CC BY
666
ПРОБЛЕМНЫЕ СТАТЬИ И ОБЗОРЫ
СAD/CAM СИСТЕМЫ В СТОМАТОЛОГИИ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Наумович Сергей Семенович, кандидат медицинских наук, доцент кафедры ортопедической стоматологии Белорусского государственного медицинского университета, Минск Разоренов Александр Николаевич, врач-стоматолог-интерн, Белорусский государственный медицинский университет, Минск
Naumovich S.S., Razorenov A.N. Belarusian State Medical University, Minsk CAD/CAM systems in dentistry: current state and perspectives of development
Резюме. Появление CAD/CAM систем стало важным этапом развития стоматологии, позволившим упростить многие этапыi изготовления зубных протезов. В статье описаны основные компоненты современных CAD/CAM систем: сканеры, программное обеспечение и методы прототипирования. Для каждого из компонентов приведены различные варианты применения с их преимуществами и недостатками. Представлены возможности работы программного обеспечения не только для моделирования конструкций несъемных и съемных зубных протезов в ортопедической стоматологии, но также для изготовления хирургических шаблонов в имплантологии и различных аппаратов в оротодонтии. Большое внимание уделено различным вариантам прототипирования готовых изделий как с использованием технологий фрезерования, так и современных аддитивных методов.
Ключевые слова: CAD/CAM система, сканер, программное обеспечение, быстрое прототипирование, фрезерный аппарат, 3D-печать.
Современная стоматология. — 2016. — №4. — С. 2—9.
Summary. The advent of CAD/CAM systems has become an important stage in the development of dentistry, allows simplifying of many steps of dental prostheses manufacture. The article describes the main components of modem CAD/CAM systems: scanners, software and prototyping techniques. For each of the components different variants of applications with their advantages and disadvantages are given. Possibilities of dental software for the modeiing of fixed and removable prostheses in prosthetic dentistry as well as for the manufacture of surgical guides in implantology and different appliances in orthodontics are presented. Much attention is paid to various types of finished products prototyping, both using milling technology and advanced additive methods. Keywords: CAD/CAM system, scanner, software, rapid prototyping, milling machine, 3D-printing.
Sovremennaya stomatologiya. — 2016. — N4. — P. 2—9.
Стоматология всегда была тесно связана с новыми материалами и технологиями. За последнее столетие в своем развитии она прошла несколько революционных скачков, каждый из которых определил положение специальности на десятилетия вперед. Так, в начале XX века Dr МН. ТаддаП представил адаптированную из ювелирного дела технологию литья по восковой модели для изготовления вкладок и коронок. Середина прошлого века ознаменовалась появлением полимеров, что привело к широкому использованию в стоматологии акриловых пластмасс для зубных протезов и композитов для пломбировочных материалов. Открытие М. Виопосоге явления протравливания
эмали определило создание адгезивной техники. Результаты исследований P.I. Branemark по остеоинтеграции по сути стали основой современной дентальной имплантологии. Последним достижением стоматологии можно по праву считать появление и широкое внедрение CAD/ CAM систем, открывших новую эру в стоматологии.
Проектирование с использованием компьютеров (Computer-Aided Design - CAD) и изготовление с использованием компьютеров (Computer-Aided Manufacturing -CAM) - термины, которые вошли на нашу практику в 80-х годах XX века. В связи с экспоненциальным ростом мощности компьютеров с каждым годом на рынке появляется все больше новых
и совершенных систем. Так, некоторые компании предлагают нам полностью отказаться от использования слепочного материала и заменить его цифровыми слепками, которые можно отправить в любую зуботехническую лабораторию мира посредством интернета. Другие производители предлагают изготовление цельнокерамической коронки либо сразу нескольких реставраций в одно посещение [1].
Безусловно, пионером в сфере цифровой стоматологии является компания Sirona, которая еще в 1987 году представила систему CAD/CAM CEREC для создания керамических вкладок у кресла пациента. На сегодняшний день на рынке появилось большое количество
Й и
A W V
За
íiüf
Рис. 1. Общая схема современной CAD/CAM системы: 1 - сканирование; 2 - работа с ПО; 3 - фрезерный аппарат (а) и 3D-принтер (б)
различных CAD/CAM систем, способных решать большой круг задач, начиная с проектирования всех видов зубных протезов и заканчивая шаблонами для имплантации [2]. Наиболее популярной среди стоматологов является продукция компаний Amann Girrbach, Sirona, 3Shape, Exocad Technologies, Kavo, Zirconzahn, Bego.
Вне зависимости от производителя любая современная CAD/CAM система включает следующие элементы (рис. 1) [5, 8].
