Аддитивные технологии в стоматологии

Где можно использовать новые технологии?

На медицину и стоматологию в сумме приходится 17% всего рынка АМ. Прогнозируемые доходы от использования АМ в медицине составят к 2020 году более $3,1 млрд и более $5,0 млрд в 2021 году, в основном за счет инвестиций в США и Западной Европе. При этом одна треть приходится на стоматологию, а остальная часть доходов — примерно в равных долях на изготовление протезов и приборов для медицины, на создание новых продуктов и печать прототипов. Наибольший рост АМ, примерно на 20% в год, предполагается в ортопедии (создание индивидуальных шаблонов для хирургов, имплантаты для коленного сустава и для позвоночника). С учетом создания новых 3D-принтеров и материалов для них, а также за счет снижения цен на услуги печати ожидается появление многих новых приложений АМ в медицине. Поэтому медицина рассматривается как одно из наиболее быстрорастущих приложений для АМ, обладающих высоким потенциалом роста.

В статье мы обсудим оборудование для 3D-печати, биосовместимые материалы, программное обеспечение для стоматологических лабораторий, вопросы обучения и планирования операций. Приведем примеры успешных применений АМ в стоматологии и существующих ограничений по материалам для реставраций. Необходимо также рассмотреть несколько важных факторов (их называют «четыре М», рис. 1) — рынок и технологию, материалы и метрологию — чтобы достичь нужной функциональности за счет выбора предсказуемой и обеспечивающей повторяемость АМ-технологии. При этом материалы и метрология являются определяющими.

Рис. 1. Определяющие факторы для АМ — 4 М

С появлением АМ появилась возможность использовать их для различных приложений: непосредственно для изготовления реставраций, моделей для литья, для изготовления вспомогательных элементов типа шаблонов и хирургических направляющих, для челюстно­лицевого протезирования, изготовления съемных протезов и имплантатов, для планирования операций, широкое применение в ортодонтии.

Естественно, в стоматологии уже давно применяют цифровые методы в виде CAD/CAM-систем. Наиболее законченные решения для задач традиционной практической стоматологии предлагают несколько известных компаний:

Dentsply Sirona [1] с набором оборудования для сканирования отдельных зубов, подготовки рабочего файла и изготовления на установках Cerec (оборудование с ЧПУ) готовых реставраций из диоксида циркония, керамики, металлокерамики, металлических сплавов с их установкой за один визит пациента. В РФ и СНГ почти весь рынок принадлежал продуктам компании: сканеры, программы обработки и обрабатывающие центры CEREC.

Небольшая доля приходилась на сканеры и системы подготовки решений для стоматологов от компании 3Shape (Дания) и DentalWings (Канада):
3Shape: сканеры и программное обеспечение для стоматологии, в том числе интраоральные сканеры.
Dental Wings (Canada): примерно такой же набор оборудования и софта.

АМ-технологии добавили новые возможности:

• печать восковых моделей на 3D-принтере Solidscape (Prod-ways, Франция — США) с последующим литьем в металле отдельных реставраций или мостов;
• изготовление пластиковых высокоточных шаблонов для установки имплантатов;
• изготовление прозрачных накладных брекет-систем в ортодонтии, в том числе как сервис (компания Invisalign, США);
• изготовление шаблонов для моделирования и обучения.

Основные требования:

• биосовместимость материалов, которые имеют контакт с телом человека (сплавы металлов, керамика, пластмассы);
• долговременная устойчивость материалов к воздействию агрессивной среды в полости рта;
• высокие механические свойства материалов протезов, не уступающие природному материалу зубов;
• технологичность и высокая скорость изготовления реставраций.

Затраты на медицину в мире составят $8,7 триллиона

Доля людей старше 65 лет (основной контингент для медицины) увеличится до 11,5%. Только в США стоматологические и ортодонтические лаборатории оказывают услуги более 190 000 стоматологов. И практически все госпитали имеют централизованные отделы с АМ.

