Ортопедическое лечение с использованием 3D принтера
Только человек, с его знаниями об окружающем мире, с его стремлением к улучшению своей жизни может этот мир менять. Сейчас сложно кого-то удивить принтером. Это устройство вывода информации на бумагу есть практически у каждого владельца компьютера. Но техн
Что такое 3D-печать? Традиционно под этим термином понимают послойное изготовление некоего объекта, которое основано на его виртуальной (компьютерной) трехмерной модели. Уже сегодня можно сказать что, технология 3D-печати в будущем окажет сильное влияние на многие, если не на все сферы человеческой жизни, поскольку с ее помощью можно будет очень быстро и точно изготовить практически любой предмет, начиная от детской игрушки и заканчивая настоящим оружием.
Еще совсем недавно процесс создания прототипа любого изделия был невероятно длительным - до нескольких недель, а то и месяцев, но прогресс никто не отменял, и сегодня технология быстрого прототипирования, или 3D-печати, позволяет в кратчайшие сроки создать образцы практически любых объектов. Такое понятие, как цифровой прототип, полученный путем проектирования 3D-модели в различных СAD-системах, сейчас уже мало кого удивляет.
В сегодняшнем мире жесткой конкуренции основным направлением совершенствования любого производства является модернизация известных и создание новых технологических процессов.
Огромную роль в совершенствовании технологического процесса изготовления деталей играют компьютерные и инновационные технологии, которые позволяют произвести корректировку технологии для создания отливок наилучшего качества с наименьшими затратами. Все это, в конечном итоге, приводит к экономии материалов, энергоносителей, рабочего времени, бережется оборудование, а взамен получается масса уникальной информации о технологическом процессе.
Особенности печати на 3D - принтере
Идея «печатать» протезы и коронки из биологически совместимых композитных материалов пришла в головы иранских учёных. Хусейн Хейроллахи из Университета имени имама Хусейна и его коллега Фарид Аббасзаде, представляющий Исламский университет Азад, считают, что современные технологии быстрого прототипирования вполне способны воспроизвести копию зуба со всеми его выступами, углами и бороздками. Во всяком случае это гораздо эффективнее, нежели современная «художественная резьба» по полимерной заготовке, считают специалисты. Для получения трёхмерной модели зуба предложено использовать компьютерную томографию конусообразным лучом (CBCT), которая уже применяется в стоматологии. Этот способ почти безопасен для пациента, поскольку доза облучения является минимальной, а качество изображения остаётся очень высоким. Завершить моделирование поможет система автоматизированного проектирования (САПР). После этого 3D-принтер изготавливает протез зуба или целой челюсти по компьютерной мерке из порошкового либо жидкого полимера, поясняют исследователи. Насколько этот процесс дешевле и проще традиционных методик, сказать сложно, потому что до испытаний дело пока не дошло. 3D-печать - это новый этап развития цифровой стоматологии, который был разработан для решения ряда задач, непосильных привычной CAD/CAM фрезеровке.
Сравнение 3D-печати и фрезеровки
В сравнении с фрезеровкой, печать имеет ряд преимуществ:
1.Экономия материалов. При фрезеровке порядка 90% дорогостоящих материалов идет в отходы. При печати вы используете только то количество материала, которое необходимо для изготовления конструкции и небольшое количество для построения вспомогательных элементов "поддержки".
2.Точность. При фрезеровке вы ограниченны возможностями фрезера, используемых стратегий фрезеровки, диаметром используемых фрез, углом фрезеровки, невозможностью фрезеровки больших поднутрений, либо элементов, которых фрезером невозможно отфрезеровать физически из-за невозможности доступа к ним. При печати все намного проще, печатаете ту форму, которая вам нужна и не ограничены в дизайне.
3.Скорость. При фрезеровке вы одновременно изготавливаете одно изделие, при печати вы можете одновременно изготовить несколько десятков или сотен коронок или других конструкций.