Сканер - устройство, позволяющее перевести геометрию объекта в цифровые данные.
Программное обеспечение (ПО) для моделирования изделия (зубной протез, шаблон, индивидуальный абатмент, кости черепа).
Технология производства (фрезерная установка, 3D-принтер), которая трансформирует цифровые данные в готовое изделие.
Данная система может быть строго замкнутой или открытой. В замкнутых системах ПО работает только с фрезером и сканером компании производителя.
Остановимся поподробнее на каждом из элементов системы.
Сканеры
Сканирование протезного ложа является первым этапом при изготовлении зубного протеза при помощи любой CAD/CAM системы. Разработка первого интраорального стоматологического сканера относится к 1980-м годам.
Все сканеры по принципу работы можно разделить на 3 группы: оптические, лазерные и фотометрические. В стоматологии особую популярность получили оптические и лазерные сканеры.
По назначению сканеры условно делятся на клинические (интраоральные) и лабораторные.
Интраоральные сканеры
Внутриротовое сканирование набирает все большую популярность в стоматологии. Число производителей интраоральных сканеров неуклонно растет. Причиной этому являются многочисленные преимущества использования в повседневной практике врача-стоматолога данной методики перед классической техникой получения оттиска. Существование возможности бесконечного пополнения и обновления данных о пациенте с минимальными затратами в случае неудовлетворительного качества полученной цифровой модели, также является одной из положительных особенностей данного метода.
В тоже время первые поколения цифровых сканеров имели существенные недостатки.
1. Давали возможность получить только двумерное изображение тканей протезного ложа.
2. Имели низкую скорость и точность сканирования.
3. Требовали использования антибликовых порошков.
4. Необходимость придерживаться определенного протокола сканирования.
Рис. 2. Различные модели интраоральных сканеров
В основу работы современных интраоральных сканеров положены бесконтактные оптические технологии: конфокальная микроскопия, оптическая когерентная томография, фотограмметрия, активные и пассивные стереоскопия и триангуляция, интерферометрия и принципы фазового сдвига. Для уменьшения таких помех от сканируемых объектов, как прозрачность и отражение материалов, влажность (особенно слизистой оболочки полости рта) и случайные движения пациента, в некоторых устройствах комбинируются различные методы получения информации о рельефе объекта.
Все интраоральные сканеры могу быть представлены в виде отдельного специального компьютерного модуля либо подключаться к обычному персональному компьютеру вручную (рис. 2). Существуют варианты сканеров, интегрированных непосредственно в стоматологическую установку. Независимо от фирмы производителя все интраоральные сканеры требуют изоляции сканируемых тканей от жидкости, а некоторые модели - нанесения антибликового порошка. Средняя погрешность при сканировании составляет порядка 25 мкм. Большинство устройств выводит данные в формате STL.
Сегодня на рынке представлены следующие интраоральные сканеры:
- CEREC AC BUecam, CEREC Omnicam, Apollo DI - «Sirona Dental System GmbH» (Германия);
- iTero - «Cadent Ltd» (США);
Рис. 3. Различные модели лабораторных сканеров Рис. 4. Варианты работы с ортопедическими модулями
- Lava C.O.S., True Definition - «3M ESPE» (США);
- E4D - «D4D Technologies, LLC» (США);
- IOS FastScan - «IOS Technologies inc.» (США);
- MIA3D - «Densys ltd.» (Израиль);
- DPI-3D - «Dimensional photonics international, inc.» (США);
- 3D Progress - «MHT S.p.A.» (Италия) и «MHT Optic Research AG» (Швейцария);
-PlanScan - «Planmeca» (Финляндия);
-Tríos - «3SHAPE A/S» (Дания);
- Condor - «MFI» (Бельгия);
- Bluescan-I - «A-tron3d» (Австрия);
- ElIOscan - «Steinbichler Optotechnik GmbH» (Германия);
- Оптик-ДЕНТ - Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений (Россия).
Актуальность технологии внутриротово-го сканирования и ее высокая перспективность обусловливают большой интерес к ней и неуклонное развитие. На сегодня список интраоральных сканеров не так уж и мал, приведенные выше - лишь основные из них. На рынке появляется все больше новых моделей внутриротовых сканеров, лишенных недостатков устройств первого поколения. Меняются их дизайн, способ и сама методика получения изображения. Системы становятся более удобными как для врача, так и для пациента.
Лабораторные сканеры
Лабораторные сканеры в отличие от клинических обладают более высокой точностью и скоростью сканирования за счет фиксированного фокусного рас-
стояния и отсутствия смещений объекта сканирования (рис. 3). Также они могут сканировать как гипсовые модели, так и непосредственно оттиски (из специального материала). Некоторые модели требуют нанесения антибликовых порошков. Лабораторные сканеры подходят для изготовления любых видов ортопедических конструкций, от виниров до съемных протезов.