Рост применения АМ в медицине в 2017 г. составил 21%, доля АМ в ежегодном доходе составила 11%. В 2017 г. FDA (Food and Drug Administration, США) выпустила руководство по применению изделий медицинского назначения, изготовленных с помощью АМ (Technical Consi­derations for Addi­tive Manufac­tured Medical Devices December 5, 2017). Кроме того, FDA выпустила несколько регулирующих документов по использованию АМ в регенеративной медицине (включая ткани, клетки человека и т. д.), а также по требованиям к работе АМ-отделов при госпиталях [2].

Компании Materialise и Form­lab договорились о сотрудничестве по обеспечению госпиталей законченным, экономичным и простым в эксплуатации решением для запуска своей 3D-лаборатории. Оно рассматривается как некий базовый стандарт и включает в себя программное обеспечение Mimics inPrint, позволяющее работать с визуальной информацией, и 3D-принтер Form 2 от Formlab [3] для печати хирургических шаблонов. Исходная информация может быть получена с помощью интраорального сканера 3Shape TRIOS, обработана в программе 3Shape Implant Studio и затем напечатана на 3D-принтере Form 2 из биосовместимой смолы Dental SG [4] в течение одного дня.

Компании Materialise и Siemens Healthineers подписали соглашение о партнерстве, по которому программное обеспечение Materialise Mimics inPrint будет включено в открытую платформу Siemens Healthineers syngo. Новый продукт с помощью виртуальных 3D­моделей позволит установить более тесное сотрудничество при планировании операций между командами радиологов и хирургов [5].

Philips объявил о сотрудничестве с 3D Systems и Stratasys в разработке клинических 3D-моделей с помощью программы IntelliSpace Portal 10 с последующей печатью на 3D принтерах партнеров [6].

Понятие digital workflow (цифровой рабочий процесс) включает три фазы:

• получение информации с помощью разных сканирующих технологий;
• обработка данных с помощью CAD-программ;
• производство изделия с помощью CAM-систем или АМ из выбранного материала.

О 3D-сканировании в стоматологии [7]

Технологии 3D-сканирования нужны для конвертирования физических моделей в CAD-файлы для последующего моделирования и изготовления отдельных элементов (зубов, коронок, брекетов, десен, виниров и шаблонов) с помощью АМ (таблица 1). Их достоинства:

• быстрое получение информации и ее обработка,
• комфорт для пациента,
• минимум затрат времени и денег,
• эффективное планирование процедуры и ее упрощение,
• лучшие коммуникации,
• углубленное обучение,
• обзор структуры зубов под разными углами.

Из множества существующих методов сканирования в стоматологии (доля в 17%) используют методы на основе:

• рентгеновское излучение,
• оптические,
• компьютерная томография,
• лазерное сканирование,
• ультразвуковые,
• магниторезонансные (МРТ).

Таблица 1. Приложения для 3D­сканирования в стоматологии [8, 9, 10]

Основные игроки на рынке производства оборудования и материалов для стоматологии

Печать из светоотверждаемых полимеров: Carbon3D (США), FormLab (США), Envisiontec (Германия — США), Prodways (Франция), Planmeca Oy (Финляндия), Shining 3D (Китай), Stratasys (США), Digital Wax System (Италия), Roland DGA (США), Invisalign (США), 3D Systems.

Печать из металлов: EOS (Германия), Concept Laser (Германия — США), Renishaw and BioHorizons (Великобритания).

Печать из керамики: Porimy 3D Printing Technology Co (Китай).

Печать биоматериалов: En­visiontec (Германия — США).

Печать (FDM) из термопластиков: Arfona (США).

Компания Carbon привлекает крупнейших производителей материалов для стоматологии к совместной разработке и дальнейшему производству материалов для массового АМ­производства изделий на 3D­принтерах Carbon. Так, компания Whip Mix (США) разработала биосовместимый материал для АМ­производства хирургических шаблонов для сверления (рис. 2). Прозрачная смола является идеальным материалом для быстрого производства высокоточных хирургических шаблонов.

