ADDITIVE DIGITAL TECHNOLOHIES IN DENTISTRY

Full Text

Стремительное развитие стоматологической промышленности во всем мире далеко опережает сегодня другие разделы медицины. Настоящий прорыв в стоматологии инициировали цифровые технологии, которые широко используются на всех этапах ортопедического лечения, а самыми распространёнными среди них являются CAD/CAM-системы (Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing) [ 1-6]. Благодаря высокому темпу развития компьютерных технологий с каждым годом появляются всё новые возможности применения автоматизированных систем в стоматологии. Сегодня практически все ведущие мировые производители стоматологического оборудования готовы предложить собственную CAD/САМ-систему [7-10]. Область применения стоматологических CAD/CAM-систем не ограничивается одним только изготовлением зубных протезов. Так, разработано несколько CAD/CAM-систем для применения в хирургической практике. Например, система SURGI GUIDE (MATERIALISE, Бельгия) используется для изготовления индивидуальных хирургических шаблонов, облегчающих правильное расположение зубных имплантатов во время операции. CAD/CAM-система NOBELGUIDESOFTWARE (NOBELBIOCARE, SWEDEN) позволяет изготовить реставрацию непосредственно после установки имплантата. Обе системы используют данные, полученные методом компьютерной томографии, специальное программное обеспечение CAD, чтобы определить идеальное размещение реставрации, и технологии CAM для производства шаблонов или рабочих моделей [11-14]. CAD/CAM-системы подразделяются на открытые и закрытые. Под открытой принято понимать систему, допускающую замену любого из её модулей на аналогичный модуль другого производителя, а её интеграция с другими системами осуществляется без особых проблем. Открытость можно рассматривать на разных уровнях иерархии программного и аппаратного обеспечения системы или её составных частей. В некоторых случаях под открытостью системы подразумевают её соответствие современным промышленным стандартам, обеспечивающее возможность интеграции с другими открытыми системами. Также системы подразделяются на врачебные и зуботехнические по методу получения оптического сканирования. Во врачебных системах проводится интраоральное сканирование с последующей передачей информации в виде цифрового файла. В зуботехнических системах сканирование проводится с гипсовых моделей [15]. CAD/CAM-технологии разделяются по методу изготовления на субтрактивные методы - методы вычитания, и аддитивные методы - методы добавления. Cубтрактивные методы используют процессы фрезерования и шлифования с целью удаления излишков конструкционного материала и создания заданной формы протеза. Данный принцип получения протеза и дал название методу - «отнимающий метод» (англ. subtractive). К аддитивным методам относятся: стереолитография, 3D-печать, селективное лазерное спекание и прямая инъекционная печать [16]. Эти методы производства являются альтернативой субтрактивным методам и называются «добавляющими» (англ. additive). Аддитивное производство, называемое 3D-печатью или фаббер-технологиями, именуемые также технологиями быстрого прототипирования (Rapid rototyping) или трехмерной печати, основаны на автоматическом преобразовании электронных CAD-моделей в твердотельные физические объекты с помощью так называемых фабберов - специальных цифровых устройств механической обработки. 3D-печать в настоящее время значительно более эффективна при создании металлических элементов съёмных протезов [17]. Кроме того, 3D-печать подходит для изготовления более массивных деталей и конструкций (например, лицевого протеза и скелетных моделей), что недоступно CAD/CAM-методам, которые более подходят для производства небольших деталей. Аддитивное производство также позволяет делать заготовки из материалов различной консистенции и свойств [18]. В России единой классификации аддитивных технологий пока не существует, и методы разделяют по применяемым материалам, по наличию или отсутствию лазера, по способам формирования слоя, подвода энергии и т. д. При аддитивном методе производства применяют две принципиальные технологии - лазерную и струйную. Лазерные технологии • лазерная печать, когда