На рынке стоматологического оборудования представлены следующие аппараты:
- inEos X5, inEos Blue - «Sirona Dental System GmbH» (Германия);
- D-series - «3SHAPE» (Дания);
- Ceramill® map400- «Amann Girrbach» (Австрия);
- Activity-series - «Smart Optics» (Германия);
- S600 ARTI - «Zirconzahn» (Италия);
- CS Ultra - «Cad star» (Австрия);
- Freedom - «Dof» (Корея);
- Aadva Lab Scan - «GC» (Бельгия);
- Identica - «Medit» (Корея);
- Reveng 3D Dental scan - «Open Technologies» (Италия);
- DS10 - «Reinshaw» (Великобритания);
- Scan ST - «Steunbichler» (Испания);
- Scan-Fit 2 - «GT Medical» (Германия);
- Maestro 3d - «Age» (Италия);
- d-station - «Breuckmann» (Германия);
- Dora - «Dipro» (Япония);
- Dsan 2+ - «EGS» (Италия);
- D104 series - «Imetric» (Швейцария);
- Open Scan 100 - «Laserdenta» (Германия);
- Dental Scanner - «Nivol» (Италия);
- Dental CAD/CAM Scanner - «Optimet» (Израиль);
- Ceratom EVO - «Protechno» (Испания);
- AutoScan 3D Dental Scanner - «Shining 3D» (Китай);
- Evolution - «ZFX» (Германия);
- LabScan - « HD Bego» (Германия).
Программное обеспечение
Программное обеспечение (ПО) является основой любой CAD/CAM системы. Каждая стоматологическая CAD-программа имеет определенный набор инструментов. Первыми появились «пакеты инструментов», предназначенные для изготовления различного вида протезов с опорой на дентальные имплантаты и твердые ткани зуба. Иными словами, ортопедический модуль, является базовым во всех программах.
По мере развития технологий и с ростом популярности цифровых систем в стоматологии производители начали активно выпускать дополнительные модули. Так, во многих CAD-системах стали доступны цифровые инструменты для врачей-ортодонтов и челюстно-лицевых хирургов.
Ортопедический модуль
Представители: Amann Girrbach « Ceramill Mind», Sirona «Cerec, In lab», 3Shape «CAD Software», Exocad Тechnologies «Dental CAD», Kavo «multiCAD», Zirconzahn «Modellier», Planmeca «Plan Cad Easy», Маestro «3D studio» и др.
Независимо от фирмы производителя рабочая среда программ для цифрового
Рис. 5. Моделирование хирургического шаблона
моделирования протезов схожа. Так, работа с каждым клиническим случаем начинается с регистрации данных пациента. Далее происходит загрузка цифровой модели челюсти либо определенного участка протезного ложа. После загрузки цифровой модели тканей протезного ложа врач-стоматолог переходит к выбору конструкции протеза. Первоначально все программы для цифрового моделирования протезов давали возможность изготавливать только несъемные конструкции: виниры, вкладки, коронки и мостовидные протезы с опорой на твердые ткани зуба и имплантаты. Сегодня производители программного обеспечения расширили список доступных инструментов [6]. Так, у пользователя появилась возможность создавать цифровые модели съемных протезов (полный съемный протез, каркас бюгельного протеза, балки для съемного протеза с опорой на имплантатах), индивидуальные абатменты и индивидуальные ложки, планировать дизайн улыбки и положения имплантата, изготавливать провизорные реставрации до препарирования зубов, моделировать форму культи литых куль-тевых штифтовых вкладок (рис. 4).
Значительные изменения претерпел и сам процесс создания несъемных протезов. На смену библиотекам готовых реставраций постепенно приходит автоматическое адаптивное моделирование с учетом анатомической формы зубов-антагонистов и аналогичных зубов с противоположной стороны (например, модуль
«Biojaw», Sirona). При этом компьютер самостоятельно рассчитывает величину и форму будущей реставрации с учетом динамических окклюзионных контактов. Также в большинстве из программ интегрирован модуль для анализа качества препарирования опорных зубов, позволяющий врачу исправить свои ошибки и затем повторно провести сканирование.
Хирургический модуль
Представители: MIS «Mguide», Sirona «Cerec, In lab, Sidexis», 3Shape «Implant Studio», Amann Girrbach «Ceramill Dicom Viewer», Dentsply «Simplant», Avantis3D «Имплатологический модуль», Implant-Assistant «Planner, Implant Guide», Planmeca «Romexis Viewer», Materialise «SimPlant» и др.