Аддитивное производство. С использованием различных материалов этот способ явдяется наиболее выгодным, так как отстутствуют проблемы с фрезерованием. Главным преимуществом данного вида производства является способность создания мелких деталей , пустот и сложной внутренней геометрии. Другим ограничение СAD/CAM систем является то, что в процесс нелегко ввести в массовое производство деталей, таких как мостовидные протезы и коронки. В отличие от субтрактивной методики производства, здесь объект изготавливается путем наложения слой за слоем из 3D модели. Этот процесс работает обрабатывая 3D файлы и создавая серии поперечных срезов. Каждый слой затем печается один поверх другого, создавая 3D объект. Одной из положительных сторон этого производства является безотходное производство. Таким образом, аддитивное производство является новой ступенью от быстрой разработки моделей к производству реальных деталей в качестве конечной продукции. Стериолитография (SLA). Термин «стериолитография» впервые был введен в 1986 году Чальзом Халлом, который охарактеризовал его, как метод для изготовления твердых предметов, послойной печатью тонких слоев материала, чувствительного к ультрафиолету. Сконцентрированный луч ультрафиолетового излучения фиксируется на поверхности заполненной жидким фотополимером и, как луч света рисует объект на поверхности жидкости , каждый раз, когда слой полимеризуется. Объект формируется слой за слоем, чтобы создавать твердый предмет.
Основные технологии 3D-печати и выбор устройства
Основные технологии 3D-печати используемые в стоматологии это: 1.полимеризация фотополимера (DLP, SLA, PolyJet); 2. селективное лазерное спекание металла или пластика (SLS, SLM. Вторая технология используется в основном для печати конструкций из кобальт-хромового сплава (лазерное спекание), либо титана, либо для печати пластиковых моделей. Принцип работы заключается в послойном спекании порошка при помощи лазера. Первая технология набирает свои обороты и заключается в послойной (DLP), точечно послойной (SLA), либо струйной печати фотополимером. Среди новых разработок следует отметить непрерывную полимеризацию изделий. Так полимеризуются не отдельные слои методом засветки каждого отдельного слоя, а непрерывно выращиваемое изделие, проецируя в область засветки полимеризующего видеопотока. Если изначально в этой технологии использовали обычный пластик с фотоинициатором в качестве катализатора процесса, то сейчас ассортимент используемых материалов значительно расширен и доступны полимеры с различными наполнителями. Это и композитные материалы для временных коронок, наполненные керамикой и такие материалы, которые раньше обрабатывались только методом фрезеровки, например диоксид циркония. Уже сейчас доступны стоматологические биосовместимые материалы для 3D-печати, которые прошли сертификацию для медицинских изделий класса 2а и могут длительное время находиться в полости рта, а также имеют допуск для контакта с кровью. Например, биосовместимые материалы компании Nextdent для временных коронок, для изготовления хирургических шаблонов, индивидуальных ложек и съемных протезов. Также существует масса материалов для печати диагностических и ортодонтических моделей. 3D-печать в стоматологии становится все более доступной. К примеру, недорогой новый принтер Form 2, (Рис 1.)
Рис.1. Принтер Form 2
от американской компании Formlabs. Его могут позволить себе большинство зубных техников и стоматологов. Его точность позволяет печатать на нем цифровые ваксапы-мокапы, бюгеля, каркасы для литья и прессовки, хирургические шаблоны, диагностические и контрольные модели, учебные и тренировочные модели, индивидуальные ложки, композитные временные коронки, съемные протезы, модели-сетапы для изготовления кап для выравнивая прикуса, различные окклюзионные и разобщающие шины, капы непрямого бондирования брекетов, а также масса других изделий, применяемых в стоматологии. Некоторые параметры принтера Form2: Размеры поля печати: 145 x 145 x 175; Точность печати по оси Z: 25 микрон
Технология печати: SLA. Также на рынке доступны значительно более дорогие принтеры. Например Objet30 Dental Prime, (Рис.2) который позволяет печатать хирургические шаблоны, примерочные коронки с возможностью недлительного нахождения в полости рта до 24 часов, ортодонтические и контрольные модели с точностью до 100 микрон.