Рис. 2. Хирургический шаблон для установки имплантата из  биосовместимого материала Whip Mix

Два других фотополимерных материала компании DENTCA: DENTCA Denture Base II и DENTCA Denture Teeth — являются биосовместимыми материалами с близкими к традиционному акрилу прочностными характеристиками.

Материал FotoDent (компании DREVE) используется для создания маски для десен. Непрозрачный материал розового цвета сохраняет мягкость и гибкость. Например, стоматологическая смола типа DPR10 позволяет изготавливать на 3D-принтерах Carbon точные, высококачественные модели для стоматологов в 10 раз быстрее существующих методов. Для этого необходимо было решить несколько проблем: длительный цикл изготовления изделия, сложность оборудования, программного обеспечения и их использования (пользователям нужны простота запуска работы и интуитивно понятный интерфейс), плохой сервис и техподдержка.

Carbon успешно решает все эти задачи (рис. 3, 4):

• поддержание оборудования и софта в обновленном состоянии за счет поставки оборудования по подписке (по принципу «все включено»), обеспечивается поддержка по интернету и со стороны технических партнеров;
• за счет интеграции софта с существующими программами для стоматологов требуется минимальное обучение пользователей;
• скорость изготовления изделий для лабораторий будет в 10 раз выше, а значит, стоимость будет ниже.

Рис. 3. Образцы напечатанных изделий

Рис. 4. Модели напечатаны на принтере М2 carbon [11]

Дополнительные опции:

• высокое разрешение;
• цвет, близкий к природному;
• великолепное качество поверхности с минимальной шероховатостью, что является идеальным для термоформовки шаблонов.

На рис. 4 приведен пример успешного применения технологии Сarbon в компании Byrnes Dental Lab (Великобритания). После установки первой машины М2 в Европе и получения результата владелец компании Ashley Byrne через сутки заказал вторую такую же машину, чтобы обеспечивать изделиями не только себя, но и другие стоматологические компании. «Все модели были абсолютно одинаковы со 100% повторяемостью, легко очищались, все процедуры просты и понятны», — сказал Ashley Byrne в интервью TCT.

На рис. 5 показаны рабочие платы с готовыми изделиями, напечатанными на принтере Form 2 компании Formlab.

Рис. 5. Рабочие платы с напечатанными готовыми изделиями (принтер Form 2)

Материалы

Материалы для АМ-технологий в стоматологии можно разбить на несколько групп в зависимости от материала (полимеры, включая смолы и термопластики; керамики и металлы), а также от состояния материала (порошок, нить, жидкость).

1. Полимеры

Термопластики для FDM-машин, где нить из термопластика нагревается и выдавливается через фильеру, создавая слой за слоем точную структуру. Примеры пластиков: ABS, PLA (пригодный для внутриорального использования). Иногда в термопластик добавляют биоразлагаемый полиэстер с биоактивной добавкой (трикальцийфосфат) и используют его в качестве строительных структур (скаффолды) в стоматологии.

Восковые материалы применяются как модели для последующего литья по выплавляемым моделям.

Фотополимерные смолы используются в оборудовании, где отверждение происходит за счет засветки УФ-излучением или излучением лазера. Фотополимеры дают большой выбор по цвету, жесткости, добавкам разных компонентов. В них добавляют биосовместимые и биоактивные добавки, как, например, биоактивное стекло. Фотополимеры можно также использовать вместо восковых моделей для литья высокоточных изделий.

2. Керамики

Используются для производства строительных шаблонов или для керамических протезов. Технологии АМ:

• SLS, в том числе цементных порошков, позволяет получить структуру, подобную керамике и сравнимую с ней по свойствам [12];
• экструзия порошков керамики со связующим с последующим спеканием для получения нужной прочности;
• спекание порошков оксида алюминия с получением структуры высокой плотности и приемлемой прочности — технология Inkjet 3D­печати [13].

Можно также изготавливать протезы из порошка оксида циркония со связующим с последующим спеканием [14].

К сожалению, изделия из керамики, изготовленные методом спекания (АМ), обладают рядом недостатков, как, например, анизотропия усадки при спекании, видимые слои построения на поверхности изделий. Поэтому их можно использовать только как строительные шаблоны (скаффолды).