Данный модуль может быть представлен в виде дополнительного пакета CAD-систем либо в виде отдельной программы. В зависимости от сферы применения может использоваться как для планирования амбулаторных операций (на 90% все функции программ предназначены для дентальной имплантации), так и для обширных вмешательств в челюстно-лицевую область.
При планировании операции имплантации хирургический модуль позволяет решить сразу несколько задач:
- определить положение имплантата с учетом состояния костной ткани, а также конструкции будущего протеза;
- изготовить цифровую модель хирургического/имплантологического шаблона (рис. 5).
В дентальной имплантологии точное предоперационное планирование как самой имплантации, так и протезирования является основой успешной реабилитации пациентов. Цифровые данные пациента могут быть получены посредством современных трехмерных методов визуализации, таких как конусно-лучевая компьютерная томография (КЛКТ), мульти-спиральная компьютерная томография (МСКТ) с низкой дозой излучения и большой точностью изображения, и обработаны при помощи специализированного программного обеспечения. Становится возможным планирование трехмерного позиционирования имплантатов и его перенос на область проведения операции.
До этапа широкого внедрения цифровых технологий в стоматологии хирургические направляющие шаблоны изготавливались на гипсовых моделях челюстей. Управляемая (компьютером) дентальная имплантация включает 3 основных компонента, взаимно дополняющих друг друга: компьютерную томографию (КТ), использование специализированных программ планирования и, как результат их взаимодействия, третий компонент - хирургические инструменты: хирургический шаблон (съемное устройство, обеспечивающее индивидуальное направление сверла), удлиненные сверла со стопперами, направляющие рукоятки и пр.
Для изготовления шаблонов с опорой на слизистую оболочку необходимо визуализировать как мягкие ткани, так и зубы. Последние визуализируют исключительно с помощью оптического сканирования: создается оптическая модель, которая в свою очередь передается в программу планирования. Недостаточная визуализация мягких тканей (слизистой оболочки) и контуров поверхности зубов при использовании КЛКТ как впрочем и МСКТ не позволяет изготовить точный назубный или надесневой хирургический шаблон только по данным КТ. Поэтому при полной адентии или протяженных дефектах зубного ряда передача протетической информации начинается с создания рабочей гипсовой модели пациента для изготовления рентгенографического шаблона. Затем проводят сканирование пациента вместе с шаблоном, который
Рис. 6. Изготовление готового изделия
содержит определенные рентгенконтраст-ные метки. Таким образом происходит совмещение данных пациента полученных при КТ-исследовании и гипсовой модели челюсти. После чего на основе данных КТ и рентгенографического шаблона, который, по сути, является дооперационной копией будущего протеза, изготавливают хирургический шаблон с гильзами для сверления. Наличие рентгенографического шаблона предоставляет врачу возможность использовать хирургический шаблон для установки имплантатов без откидывания лоскута.
Хирургический модуль программного обеспечения может также использоваться для планирования обширных вмешательств в челюстно-лицевой области, к которым относятся различные виды остеосинтеза, пластика альвеолярного отростка, синус-лифтинг и пострезекционное протезирование. Планирование проводится по данным КТ в 2 этапа.
На первом этапе производится анализ снимка КЛКТ и выделение костной ткани черепа (Seg3d, Osirix, Mimics medical и др.). Данная манипуляция определяет специфику будущей операции. Далее данные 3й-реконструкции конвертируются в формат STL и переносятся в редактор цифровой графики (Autodesk meshmixer, Blender, Maya и т.д.). Основной задачей данных программ является доработка исходной модели (устранение
неточностей и артефактов) и моделирование будущей конструкции (минипластины, трансплантат).
Ортодонтический модуль
Ортодонтический модуль (3Shape, Planmeca, Maestro Ortho Studio и др.) появился на рынке одним из последних и с каждым годом набирает все большую популярность среди практикующих врачей. Подобные программы содержат огромный арсенал инновационных инструментов для врачей-ортодонтов и позволяют:
- совмещать сканы КЛКТ с цифровыми моделями челюстей;
- сочетать разные типы 2D-изо-бражений, таких как фотографии пациента, рентгеновские панорамные снимки и цефалометрические рисунки с 3D-моделями;
- анализировать формы зубных дуг вертикальное и горизонтальное перекрытия, а также различные измерения моделей челюстей;
- обсуждать план лечения с пациентом посредством демонстрации его клинической картины на экране, а также обмениваться данными с лабораторией в режиме онлайн;
- проводить симуляцию ортодонтиче-ского лечения, которое включает удаление зубов, интепроксимальное иссечение эмали, ограничение и детальное изучение движения зубов;
- оптимизировать окклюзию в реальном времени - мгновенно оценивать предложенное лечение с помощью виртуального артикулятора;
- индивидуально подбирать план лечения - экспортировать этапы плана лечения для изготовления различных ортодонтических конструкций;
- виртуально размещать брекеты для последующей установки, а также изготавливать индивидуальные шаблоны и каппы;
- контролировать ход лечения - возможность сканировать зубы пациента во время лечения и виртуально снять бре-кеты, что позволяет сравнить реальную ситуацию с планом лечения и обеспечить нужное направление процесса лечения.
