии 3D-печати используют разные материалы для построения объекта (металлические ленты, порошки и сплавы, фотополимеры, пластиковые пленки и т. д.), из-за этого физические характеристики объектов, полученных с использованием разных техник, могут сильно отличаться.
На сегодняшний день можно выделить около 9 основных технологий 3D-печати. Они различаются по скорости, точности, используемым материалом и другими параметрами. Выбор технологии 3D-печати зависит от задач, которые вы ставите перед 3D-принтером, от требований к получаемым изделиям.
Лазерная стереолитография
(Stereolithography - SLA). История
стереолитографии восходит к 1980 году и была представлена Чарльзом Халлом. Принцип изготовления твердых объектов заключается в последовательной печати тонких слоев фотополимерного УФ-отверждения слой за слоем. Он используется для изготовления хирургических направляющих имплантатов из-за высокой механической прочности, обтюраторов, съемных протезов, индивидуальных ложек, элайнеров и т.д. На время отверждения и толщину полимеризуемого слоя влияет динамика, вовлеченная во всю процедуру. Кинетика может контролироваться мощностью источника света, скоростью сканирования, а также химическим составом и количеством мономера и фотоинициаторов. Кроме того, УФ-погло-тители могут быть добавлены к смоле для контроля глубины полимеризации [2, 3, 5].
Преимущества и особенности технологии: изготовление моделей любой сложности; легкая пост-обработка изготовленного прототипа; высокая точность построения и высокое качество поверхности; большие, чем у других 3D-принтеров, размеры рабочей камеры; низкий процент расходного материала на поддержку; низкий уровень шума производства деталей.
Моделирование методом наплавления (Fused Deposition Modeling - FDM) - разработанное Schott Crump. Термопластичный материал нити экструдируют через сопло, контролируемое температурой, и материал затвердевает сразу (в течение 0,1 с) после экструзии. Движение головки форсунки контролируется процессором, отслеживает и размещает материал очень тонким слоем на вспомогательной платформе. Используются такие материалы, как акрилонитрилбутиростирол (АБС), поликарбонаты и полисульфоны. Построение сложных геометрий обычно требует использования второго экструдера - например, может выдавливать водорастворимый материал носителя [10]. Точность будет зависеть от скорости движения экструдера, а также от потока материала и размера каждого из них. Именно этот процесс используется большинством недорогих 3D-принтеров, что позволяет печатать грубые анатомические модели без особых сложностей. [6, 8]. Преимущества: прочные износостойкие изделия, низкая стоимость материалов, широкие возможности пост-обработки.
Селективное лазерное спекание (Selective Laser Sintering - SLS). Эта технология была введена в эксплуатацию с середины 1980-х годов и была разработана в Техасском университете. Тонкодисперсный порошок материала плавится
"Medical & pharmaceutical Journal "Pulse" I "Медико-фармацевтический журнал "Пульс"
сканирующим лазером, чтобы постепенно наращивать структуры. Когда образуется слой порошкового слоя, новый тонкий слой материала равномерно распределяется по поверхности. Может быть получен высокий (60 мкм) уровень разрешения. Никакого вспомогательного материала не требуется, так как печатные структуры поддерживаются окружающим порошком [7]. При изготовлении лицевого протеза используются полимерные каркасы (полиамид или поликапролактон). Селективное лазерное спекание используется при изготовлении анатомических моделей, режущих и сверлильных направляющих, зубных моделей, а также для конструирования / проектирования прототипов. Преимуществами являются легкость автоклавирования используемых материалов, полная механическая функциональность печатных объектов, более дешевые материалы при использовании в большом объеме, высокая прочность, точность построения, качественные поверхности. Оборудование для SLS-печати оснащается большими камерами построения (до 750 мм), что позволяет изготавливать большие изделия или целые партии небольших объектов за одну печатную сессию, не требует материала поддержки: процесс практически безотходен [1, 9]. Недостатки в том, что технология стоит дорого и требуются значительные климатические условия, такие как сжатый воздух.
Метод многоструйного моделирования (Multi Jet Modeling - MJM). Технология 3D печати, основанная на многоструйном моделировании с помощью фотополимерного или воскового материала. Используется в 3D-принтерах компании 3D Systems серии ProJet. Хорошо печатает: мастер -модели для литья в силикон, высокоточные прототипы, восковки, выжигаемые мастер - модели. Преимущества технологии MJM: высокая точность построения; большой выбор материалов (в том числе, восковых).
Струйное нанесение фотополимеров (PolyJet). Процесс напыления жидких фотополимеров на рабочую платформу струйными печатающими головками. УФ-лампы мгновенно полимеризуют и
отверждают материал, после чего наносится следующий слой. Эта технология использует либо стационарную платформу и динамическую печатающую головку, либо стационарную печатающую головку и динамическую платформу. Светочувствительный полимер впрыскивается на платформу для сборки из струйной печатающей головки и послойно отверждается на постепенно убывающей платформе. Можно печатать широкий спектр смол и восков для литья, а также некоторые силиконоподобные резиновые материалы. Эта технология дает разрешение около 16 микрон и обеспечивает легкий доступ для создания сложных и мелких деталей.
CJP технология ЗБ-печати (Color Jet Printing - CJP). CJP — это технология 3D-печати, в основе которой лежит послойное склеивание и окрашивание композитного порошка на основе гипса или пластика. Хорошо печатает: архитектурные макеты, миниатюрные фигурки людей, сувениры, прототипы для визуальной оценки, презентационные образцы продукции. Преимущества технологии CJP: - полноцветная печать; низкая себестоимость; точность до 0,1 мм [1, 2, 3].
Заключение. Существует огромное влияние трехмерной визуализации и моделирования и технологий систем автоматизированного проектирования на все аспекты стоматологии. С помощью цифровых данных можно делать точные и сложные геометрические формы из различных материалов, локально или в промышленных центрах с помощью 3-D печати. Хотя все, что мы делаем для наших пациентов, может быть сделано на 3D-принтере, но одной технологии недостаточно для удовлетворения всех потребностей нашего пациента. Последние достижения позволили производить каркасы с более низкой жесткостью с функциями высокого разрешения, что позволяет применять их в инженерии мягких тканей. Технология приобретает все большее значение также в области ортопедической стоматологии с ростом использования систем интраорального сканирования.
Responsible for correspondence: Ertesyan Albert Robertovich - Ph.D., Instructor of the Department of prosthetic dentistry, Samara State Medical University, Samara, Russian Federation, E-mail: albertertesyan@gmail.com.
Ответственный за переписку: Эртесян Альберт Робертович -ассистент кафедры ортопедической стоматологии, ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Самара, Российская Федерация, E-mail: albertertesyan@gmail.com.