ультрафиолетовый лазер постепенно засвечивает жидкий фотополимер либо фотополимер засвечивается ультрафиолетовой лампой через фотошаблон, меняющийся с новым слоем. При этом он затвердевает и превращается в достаточно прочный пластик; • лазерное спекание, при котором лазер выжигает в порошке из легкосплавного пластика слой за слоем контур будущей детали. После этого лишний порошок стряхивается с готовой детали; • ламинирование, когда деталь создаётся из большого количества слоёв рабочего материала, которые постепенно накладываются друг на друга и склеиваются, при этом лазер вырезает в каждом контур сечения будущей детали. Струйные технологии • застывание материала при охлаждении, когда раздаточная головка выдавливает на охлаждаемую платформу-основу капли разогретого термопластика, капли быстро застывают и слипаются друг с другом, формируя слои будущего объекта; • склеивание или спекание порошкообразного материала, по своей сути то же самое, что и лазерное спекание, только порошок склеивается клеящим веществом, поступающим из специальной струйной головки, при этом можно воспроизвести окраску детали, используя связующее вещество различных цветов [19]. Первый лазер был сконструирован в 1960 г. Майманом и не имел никакого отношения к медицине. В качестве рабочего тела использовался рубин, генерирующий красный луч интенсивного света. В 1964 г. Голдман предложил использовать лазер в области стоматологии, в частности, для лечения кариеса. Для безопасной работы в полости рта позже стали применяться импульсные лазеры. С накоплением практических знаний был открыт анестезирующий эффект этого аппарата В 1968 г. СО2-лазер впервые использовался для проведения хирургии мягких тканей. Стоматологические лазеры с каждым годом получают всё большее распространение в современной стоматологии, эндодонтии, пародонтологии, хирургии, ортодонтии, имплантологии, вытесняя традиционные методы работы скальпелем, электрохирургическими и другими инструментами, а также медикаментозные методы лечения инфекций, вследствие очень высокой клинической эффективности и простоты использования. Применение лазеров в стоматологии открывает новые возможности, позволяя врачу-стоматологу предложить пациенту широкий спектр минимально инвазивных и фактически безболезненных процедур, отвечающих высочайшим клиническим стандартам оказания стоматологической помощи. Технология моделирования методом послойного наплавления (Fusеd Dеpоsition Мodeling, или FDМ) была изобретена Скоттом Крампом (S. Scott Crump), который в 1988 г. запатентовал метод 3D-струйной печати. Метод послойного наплавления создаёт трёхмерные формы не с помощью лазерного луча, а с помощью выдавливания струи нагретого жидкого пластика. Следующим этапом развития 3D-прототипирования стало появление в 2000 г. технологии фотополимерной струйной печати Poly Jet. Суть её заключается в том, что головка принтера наносит послойно слой фотополимера, который затвердевает под действием ультрафиолета. Вначале технология создания трёхмерных объектов называлась быстрым прототипированием. Выражение «3D-печать» было предложено Джимом Бредтом и Тимом Андерсоном в 1995 г., когда они модифицировали плоский струйный принтер так, что он выводил изображения не на бумагу, а в специальную емкость и делал их объёмными [20]. Одним из способов быстрого прототипирования, использующимся в стоматологии, является лазерная стереолитография. Термин «стереолитография» введен в 1986 г. Чарльзом В. Халлом, запатентовавшим метод и аппарат для производства твёрдых физических объектов за счёт последовательного наслоения фотополимерного материала. Метод основан на фотоинициированной лазерным излучением полимеризации фотополимеризующейся композиции (ФПК). С помощью этой технологии спроектированный на компьютере трёхмерный объект синтезируется из жидкой ФПК последовательными тонкими (0,05-0,2 мм) слоями, формируемыми под действием лазерного излучения на подвижной платформе [21, 22]. Как правило, процессор формирования горизонтальных сечений предварительно преобразовывает описание 3D-модели будущего объекта из формата STL-файла в совокупность послойных сечений с требуемым шагом по высоте, массив которых записывается в