Рис.2. Принтер Objet30 Dental Prime
Также на рынке присутствуют принтеры от компании 3D Systems,(Рис.3.) например модель относительно небольшой стоимости Projet 1200, но маленьким полем печати. С возможностью печати небольших мостов для литья и коронок для прессовки.
Рис.3. Принтер3D Systems
Есть также масса других 3D-принтеров с разными характеристиками и возможностями печати, открытые системы и закрытые, в которых возможно печатать только свои "родные" материалы, с разным рабочим полем и скоростью печати. Количество предложений стремительно растет, даже существуют стартапы, с возможностью печати модели или хирургического шаблона используя обычный мобильный телефон. Рынок 3D-печати растет с каждым днем. 3D-печать позволяет сэкономить время, деньги и расширить ассортимент предлагаемых зуботехнической лабораторией услуг. Технология 3D печати не требует инженерных знаний и доступна даже школьнику. Нет никаких препятствий и ограничений в использовании 3D-принтера в вашей зуботехнической лаборатории или клинике. Поэтому смело используйте 3D-печать, чтобы облегчить и упростить свою работу. Основные нюансы при выборе профессионального 3D-принтера для стоматологов, учитывая самые главные факторы - оптимальную технологию 3D-печати, качество, надежность и самое важное - ценовую доступность 3D-принтера именно на рынке России. Так же узнаем, что сегодня влияет на выбор в пользу 3D-печати на примере одной стоматологической клиники. Выбор в пользу SLA. Самой первой профессиональной технологией 3D-печати была стереолитография (SLA) которой в этом году исполнилось 30 лет. SLA остается самой универсальной и мало затратной технологией 3D-печати. В ее пользу говорит большой выбор фотополимеров с различными физическими и химическими свойствами. Лазерная система имеет гораздо более долгий срок службы в отличие от схожей технологии DLP, в основу которой входят такие источники света, как светодиоды или проекторные лампы, которые требуют периодической замены и финансовых вложений. Долгое время основными патентами на использование SLA технологией (именно в том виде, в котором она была изобретена) владела американская компания 3D Systems. Каждый раз, внося небольшие изменения, она продлевала сроки действия патентов, оставаясь абсолютным монополистом на рынке профессиональных и промышленных 3D-принтеров, работающих по технологии SLA.
В 2014-2015 годах ситуация резко меняется и после окончания всевозможных "авторских прав" на рынке появляется множество производителей 3D-принтеров по технологии SLA. (Рис.4)
Рис.4. Линейка принтеров изготовленная на основе
Сравнительная характеристика разных моделей 3D-принтеров
Самое оптимальное и экономически выгодное решение на рынке профессиональных 3D-принтеров (SLA) для стоматологии. Принтер 3D-принтер Basic (D) <http://www.3dosnova.ru/62i.Basic_3D.htm> (Рис.5)
Рис.5. Принтер 3D-принтер Basic (D) <http://www.3dosnova.ru/62i.Basic_3D.htm>
Данная модель не позиционируется с известными марками настольных вариантов 3D-печати. Это более доступный вариант профессионального и дорогостоящего оборудования, способный выполнять беспрерывно большой объем печати, при этом имея уникальный функционал управления и набор превосходных возможностей. Несколько факторов преимущественного обоснования Basic (D): 1.3D-принтер Basic (D) <http://www.3dosnova.ru/62i.Basic_3D.htm> и его программное обеспечение предназначены непосредственно для стоматологов; 2.Вертикальное расположение моделей без потери качества при печати в 25 микрон. Самая максимальная скорость печати среди конкурентов; 3.Нет привязки к расходным материалам. Уникальная система регулировки скорости засветки лазера позволяет добиться высокого результата точности, используя любой сторонний фотополимер (405 нм); 5.Пять режимов печати (25\30\50\75\100 микрон). 6.Низкая себестоимость печати;7. Прямая печать отсканированных моделей в формате STL; 8.Самое выгодное сочетание цена\качество на Российском рынке 3D-принтеров для стоматологии. Кроме вышеперечисленных стандартные возможности Basic (D):
1. Печать из парафинсодержащего фотополимера для последующего литья без зольности, используя стандартный температурный режим выжигания.