3. Комбинация связующего и порошка

Применяется в технологии инжектирования (InkJet): в ванну с порошком с высокой точностью наносится в жидком виде связующее с помощью матрицы с множеством сопел. Процесс построения послойный. После завершения построения изделие подвергается термообработке, в результате связующее удаляется, а материал изделия спекается. Используется широкий спектр керамик, металлокерамик.

4. Металлы

В основном речь идет о сплавах на основе титана и CoCr. Никелевые сплавы в протезировании в стоматологии сейчас практически не используются из-за риска аллергии на никель. Титановые сплавы типа Ti6Al4V идеально подходят для изготовления протезов методом SLS: биосовместимые, обладают высокими механическими свойствами и хорошей способностью к остеоинтеграции имплантатов.

Популярные в прошлом протезы на основе драгоценных металлов сейчас уступили место сплавам CoCr, более дешевым, у которых хорошая совместимость с цементом, более высокая твердость, меньший удельный вес, большая устойчивость к коррозии [15].

Технологии

В статье [16] дается сравнительный анализ микроструктуры и механических свойств протезов при изготовлении классическим способом литья, с помощью АМ (SLS) и обработкой по технологии CAD/CAM. При выборе технологии нужно учитывать усадки материала при охлаждении расплава при литье, которые могут привести к нарушению геометрии изделия. Исправить их постобработкой будет непросто из-за высокой твердости сплава. При металлообработке (ЧПУ) образуется много отходов, возможно появление напряжений при удалении поддержек, и также нужно учитывать усадки в процессе обработки. АМ-технология снимает большинство из указанных проблем. При этом технология прямого лазерного спекания (DMLS) более предпочтительна по сравнению с SLS. Сравнительные испытания были выполнены на трех типах металлических 3D-принтеров: PM 100/PXM (Phoenix Systems, Riom, France, ныне 3D Systems), Eosint M270/M280 (EOS GmbH, Munich, Germany) и Bego (Bego Medical, Bremen, Germany).

Наиболее широко используются АМ­технологии при создании биомоделей для диагностики, при обучении планированию и проведению хирургических операций с последующим изготовлением и применением имплантатов.

На рис. 6–13 приведены примеры выполнения отдельных работ с помощью АМ.

Рис. 6. Хирургический шаблон для установки имплантата

Рис. 7. Финишная реставрация (материал — Dentca)

Рис. 8. Ортодонтическая модель нижней челюсти (материал — FotoDent)

Рис. 9. Шаблон хирургический

Рис. 10. Основа (материал —Dentca)

Рис. 11. Шаблон для сверления (материал — FotoDent)

Рис. 12. Контейнер для слепков

Рис. 13. Финишная модель и элементы модели для установки имплантатов

Также увеличивается количество операций с изготовлением с помощью АМ соответствующих челюстно-лицевых протезов и протезов для черепных реконструкций. Можно до проведения самой хирургической операции протестировать и подогнать с помощью модели протеза будущую готовую реконструкцию и уменьшить время проведения операции на 1–1,5 часа [17].

В имплантологии настоятельно рекомендуется использовать хирургические шаблоны, которые намного снижают риск возможных операционных осложнений. Точность шаблонов очень высока: отклонение по углу не более 2 градусов, линейное отклонение в пределах 1,1 мм.

Еще одно применение АМ — изготовление скаффолдов (строительных пористых конструкций) для последующей остеоинтеграции, выбор материала здесь является определяющим. Поскольку нужно не только обеспечить высокую точность изготовления и биосовместимость протеза, но и его растворение со временем после прорастания ткани внутрь пористой структуры протеза. АМ позволяет получить мелкоячеистую структуру пор (размер пор от 300 мкм) с правильным их распределением и размерами, что невозможно для традиционных методов [18].

Интраоральные приложения АМ: изготовление керамических моделей по интраоральному сканированию с последующим изготовлением протезов зубов и колпачков (wax-up); изготовление по технологии SLA полной арки зубов верхней и нижней челюстей, в том числе для обучающих целей.