ПО для фрезеров и станки Последним этапом работы с CAD/CAM системой является изготовление готового изделия (коронки, протеза, шаблона и др.) или цифровое прототипирование (рис. 6). Благодаря развитию технологий стоматологи могу выбирать удобный для себя способ реализации модели. Все технологии цифрового прототипирова-ния условно делятся на субтрактивные и аддитивные. Субтрактивные технологии в стоматологии (фрезерование) Сейчас конечное изготовление зубного протеза по технологии CAD/CAM основано, главным образом, вокруг процесса субтрактивного производства. Суть его заключается в вырезании из заготовки материала объекта на специальных станках. При этом механические приводы станка, использующего острые режущие инструменты, чтобы механически обработать материал для достижения желаемой формы изделия, на всех этапах контролируются компьютерной программой [4].
Каждая компания-производитель представляет собственные фрезерные станки, которые могут иметь клиническое либо лабораторное назначение. Кроме этого, станки различаются в зависимости от материала для обработки, размера блоков, мощности аппарата, количества осей фрезерования и др. Главным недостатком субтрактивной технологии является большое количество отходов материала, которое может многократно превышать объем самого готового изделия.
Аддитивные технологии в стоматологии (3D-печать)
Аддитивные технологии являются одним из приоритетных направлений развития стоматологического оборудования на сегодняшний день. В отличие от субтрак-тивной методики здесь объект изготавливается путем наложения материала слой за слоем. Основу данного процесса составляет компьютерная обработка 3D-файлов, после которой цифровой объект превращается в набор срезов определенной толщины. Каждый слой затем печатается один поверх другого, чтобы создать 3D-объект. Одним из основных преимуществ данного вида производства является способность создавать мелкие детали, пустоты и объекты со сложной внутренней геометрии. Также к положительным особенностям этой методики следует отнести безотходное производство [3, 7, 9].
Несмотря на все преимущества, на данный момент аддитивные технологии прототипирования из-за технических ограничений не нашли такого широкого применения в стоматологии, как суб-трактивные.
Говоря об аддитивных технологиях, следует отметить, что в настоящее время на территории СНГ не существует официального стандарта терминов, связанных с 3D-печатью. В результате многие из них являются разнящимися переводами оригиналов, несколько сбивающих потребителя с толку. Кроме того, сами производители 3D-принтеров зачастую стараются монополизировать части рынка, внося незначительные изменения в существующие технологии ради получения патента и снабжая «новинки» новыми названиями, тем самым лишь усугубляя неразбериху. В то же время все виды аддитивных технологий можно условно классифицировать на определенные группы. 1. Лазерная литография (SLA) и цифровая светодиодная проекция (DLP) Термин «стереолитография» впервые был введен в 1986 году Ч. Халлом, который охарактеризовал его как метод изготовления твердых предметов, послойной печатью тонких слоев материала, чувствительного к ультрафиолетовому свету. Принцип работы данных установок
заключается в следующем. Специальное ПО создает модель объекта, разделив его на тончайшие слои, от 5 до 20 на миллиметр. Затем сконцентрированный лазерный луч фокусируется на поверхности, заполненной жидким фотополимером, и рисует объект на поверхности жидкости каждый раз, когда слой полимеризуется. Этот процесс повторяется слой за слоем, пока не будет сформирована твердая модель объекта.
После завершения печати, объект промывается растворителем для удаления не полностью отвержденного полимера, а затем помещается в ультрафиолетовую печь для тщательной полимеризации материала.
Это не очень быстрый процесс, и в зависимости от размера и количества объектов, создаваемых лазером, процесс создания каждого слоя может занять минуту или две. Если объект небольшой, можно производить несколько предметов одновременно. Обычно работа занимает от 6 до 12 часов, а крупный объект может изготавливаться в течение нескольких дней. Одной из первых областей применения стереолитографии было изготовление физических моделей по анатомии человека. SLA-модели стали использоваться в медицине и стоматологии для планирования хирургических операций, как средство моделирования индивидуальных имплантатов, например, при краниопластике, а также вкладок и накладок для восстановления целостности кости. Использование лазерной стереолитографии постепенно расширяется и включает изготовление временных коронок и мостовидных протезов, полимерных моделей для воскового литья.