исполнительный файл с расширением SLI. Данный файл представляет собой набор двумерных векторных данных, обеспечивающих последовательное управление ориентацией луча лазера посредством зеркал в процессе синтеза объекта, команды на включение лазера, перемещение платформы и т. д. [23-25]. Далее включается лазер, воздействующий на те участки полимера, которые соответствуют стенкам целевого объекта, вызывая их затвердевание. После этого вся платформа погружается чуть глубже, на величину, равную толщине слоя. Также в этот момент специальная щетка орошает участки, которые могли остаться сухими вследствие некоторого поверхностного натяжения жидкости. По завершению построения объект погружают в ванну со специальными составами для удаления излишков и очистки. И, наконец, финальное облучение мощным ультрафиолетовым светом для окончательного отвердевания. Как и многие другие методы 3D-прототипирования, SLA требует возведения поддерживающих структур, которые вручную удаляются по завершении строительства [26]. Процесс 3D-печати позволяет экономить значительные средства, а также существенно повышать качество хирургических операций, таких как дентальная имплантация. Помимо создания протезов, коронок, мостов с помощью 3D-печати есть возможность изготовления элайнеров для ортодонтического лечения. Для этого производится сканирование зубов, а на основании его происходит 3D-моделирование и последующая печать элайнеров [27, 28]. Лазерная стереолитография позволяет в кратчайшие сроки (от нескольких часов до нескольких дней) пройти путь от конструкторской или дизайнерской идеи до готовой модели детали. Избирательное лазерное спекание - одна из технологий, которые используются для изготовления керамических или металлических зубных реставраций. Примером могут служить стоматологические системы Medifacturing (BegoMedical AG, Германия) и DigiDent (Hint-ELs, Германия). При этом методе компьютер просчитывает траекторию движения инструмента, как и в других существующих CAD/CAM-системах. Однако система не сошлифовывает, а спекает лучом лазера слой материала, двигаясь по заданной траектории внутри емкости, заполняемой послойно керамическим или металлическим порошком. Каждый последующий слой спаивается с предыдущим [31]. В стоматологии стереолитография нашла своё применение в ортопедии, ортодонтии, имплантологии и челюстно-лицевой хирургии [30-35]. Таким образом, цифровые технологии в настоящее время развиваются и совершенствуются, обеспечивая врачей-стоматологов новыми более эффективными возможностями для лечения пациентов. Востребованность технологий обусловлена высоким качеством изготовления зубных протезов и реставраций: эстетичностью, полным контролем толщины и пространства, геометрической точностью размеров ответственных конструкторско-технологических элементов и формы изделия. Кроме того, аддитивные цифровые технологии снижают расход материалов, уменьшают количество необходимого персонала и существенно сокращают сроки передачи информации от пациента зубному технику и сроки изготовления протезов. Сохранение данных в цифровом формате позволяет повторно воспроизвести протез в случае поломки. Разработка новых материалов и аддитивных технологий является новым научным направлением в стоматологии. Врачи-стоматологи должны быть осведомлены о спектре возможностей, предоставляемых цифровыми технологиями. Своевременная подготовка специалистов, в полной мере владеющих цифровыми технологиями, программным обеспечением, является важным условием обеспечения качества стоматологической помощи.

About the authors

R. S Gvetadze

Central research Institute of dentistry and maxillofacial surgery

119991, Moscow, Russia

D. E Timofeev

Central research Institute of dentistry and maxillofacial surgery

119991, Moscow, Russia

Valentina Gavrilovna Butova

Central research Institute of dentistry and maxillofacial surgery

Email: butova49@rambler.ru
Dr. med. Sci., Professor 119991, Moscow, Russia

A. Yu Jerebcov

Central research Institute of dentistry and maxillofacial surgery

119991, Moscow, Russia

S. N Andreeva

Central research Institute of dentistry and maxillofacial surgery

119991, Moscow, Russia

References

Supplementary files