. Также возможна печать жестким\ABS\резиноподобным\прозрачным\белым\телесного цвета и многими другими фотополимерами.
. Все фотополимеры не токсичны и сертифицированы по стандартному IV классу безопасности.
4. Рабочий ресурс лазерной системы 10 000 часов, что подтверждается гарантийным предписанием.
. Полноценное сервисное сопровождение на территории России.
Применение 3D-принтера в практике
Стоматологи и инженеры-биомедики из американского города Мичиган в прошлом году провели первую операцию с использованием зубной ткани, напечатанной на 3D-принтере. У пациента наблюдалось сильное повреждение тканей пародонта, для их реконструкции ученые напечатали биоразлагаемый полимер по скаффолд-технологии. (Рис.6)
Рис.6.Повреждение тканей пародонта и биоразлагаемый полимер по скаффолд-технологии
Несмотря на то, что через 13 месяцев после операции началось обнажение полимерной детали из под ткани десны, ученые уверены, что биоматериалы, изготовленные по технологии 3D-печати, будут востребованы в будущем, заменив традиционные методы реконструктивной стоматологии. Экспериментальная операция была проведена на 53-летнем пациенте с диагнозом - агрессивная форма генерализованного пародонтита. Поскольку круг возможных методик для реконструкции в данном случае был ограничен, стоматологи остановили свой выбор на операции с использованием выращенной полимерной матрицы, которая должна заместить поврежденные ткани (Рис.7.).
Рис.7. Исходная ситуация
Согласно отчету, исходные данные для печати полимера были записаны в STL-формате, для выбора места трансплантации были использованы снимки дефекта пародонта, выполненные с помощью компьютерной томографии. Скаффолд-полимер был распечатан на 3D-принтере методом селективного лазерного спекания, с использованием пудры поликапролактона с 4% содержанием гидроксиапатита (Рис.8).
Рис.8. Отбрасывание слизисто-надкостничного лоскута с последующим закрытием места дефекта биополимерным материалом , напечатанным на 3D-принтере
Как утверждается в отчете, место реконструкции сохранялось в первоначальной форме в течение 12 месяцев, при этом прирост ткани составил 3 мм, что позволило частично закрыть корень зуба, при этом врачи не наблюдали признаков хронической инфекции или расхождения швов (Рис.9).
Рис.9. Наложение швов
Тем не менее, через 13 месяцев после операции, полимер, вшитый в ткань пародонта, стал виден (Рис.10, 11).
Несмотря на то, что первый результат применения тканей, напечатанных на 3D-принтере по скаффолд-технологии, оказался неудачным, исследователи уверены, что дальнейшие эксперименты и клинические испытания с использованием данной технологии, в конечном счете, позволят достигнуть изначальной цели: создание персонализированной реконструктивной стоматологии. Как они утверждают, что этого необходимо работать над улучшением резорбции полимерной ткани.
имплантат протез коронка композит пр
Заключение
Технология 3D печати позволяет производить зубные имплантанты, учитывая индивидуальные особенности анатомии пациента. Таким образом, метод SLM позволяет решать многие клинические задачи, связанные с протезированием, максимально индивидуализировать протезы, сделать их более удобными и комфортными. Вот так технология простого 3Д принтера вписалась в непростую, но очень качественную и результативную, технологию 3д стоматологии.