Цифровая светодиодная проекция -это альтернативный метод стереолито-графической 3D-печати, использующий светодиодные проекторы вместо излучения лазера, что позволяет снижать себестоимость устройств. В отличие от лазерных установок, сканирующих поверхность материала одним или несколькими лазерными головками, DLP-принтеры проецируют изображение целого слоя до затвердевания полимерной смолы, после чего наносится новый слой материала и проецируется изображение нового слоя цифровой модели.
О преимуществах того или иного метода сложно судить. DLP-печать появилась совсем недавно, но уже демонстрирует прекрасные результаты, сопоставимые по точности и производительности с оригинальной технологией лазерной стереолитографии (SLA). Основным преимуществом DLP над SLA может стать более низкая стоимость используемых проекторов по сравнению с лазерными излучателями.
2. Моделирование методом наплавле
ния (FDM, FFF)
Моделирование методом наплавле-ния (FDM - Fused deposition modeling) и производство методом наплавления нитей (FFF - Fused filament fabrication) -оба этих названия описывают один метод печати. Название «Fused filament fabrication» было придумано для обхода юридических ограничений для аббревиатуры FDM, которая принадлежит компании Stratasys.
Принцип работы FDM-принтеров заключается в послойной укладке расплавленной полимерной или металлической нити. Нить подается с катушки в экструзионную головку, далее материал наносится на рабочую поверхность, где охлаждается и отвердевает. Так, в зависимости от необходимой степени детализации и геометрической сложности объекта можно использовать принтеры с разным количеством экструзионных головок.
3. Технология многоструйного моделирования (MJM)
Технология многоструйного моделирования (MJM) - фирменный метод аддитивного производства, запатентованный компанией 3D Systems. Технология используется в линейке профессиональных принтеров ProJet и сочетает черты таких методов 3D-печати, как струйная трехмерная печать (3DP), моделирование методом послойного наплавления (FDM/FFF) и стереолитография (SLA). Построение слоев совершается с помощью специальной печатной головки, оснащенной массивом сопел. Количество сопел в существующих моделях принтеров варьируется от 96 до 448.
Печать производится термопластиками, восками и фотополимерными смолами. В первых двух случаях материалы за-
твердевают за счет постепенного охлаждения. В случае печати фотополимерами каждый нанесенный слой обрабатывается ультрафиолетовым излучателем для полимеризации.
MJM позволяет создавать опоры нависающих элементов моделей из относительно легкоплавкого воска. В случае использования вспомогательных восковых структур по окончании печати готовая модель помещается в печь (встроенную или отдельную) и нагревается до температуры порядка 60°С для выплавки воска. Ранние модели MJM-принтеров использовали обычные термопластики. Развитие и совершенствование фотополимерных материалов привело к постепенной замене термопластиков фотополимерными смолами и восками.
Принтеры ProJet используют ассортимент материалов марки VisiJet, включающий в себя воски и фотополимерные смолы с различными механическими свойствами. Так, VisiJet DentCast используется в качестве отливочного воска в стоматологии, VisiJet X служит в качестве альтернативы популярному ABS-пластику, VisiJet Crystal применяется для создания высокоточных литейных мастер-моделей и т.д.
4. Технологии порошковой печати EBM,
SLS, SLM, DMLS
Электронно-лучевая плавка (EBM)
Электронно-лучевая плавка (Electron Beam Melting - EBM) - метод производства высокоточных металлических изделий. Технология работает путем послойного плавления металлического порошка электронным лучом в вакууме. Использование потока электронов обеспечивает высокую энергию луча, в результате деталь получается равномерно плотная, а благодаря наличию вакуума и общей высокой температуры финальное изделие получает прочность, аналогичную кованым сплавам.
Эта технология уже нашла широкое применение в ортопедии и челюстно-ли-цевой хирургии для изготовления индивидуальных имплантатов. Одной из главных особенностей является способность создавать микропористые структуры из различных сплавов на основе титана и кобальт-хрома.
Прямое лазерное спекание металлов
(DMLS)
Прямое лазерное спекание металлов (DMLS) - технология аддитивного производства металлических изделий, разработанная компанией EOS из Мюнхена. DMLS зачастую путают со схожими технологиями выборочного лазерного спекания (Selective Laser Sintering - SLS) и выборочной лазерной плавки (Selective Laser Melting - SLM).