В целом перспективы применения АМ в стоматологии с учетом снижения цен на оборудование АМ и материалы, а также с учетом быстрого и кардинального улучшения технологий смотрятся вполне оптимистично.

К вопросу о точности АМ-оборудования

SLA-оборудование может создавать структуры с толщиной слоя в 25 мкм, InkJet печатает с минимальной толщиной в 12 мкм, FDM обеспечивает толщину слоя в 127 мкм. Сравнение разных технологий с точки зрения точности изготовления протезов и их элементов выполнено в работе [19]. Приемлемым считается расхождение в зазоре по маржинальной линии в пределах 70–102 мкм.

Преимущества АМ

• Гибкость в применении широкого спектра машин и материалов как для исследования, так и для практического использования;
• ожидается появление новых недорогих более качественных машин и материалов в связи с окончанием действия патентов в области АМ;
• возможность одновременной печати несколькими материалами;
• пассивный характер печати (без изменения фазового состояния материала) позволяет избежать проблем, связанных с короблением при нагреве и охлаждении изделия из CoCr;
• минимум отходов материала (на 40% ниже, чем при металлообработке). При этом 95–98% отходов АМ могут быть возвращены в работу [20];
• размеры изделий определяются габаритами рабочей камеры АМ-оборудования, обычно они значительно превышают по габаритам изделий возможности оборудования с ЧПУ.

Ограничения АМ (на сегодняшний день)

• Эффект слоистости (ступеньки) на боковых поверхностях изделия;
• невозможность использовать для печати изделий из керамики из-за высокой пористости;
• воспроизводимость или повторяемость изделий находится пока на низком уровне;
• необходимость построения поддерживающих структур;
• пока немного компаний— производителей АМ-оборудования, выпускающих машины специально для стоматологии.

Что мы ожидаем в будущем от АМ?

• Создания новых материалов;
• появления новых, ориентированных на клиента инструментов;
• развитие локальных сервисов АМ при госпиталях;
• развитие технологий АМ в сторону более быстрой печати и увеличения объемов производства;
• повышение интеграции между визуализацией, программным обеспечением, оборудованием для 3D-печати;
• улучшение коммуникаций между медицинским сообществом и регулирующими государственными структурами;
• рост биопринтинга, включая печать электроники в медицинские приборы;
• для локальных сервисных центров при госпиталях большее использование для обучения и планирования хирургических операций, улучшение предсказания и подтверждения результатов.

Ожидания в области приложений

Некоммерческая медицинская ассоциация (SME, США) в 2018 г. провела опрос специалистов-медиков на тему прогнозов применения АМ-технологий в медицине. Некоторые ответы для стоматологии приведены на рис. 14–16.

Рис. 14. Прогноз по использованию материалов (SME, США)

Рис. 15. Прогноз по использованию АМ-технологий (SME, США)

Рис. 16. Прогноз по областям применения АМ (SME, США)

Из обращения гендиректора Carbon J. DeSimone в связи с резким снижением цен на расходные материалы: «Это простое снижение цен компанией Carbon означает начало перехода мира 3D-технологий от нынешнего 10- миллиардного рынка к цифровому производству в многие сотни миллиардов долларов. Сравним массовое производство изделий по классической технологии литья в пресс-формы и с помощью АМ (рис. 17). Себестоимость литья уменьшается с увеличением объема производства, в то время как для АМ она не меняется. Долгое время цены на расходные материалы для АМ были слишком высокими и не позволяли значительно увеличивать производство. Поэтому и объем производствас помощью АМ составляет сегодня скромные $10 млрд».

Рис. 17. Сравнение себестоимости детали по технологии литья в пресс-формы и АМ

Заключение

Цифровое производство — АМ — сегодня является доминирующим по сравнению с традиционной технологией на основе ЧПУ. Пока АМ достаточно дороги для стоматологии, но в перспективе ожидается значительное снижение стоимости оборудования и материалов, в основном из-за окончания сроков действия патентов на АМ-технологии.