Процесс включает использование трехмерных моделей в формате STL в качестве чертежей для построения физических моделей. Трехмерная модель подлежит цифровой обработке для виртуального разделения на тонкие слои с толщиной, соответствующей толщине слоев, наносимых печатным устройством. В качестве нагревательного элемента для спекания металлического порошка используются оптоволоконные лазеры относительно высокой мощности - порядка 200 Вт. Порошковый материал подается в рабочую камеру в количествах, необходимых для нанесения одного слоя. Специальный валик выравнивает поданный материал в ровный слой и удаляет излишний материал из камеры, после чего лазерная головка спекает частицы свежего порошка между собой и с предыдущим слоем согласно контурам, определенным цифровой моделью. После завершения вычерчивания слоя, процесс повторяется: валик подает свежий материал, и лазер начинает спекать следующий слой. Привлекательной особенностью этой технологии является очень высокое разрешение печати - в среднем около 20 микрон. Для сравнения, типичная толщина слоя в любительских и бытовых принтерах, использующих технологию FDM/FFF составляет порядка 100 микрон.
К преимуществам метода следует отнести возможность быстрого производства геометрически сложных деталей без необходимости последующей механической обработки. Также технология позволяет создавать несколько моделей одновременно с ограничением лишь по размеру рабочей камеры.
Выборочное лазерное спекание (SLS)
Выборочное лазерное спекание (SLS) -метод аддитивного производства, используемый для создания функциональных
прототипов и мелких партий готовых изделий. Технология (SLS) подразумевает использование одного или нескольких лазеров (как правило, углекислотных) для спекания частиц порошкообразного материала до образования трехмерного физического объекта. В качестве расходных материалов используются пластики, металлы, керамика или стекло. Спекание проводится за счет вычерчивания контуров, заложенных в цифровой модели (так называемое сканирование) с помощью одного или нескольких лазеров. По завершении сканирования рабочая платформа опускается и наносится новый слой материала. Процесс повторяется до образования полной модели.
Метод SLS не требует построения опорных структур. Навесные части модели поддерживаются неизрасходованным материалом. Такой подход позволяет добиться практически неограниченной геометрической сложности изготовляемых моделей.
Выборочная лазерная плавка ^Ш)
Выборочная лазерная плавка ^М) -метод аддитивного производства, использующий лазеры высокой мощности (как правило, иттербиевые волоконные лазеры) для создания трехмерных физических объектов за счет плавки металлических порошков.
Официальным термином для описания технологии является «лазерное спекание», хотя он несколько не соответствует действительности, так как расходные материалы подвергаются не спеканию, как при SLS, а полной плавке до образования гомогенной массы. Альтернативно, процесс может называться прямым лазерным спеканием металлов (DMLS) в случае использования металлических порошков.
Технология SLM применяется для построения объектов сложной геометрической формы, зачастую с тонкими стенками и полостями. Возможность комбинирования гомогенных и пористых структур в одном объекте полезна при создании имплантатов с пористой поверхностью, способствующей остео-интеграции.
По сравнению с другими методами аддитивного производства SLS/SLM позволяет изготавливать детали из относительно широкого спектра имеющихся
в продаже порошковых материалов. Помимо металлов они включают в себя различные полимеры, такие как полиамид, для производства лицевых протезов, полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы, поликапролактон для поддерживающих конструкций при производстве, смесей полимеров и композиционных материалов, таких как смеси гидрокси-апатита, полиэтилена и полиамида, для тканевой инженерии.
Заключение
С каждым годом цифровые технологии все активнее внедряются в практику врачей-стоматологов, упрощая многие этапы реабилитации пациентов. Наибольшее распространение CAD/CAM системы получили в ортопедической стоматологии, где они позволили не только упростить многие клинико-лабораторные этапы изготовления зубных протезов, но и отказаться от некоторых этапов вообще. Большинство исследователей даже прогнозирует исчезновение такой специальности, как зубной техник, и замену ее на специалиста по компьютерному моделированию.
Все недостатки старых CAD/CAM систем, которые ограничивали их широкое
использование, постепенно исправляются компаниями-производителями. Постоянно совершенствуются сканеры, особенно для внутриротового использования, добавляются новые функции в ПО для конструирования готовых изделий, совершенствуются системы как фрезерования, так и аддитивного прототипирования. В то же время главными сдерживающими факторами для более активного продвижения CAD/CAM систем являются, на наш взгляд, их довольно высокая цена, особенно для стоматологического рынка Республики Беларусь, а также консервативное мышление врачей-стоматологов, не позволяющее им отказаться от классических технологий в своей работе.
Развитие технологий прототипирова-ния готовых изделий (зубных протезов, шаблонов, ортодонтических аппаратов, имплантов), скорее всего, в будущем будет идти по пути постепенного вытеснения методов компьютерного фрезерования различными методами 3D-печати. В настоящее время ограниченные рамки использования 3D-печати в стоматологии связаны с очень высокой стоимостью оборудования и пока недостаточной точ-
ностью метода. Также одним из факторов, тормозящих активное продвижение цифровых технологий, является небольшой выбор материалов (в сравнении со стандартными методиками протезирования), которые могут работать с современными системами прототипирования. Поэтому логично прогнозировать дальнейшее развитие стоматологического материаловедения именно для нужд цифровой стоматологии.
CAD/CAM системы не просто изменили процесс изготовления зубных протезов, они изменили стоматологию в целом.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Ряховский А.Н. Цифровая стоматология. - М., 2010. - 282 с.
2. Alghazzawi TF//J. Prosthodont. Res. - 2016. -Vol.60, N2. - P.72-84.
3. Beguma Z, Chhedat P. //Int. J. Comput. Dent. -2014. - Vol.17, N4. - P.297—306.
4. Komine II, Blatz M.B., Matsumura H. //J. Oral. Sci. - 2010. - Vol.52, N4. - P.531-539.
5. Liu PR //Compend Contin. Educ. Dent. - 2005. -Vol.26, N7. - P.507—508.
6. Lima J.M., Anami L.C., Araujo R.M., Pavanell C.A. // J. Prosthodont. - 2014. - Vol.23, N7. - P.588-591.
7. NayarS, Bhuminathan S, Bhat W.M. //J. Pharm. Bioallied. Sci. - 2015. - Vol.7 (Suppl.1). - P.216-219.
8. Patel N. // Compend Contin. Educ. Dent. - 2014. -Vol.35, N10. - P.739-746.
9. Torabi K, Farjood E, Hamedanib Sh. // J. Dent. (Shiraz). - 2015. - Vol.16. - P.1-9.
Поступила 26.08.2016
- Это полезно знать
ЛАЗЕР ПОМОГ ВЫРАСТИТЬ ТКАНИ ЗУБА ИЗ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК
Американские ученые впервые научно подтвердили, что маломощное световое излучение способствует регенерации тканей за счет активации стволовых клеток. Результаты их исследования, опубликованные в журнале Science Translational Medicine, закладывают основу для разработки новых подходов в реставрационной стоматологии и регенеративной медицине, например, в области заживления ран и восстановлении костной ткани.
Полученные исследователями данные подкрепили скудную информацию о действии фотобиомодуляции (светотерапии) на организм. С изобретением лазера в 1960-х годах стали накапливаться неофициальные данные, указывающие на то, что маломощная световая терапия может стимулировать все виды биологических процессов, способствуя среди прочего омоложению кожи и ускорению роста волос. До сих пор прямых доказательств положительного действия светотерапии не было, существовали лишь разрозненные и довольно противоречивые данные. Теперь ученые выяснили, каким образом слабое лазерное излучение воздействует на организм на молекулярном уровне.
Исследователи из Института Висс в Гарварде просверлили отверстия в коренных зубах грызунов, а затем использовали маломощный лазер для воздействия на стволовые клетки пульпы зубов, преследуя цель сформировать дентин - твердую минерализованную ткань, которая образует основную массу зуба и располагается между эмалью и пульпой. Спустя 12 недель рентгеновские снимки высокого разрешения действительно показали повышенное образование дентина зубов в экспериментальной группе животных. По составу сформированная ткань оказалась очень похожа на обычный дентин зубов, хотя и имела несколько иную морфологическую структуру.
Затем ученые провели серию экспериментов с культурами этих тканей, чтобы выяснить молекулярный механизм действия маломощного лазерного излучения. В результате было обнаружено, что повсеместно встречающийся в клетках регуляторный белок, так называемый трансформирующий ростовой фактор бета-1 (ТРФ-pi), играет ключевую роль в формировании дентина из стволовых клеток.
ТРФ-pi остается инертным до тех пор, пока на него не начнут воздействовать определенные внешние факторы, такие как свет. Ученые продемонстрировали, что при малой мощности лазер вызывает образование активных форм кислорода (АФК), которые активируют данный фактор роста, который, в свою очередь, стимулирует дифференцировку стволовых клеток в дентин.
В настоящее время для изучения механизмов действия стволовых клеток в регенеративных процессах их чаще всего выделяют из тканей, проводят с ними различные манипуляции в лабораторных условиях и затем вводят обратно в организм. Теперь научному сообществу предложен инновационный, неинвазивный и эффективный подход, действующий не только в реставрационной стоматологии, но и в регенеративной медицине в целом. В будущем, если подтвердится безопасность и эффективность этой методики, исследователи планируют провести испытания маломощного лазерного излучения на тканях зубов человека.
Источник: Medportal.ru