Сплав CoCr наиболее подходит для изготовления зубных протезов по технологии АМ в силу своих уникальных свойств: невысокая стоимость, хорошие механические свойства. Из-за высокой твердости и низкой вязкости сплав не используется для литья или ЧПУ-обработки.

Минимальные отходы АМ и пассивный характер АМ снимают многие проблемы, связанные с постобработкой напечатанных изделий.

Автор: Н.М. Максимов, ООО «Ника-Рус»

Литература

1. www.dentsplysirona.com
2. www.sme.org/globalassets/sme.org/media/white­papers­and­reports/2018‑sme­medical­am3dp­annual­report.pdf
3. www.materialise.com/en/medical/mimics­inprint­formlabs
4. https://formlabs.com/blog/new­formlabs‑3shape­integration­to­simplify­dental­surgical­guide­workflow/
5. https://www.materialise.com/en/press­releases/materialise­and­siemens­healthineers­syngovia­partner­to­bring‑3d­printing­to
6. www.usa.philips.com/a‑w/about/news/archive/standard/news/press/2017/20171127‑philips­teams­with‑3d­printing­industry­leaders‑3d­systems­and­stratasys.html
7. Current status and applications of 3D scanning in dentistry Mohd Javaid, Abid Haleem, Lalit Kumar, «Clinical Epidemiology and Global Health», www.elsevier.com/locate/cegh
8. Mangano F, Gandolfi A, Luongo G, Logozzo S. Intraoral scanners in dentistry: a review of the current literature. BMC Oral Health. 2017; 17:2–11.
9. Kumar L, Shuaib M, Tanveer Q, Kumar V, Javaid M, Haleem A. 3 D scanner integration with product development. Int J Eng Technol. 2018; 7 (2): 220–225.
10. Nedelcu RG, Persson AS. Scanning accuracy and precision in 4 intraoral scanners: an in vitro comparison based on 3‑dimensional analysis. J Prosthet Dent. 2014; 112 (6): 1461–1471.
11. www.tctmagazine.com/3d­printing­news/tct­talks­to­byrnes­dental­lab/
12. Tian X, Gu nster J, Melcher J, et al: Process parameters analysis of direct laser sintering and post treatment of porcelain components using Taguchi’s method. J Eur Cera Soc 2009; 29: 1903–1915.
13. Maleksaeedi S, Eng H, Wiria FE, et al: Property enhancement of 3D­printed alumina ceramics using vacuum infiltration. J Mater Proc Tech 2014; 214: 1301–1306.
14. Ebert J, Ozkol E, Zeichner A, et al: Direct inkjet printing of dental prostheses made of zirconia. J Dent Res 2009; 88: 673–676.
15. Li KC: Microstructure and phase stability of three dental cobalt chromium alloys used for porcelain­fused­to­metal restorations during thermal processing. PhD Thesis, Otago, New Zealand, University of Otago, 2015.
16. Choi Y­J, Koak J‑Y, Heo S‑J, et al: Comparison of the mechanical properties and microstructures of fractured surface for Co­Cr alloy fabricated by conventional cast, 3‑D printing laser­sintered and CAD/CAM milled techniques. J Kor Acad Pros 2014; 52:67.
17. Jardini AL, Larosa MA, de Carvalho Zavaglia CA, et al: Customised titanium implant fabricated in additive manufacturing for craniomaxillofacial surgery. Virt Physi Protot 2014; 9: 115–125.
18. Habibovic P, Gbureck U, Doillon CJ, et al: Osteoconduction and osteoinduction of low­temperature 3D printed bioceramic implants. Biomaterials 2008; 29: 944­953.
19. Tamac E, Toksavul S, Toman M: Clinical marginal and internal adaptation of CAD/CAM milling, laser sintering, and cast metal ceramic crowns. J Prosthet Dent 2014; 112: 909–913.
20. AbduoJ, LyonK, BennaniV, etal: Fitofscrew­retainedfixed implant frameworks fabricated by different methods: a systematic review. Int J Prosthodont 2011; 24: 207–220.

Статья опубликована в журнале «Аддитивные технологии» № 1-2019.